Пятьдесят лет назад произошло знаменательное событие. Теодор Мейман, сотрудник Исследовательской лаборатории фирмы Говарда Хьюза (США), 16 мая 1960 г. продемонстрировал совершенно новый источник высококогерентного света — лазер. В честь этого события 2010 г. был объявлен Международным годом лазера, и научная общественность многих стран отмечала юбилей этого выдающегося научного и технологического достижения. Создание этого замечательного устройства имеет свою продолжительную и драматическую историю. Ей посвящен ряд книг, в том числе книга самого Меймана «Лазерная одиссея». В ней он откровенно и увлекательно рассказал историю создания своего рубинового лазера в условиях жесткой конкуренции между исследовательскими лабораториями могучих фирм и ведущих университетов США. Они начали гонку в стремлении первыми создать генератор световых волн, после того как в 1954 г. был создан генератор радиоволн, использующий вынужденное излучение молекул аммиака (мазер).

Разумеется, созданию лазера предшествовало развитие многих физических фундаментальных идей и экспериментальных результатов. В книге профессора М. Бертолотти «История лазера» описывается это развитие, начиная с античных времен. Эта книга является одной из лучших по этой теме, она выдержала два издания, и ее перевод предлагается российскому читателю. К достоинствам книги относится стремление автора к объективному описанию, не умаляя роль российских ученых. Так, он отмечает выдающуюся роль А.С. Попова в изобретении радио. Естественно, что Бертолотти подробно описывает достижения своего соотечественника Map кони, и читатель узнает, в каких комфортных условиях работал Маркони в отличие от поистине ужасных условий и обстоятельств, выпавших на долю Попова. Касаясь научных результатов, которые имели прямое отношение к исследованиям, приведшим к созданию лазеров, Бертолотти отмечает замечательное открытие Е.К. Завойским электронного парамагнитного резонанса, которое он сделал в Казани в годы войны. Американские исследователи, получившие аналогичные результаты, были удостоены Нобелевской премии. Также Бертолотти воздает должное советским ученым Н.Г. Басову, Б.М Вулу, О.Н. Крохину и Ю.М. Попову, которые показали возможность создания полупроводникового лазера еще до того, как был создан первый рубиновый лазер.

Как известно, фундаментальной основой принципа работы лазера является концепция вынужденного излучения, разработанная А. Эйнштейном. Еще до войны советский ученый В.А. Фабрикант показал в своей диссертации, что при определенных условиях можно получить усиление света, а не поглощение, при прохождении его через слой вещества. Правда, его расчеты и оценки показывали, что этот эффект чрезвычайно мал и трудно рассчитывать на его использование, тем более что уже существовали фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи — приборы, позволяющие регистрировать и усиливать очень слабые оптические сигналы. И Фабрикант не счел необходимым опубликовать свой результат в научных журналах.

Для использования слабого эффекта усиления за счет вынужденного излучения требовалось использование положительной обратной связи, превращающей усилитель со слабым усилением в генератор. Однако концепция генератора и резонатора, с помощью которых можно осуществить положительную обратную связь, была чуждой для специалистов-оптиков. Демонстрация использования эффекта вынужденного излучения для генерации электромагнитного излучения была осуществлена в радиодиапазоне. Ч. Таунс и Н.Г. Басов с A.M. Прохоровым независимо создали принципиально новый источник радиоволн. Свой прибор американские исследователи назвали мазером (английская аббревиатура фразы: усиление радиоизлучения с помощью вынужденного излучения), подчеркивая роль вынужденного излучения. Советские исследователи назвали свой прибор молекулярным генератором, подчеркивая тот факт, что колебательной системой были молекулы, в которых реализовывался эффект вынужденного излучения. Поскольку фундаментальный эффект вынужденного излучения имеет место для электромагнитных волн независимо от их длины, было очевидно, что в принципе можно построить генератор и оптического диапазона. Вот почему Ч. Таунс, Н.Г. Басов, A.M. Прохоров получили в 1964 г., после создания лазера, Нобелевскую премию по физике за свой фундаментальный вклад в решение проблемы создания принципиально нового источника (генератора) света — лазера.

Следует подчеркнуть, что практическая реализация переноса концепции генератора, использующего эффект вынужденного излучения, из радиодиапазона в оптику представлялась крайне трудной. Одной из принципиальных проблем был необходимый резонатор. В радиодиапазоне резонаторы обычно имеют размер, определяемый длиной волны. Длина волны света исключала возможность использования подобных резонаторов в оптике. Здесь важнейший результат был получен A.M. Прохоровым, который предложил и со своими сотрудниками экспериментально продемонстрировал резонатор электромагнитных волн нового типа, образованный двумя параллельно расположенными пластинами с высоким коэффициентом отражения. Можно вспомнить, что так же устроен интерферометр Фабри-Перо, изобретенный в 1899 г. Но это был спектроскопический прибор с высоким разрешением. Никто не рассматривал его как особый тип резонатора. Прохоров показал, что такой резонатор является открытым и в него можно поместить вещество, обладающее, пусть даже малым, коэффициентом усиления.

Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе «Война миров» (1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэш Гордона (1950) широко использовались пистолеты, испускающие световые лучи, — оружие, которое сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры.

Слово «лазер» теперь хорошо известно и неспециалисту, который буквально окружен применениями лазерного света, в области в области медицины (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникации (волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации на компакт-дисках, голограммы), а также в технологии (сверление, резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, печатание газет).

Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).

Здесь уместно сказать, что лазер является источником света с особыми свойствами, радикально отличающимися от обычных источников, таких как свеча или лампочка. В самом деле, свет лазера одного цвета (а не смесь цветов белого света) и испускается в одном направлении (а не во всех направлениях, как свет лампочки). Это позволяет нам собирать его линзой и фокусировать в область очень малых размеров. Спектральная чистота и направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность в малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.

 В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение — доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение — процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.