Покоренная плазма

Совместная служба гелия и неона

У нас обыкновенная кварцевая трубка длиной около метра и диаметром полтора сантиметра. На концах — кольца-электроды, к ним тянутся провода от высокочастотного генератора. В трубке заперты гелий и неон — инертные газы которые превратившись в плазму, становятся деятельными создателями когерентного света. Трубка отличается от обычных лишь тем, что у ее концов установлены два зеркала. Лазер! — догадываетесь вы, и эта догадка верна.

В трубке атомов гелия в десять раз больше, чем неона. Такая пропорция не случайна. Когда включается высокочастотный генератор и в трубке зажигается тлеющий разряд, электроны чаще всего сталкиваются с атомами гелия и возбуждают их. Атомы гелия оказываются на втором уровне, на котором в атомных масштабах могут быть довольно долго. Такие возбужденные атомы сталкиваются с атомами неона и отдают им свою энергию.

У неона ступеньки уровней расположены чаще, чем у гелия. Поэтому, когда атом гелия избавится от энергии и вернется на первый уровень, атом неона, получив эту энергию, оказывается заброшенным на свой четвертый уровень. Второй уровень атомов гелия и четвертый неона совпадают. Так как в трубке атомов гелия значительно больше, чем атомов неона, то порции энергии идут от гелия к неону. Получается накопление атомов неона на четвертом уровне.

Но ведь атомы стремятся соскользнуть на более низкий уровень. Такие самопроизвольные переходы случаются и с атомами неона: они с четвертого спускаются на третий уровень. Но этот уровень напоминает скользкую ступеньку: на ней атомы почти не задерживаются и скатываются еще ниже. И несмотря на то что на третий уровень атомы неона подбрасываются еще и соударениями с электронами, все равно на нем их оказывается меньше, чем на более высоком, четвертом, уровне. А это как раз и является условием для возникновения вынужденного излучения атомов неона.

Как рождается вынужденное излучение в активной среде, вы уже знаете из рассказа о рубиновом лазере. Фотон, возникший при самопроизвольном переходе какого-либо атома неона с четвертого на третий уровень, пролетая мимо возбужденного до четвертого уровня атома неона, заставляет и его тоже перейти на третий уровень и испустить фотон. Дальше процесс повторяется, и в плазме возникает фотонная лавина. Многократно отражаясь от зеркал, эта лавина разрастается, и часть ее вырывается через одно полупрозрачное зеркало. Непрерывным потоком струится из газового лазера когерентный свет.

Разница в энергии между четвертым и третьим уровнями неона невелика, поэтому и фотоны, возникающие при вынужденном излучении, обладают небольшой энергией. А чем меньше энергия фотона, тем, как известно, больше длина световой волны. И действительно, газовый лазер излучает наиболее длинные световые лучи — невидимый инфракрасный свет. Длина его волны от 0,6 до 3,4 микрона.

Как видите, газовый лазер коренным образом отличается от рубинового. В нем взаимодействуют два разнородных газа, забрасывание атомов на верхние уровни производится не световой накачкой, а силами электрического поля, и, кроме этого, лазер испускает свет не импульсами, а непрерывно. Последнее обстоятельство, а также то, что в газе меньше плотность активных молекул, объясняет, что газовые лазеры имеют небольшую мощность — доли ватта. Но у них есть целый ряд преимуществ в сравнении с кристаллическими.

Во-первых, газовый лазер дает по частоте исключительно однородный сигнал. Отклонения от основной частоты составляют всего одну десятимиллиардную долю. Такое отклонение обычными оптическими методами невозможно даже измерить — приходится применять специальные, довольно сложные методы.

Во-вторых, газовый лазер не боится резких перепадов температур, чего нельзя сказать о рубиновом. Стержень рубинового лазера при работе очень сильно нагревается, приходится его охлаждать либо воздухом, либо жидким азотом. Но равномерно охладить кристалл не удается: внутренние слои стержня всегда оказываются горячее наружных. А раз так, кристалл может лопнуть, как лопается стакан, когда в него наливают кипяток. Газовый лазер таким недостатком не страдает.

Наконец, третье преимущество газовых лазеров состоит в том, что его можно делать любых размеров, для чего нужно брать необходимой длины разрядные трубки. Размеры кристаллического лазера определяются длиной стержня, который, как уже отмечалось, длиннее тридцати сантиметров не делают. Слишком длинный стержень труднее изготовить и труднее осуществить его световую накачку.

Газовые лазеры только начинают свою жизнь. Описание первого из них было опубликовано лишь в 1961 году. Некоторое время спустя удалось сделать лазер, который, как и рубиновый, создавал видимый, красный свет. В этом лазере, трубка которого тоже наполнялась смесью гелия с неоном, электрический разряд поддерживался постоянным напряжением около 1700 вольт. Полное давление газов в трубке достигало 0,7 миллиметра ртутного столба.

Появились также новые газовые лазеры, создающие инфракрасный свет. Так, разряд в смеси аргона с кислородом, осуществленный в одном из таких лазеров, создавал вынужденное излучение длиной волны около 8,5 микрона. Газовый лазер на смеси криптона и паров ртути излучал инфракрасный свет с длиной волны в 6 микрон. Все это говорит о том, что возможности, которыми обладает плазма как источник вынужденного излучения, только начинают раскрываться. Целый ряд специалистов-физиков, в том числе и профессор В. А. Фабрикант, считают, что в скором времени газовые лазеры среди квантовых усилителей света выйдут на первое место.

Преимущества их, упомянутые выше, позволяют на это надеяться.

Лазер — прибор, который уже сейчас нужен ученым, инженерам, химикам. Как для газовых, так и для кристаллических лазеров имеется непочатый край задач, которые другими средствами выполнить либо труднее, либо невозможно вообще. Какие это задачи, вы сейчас узнаете.