Первую трудность довольно легко преодолеть. Возьмите сравнительно короткий отрезок трубки, заполненной активным веществом, и по торцам ее, строго параллельно друг другу, расположите два зеркала. Если фотон-инициатор на своем пути от левого торца трубки до правого породил, скажем, сто подобных себе когерентных фотонов, то, достигнув правого торца, эти сто фотонов отражаются от зеркала и отправляются в обратный путь. На обратном пути каждый из них порождает еще сто фотонов. Десять тысяч фотонов отражаются от левого зеркала и т. д. Процесс происходит до тех пор, пока вещество остается активным, т. е. пока в нем еще имеет место инверсия населенностей.
Усиление происходит непрерывно, если в трубку постоянно подкачивать свежее активное вещество. В процессе участвуют фотоны, направление движения которых совпадает с осью трубки. Фотон, направление движения которого хоть чуть-чуть отклоняется от оси трубки, после двух-трех отражений выходит за пределы трубки и не «портит* активное вещество. Полученный в результате параллельный когерентный пучок фотонов можно вывести за пределы трубки, сделав одно из зеркал полупрозрачным.
С первой трудностью вы справились. Но как получить монохроматический пучок, т. е. пучок, все фотоны которого имеют строго одинаковую энергию, а значит, строго одинаковую частоту? Так могло бы быть, если бы у всех атомов и молекул разности между двумя соответствующими энергетическими уровнями имели строго одинаковое значение. На самом деле так не бывает. Энергетические уровни в атомах и молекулах имеют конечную ширину, или тонкую структуру. Объясняется это множеством причин. Например, электрон, состояние которого считается соответствующим данному энергетическому уровню, а спин направлен, скажем, справа налево, на самом деле обладает энергией, слегка отличающейся от энергии электрона, находящегося в точно таких же условиях, но имеющего спин, направленный слева направо. Возможны и другие эффекты.
Атомы в газе находятся в постоянном движении. Если в каком-то атоме происходит вынужденный переход, частота излученного кванта равна некоторой величине, определяемой разностью энергетических уровней, между которыми произошел переход, плюс-минус скорость движения атома. Это так называемый линейный эффект Доплера. Плюс берется, когда атом движется в ту же сторону, ^ что и излученный фотон. В противном случае берется знак минус. Если скорость движения атома или электронов внутри атома сравнима со скоростью света, они живут в собственном времени в соответствии с соотношениями теории относительности. Снова поправка, известная как квадратичный эффект Доплера. Если атомов в активном веществе немного, пучок фотонов получается маломощным. Однако взяв побольше атомов, вы столкнетесь с их влиянием друг на друга, а это снова послужит причиной изменения частоты отдельных фотонов.
Который час?
Попытаемся оценить, насколько серьезны отклонения от монохроматичности. Знаете ли вы, что одним из первых практических применений мазеров стало использование их в качестве атомных часов? До 1957 года самыми точными часами в мире считалась наша старушка Земля, причем учитывалось ее вращение вокруг собственной оси. Развитие науки и техники потребовало часов более точных. С 1957 по 1967 год для точного измерения промежутков времени стали использовать движение Земли по орбите вокруг Солнца. Погрешность таких часов составляла 10-8, т. е. относительная погрешность измерения времени равнялась одной миллионной доле процента.
В 1967 году впервые появились часы, где роль маятника играли атомы цезия-133. Точнее, использовались кванты, излучаемые при переходе электронов между двумя определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния этих атомов. И здесь удалось перехитрить природу. Вместо того чтобы использовать переходы между возбужденным и основным или двумя возбужденными состояниями, решили использовать переходы внутри одного и того же состояния. Это позволило избежать ошибки, связанной с размытостью отдельных энергетических уровней.
Каков результат? Погрешность цезиевых часов определяется величиной порядка 10~и, т. е. относительной погрешностью в одну миллиардную долю процента. Что же касается Земли, то из эталона времени она превратилась в объект для проверок. И не зря. Оказалось, что часы Земля не так уж точны. Они «ходят» в тысячу раз хуже цезиевого эталона.
Начиная с 1967 года секундой стали называть интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 77Q колебаний в цезиевых часах. Аналогичным образом изменилось и определение единицы длины — метра. Теперь метр — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.