Химические лазеры
Само слово «горючее», точнее, связанные с ним ассоциации, слишком заманчиво для того, чтобы так уж сразу отказаться от попыток продолжить намечающуюся здесь аналогию. Что такое химическая реакция? Точнее, что происходит, когда из двух или более атомов образуется молекула? Образуется новый набор энергетических уровней и новый набор электронных конфигураций.
Для простоты рассмбтрим случай, когда в экзотермической химической реакции участвуют два вещества, например два газа. До начала реакции каждый из газов находился в равновесном состоянии, что означает нормальное распределение по энергетическим уровням. Большинство атомов находится в основных состояниях, но при этом имеется и большое количество атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Теперь представьте себе, что встречаются два атома, из которых один находится в состоянии i, а второй — в состоянии /. В каком состоянии должна находиться образовавшаяся в результате молекула? Она не может находиться в состоянии, в точности характеризуемом величиной энергии i+i, потому что такого состояния попросту не существует. Но с большой степенью вероятности она окажется в состоянии, наиболее близком к сумме i+i. Почему? Ответ все тот же: природа ленива, из всех возможных исходов она по преимуществу (заметьте, не всегда, а по преимуществу) выбирает тот, который требует наименьших затрат, в данном случае преодоления меньшей разности энергий.
Даже если указанные состояния i и / были основными состояниями атомов, из этого вовсе не следует, что состояние, которое примет молекула (как мы только что установили, ближайшее к сумме i+i), будет ее основным состоянием. В результате химической реакции образуется множество молекул, находящихся в самых разных энергетических состояниях. Нет ничего необычного в том, что подберется такая пара веществ, атомы которых в момент объединения породят молекулы, находящиеся в метастабильном возбужденном состоянии, иначе, породят вещество с инверсией населенностей.
Поместив смесь двух реагирующих веществ в промежуток между двумя зеркалами, вы получите лазерное излучение и отработавшее вещество, которое представляет собой не что иное, как результат химической реакции. Но теперь уже оно характеризуется тем, что большинство его молекул находится в основных состояниях.
Конструкция химического лазера похожа на реактивный двигатель самолета. Внутрь объема, который у нас есть все основания назвать камерой сгорания, поступают, дейтерий, фтор и углекислый газ (в случае самолетного, двигателя это были бы, скажем, керосин и кислород воздуха). Начинается реакция, которую, так же, как и в самолетном двигателе, может оказаться необходимым инициировать с помощью электрической искры. В процессе протекания реакции на какое-то мгновение возникает инверсия населенностей и, если в нужном месте оказывается пара зеркал (а она и оказывается в нужном месте), образуется лазерное излучение. Инверсия населенностей, как говорят, высвечивается, и продукт реакции, характеризуемый теперь уже нормальным распределением молекул по энергетическим уровням, выбрасывается за пределы камеры сгорания.
Температура газа на выходе больше, чем температура смеси газов на входе (в свое время мы считали это обстоятельство одним из недостатков лазера). Газ, находящийся при большей температуре, обладает дополнительным запасом энергии, и этот запас может быть использован, например, для приведения в действие насоса, накачивающего газовую смесь в камеру сгорания.
Жидкие лазеры
Лазеры строят и на жидкостях — столь разнообразны средства для решения одной и той же задачи. Что надо для того, чтобы возник лазерный эффект? Система из нескольких, не менее трех, четко выраженных энергетических уровней. В жидкости атомы не закреплены на определенных местах, что не дает возможности воспользоваться методом малых примесей. В то же время они недостаточно интенсивно взаимодействуют друг с другом, чтобы можно было организовать непрерывный обмен энергией между атомами различных веществ. Как же поступают в этом случае? Очень просто. Если нельзя закрепить атом в кристалле, его можно закрепить в молекуле. Нужно только, чтобы молекула была достаточно сложной и большой.
Так и поступают. Для жидкостных лазеров используют специальные вещества, называемые хелатами. Хе-латы характеризуются своеобразным строением молекул. В каждой молекуле атом редкоземельного элемента, например европия, окружен и тем самым отделен от остальной молекулы несколькими атомами кислорода.