Еще занимаясь радарами, Таунс понял, что для них нельзя использовать все длины волн: молекулы воды в воздухе, например, интенсивно поглощают миллиметровые волны. Но отсюда следовало, что поглощение микроволн может служить основой для новой техники — микроволновой спектроскопии, позволяющей определять строение молекул.
А затем Таунсу пришла в голову идея: микроволны такого диапазона соответствуют разности энергий между некоторыми молекулярными уровнями. Значит, можно попробовать кардинально перестроить всю радарную технику — вместо того, чтобы возбуждать электроны в резонаторе, заставить молекулы прямо излучать нужные кванты.
Но ведь каждая молекула излучает, вообще говоря, сама по себе, а нужно получить мощный импульс. Как же заставить их излучать одновременно?
Давайте вспомним, как происходит процесс излучения. Электрон в атоме или молекуле может поглотить фотон, энергия которого равна разности между двумя уровнями, и подняться, в результате, на более высокий энергетический уровень — атом или молекула возбуждаются, т. е. приобретают избыточную энергию (правильнее, конечно, сказать, что в них на верхний уровень поднимается электрон). Через какое-то время после возбуждения (время высвечивания) они переходят на более низкий энергетический уровень спонтанным, случайным образом, выделяя энергию, равную разности между двумя уровнями, в виде фотона. В 1917 г. Альберт Эйнштейн, как мы уже говорили, доказал необходимость существования еще и индуцированного излучения, при котором возбужденные атомы или молекулы, под действием резонансных фотонов, немедленно возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, неотличимые от тех, которые стимулировали этот возврат.
Но для того, чтобы получить мощный излучатель, надо собрать вместе много возбужденных молекул. Как сделать, чтобы они не начали излучать преждевременно? Таунс решает эту задачу и в декабре 1953 г. строит такую установку уже в Колумбийском университете. Этот прибор он называет «мазер» (аббревиатура английского выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation — микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения).
В первом мазере молекулы аммиака проходили через электрические поля специальной конфигурации, которые отталкивали молекулы находящиеся в основном состоянии и фокусировали возбужденные молекулы в резонансной полости. Когда в полости накапливалась достаточная концентрация возбужденных молекул, то небольшая порция излучения резонансной частоты (фотоны с энергией, равной разности между основным и возбужденным состояниями молекулы аммиака) вызывала лавинообразный рост индуцированного излучения, возбуждение еще большего числа молекул, находившихся в основном состоянии, и еще большее возрастание этого излучения. В результате получается мощный усилитель излучения на резонансной частоте (в случае аммиака — в микроволновом диапазоне).
Как при этом оказалось, частота мазеров настолько стабильна, что они могут служить высокоточными часами. С помощью двух мазеров Таунс и его коллеги проверили и подтвердили специальную теорию относительности Эйнштейна, причем эту проверку позже назвали наиболее точным физическим экспериментом в истории. А в радиоастрономии мазеры, усиливающие чрезвычайно слабые, ранее неизмеримые сигналы, позволили распознавать радиоисточники на огромных расстояниях от Земли.
Прохоров и Басов шли к построению молекулярного генератора (предложенное ими название, позже вытесненное словом мазер) несколько иным путем. Прохоров, до войны аспирант в Лаборатории колебаний Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева (ФИАН) в Москве, возвращается после двух ранений на фронте к работе с ламповыми генераторами. Но в 1947 г. его интересы перемещаются в микроволновую область, к так называемому синхротронному излучению вращающихся электронов, а затем к радиоспектроскопии. Он организует группу молодых исследователей, которые, используя радар и радиотехнику, разработанные главным образом в США и Англии во время и после Второй мировой войны, исследуют вращательные и колебательные спектры молекул.
Помимо чисто спектроскопических исследований, Прохоров проводит теоретический анализ применения микроволновых спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени. Полученные выводы привели Прохорова и его молодого сотрудника Басова к идее использования индуцированного излучения.
Для своих опытов они избрали то же вещество, что и Таунс — аммиак, разница состояла лишь в деталях отделения возбужденных молекул от молекул, находящихся в основном состоянии. В 1964 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и У. Таунс разделили между собой Нобелевскую премию по физике.
Метод накопления возбужденных молекул, использованный в первых мазерах, был очень громоздок и мало эффективен. Нужно было придумать нечто иное. И новые схемы были, по-видимому, практически одновременно предложены несколькими исследователями.
В 1955 г. Прохоров и Басов предлагают новый «трехуровневый метод» создания мазера: атомы (или молекулы) с помощью «накачки», частота которой соответствует разности энергий между третьим и первым уровнями, загоняются на самый верхний уровень. Система уровней выбрана так, что электроны быстро сваливаются на второй, промежуточный энергетический уровень, который оказывается плотно заселенным.
Ну а далее мазер испускает излучение на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточными и нижним уровнями. (Разделение частоты накачки и рабочей частоты сыграло большую роль в эволюции всех квантовых приборов.)
В 1956 г. Николас Бломберген (р. 1920, Нобелевская премия 1981 г.) предлагает отойти от использования только газовых сред как рабочего вещества и взять за основу при разработке мазеров принцип трех уровней в кристаллах.
В том же 1956 г. Таунс показывает, что такие трехуровневые системы можно найти в некоторых твердых кристаллах, содержащих примеси. Эти атомы, будучи возбуждены высокой частотой накачки, могут затем достаточно долго сохранять возбуждение на промежуточном, рабочем уровне, чтобы потом, когда их количество достигнет критического значения, разом под действием фотона резонансной частоты излучить накопленную энергию.
В 1958 г. Таунс и его шурин, муж младшей сестры, Артур Л. Шавлов (р. 1921, Нобелевская премия 1981 г.) сформулировали условия построения мазера, излучающего в инфракрасной, видимой и даже ультрафиолетовой областях спектра.
А в 1960 г. Теодор Г. Мейман (р. 1927) запустил первый твердотельный лазер (от английского выражения light amplification by stimulated emission оf radiation — световое усиление с помощью стимулированного излучения), излучавший красный свет, со стержнем из искусственного рубина с зеркальными концами. Рубин химически представляет собой прозрачный окисел алюминия (Al2O3), матрицу с примесями в виде атомов хрома, которые и создают его окраску, а в лазерах являются «работающими» трехуровневыми системами.
В дальнейшем были предложены и осуществлены различные схемы построения лазеров. Одной из самых популярных стало стекло с атомами неодима, работающее по четырехуровневой схеме — рабочим переходом является переход между третьим и вторым уровнями, что обеспечивает возможность получения больших мощностей[48] и т. д. Дальнейшее развитие лазеров носило лавинообразный характер, приведя к образованию новой области — квантовой электроники. Накачка лазеров может производиться током, светом, излучением других типов лазеров, а также в ходе химических реакций. Ныне лазеры — газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные — используются в связи, машиностроении, медицине, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве и в военных областях.
Особую роль, включая сейчас уже даже домашнюю электронику, играют миниатюрные лазеры на так называемых гетеропереходах, созданные группой Жореса Ивановича Алферова (р. 1930). Он разделил Нобелевскую премию 2000 г. с Хербертом Кроемером за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров», и с Джеком Килби за работы в области интегральных схем.
Нередко в ходе исследовании приходится придумывать какие-то необычные приспособления их подручных материалов. Так, поскольку измерить интенсивность излучения лазера было в начале работ не очень просто, в лабораториях стали использовать такую «единицу»: число лезвий безопасных бритв (выбирали стандартные), прожигаемых одиночным импульсом. И вот в серьезных докладах зазвучали слова типа: «Использовали лазер в три бритвы…»
Развитие физики лазеров привело к выделению такой области исследований как лазерная химия, возможно лазерное разделение изотопов, исследуются возможности лазерного индуцирования термоядерных реакций (А. Д. Сахаров, 1962) и т. д. Рассматриваются возможности объяснения ряда наблюдаемых небесных явлений с учетом мазерных эффектов в их излучениях.
Уже очень давно высказывались предположения, что, в принципе, можно было бы осуществить эффект индуцированного излучения не на атомных, а на ядерных уровнях — это позволило бы строить лазеры в рентгеновском и даже гамма-диапазонах (их заранее назвали разерами и газерами), однако до сих пор реальных результатов в этом направлении получено не было.
Важнейшими особенностями лазерного излучения являются его высокая монохроматичность, т. е. строгая одинаковость частоты всего излучения, когерентность, т. е. равенство фаз по всему излученному импульсу (напомним, что только когерентные волны могут интерферировать), краткость импульсов и их мощность, острая направленность луча, выходящего из резонатора. Так, еще 9 мая 1962 г. луч лазера, направленный на Луну, создал на ее поверхности освещенное пятно диаметром около 6,4 км, видное с Земли. Современные лазеры могли бы послать «зайчик» меньшего размера, но гораздо большей яркости.
В 1985 г. Чу и его коллеги создали такое пересечение лазерных лучей (его назвали «оптической патокой»), в котором скорость атомов газа уменьшалась в несколько тысяч раз, а это соответствует уменьшению температуры в сотни раз. Разработанная ими же атомная ловушка, использующая лазеры и магнитные катушки, могла фиксировать охлажденные атомы и давала возможность их исследования. Между 1988 и 1995 гг. Коэн-Тануджи и его коллеги добились охлаждения атомов до температуры в 1 микрокельвин, что со