Чтение онлайн

Джаван приехал из Ирана, не зная английского языка, но, проработав несколько лет в окружении таких ученых, как Раби, Таунс, Куш, составивших славу Колумбийскому университету, не только акклиматизировался, но и освоил тончайшее искусство физического эксперимента. Вместе с тем он вполне овладел и математическим аппаратом физической теории, без которого научный эксперимент скатывается к ползучему эмпиризму.

Квантовая электроника, одной из точек роста которой был Колумбийский университет, привлекала способных молодых ученых бескрайними перспективами своих возможностей, головоломными задачами, возникавшими на каждом шагу, трудностями, поджидающими тех, кто идет впереди.

Джаван решил посвятить себя созданию газового лазера. Газовый лазер должен был иметь ряд преимуществ перед твердотелым. Именно тех преимуществ, которые казались недостатками при сравнении усилителя на пучке молекул аммиака с твердотелым парамагнитным усилителем.

Молекулы газов имеют узкие спектральные линии. Это должно было сделать излучение будущего газового лазера очень узкополосным. Как сказали бы оптики, очень монохроматическим, то есть очень одноцветным. Именно этого недоставало лазерам на рубине, хотя они были очень и очень одноцветными по сравнению со всеми известными ранее источниками света.

Несмотря на то, что в первой статье Таунса и Шавлова речь шла именно о газовом лазере, сначала, как известно, родился лазер на рубине — твердотелый лазер. Это объясняется трудностью осуществления того варианта газового лазера, который обсуждался Таунсом и Шавловым. Авторы предлагали применить в качестве активного вещества пары щелочных металлов и использовать оптическую накачку. Впрочем, такой вариант все же был осуществлен, однако значительно позже.

Джаван решил отказаться от лобовой атаки и использовать для получения активной среды обходный путь. Правда, в некотором смысле этот путь должен был быть более прямым. Ведь при оптической накачке требуется очень яркий свет. В рубиновом лазере это свет лампы-вспышки, получаемый за счет мощного электрического разряда в трубке, наполненной ксеноном. Энергия света, даваемого такой лампой, составляет только малую долю от затраченной электрической энергии. Да и получаемый свет используется очень плохо. Лишь очень небольшая часть его попадает в две сравнительно узкие полосы поглощения рубина. Остальной свет бесполезно поглощается в арматуре и переходит в тепло.

Так нельзя ли, подумал Джаван, использовать электрический разряд в газе непосредственно для получения активного инверсного состояния, избежав таким способом промежуточной стадии превращения электрической энергии в световую и связанных с этим потерь?

Электрические разряды в газах уже давно интересовали ученых. Еще Ломоносов и Рихман в России и Франклин в США изучали природу и свойства молний. Рихман трагически погиб во время одного из своих опытов, когда молния, которую он при помощи железного прута завлек в лабораторию, отклонилась от предначертанного для нее пути. С тех пор прошло много времени. Исследования разнообразных свойств электрических разрядов в газах позволили глубоко проникнуть в их механизм. Появились и технические применения таких разрядов. Это и мощные выпрямители, в которых разряд в парах ртути превращает переменный ток мощных энергосистем в постоянный ток, движущий электровозы на железнодорожных магистралях и троллейбусы и трамваи в городах. Это и яркие огни газосветных реклам и целебное сияние «горного солнца» ртутного разряда, горящего внутри трубок из плавленого кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей.

Но все, что добыли поколения ученых, исследовавших свойства газового разряда, говорило о крайней трудности получения в нем инверсионной населенности. Рассчитывать на получение активной среды таким путем было очень трудно. Нижние энергетические уровни газов заселялись под действием электрического разряда сильнее, чем верхние. А инверсия, как мы знаем, — это состояние, при котором хотя бы один из верхних уровней заселен сильнее, чем один из нижних.

К этому и был направлен обходный путь Джавана.

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.