Процесс перевода атомов из состояния 1 в состояние 3 получил название накачки. Накачивать вещество можно различными способами, но пока ограничимся оптической накачкой, т.е. будем считать, что вещество освещается, а энергия фотонов, испускаемых источником света, достаточна для переброса атомов из состояния 1 в состояние 3. Значит, задача создания твердотельного лазера наконец-таки решена? Конечно, воспользоваться идеей трехуровневой схемы накачки весьма заманчиво. Но беда в том, что в твердом теле нет никаких уровней. Энергетические уровни отдельных атомов объединяются там в зоны, и зон, о которых может идти речь, либо только две, как в полупроводниковых изоляторах, либо одна общая зона, как в проводниках.
Ну что же — снова тупик? Не столько тупик, сколько трудность, и трудность преодолимая. Надо брать не чистые вещества, а вещества с примесями. Причем атомов примеси должно быть очень немного. Если выбранное вещество—кристаллическое твердое тело, атомы примеси располагаются в узлах кристаллической решетки, а расстояния между атомами примеси настолько велики, что отдельные характерные для этих атомов энергетические уровни не объединяются в зоны.
Можно подобрать такую пару основное вещество — примесь, чтобы три выбранных энергетических уровня примеси находились на достаточно больших расстояниях от других энергетических уровней. В частности, они могут находиться в пределах запрещенной зоны. Пример такого вещества с примесью — рубин (окись алюминия АЬО'З с примесью хрома). Здесь роль атомов примеси играют атомы хрома. У розового рубина содержание хрома составляет примерно 0,05%, т.е. примерно 1019 атомов на 1 см3, вполне хватает, чтобы создать четко выраженную трехуровневую схему и построить лазер огромной мощности.
Рубиновый лазер представляет собой стерженек рубина диаметром 0,5 см и длиной 4 см. Противоположные торцы стержня полируют, для того чтобы они были строго параллельны, и покрывают пленкой серебра. Вот и все. Освещают стерженек подходящим источником света, например ксеноновой лампой-вспышкой, и в ответ очень короткий, около Ю-3 с, импульс когерентного монохроматического излучения огромной мощности. Короткий потому, что атомы в рубине расположены компактно и вынужденные переходы в них осуществляются практически одновременно огромной мощности по той же причине; Имеются способы существенно сократить длительность импульса, доведя ее до Ю-9 с. Тогда мощность в импульсе достигнет 1010 Вт, что превосходит мощность самых больших электростанций мира.
Назад к газам
Располагать потоком световой энергии мощностью в десятки киловатт весьма заманчиво. В конце этой главы мы поговорим о применениях лазеров и мазеров. Но вас не смущает, что уж больно все гладко обстоит с рубиновым лазером? Не бывает так — природа ничего не дает даром. Давайте искать недостатки. Один из недостатков просто лежит на поверхности. В рубине атомы примеси расположены далеко друг от друга; но они все же взаимодействуют и друг с другом, и с атомами основного вещества гораздо сильнее, чем атомы в разреженном газе. Поэтому правильнее говорить не об отдель-' ных энергетических уровнях, а об очень узких, но все же энергетических зонах.
Точность, с которой поддерживается частота излучения рубинового лазера, не идет ни в какое сравнение с точностью частоты мазеров на разреженном газе с механическим разделением. Воспользовавшись терминологией оптиков, скажем, что ширина спектральной линии излучения рубинового лазера в лучшем случае составляет доли ангстрема. Это мало по сравнению, например, с шириной спектральной линии излучения красного фонаря, которым пользуются фотографы. Но все же долям ангстрема соответствуют сотни тысяч мегагерц. Часов, даже очень плохих, на рубиновом лазере не построишь.
Мы обратились к рубину в погоне не за точностью, а за мощностью. И на этом пути нас, конечно, подстерегают неприятности. Как работают трехуровневые схемы? Вещество поглощает от внешнего источника энергию, количество которой пропорционально разности между уровнями 3 и 1, а излучает количество энергии, пропорциональное разности энергий либо между уровнями 3 и 2 либо 2 и 1. То есть поглощается энергии больше, чем выделяется. Избыток поглощенной энергии преобразуется в тепло.
Речь идет о мощностях в десятки киловатт и размерах рубинового стерженька порядка 1 см3. Если бы рубиновый лазер излучал непрерывно, он испарился бы через доли секунды. Но и для импульсного излучения имеются свои пределы. Существует много причин, по которым часть энергии превращается в тепло. Например, неидеальное отражение от торцов рубинового стержня. Так что импульсные лазеры тоже перегреваются. Перегрев из-за потерь энергии — явление в технике очень даже привычное. Давно придуманы меры борьбы с ним — разные способы охлаждения. Рубиновый лазер, для того чтобы он не слишком перегревался, можно обдувать воздушной струей точно так же, как обдувается радиатор автомобиля.