Герой романа Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» изобрел прибор, способный создавать узкий параллельный световой пучок, несущие большую энергию и вызывающий серьезные разрушения на значительных расстояниях. Физики не раз убедительно доказывали, что гиперболоид, совершающий такие действия, принципиально невозможен. Но при этом упускали из виду, что невозможность создания такого прибора отнюдь не означает невозможности создания такого луча. Недавно физики получили подобные лучи в свое распоряжение. Их принесла новая область физики — квантовая электроника, возникшая на наших глазах. Однако и у нее уже есть своя небольшая история.

Во всех известных нам до недавних пор источниках света излучающие его атомы работают крайне несогласованно, хаотично. Они испускают различный свет в разное время по любым направлениям. Такой свет, удаляясь от источника даже в виде первоначального пучка (например, луч прожектера), быстро расплывается на все большую и большую площадь, напоминая в сечении контуры веера. Это не позволяет пересылать заметные количества электромагнитной энергии на космические расстояния.

Если бы можно было заставить возбужденные атомы излучать свет одной и той же длины волны одновременно, да еще в строго определенном направлении, мы получила бы принципиально новый источник света. Именно таким источником и является лазер, способный создавать лучи, подобные лучам гиперболоида инженера Гарина.

Чтобы лучше понять глубокое различие между обычными тепловыми источниками света и лазером, приведем следующую аналогию.

Представьте себе огромный хор, где нет дирижера и каждый из участников стоит, как ему захотелось (кто лицом, а кто и спиной к публике), поет свою отличную от других песню, начиная и кончая, когда ему вздумается. Зрители при этом услышат только невообразимый шум. Именно так ведут себя атомы в обычных источниках света.

Но приходит дирижер, и все участники хора поворачиваются лицом к зрителям и одновременно начинают исполнять одну и ту же песню. Такой хор можно услышать на весьма большом расстояний от эстрады. По этому принципу работают атомы в лазере.

Как же удалось заставить атомы работать так согласованно?

Хорошо известно, что любая среда, в которую проникает свет, поглощает и рассеивает его лучи. Если бы Исааку Ньютону оказали, что возможно создать среды, усиливающие пропускаемый ими свет, он бы наверняка в это не поверил.

Классическая теория колебаний утверждает, что диполь, на который воздействует периодически изменяющееся электромагнитное поле, может, в зависимости от соотношения фаз между колебаниями поля и колебаниями самого диполя, либо поглощать энергию поля, либо отдавать ее полю. В первом случае имеет место положительная абсорбция, во втором — отрицательная абсорбция или вынужденное излучение энергии под влиянием электромагнитного поля. Это излучение отлично от обычного спонтанного излучения, происходящего под влиянием внутренней неустойчивости системы, и обычно складывается с ним. Так как вынужденное излучение стимулируется внешним полем, то, в отличие от спонтанного излучения, оно будет строго согласованным во времени.

А. Эйнштейн первым в 1917 г. распространил этот принцип на квантовые системы, указав, что атомы также должны испускать вынужденное излучение под влиянием падающей электромагнитной волны. Только при этом условии ему удалось вывести формулу Планка на основе статистических соображений.

В 1927 г. английский физик П. Дирак обратил внимание на то, что вынужденное излучение атомов должно иметь место лишь при условии совпадения частоты падающего электромагнитного излучения с одной из возможных частот для атомов данного сорта. Иными словами, атомы должны испускать такие же кванты, какие содержатся в падающем излучении.

Заинтересовавшись природой вынужденного излучения, советский физик, профессор В. А. Фабрикант решил подробно разобраться в этом вопросе. В 1939 г. В. А. Фабрикант защитил докторскую диссертацию, в которой впервые теоретически обосновал возможность создания оптических сред, усиливающих проходящий через них свет. В 1951 г. он вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал авторское свидетельство на эту идею, осуществление которой позволило бы создать принципиально новый способ усиления электромагнитного излучения.

На пути к созданию такой среды, значительная часть атомов которой, в нарушение термодинамического равновесия, длительное время находится в возбужденном состоянии, встретились очень большие трудности. Первыми их преодолели советские физики академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. В 1952 г. они сообщили на научной конференции о работе по созданию молекулярного усилителя и генератора радиоволн на аммиаке. В этом необычном генераторе все молекулы аммиака согласованно излучали электромагнитные волны одной и той же длины. Постоянство частоты генератора было так велико, что первым его применением оказалась служба времени. Построенные на таком принципе молекулярные часы имеют непревзойденно высокую точность.

Вскоре об аналогичном молекулярном генераторе радиоволн сообщил американский физик Ч. Таунс. Он же предложил называть такие генераторы мазерами.

Так родилась квантовая электроника.

Но всеобщее признание она получила лишь после создания квантовых генераторов оптического диапазона — лазеров. Первый лазер был создан в 1960 г. Немалая доля заслуг в создании лазеров также принадлежит советским физикам академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и профессору В. А. Фабриканту.

Вот как, например, выглядит газовый лазер.

Его основная деталь — продолговатая трубка, заполненная смесью двух благородных газов — гелия и неона. За торцами трубки находятся плоские строго параллельные зеркала, способные отражать до 99 % падающего на них света, одно из которых слегка прозрачно.

Возбуждая с помощью электродов газовый разряд в трубке, мы прежде всего сообщаем энергию атомам гелия, а они, в свою очередь, возбуждают путем столкновений атомы неона. Так как атомы неона излучают полученную энергию не мгновенно, а с некоторой задержкой, в газовой смеси возникает большое количество возбужденных атомов неона. Первые же кванты, излученные атомами неона, многократно отражаясь от зеркал, стимулируют путем вынужденного излучения лавинообразный процесс освобождения энергии, приводя к мощной вспышке монохроматического света. Этот процесс можно повторять с большой частотой.

Лазеры имеют много преимуществ перед обычными источниками света. Чтобы получить от нити лампы накаливания такую же яркость светового луча, какую дает лазер, надо нагреть ее до температуры в 10 миллиардов градусов, а это в полтора миллиона раз выше температуры поверхности Солнца.

Плотность энергии в пучке лазерного света так велика, что под влиянием ее расплавляются самые тугоплавкие материалы и прожигаются отверстия в алмазах.

Луч лазера может уходить на огромные космические расстояния от Земли, перенося энергию и информацию. Информационная емкость такого канала связи чрезвычайно велика — по нему одновременно можно передавать тысячи телевизионных программ.

Лазер можно использовать для избирательного возбуждения отдельных компонент в сложных химических смесях, вызывая и стимулируя необычные химические реакции.

Применение лазеров создает принципиально новые возможности осуществления управляемых термоядерных реакций и ускорения элементарных частиц до сверхвысоких энергий.

Лазеры открывают невиданные перспективы перед многими разделами современной оптики. Помимо этого, они уже позволили создать новый ее раздел — нелинейную оптику сверхмощных световых полей.

За фундаментальные исследования в области квантовой электроники академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров вместе с Ч. Таунсом в 1964 г. удостоены Нобелевской премии.