3. Кванты и светлячки

                Бархат, монохроматор, арифмометр какой-то… ну, когда же,               
                наконец, этот автор напишет что-нибудь о лазерах? –
                спросит читатель, и будет прав.
                Но и автор, как уже ясно из предыдущего, познакомился с
                этим загадочным устройством далеко не сразу, и вначале –
                теоретически, чему в немалой степени способствовали
                затянувшиеся поиски способов поднятия полутонны железа на
                высоту одного метра.
                Вот и начнём с теории, только не совсем той, которой
                наполнена научная и научно-популярная литература.
                У нас будет сказка, и пусть, читая её, улыбнётся тот, кто
                знает, что такое пропагатор и эйкональные уравнения…
               
Светлячки...
Вы когда-нибудь видели этих сияющих в темноте насекомых? Ну, даже если не видели – знаете, что такие водятся где-то в тёплых краях. Вот такие, примерно, как на рис.1
 
А мы с вами придумаем необыкновенных светлячков.
Их особенность в том, что летать они не умеют, да и фонарики у них специальные – вспыхивают только когда светлячки прыгают вниз с высокой горки. Ну а на горку этих нелетающих товарищей, понятное дело, нужно поднимать, например, мягко подбрасывать теннисной ракеткой. Этот аттракцион они любят и с удовольствием сваливаются с горки вниз, чтобы снова попасть на нашу «катапульту». А мы при этом наблюдаем маленькие вспышки, которые, если светлячков много, сливаются в постоянное свечение.

Я попытался изобразить это на картинке (рис.2)
Здесь светлячки как звёздочки, пока поднимаются вверх – фонарик спрятан, а когда падают вниз, зажигая фонарик – почти солнечного цвета, ну, или мне так хочется видеть. А светят они в разные стороны, как попало.
Но однажды светлячкам стало скучно прыгать вниз неорганизованной толпой, и они попросили меня сделать маленькую хитрость – установить чуть пониже горки что-то вроде полочки, так, как на рисунках внизу. Спросите, зачем?
Дело в том, что так они могут договориться, чтобы, собравшись на полочке, прыгнуть вниз одновременно, всем сразу.

Смекаете, что будет?
Правильно – вниз быстро свалится светящаяся стая, и мы увидим короткую вспышку, намного более яркую, чем свечение, наблюдаемое раньше. Вот, на рис.3 видны два состояния: готовность к прыжку и собственно полёт.

Смотрите, что получается: светлячки забираются на горку и ступают на полочку каждый сам по себе, а потом спрыгивают одновременно, все вдруг, и светят в одну сторону, потому и вспышка ярче.

Здесь, конечно, может возникнуть новый вопрос – как же они договариваются? Но ответить на него легко, если вспомнить их основное свойство. Конечно же, при помощи света, световых сигналов. Как только начинает падать вниз и зажигает свой фонарик первый светлячок из компании на полке – остальные видят вспыхнувший свет и сигают следом.

Теперь, уважаемый читатель, можете удивиться следующей фразе:
Только что мы рассмотрели принцип работа лазера.

Как так?
А представьте себе, что светлячки – это атомы вещества. Мы ведь знаем что атомы обычно находяться в состоянии равновесия с окружением (это наш нижний уровень),  но если сообщить им энергию (катапульта) – могут перейти в возбуждённое состояние (подняться на горку), сваливаясь с которой, будут излучать свет.

При этом способы сообщить энергию атома хорошо известны. Один из них – нагревание, например, электрическим током – так работают лампы накаливания с вольфрамовой спиралью. В газоразрядных лампах «ракеткой» для подбрасывания тоже служит электрический ток, вернее, электрическое поле, разгоняющее ионы. А если вы видели свечение деталей одежды на концертах под действием ультрафиолета, то знаете, что энергию для свечения атомам может сообщать и оптическое излучение.

Но как же сделать «полочку» для возбуждённых атомов?
Тут нам помогла сама природа. Оказывается, в некоторых веществах, в частности, в кристаллах, такие «полочки» или энергетические уровни уже существуют, и называются они метастабильными состояниями. Исторически первым кристаллом, где метастабильное состояние атомов позволило получить лазерное излучение, стал кристалл рубина Al2O3, светлячками в котором работают добавленные в небольшом количестве атомы хрома.

Итак, вот оно, отличие поведения атомов при лазерной генерации от обычного свечения: в лазере атомы получают энергию каждый отдельно, а отдают, «спрыгивая» с метастабильного состояния, одновременно, все вдруг.

Конечно, в реальности не всё так просто. Для получения генерации в лазере на кристалле рубина нужен источник оптического излучения высокой интенсивности – импульсная лампа. Для того, чтобы она вспыхнула, нужен   источник энергии, или, на профессиональном жаргоне, «накачки». А ещё нужен также оптический резонатор, без которого синхронизовать прыжки атомов вниз не удастся. Кроме того, приходится согласовывать высоту подбрасывания с высотой горки (попасть в полосу поглощения света, иначе говоря – полосу возбуждения активных атомов).

Есть ещё одна особенность: светлячки не очень любят прыгать вниз, если там скопилась толпа сородичей, предпочитая свободное пространство. Поэтому наш аттракцион будет более эффектным и ярким, если сделать ещё одну полочку внизу, чуть выше основания, и при этом она должна быть скользкой, чтобы на ней никто не задерживался, а значит, всегда свободной.
Такая схема генерации называется четырёхуровневой, в отличие от трёхуровневой, с которой мы познакомились сразу, и по эффективности она значительно превосходит первую.

А теперь, чтобы читатель поверил в сказку о светлячках, я приведу одну из диаграмм-схем энергетических уровней лазеров, публикуемых в литературе, в данном случае тоже почти популярной [презентация для медиков]- рис.4.
 
 
Как видите, это практически полная аналогия с нашим весёлым аттракционом.
Думаю, что теперь другие тонкости, связанные с работой реальных лазеров, читатель, при наличии интереса, легко найдёт в Интернете.

Продолжение здесь:
http://stihi.ru/2021/03/02/5368