ВЕРОЯТНО ИЛИ НАВЕРНЯКА?

Физики и инженеры во многих случаях считают атомы и молекулы, образующие газ, идеально упругими шарикам. При столкновении такие шарики ведут себя подобно бильярдным шарам. Упругие столкновения играют важную роль при течении газов и при полетах самолетов, если только они не достигают сверхзвуковых скоростей. Но при возникновении электрических разрядов в газах решающую роль играют соударения второго рода, при которых энергия движения сталкивающихся атомов или молекул переходит в их внутреннюю энергию.

Джаван решил использовать именно такие соударения и избрал для этого одну из простейших систем — смесь двух наиболее легких инертных газов гелия и неона.

Если пропускать через разреженный гелий электрический ток высокого напряжения, в нем загорится бледно-голубой разряд. Неон в таких же условиях дает яркое красное свечение. По счастливой случайности нижний из возбужденных уровней гелия почти совпадает с одной из полос возбуждения неона. Это обстоятельство и решил использовать Джаван.

Он заключил в трубку небольшое количество гелия, так что его давление составляло лишь немногим более тысячной доли атмосферного давления, и добавил туда в десять раз меньшее количество атомов неона. Возбудив в трубке электрический разряд, Джаван увидел яркое красное свечение неона, более яркое, чем при отсутствии гелия. Голубоватого свечения гелия почти не было видно. Именно этого он и ожидал. Это он и провоцировал.

Электрический разряд, конечно, возбуждал атомы гелия. Но прежде чем они успевали самопроизвольно излучить свои голубоватые фотоны, с ними сталкивались невозбужденные атомы неона, отбирая у них запасенную энергию. При этом атомы гелия возвращались в невозбужденное состояние без излучения фотона. Это был классический удар второго рода. Атом неона при столкновении отбирал у атома гелия избыточную внутреннюю энергию! При этом атом неона сам оказывался возбужденным, а небольшой избыток внутренней энергии атома гелия уходил на нагревание газа.

Подобные процессы имел в виду Фабрикант, обсуждая вопрос о возможности наблюдения индуцированного излучения. Как теперь выяснилось, и другие ученые еще в тридцатых годах наблюдали, что в газовых разрядах населенности некоторых уровней инвертируются.

Но Джаван первым подошел к этому с позиций радиофизики. Он был хорошо знаком с аммиачным молекулярным генератором и хотел создать что-нибудь подобное на световых волнах. Джаван не только понял, что таким путем можно получить инверсию населенностей энергетических уровней неона, но и знал, что нужно, чтобы прибор загенерировал. Выбор Джавана был удачным потому, что тот уровень неона, который возбуждался при столкновении с возбужденным атомом гелия, входил в группу из четырех уровней, ниже которой, одна под другой, располагаются еще две группы. При переходе с возбужденного уровня на любой уровень верхней из этих групп должен излучаться фотон инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. При дальнейшем переходе на один из уровней нижней группы излучаются фотоны красного света, хорошо знакомые по обычным неоновым рекламам.

Предварительные исследования показали Джавану, что он может действительно надеяться на то, что в его трубке возникнет инверсия населенностей энергетических уровней неона, то есть он, вероятно, получит активную среду. Вероятно, но не наверняка. Еще осенью 1959 года Джаван не был уверен, что его прибор будет работать. Мы знаем, что именно это было темой его бесед с Басовым.

Вернувшись в Москву, Басов со своим молодым сотрудником О. Н. Крохиным построили необычайно прозрачную теорию, из которой было видно, что Джаван избрал верный путь. При некоторых условиях его прибор должен был работать. Сейчас этот расчет Басова и Крохина вошел в учебники, но Джаван обошелся без него. Он полагался на свою интуицию и приближенные, но обнадеживающие оценки.

Получение активной среды — лишь одна часть задачи. Нужно обеспечить и обратную связь. Джаван поместил внутрь своей трубки два плоских зеркала. Расчеты показали ему, что лучшие серебряные зеркала недостаточно «зеркальны». Они отражают не больше 95 процентов падающего света, а вычисления требовали более 98 процентов. Иначе обратная связь оказалась бы недостаточной для возбуждения генерации. Прибор остался на бумаге.

Были изготовлены специальные зеркала, образованные более чем десятком перемежающихся слоев сульфида цинка и фторида магния. Каждый слой толщиной около половины микрона практически прозрачен. Все слои вместе тоже кажутся прозрачными. Они пропускают почти весь свет. Только волну длиной в 1,15 микрона они почти полностью отражают. Для этой волны отражающее действие всех слоев складывается, подобно толчкам от весел хорошо сработавшейся команды гребцов.

Человеческий глаз не видит инфракрасного излучения. Но для коротковолновой части этого диапазона существуют электронно-оптические преобразователи, превращающие инфракрасное излучение в видимое. Поместив такой преобразователь на оси своего прибора, Джаван увидел, как его экран осветился. Это значило, что из прибора выходит инфракрасное излучение. Постепенно увеличивая ток через прибор, Джаван наблюдал увеличение свечения. Потом вдруг на экране ярко засияло небольшое круглое пятно. Остальная часть экрана казалась совсем темной. Так впервые заработал газовый лазер.

В отличие от рубинового лазера Меймана газовый лазер Джавана работал непрерывно все время, пока был включен питающий его источник электроэнергии. Непрерывная работа объяснялась тем, что хаотическое тепловое движение вызывало быстрое перемешивание газа, и активных атомов было достаточно, чтобы генерация не прекращалась.

Большая однородность газа по сравнению с лучшими кристаллами рубина обеспечила существенное преимущество лазера Джавана перед лазером Меймана. Луч света, выходящий из газового лазера, был в сотни раз более узким, чем в случае рубинового лазера.

У газового лазера расхождение луча вызывается только двумя причинами — несовершенством зеркал (их отклонением от идеальной плоскости) и дифракцией, то есть неизбежным загибанием световых волн за край ограничивающего их отверстия. В случае рубинового и других твердотельных лазеров большое дополнительное расхождение луча вызывается неоднородностями среды, возникающими при изготовлении кристалла. Подобные неоднородности, конечно, много большие по величине, можно видеть в оконном стекле, где они иногда вызывают заметные искажения формы предметов, наблюдаемых через стекло.

Исследование свойств излучения, даваемого газовым лазером, подтвердили надежды Джавана. Действительно, спектр излучения газового лазера был очень похож на спектр молекулярного генератора. Он состоял из немногих очень узких спектральных линий. Присутствие нескольких линий вызвано тем, что в генераторе одновременно возбуждались различные типы колебаний, как это бывает в скрипичной струне. Смычок, как правило, одновременно возбуждает множество звуковых тонов, которые, налагаясь друг на друга, обеспечивают характерное звучание скрипки. При известном искусстве скрипач может добиться возбуждения чистого тона. Этого же удается достичь в газовом лазере. Для этого нужно ограничить ток, проходящий через газ, с тем чтоб возбуждение было небольшим, и поставить между зеркалами одну или несколько диафрагм. Диафрагмы будут действовать подобно сурдинке, которую иногда применяют скрипачи с целью подавить нежелательные колебания струны.