ояние между зеркалами, осуществляющими обратную связь.
Физики научились выделять один из этого потока сверхкоротких импульсов. А недавно они разработали способы дополнительного уменьшения длительности импульсов вплоть до нескольких фемптосекунд (фемптосекунда равна 10–15 секунды). Это открыло возможность изучать кратковременные процессы, происходящие за время, в течение которого свет успевает пролететь расстояние всего в три микрона.
Для некоторых технических целей нужны столь большие энергии, что их невозможно получить при помощи лазеров, описанных выше. Поиски новых возможностей привели к успеху.
Прохоров и его сотрудник Конюхов особенно преуспели в создании лазеров нового типа — газодинамических лазеров. Их действие основано на особенностях охлаждения очень горячих газов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями в особых соплах. При таком движении в газе нарушается тепловое равновесие. Молекулы, обладающие более высокой внутренней энергией, начинают численно преобладать над теми, внутренняя энергия которых меньше.
Именно в подобных случаях вынужденное испускание фотонов, предсказанное Эйнштейном, преобладает над поглощением. Пропустив такой газовый поток между зеркалами, реализующими обратную связь, получают лазерную генерацию.
Таким образом, газодинамический лазер состоит из устройства для нагрева газа, сверхзвукового сопла, системы обратной связи — оптического резонатора — и устройства для нейтрализации отработавшего газа.
Самые мощные газодинамические лазеры работают на смеси углекислого газа с азотом и другими примесями, близкими к тем, о которых говорилось выше. Но в отличие от них генерацию в газодинамических лазерах получают в продуктах сгорания углеводородных топлив. Так можно в течение длительного времени получать непрерывную лазерную генерацию с мощностью до сотен киловатт.
Несколько слов о химических лазерах. Их получили академик Басов, член-корреспондент РАН, В. Л. Тальрозе, профессор А. Н. Ораевский и их сотрудники. Они добились больших успехов в разработке и создании химических лазеров. Энергия, необходимая для генерации, черпается в них непосредственно из химической реакции газов. Наиболее изучена и наиболее широко применяется реакция соединения фтора с водородом.
Полупроводниковые лазеры тоже прошли большой путь развития. Основной задачей исследователей было уменьшение величины электрического тока, необходимого для получения лазерной генерации. Уменьшение силы тока позволило ограничить нежелательное тепловыделение, а значит, устранить необходимость применения специальных охлаждающих устройств. Многочисленные попытки достичь этой цели изменением конструкции полупроводниковых лазеров или созданием новых полупроводниковых материалов не привели к существенному продвижению к цели. Требовалась новая радикальная идея. Следовало отказаться от попыток улучшать известное. Путь эволюционных изменений себя исчерпал.
Радикальное предложение внёс сотрудник Ленинградского физико-технического института РАН, ныне академик, лауреат Нобелевской премии за 2002 год Жорес Иванович Алфёров. Нет ничего удивительного в том, что радикальная идея в области полупроводников возникла в ленинградском Физтехе. Ведь там существует мощная школа физиков, учеников и последователей создателя Физтеха академика А. Ф. Иоффе, первым понявшего широкие перспективы исследований и применений полупроводников. В Физтехе исследования физики полупроводников и поиск путей их технического применения велись с первых лет существования этого первого научного учреждения, созданного советским народом после победы Октябрьской революции.
К началу Великой Отечественной войны из стен Физтеха вышли и были освоены промышленностью принципиально новые полупроводниковые выпрямители электрического тока, чувствительные фотоприёмники и эффективные генераторы, питавшие партизанские радиостанции.
Алфёров установил, что основным препятствием на пути совершенствования полупроводниковых лазеров является то, что кристаллическая структура полупроводниковых элементов зависит от их состава. Но для изготовления полупроводникового лазера необходимо создать структуру, в которой объединены два неодинаковых полупроводника. Объединены так, чтобы между ними возник тонкий плоский переходный слой. Именно свойства этого переходного слоя определяют достоинства и недостатки полупроводникового лазера.
Выход, предложенный Алфёровым, состоит в том, что нужно научиться создавать тонкие слои полупроводника, обладающие различным химическим составом, различными электрическими свойствами, но одинаковой кристаллической структурой. Если кристаллическая структура приграничных слоёв двух полупроводниковых веществ одинакова и одинаково ориентирована в пространстве, то возникает оптимальное согласование их свойств.
Такой переходный слой получил название «гетеропереход». «Гетеро» — от греческого слова «другой».
Применение гетеропереходов привело к существенному улучшению свойств различных полупроводниковых приборов. Особое значение они приобрели при создании новых типов лазеров. Таким путём удалось в десятки тысяч раз уменьшить силу тока, необходимого для достижения лазерной генерации.
В результате этого полупроводниковые лазеры получили широкое применение. Главная область, где в полной мере проявляются их достоинства, — световодные системы связи. С их помощью в этих системах электрические сигналы преобразуются в оптические, которые распространяются в световодах на расстояния в сотни и тысячи километров. Полупроводниковые приёмники вновь превращают световые сигналы в электрические. После усиления эти сигналы направляют к пользователям или вновь подают на следующий полупроводниковый лазер. Порождаемые им сигналы могут быть введены в следующий участок световода. Так, длинными скачками, информация передаётся на тысячи километров.
Ещё одна важнейшая область применения полупроводниковых лазеров и полупроводниковых источников света, не снабжённых обратной связью, — создание ЭВМ последующих поколений. Пока в этой области делаются лишь первые шаги. Речь идёт о передаче оптических сигналов на малые расстояния. Но эта передача должна идти так, чтобы система оказалась нечувствительной к электромагнитным помехам. И работать она должна со скоростями, значительно превышающими быстродействие современных ЭВМ как в части обработки сигналов, так и при записи информации и её извлечении из запоминающих устройств.
Всё, описанное в этой главе, — результат новаторских идей и создания материалов, не существующих в природе. Конечно, и для создания искусственных материалов, обладающих наперёд заданными свойствами, нужны оригинальные идеи, но нужна также интуиция, мастерство и настойчивость технологов. Ведь изготовить искусственные материалы, зачастую объединяющие в себе с трудом совместимые свойства, можно только в искусственно созданных и с большой точностью управляемых условиях. Это проблемы, без решения которых было бы невозможно продвижение в мир лазеров.
МУЖАНИЕ ЛАЗЕРОВ
Наука — это великое украшение.
И чрезвычайно полезное орудие.
Таковы две неразрывно связанные стороны научного знания: одна — духовная, другая — практическая.
Л. де Бройль
Идет 1978 год. На улице Вавилова в Москве вырос новый пятиэтажный дом. Я побывала здесь вскоре после того, как этот огромный корпус был полностью передан во владение Прохорова и его сотрудников. За годы, прошедшие после стокгольмского чествования, фронт работ в области квантовой радиоэлектроники так развернулся, что пришлось построить для физиков новое здание, оборудованное самой совершенной аппаратурой. Теперь это крупный научно-исследовательский центр, в котором работают сотни людей вместо прежних десятков. Одни комнаты напоминают заводские цехи — станки, арматура, гул мощных электродвигателей. Другие похожи на химические лаборатории — из колб над горелками вьется пар, в ретортах булькает кипящая жидкость. А есть комнаты, в которых только столы и на стенах — черные доски. Здесь либо абсолютная тишина — теоретики за работой, либо яростные споры — опять же теоретики за работой: идет семинар, или летучка, или просто обсуждаются новые идеи, критикуются старые, оцениваются результаты экспериментов.
И в цехах, и в лабораториях, и в кабинетах один бог — лазер. В разговорах — лазер. Среди приборов — лазер. Этот бог имеет массу лиц. Огромный, как бочка с квасом, и крошечный, как точка. Разный в различных комнатах. Сегодня не такой, как вчера. Завтра не такой, как сегодня.
Вся деятельность ученых, воспитанных Прохоровым, сосредоточена на одном: заставить атомы и молекулы самых различных веществ — газов, жидкостей, кристаллов, природных и синтетических, — генерировать свет. Излучать острые, как игла, лучи самых различных цветов: красные, зеленые, синие, фиолетовые, наконец, невидимые глазом. Создавать световые вспышки, грозные, как пуля, нежные, как весенние солнечные лучи, хлесткие, как удар кнута, вспышки, способные испарять и резать металл, вспышки, так сжимающие атомы вещества, что они вынуждены нарушать предписанные им природой законы…
— Наша лаборатория, как видите, выросла, но дело, конечно, не в количественном росте. Главное — существенно изменилась тематика, — рассказывает Прохоров. — Прежде для нас важнейшим был молекулярный генератор, от него пошло все мазеростроение. Мы исследовали кристаллы рубина. Создали сверхчувствительные усилители. Новый этап развития квантовой электроники — создание лазеров, исследование вещества с помощью лазера и для создания новых типов лазеров, применение лазеров в различных областях науки и техники.
Войдем же в прохоровские владения и попытаемся увидеть все своими глазами.
Сектор мощных лазеров. Здесь все крупномасштабно — и сами лазеры, и вспомогательные устройства. Лазеры установлены на массивных металлических столах, тянущихся вдоль длинных комнат. Их окружают выпрямители, блоки питания, жгуты электрических проводов, внушительные системы охлаждения. Оптические зеркала и призмы корректируют, направляют лазерный луч. В углу лаборатории вижу резиновые калоши на Гулливера — с высоким напряжением работать небезопасно. На рабочих столах — непременно защитные очки.