Таким образом, если перевести атомы какого-либо вещества на верхний уровень и облучить их волной соответствующей длины, все атомы будут излучать согласованно, в такт с проходящей волной. Колебания источников излучения будут когерентными. Правда, нужно найти вещества, атомы которых длительное время могли бы находиться в возбужденном состоянии и не излучали бы самопроизвольно. Физики нашли такие вещества.
Один из наиболее распространенных квантово-механических приборов — генератор когерентного светового излучения. Он назван лазером.
Это название составлено из первых букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Так же составлены названия и других квантово-механических приборов: мазер — генератор сантиметровых и миллиметровых радиоволн, и разер — генератор инфракрасных лучей.
Основа лазера — кристалл искусственного рубина, внешним видом и размерами похожий на толстый карандаш. В качестве примеси в кристалл входят ионы хрома. При облучении обычным, некогерентным зеленым светом от мощного внешнего источника (его называют генератором «накачки») энергия как бы накачивается в кристалл (рис. 25) и беспорядочно переводит ионы хрома на верхний уровень. Они так же самопроизвольно и беспорядочно возвращаются, но не на нижний уровень, а на средний, теряя только часть приобретенной энергии. Здесь они могут удерживаться достаточно долго. А уже с этого уровня их может столкнуть на нижний уровень — одновременно, как по команде, — луч красного света.
Зеленый свет применяется для накачки лазера потому, что энергия его квантов соответствует энергии, необходимой для перевода ионов хрома с нижнего уровня на верхний. Переход со среднего уровня на нижний соответствует излучению красного света, поэтому только красный луч и может вызвать излучение возбужденных до среднего уровня атомов.
Полезная работа лазера состоит в том, что энергия луча, проходящего сквозь кристалл,
Рис. 25. Схема энергетических уровней (зон) ионов хрома в рубине.
увеличивается за счет излучения ионов, и из прибора луч выходит усиленным. Но лишь десятая доля процента, идущая от лампы-накачки, преобразуется в рубине в узкий пучок красного цвета.
Только узкая полоса частот соответствует зеленому свету, который переводит ионы хрома с нижнего энергетического уровня на верхний. Эта полоса так узка, что практически луч лазера монохроматичен, т. е. излучение идет на одной частоте. Сконцентрированные на среднем энергетическом уровне ионы скачком переходят на нижний уровень и излучают частоту, соответствующую разнице между энергиями нижнего и среднего уровней.
Излучение лазера импульсное, так как ионы не могут долго удерживаться на среднем уровне. Стоит нескольким из них перейти на нижний уровень, как появившийся красный луч начнет вызывать переходы других ионов.
Пройдя вдоль рубинового «карандаша», луч усилится сравнительно ненамного. Поэтому торцы кристалла покрывают серебром и полируют, превращая их в отражающие зеркала. Отражаясь от них, луч многократно пройдет из конца в конец по кристаллу, соберет энергию со всех возбужденных ионов и выйдет через узкое отверстие, оставленное в одном из посеребренных концов, т. е. выстрелит красным лучом. Весь этот процесс длится тысячные доли секунды.
В последнее время появились и лазеры непрерывного действия. Они работают как усилители света.
К описанному остается добавить, что гене-
241