Пойманное пространство 3 - Лазеры

От автора: Уважаемые читатели, эта глава была написана 30 лет назад, и сегодня весьма многие проблемы уже не актуальны, а иные проекты либо осуществлены, либо просто оказались нереальными... Я не стал исправлять написанное, сохранив всё, как было. Прошу это учитывать.

                Глава третья
                ЗЕМНОЕ СВЕРХСОЛНЦЕ ЭНШТЕЙНА

Девятого января 1968 года на Луну спустился очередной американский космический аппарат. Его решетчатые ноги коснулись лунной поверхности в 1 час 05 минуты по Гринвичу. Сорок минут спустя телекамера начала демонстрировать землянам каменистую поверхность нашего естественного спутника.

Впрочем, к такого рода картинам уже привыкли. Лунные кадры уже не вызывали той жгучей сенсации, с ко-торой были встречены телепередачи, проведенные два года назад советской станцией «Луна-9». Ученые ждали иного. По программе исследований камера должна была показать вид Земли в ее первой четверти.

И действительно, двадцатого января на экранах Центра управления полетами в Хьюстоне появился узкий яркий серп, а рядом с ним — темная, безжизненная тень. Ни одного светлого пятна не виднелось на ночной стороне Земли, а ведь там люди еще не ложились спать, сияли витрины и уличные фонари Нью-Йорка, Рио-де-Жанейро, Чикаго...

И вдруг в этой тьме вспыхнула точка, за ней другая. Они соперничали по яркости со сверкающим серпом, а ведь до них было триста восемьдесят тысяч кило-метров.

— Анджелес, Фриско! Мы вас видим! — раздался голос руководителя полета.

Это были лучи лазеров, один из которых находился неподалеку от Лос-Анджелеса, а другой возле Сан-Франциско. И что интересно — не какие-то там сверхмощ-ные «световые пушки», а скромные лабораторные приборчики мощностью около трех ватт. Однако они соперничали в яркости с тысячами электрических ламп, освещавших улицы многомиллионных городов. И неудивительно.

Ведь в руках ученых было нечто, природе совершенно недоступное само по себе. Электричество — прирученная молния, и только. А рубиновые стерженьки лазеров ведут себя так, как будто это абсолютно черное тело, нагретое до температур, которые и не снились даже звездным недрам: миллиарды градусов. Отсюда и яркость света, а особое его качество — когерентность — позволило лазерному лучу дойти до Луны.

Без лазера, без этих миллиардов градусов и когерентности не появилась бы голография. И потому следует с лазерами познакомиться поподробнее.

Как заселить верхний этаж?
Путь к лазеру был долгим и извилистым. Начался он, как нередко бывает, с довольно невинного желания: увидеть собственными глазами то, что предсказывали формулы теоретиков. Увидеть вынужденное излучение света.

По этой проблеме были написаны две фундаментальные статьи с почти одинаковыми названиями: «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» и «Квантовая теория испускания и поглощения излучения».

Первую опубликовал в 1917 году Эйнштейн, и речь в ней шла о том, что кванты света, фотоны, могут выбрасываться атомом вследствие двух причин. Либо электрон самопроизвольно, спонтанно перепрыгивает с более высокой орбиты на более низкую, тем самым уменьшая свою энергию (значит, весь атом теряет энергию, становится менее возбужденным), и эта энергия выделяется в пространство в виде кванта. Либо электрон, находящийся на высокой орбите, «подталкивается» (ставлю слово в кавычки, потому что прямого подталкивания, наподобие взаимодействия бильярдных шаров, тут нет) пролетающим неподалеку от атома фотоном. Для этого фотон должен обладать точно такой же энергией, которую выбросит наш спрыгивающий с высокой орбиты электрон. В таком случае происходит акт вынужденного излучения.

Вторая статья, увидевшая свет десять лет спустя, принадлежала перу выдающегося английского физика-теоретика, одного из создателей квантовой механики, Поля Андриена Мориса Дирака. Он существенно расширил вывод Эйнштейна. Творец теории относительно-сти показал, что фотон, который спровоцировал вынужденное излучение, не теряется, а продолжает свой путь рядом с новым, только что возникшим. Эйнштейн подошел к проблеме с квантовых позиций. А Дирак распространил вывод и на волновые процессы: фотоны будут вести себя не только как совершенно неотличимые друг от друга частицы, но и как волны электромагнитного излучения с абсолютно точно совпадающими частотами, фазами и поляризациями, то есть они будут когерентными колебаниями.

В дальнейшем физики на основании работ Эйнштейна и Дирака установили, что при определенных условиях вещество способно усиливать свет и вообще электромагнитные волны. Нужно только добиться, чтобы возбужденных, находящихся в высокоэнергетическом по-ложении атомов было больше, нежели обычных, спокойных. Легко сказать — «только добиться»!..

Невозбужденные атомы охотне поглощают энергию, и получается, что природа предпочитает такие состояния вещества, когда «счет игры» в пользу не возбужденных, а спокойных атомов. Ученые говорят: когда населенность нижних энергетических уровней больше, чем верхних. Что же нужно сделать, чтобы забросить электрон на верхний энергетический этаж?

Очень немного: передать ему квант той самой энергии, которую электрон излучит, падая вниз либо вынужденно, либо спонтанно. А после того, говорили формулы Эйнштейна и Дирака, как мы добьемся, что большая часть электронов заселит определенный верхний энергетический этаж и в веществе образуется инверсия населенностей (нормально ему не свойственная), можно пускать «свои» фотоны и усили-вать электромагнитную волну без всяких ламп и транзисторов!

Как же добиться инверсии? В те годы этого никто не знал. А проверить выводы знаменитых ученых очень хотелось.

Немецкий физик Ладенбург попытался в начале тридцатых годов обнаружить побочные явления, которые следовали из теории. Он рассуждал так. Преломление света и его поглощение в веществе взаимосвязаны. Если существуют эффекты Эйнштейна—Дирака, то во время опыта должно снизиться поглощение света (вследствие вынужденного излучения), а за ним тут же изменится и преломление. Вопрос в том, какой эффект легче будет поймать: речь ведь шла о стотысячных, даже миллионных долях процента.

Фотометры, с помощью которых измеряют интенсивность света, гораздо менее чувствительны, нежели приборы для изучения показателя преломления, и Ладенбург решил воспользоваться одним из таких приборов — интерферометром, разработанным в 1912 году русским физиком Дмитрием Сергеевичем Рождественским (в тридцатые годы он был уже академиком, директором основанного им ГОИ — Государственного оптического института в Ленинграде), а заодно и посоветоваться с Рождественским насчет методики эксперимента.

Ладенбург приехал в Советский Союз, побывал в ГОИ, потом провел у себя на родине серию опытов и добился, как ему казалось, успеха. Однако Рождественский и другие ученые поставили результат под сомнение. Они считали, что не учтены кое-какие важные моменты. Словом, вопрос остался открытым: есть ли вынужденное излучение на самом деле?

Может показаться странной такая недоверчивость к теории, тем более выдвинутой столь авторитетными специалистами. Квантовая гипотеза давно уже доказала свою правоту, привела в порядок формулы излучения, стала фундаментом великолепной, хорошо «работающей» модели атома. «К чему проверки,— скажет далекий от физики человек,— если формулы согласуются с реально наблюдаемыми явлениями, предсказывают неведомое с почти абсолютной точностью? Ну не удается на опыте установить какой-то эффект — так ведь и без подобно-го эксперимента все иные получаются прекрасно! Значит...»

А вот ничего и не значит. Физика — наука опытная, и есть в ней правило: многократно проверенный отрицательный результат «закрывает» проблему, а вот положительный требует всё новых и новых проверок, всё новых испытаний на прочность, всё более точных измерений всевозможными методами. Потому что уж сколько раз бывало: проверяют тысяча первым образом всем студентам известное явление, получают расхождение с теорией на ничтожную долю процента, а потом и всю теорию, и чуть ли не всю физику приходится пересматривать...

Так что сделать опыт надо непременно, пусть в формулах ученый уверен, как в дне своего рождения.

Новую идею экспериментальной проверки формулы Эйнштейна выдвинул в 1939 году молодой физик, кандидат наук Валентин Александрович Фабрикант. Он работал тогда во Всесоюзном электротехническом институте — ВЭИ имени В. И. Ленина, исследовал связь оптических свойств плазмы (то есть газа, через который проходит электрический разряд), со строением атома. В те годы свойства отдельного атома были хорошо известны

Знали, как он поглощает энергию, как ее излучает, как ведет себя при столкновении с электронами той или иной энергии. А вот можно ли, исходя из этих знаний, объяснить оптические свойства плазмы, этой хаотической смеси нейтральных атомов, ионов и потерявших свои атомы электронов, — это было еще неясно. Кое-кто полагал, что из-за хаоса, царящего в плазме, это просто невозможно.

Фабрикант решил попытаться найти количественные зависимости, вывести необходимые формулы (забегая вперед, скажем, что они стали потом основой для всех дальнейших работ по теории оптиче-ских свойств газов, вошли во все вузовские учебники). Потому что качественные особенности видны и невооруженным глазом: неон в газосветных трубках реклам красен, аргон в смеси с парами ртути дает синее свечение, а ксенон — его потому и применяют в фотографических лампах-вспышках — бьет «настоящим» солнечным светом.

Докторская диссертация Фабриканта называлась «Механизм излучения газового разряда», и в последней ее главе (американский физик К. Г. Гаррстт в своей книге «Газовые лазеры» воспроизвел факсимильно начало этой главы в качестве рисунка № I) предлагался способ инверсии населенностей энергетических этажей в молекулах газа, светящегося в разрядной трубке. Как? Сейчас увидим.

Ученый берет газосветную трубку и подключает к источнику питания. Поворот рукоятки — ползет по шкале стрелка вольтметра, а в трубке тем временем начинаются своеобразные гонки с препятствиями. Свободные электроны, оторвавшиеся от атомов газа (результат действия, например, излучения, возникающего при распаде радиоактивных веществ в земной коре), летят к положительному электроду трубки: быстрее, быстрее — трах! Один из наших миниатюрных снарядов попал в атом. Да так ловко, что выбил у него электрон — ионизировал.

Ядро атома заряжено положительно, поэтому ион также положителен, а поскольку он гораздо тяжелее электрона, то солидно, не спеша начинает свой полет к отрицательному полюсу трубки. А электроны — и тот, который ионизировал, и тот, который стал свободным,— продолжают полет, опять сталкиваются с атомами... Словом, очень быстро в трубке появляется множество ионов и электронов, движущихся в противоположные стороны,— течет ток. (Но есть там и обыкновенные, не ионизированные атомы, те, с которыми электроны не сталкивались. Или если сталкивались, то так нежно, с такой малой энергией, что не превращали атом в ион, а лишь возбуждали.)

Вот возбужденные-то атомы для нас самые интересные. Именно они располагаются на энергетических «этажах» в соответствии с правилом, о котором мы уже говорили: чем выше, тем меньше жильцов. А надо сделать так, чтобы их было мало именно на нижнем этаже...

„Сейчас каждый студент, даже школьник десятого класса ответит, что нужно забросить побольше атомов на верхний этаж,— говорит Валентин Александрович.— А мне пришлось пойти по иному пути. Было ясно, что в том эксперименте, которым я занимался, проще убрать атомы с нижнего этажа,— в конце концов для инверсии населённостей всё равно, как она образуется. Проще же вот было почему.

Экспериментатор исследовал двухуровневую систему, энергию в которую требовалось вводить непрерывно. Инверсии в этом случае не добьешься, если попытаешься забрасывать атомы на верхний энер-гетический этаж. Чем больше энергии накачиваешь, тем чаще атомы сталкиваются друг с другом. Возбужденные частицы отдают свою энергию нейтральным, и инверевия никак не получается.

Кстати, термина этого — инверсии тогда еще не было, Фабрикант говорил об «отрицательной абсорбции» света, имея в виду, что из-за эффекта вынужденного излучения свет будет в газе не поглощаться, а усиливаться. Метлу для чистки нижнего этажа найти нетрудно, можно взять, скажем, молекулы водорода. Сейчас примерно по этому принципу работают лазеры на углекислом газе, где добавка гелия смахивает атомы с нижнего энергетического этажа, об-легчает получение инверсии...

Защита докторской диссертации проходила в ФИАНе. Председательствовал академик Сергей Иванович Вавилов, лекции которого Фабрикант слушал студентом МГУ,— директор института, будущий президент Академии наук. Вавилов обратил особое внимание на всё ту же главу «К вопросу об экспериментальном доказательстве существования отрицательной абсорбции», настоятельно рекомендовал провести эксперименты, а диссертацию опубликовать. Что и было сделано — она появилась в «Трудах ВЭИ».

Сорок лет спустя американский журнал «Электроникс» писал: «Первым к ясному пониманию   возможности усиления электромагнитного излучения при инициирующем действии другого излучения, по-видимому, пришел советский ученый В. А. Фабрикант. Заявка на советский патент была подана им в 1951 г. ...Фактически Фабрикант изложил элементы данной теории в 1940 г. и сделал тогда же не увенчавшиеся успехом попытки получить усиление в парах цезия».

— Валентин Александрович, а почему вы тогда не построили лазер? — спросил я.

— Лазер?! — рассмеялся профессор.— Да ни о каком лазере тогда и не думалось! Я же вам говорю: было очень интересно проверить прямым опытом формулы Эйнштейна и Дирака, ради этого всё и вертелось... А тут война... Я оптик — что такое прожектор для зенитной батареи или морского корабля, вам объяснять не надо... Словом, мы с Фатимой Асланбековной Бутаевой бросили наши опыты и занялись тем, что требовалось для войны. Хотя кое-какие обнадеживающие результаты у нас уже получались, тут американцы не правы.
 
— Вы поэтому и авторское свидетельство тогда не брали, что опыты были не закончены?

— И об авторском тоже мыслей не было. Тут иная история. После войны мы вернулись к прерванной работе. Но не к опытам по вынужденному излучению, нет. А к лампам дневного света, которые у нас получились как раз в сорок первом году...

Работу эту начали мы перед войной параллельно с ФИАНом, под высоким руководством Сергея Ивановича Вавилова. Он давно уже высказывал мысль, что люминофоры, вещества, которые могут светиться под действием разного рода возбуждений, следует применить в источниках света. Фатима Асланбековна вела работы со свойственной ей энергией и темпераментом, отыскала где-то талантливого химика, Долгополов была его фамилия, никакой степени и даже высшего образования он не имел, но мог сделать абсолютно всё!

Вот он и придумал рецептуру люминофора для первой советской «дневной» лампы, так что в 1951 году работа была удостоена Государственной премии: Сергей Иванович Вавилов, потом Владимир Леонидович Левшин и Мария Александровна Константинова из ФИАНа, Бутаева, Долгополов и ваш покорный слуга... Нас тут же обязали организовать производство, внедрить, как говорится,— о перипетиях, с этим связанных, можно роман писать...

Но вынужденное излучение мы с Бутаевой не бросали, теплилось это дело потихоньку, так, знаете, для души... Я был тогда заведующим кафедрой физики Московского энергетического института, он наискосок от ВЭИ, и вот однажды заболел докладчик, пришлось на заседании кафедры мне «затыкать дыру». Я и рассказал о наших с Бутаевой опытах.

А Михаил Мартынович Вудынский, который был доцентом на кафедре и занимался совсем не оптикой, а электроникой, подошел после заседания и говорит: «Немедленно пишите заявку на изобретение: это же новый принцип усиления электромагнитных волн!» Вот оно как...

Я, оптик, смотрел на вынужденное излучение с квантовых позиций, а надо было чуть-чуть вспомнить, что фотон — он и волна еще. Словом, мы втроем с ним и Бутаевой написали все нужные бумаги, послали в Комитет по изобретениям... На свое изобретение, а вернее открытие, наша троица получила диплом. Правда, не сразу, а в 1964 году.

Кванты — эталон времени
Да, развитие науки и техники вовсе не так прямолинейно и логично, как это иногда кажется при чтении учебников, где историю задним числом укладывают в удобную для постижения схему. Но некоторые совпадения кажутся тем не менее знаменательными.

Скажем, такое: в 1939 году, когда Фабрикант защищал свою докторскую диссертацию, аспирантом ФИАНа стал выпускник Ленинградского университета Александр Михайлович Прохоров. Он провел в институте всего два года...

                А если скажет нам война: „Пора!" —
                Отложим ненаписанные книги,
                Махнем: «Прощайте!» — гулким стенам институтов
                И поспешим по взбудораженным дорогам,
                Сменив слегка потрепанную кепку
                На шлем бойца, на кожанку пилота
                И на бескозырку моряка.

Так писал в том же 1939 году молодой поэт Борис Смоленский. Они оба, поэт и физик, пошли на фронт добровольцами. Поэт погиб. Физик был тяжело ранен. В сорок четвертом, демобилизованный, он вернулся в ФИАН.
 
А война продолжалась. В сорок четвертом году был направлен на фронт лейтенант медицинской службы Николай Геннадиевич Басов, выпускник военно-медицинского училища. К концу 1944 года вся территория Советского Союза уже была освобождена от захватчиков, под ударами Советской Армии вышли из войны все восточноевропейские союзники фашистской Германии. Было ясно, что близок окончательный разгром и ее самой. Но до салюта Победы еще были долгие месяцы кровопролитных боев. Молодой лейтенант дошел военной дорогой до конца, а потом оставил медицину ради физики и поступил в Московский инженерно-физический институт.

В том же еще военном сорок четвертом году Евгений Константинович Завойский, работавший над докторской диссертацией в Казанском университете, обнаружил, наконец, давно уже теоретически предсказанное советским физиком Я. Г. Дорфманом новое квантовое явление: электронный парамагнитный резонанс.

Парамагнитные вещества — алюминий, титан, кислород, хлористое железо и множество других элементов и соединений — намагничиваются, когда к ним подносят магнит, но тут же размагничиваются, едва магнит убирают. Однако если на такие вещества, находящиеся в магнитном поле, действовать еще и электромагнитной волной, они станут поглощать только те волны, с частотами которых окажутся настроены в резонанс (причина такой настройки — внутреннее строение атома, различное размещение электронов на орбитах вокруг ядра).

В тридцатые годы голландец Гортер пытался увидеть это резонансное поглощение, но что-то в приборе оказалось сделано не так. Проявлять себя в квантовом смысле парамагнетики почему-то не захотели. Завойский слегка изменил условия опыта (ох как важны в науке эти «слегка»!), стал искать резонанс, изменяя не только частоту радиоволны, как делал Гортер, но и напряженность магнитного поля. И открыл искомое: поле оказалось более эффективным инструментом.

Электронный парамагнитный резонанс стал впоследствии основой чрезвычайно важных усилителей — парамагнитных. Они необходимы для приема очень слабых сигналов. Скажем, радиоэха от планеты, на которую направлен луч мощного радиолокатора, или сигнала крохотного передатчика космической станции, находящейся в десятках миллионов километров от Земли.
 
Парамагнитный усилитель, в отличие от других усилителей, не имеет внутренних шумов (почти не имеет, поправит любитель скрупулезной точности). Поэтому слабая волна таким усилителем не искажается. Радисты говорят, что у парамагнитного каскада хорошее отношение «сигнал/шум». И не случайно, что именно в радиоастрономии впервые предложил использовать такие радиоприборы Николас Бломберген, соотечественник Гортера. Год спустя американец Сковилл построил первый парамагнитный усилитель на веществе, до того малоизвестном: этилсульфате гадолиния.

Идея подобного усилителя — реализация все той же идеи вынужденного излучения. Специальный генератор своими электромагнитными волнами (можно также сказать: квантами!) воздействует на этилсульфат и забрасывает его молекулы на верхний энергетический уровень, делает более возбужденными. Приходящая слабая волна высвобождает эту энергию: сперва один квант, потом два, четыре, восемь... Лавина квантов неотличима от  долгожданного космического радиопутешественника, и сигнал тотчас же возвеличивается над помехами. Сегодня подобные усилители, в которых используются другие, более эффективные вещества, усиливают сигнал до ста пятидесяти раз — помощь колоссальная.

Но вернемся в ФИАН. В конце сороковых годов там была организована группа по проблемам спектроскопии в радиодиапазоне. Иными словами, по изучению веществ с помощью электронного парамагнитного резонанса и других подобных методов, суть которых — воздействие радиоволнами на вещество. В группу попал и студент третьего курса Московского инженерно-физического института Басов, а руководителем был назначен кандидат физико-математических наук Прохоров. Вначале они исследовали структуры молекул: радиоспектроскопия для таких целей чрезвычайно удобна. А потом...

А потом, порядочно лет спустя, о каждом из них в справочниках и энциклопедиях стали писать: «один из основоположников квантовой электроники».

В 1955 году Прохоров и Басов создали первый молекулярный — квантовый — генератор радиодиапазона. Такие генераторы стали называть впоследствии мазерами. Почти в то же самое время подобная работа была независимо от Прохорова и Басова сделана в США, в Колумбийском университете, группой Чарлза Таунса.

Обычно, как убедительно свидетельствует история, такое положение складывается тогда, когда, с одной стороны, созрела общественная потребность в новых научных и технических идеях и их воплощении, а с другой — сама наука достигла в своем развитии уровня, при котором она может общественную потребность удовлетворить. История мазеров, родоначальников нынешнего огромного семейства квантовых усилителей — лазеров, ярчайшее доказательство этого: они, можно сказать, появились вовремя как «новое качество, — по словам Басова, — в сумме добытых знаний».

К началу пятидесятых годов радиофизика, развивавшаяся до этого главным образом на основе волновых представлений, стала на путь активного освоения представлений квантовой механики. Областью, где произошло сближение этих представлений, была как раз газовая радиоспектроскопия.

Работа по повышению чувствительности и расширению возможностей радиоспектрометров, а также продолжительные теоретические исследования естественно подвели к мысли, что если найти способ изменить в веществе соотношение возбужденных и невозбужденных молекул в пользу первых, то вещество сможет стать основой генератора радиоволн.

Первый квантовый генератор, созданный учеными ФИАНа, работал на пучке молекул газообразного аммиака, а отделение активных молекул от неактивных осуществлялось методом так называемой электростатической пространственной сортировки. После этого отсортированные возбужденные молекулы шли «в дело» — они направлялись в объемный резонатор, представлявший собой металлическую коробочку с посеребренными изнутри стенками. Размеры коробочки были подобраны так, чтобы внутри ее укладывалась ровно половина длины волны радиоизлучения молекулы аммиака при ее скатывании с верхнего энергетического этажа на нижний.

«Если пропустить пучок активных молекул через резонатор, настроенный на частоту спектральной линии,— писали в 1955 году Прохоров и Басов,— молекулы, пролетая через него, будут высвечивать энергию. Энергия будет частично запасаться в резонаторе, частично теряться в его стенках. Если потери меньше энергии, внесенной молекулами, количество ее будет нарастать и начнется самовозбуждение. Молекулы будут отдавать энергию под влиянием уже ранее отданной энергии. Получается автоколебательная система с обратной связью, которая состоит в том, что молекулы высвечивают энергию под вли-янием ранее высвеченной другими молекулами энергии».

Далее авторы обращали внимание на принципиальную особенность нового прибора: «В отличие от других генераторов колебательная энергия в молекулярном генераторе не вырабатывается в контуре, а наводится извне возбужденными молекулами, каждая из которых есть не что иное как своеобразный колебательный контур». И наконец, в заключительной части: «Молекулярный генератор может быть использован в качестве абсолютного эталона частоты (времени) высокой точности».

Да, мазеры появились вовремя. Но это если подходить к этому событию широко, имея в виду общее по-ступательное движение науки и техники. Один крупный ученый как-то сказал, что в историческом плане развитие науки кажется таким же естественным и неодолимым, как распускание цветка, но в ином свете эта картина видится современнику.

С мазерами и с теоретическими работами по ним дело обстояло примерно так же. По признанию Прохорова, исследования, которые они вели в ФИАНе, считались чисто академическими, не имеющими перспектив практического применения. Даже уже после того как была создана теория молекулярного генератора (а сам он еще, правда, не работал), многие коллеги Прохорова и Басова предрекали им неудачу. Но прошло совсем немного лет, и все повернулось по-другому: уже первые практические результаты показали, какие широкие перспективы открывает работа небольшой группы энтузиастов-фиановцев.

Через четыре года после создания мазера советские основоположники квантовой электроники Прохоров и Басов удостаиваются Ленинской премии, а еще через пять лет, в 1964 году, им совместно с Таунсом была присуждена Нобелевская.

С создания квантового генератора началась новая эра в астрономии и астрофизике, метрологии и геодезии, радиолокации и аэронавигации, — в десятках, если не сотнях, отраслей науки и техники. Ведь все атомы одного и того же вещества одинаковы, в какой бы лаборатории их ни исследовали (одного и того же изотопа данного вещества, уточнит ученый). Значит, колебания атомов и молекул, эти «тик-так» микроскопического маятника, повсюду одни и те же — в Москве, в Нью Иорке, в Токио и в Сиднее.

Всюду атомные часы идут одинаково размеренно, стабильно (правда, поскольку мы можем колебания микромира увидеть и измерить только с помощью макромира, то есть соответствующих приборов и устройств, возникают погрешности, которые выливаются в ошибку, равную нескольким секундам за... сто тысяч лет!). Часы эти объединены во Всемирную систему единого времени, членом которой с 1972 года является и СССР. Точность всех измерений, так или иначе связанных с измерением времени, резко возросла, и сразу же выявила новые, дотоле неизвестные явления.

До появления квантовых часов хранительницей эталонного времени была по сути дела Земля. Астрономы следили за ее вращением вокруг своей оси и вокруг Солнца, а потом подстраивали показания своих маятниковых часов под заданный природой ритм. Квантовый же эталон продемонстрировал, что Земля вращается неравномерно, замедляет свое волчкообразное движение. Астрономическое время и  атомное расходятся, земные сутки неощутимо для нашего организма удлиняются то и дело на тысячную, даже на несколько тысячных долей секунды сразу.

И приходит такой момент, когда разница между показанием атомных часов и временем, определенным по звездам (то есть по вращению Земли), приближается к секунде. По международному соглашению в   этом   случае принято последнюю секунду года повторять дважды, и газеты считают своим долгом оповестить всех об изменении. «Схема ввода дополнительной секунды уже заложена в аппарат,— делится с корреспондентом своими знаниями представитель Главного  метрологического центра службы времени  и частоты.— В нужное время... атомные часы остановятся и, точно выдержав размер секунды, вновь включатся...»

Впрочем, я начинаю увлекаться и пересказывать главы из своей книги «Время, хранимое как драгоценность». А ведь нас интересуют голография и лазеры.

Здравствуйте, лазер!
В создание генератора света Прохоров и Басов внесли фундаментальный вклад. Слово «лазер» — аббревиатура английской фразы «усиление света благодаря вынужденному излучению». «Мазер» — та же аббревиатура, только слово «света» заменено «радиоволн». Мазер уже работал. Оставалось перейти от радиоволн к свету.

Однако переход из радиодиапазона в оптический требовал принципиально иных идей, и уже в том же 1955 году Прохоров и Басов сформулировали новый метод создания инверсии населенностей: для оптического диапазона прежний метод (сортировка молекул) подходил мало, а в ряде случаев был вообще непригоден.

Метод, предложенный этими учеными, ныне известен как метод трех уровней. Суть его в том, что инверсия населенностей достигается искусственно — воздействием мощного вспомогательного излучения на частицы квантовых систем (атомы или молекулы).

Чтобы воплотить идею в прибор, надо было найти вещество, которое удовлетворяло бы новым требованиям, предъявляемым в этом случае к активной среде. И оно было найдено — рубин. Это случилось после того, как группа научных сотрудников во главе с Прохоровым досконально исследовала явление электронного парамагнитного резонанса ионов хрома, входящего в состав рубина.

Расчеты говорили, что квантовый генератор на рубине будет генерировать световые волны.

Сигнал накачки (очень удачный термин — накачка; действительно происходит накачка активной среды энергией!) должен сообщить атому хрома в рубине много энергии. Атом возбудится и окажется на третьем энергетическом этаже (хочу еще раз обратить внимание, что этажи — это просто уровни энергии, изображенные на графике, а в действительности атом как был, так и остается на своем месте в кристаллической решетке рубина). Далее он очень быстро скатится на второй этаж и там «застрянет», причем довольно прочно — вот почему этот этаж называется метастабильным: частица хоть и возбуждена, но может находиться в таком состоянии довольно долго.

Конечно, атому хрома и с этого этажа придется в конце концов опуститься ниже спонтанно, то есть самопроизвольно испустив квант излучения. Однако раньше, чем это произойдет, в рубин влетает интересующая нас радиоволна, которую требуется усилить. Ее кванты как раз равны квантам, излучаемым атомом хрома при переходе с метастабильного уровня на первый этаж,— и начинается процесс вынужденного излучения. Но это уже совсем другие кванты, чем поставленные прежде генератором накачки.

А вот как быть с резонатором для такого генератора?
Без него лазер работать не будет, а соорудить «коробочку с посеребренными стенками», размеры которой были бы соизмеримы с длиной полуволны света,— задача совершенно нереальная. И тогда Прохоров предложил не думать о коробочках (закрытых резонаторах), а сделать резонатор открытым, без стенок. Просто взять два зеркала и поставить их параллельно друг другу. Свет начнет метаться между ними, провоцируя вынужденное излучение накаченных световыми квантами атомов рубина.

Открытый резонатор — это видоизменение прибора для анализа интерференции света, предложенного в начале двадцатых годов профессором Парижского университета Шарлем Фабри вместе со своим коллегой Антуаном Перо. Но чтобы додуматься до превращения интерферометра в лазерный резонатор, надо было произвести над собой непростую психологическую операцию: преодолеть устоявшийся стереотип мышления. Ведь у радистов есть святое правило: в резонаторе не может быть ни малейших щелей, в них уходит энергия, генератор начинает плохо работать. А тут — все стенки долой... Переход от радиоволн к куда более коротким световым заставил мыслить по-новому.

Работы советских и американских физиков шли параллельно, хотя они и не консультировались друг с другом. Идею открытого резонатора Прохоров высказал в 1958 году, и в том же году Артур Шавлов, сотрудник «Белл телефон», изучавший проблему совместно с Таунсом, напечатал в одном из журналов статью на точно ту же тему. Но чтобы рубиновый лазер заработал, должно было пройти еще два года.

Почему? Потому что далеко не всякий рубин годится для такой цели. В рубине излучает хром, и если его слишком много, энергия накачки будет быстро поглощаться, а если атомов хрома мало — не получится вынужденного излучения. Найти же оптимум оказалось непросто, потому что существует множество иных факторов, из-за которых лазер способен отказаться работать. И выяснить, где тут влияние рубина, а где — какого-то еще элемента прибора, на это нужно время.

И еще один момент. Когда все, наконец, уяснено, требуется научиться выращивать большие, длиной в несколько сантиметров кристаллы рубина. Их тогда не умели еще делать. Приходилось параллельно с теорией заниматься технологией выращивания, тут огромную работу провели ученые из Института кристаллографии имени А. В. Шубникова АН СССР.

Однако американские ученые пришли к финишу чуть раньше. В июне 1960 года в «Физикал ревью леттерс» появилось сообщение физика Меймана, работавшего в лаборатории фирмы «Хьюджес», что он получил красную флюоресценцию кристалла рубина, освещая его светом зеленой лампы. Иными словами, он смог забросить атомы хрома на более высокий энергетический этаж зелеными квантами и увидеть, как они сваливаются вниз с метастабильного уровня, выбрасывая красные кванты с длиной волны около 0,69 микрометра.

А затем кристалл рубина устанавливали между параллельными посеребренными пластинами, образующими микроволновый резонатор... Кристалл облучался в течение короткого времени светом лампы-вспышки... — это был уже почти лазер. Почему «почти»? Потому что в первых опытах Мейману не удалось достичь большой инверсии населенностей и добиться вынужденного излучения: энергии лампы-вспышки было маловато. Но последнее препятствие преодолелось легко. Два месяца спустя появилось краткое сообщение в «Нейчур» о работе лазера, а потом и статья, где подробно описывалась его конструкция.

Рубиновый цилиндрик диаметром около сантиметра и вдвое большей длины был вставлен в окружавшую его спираль лампы-вспышки. Торцы кристалла были тщательно отполированы и покрыты тонким слоем серебра. Особенно жестко следили за параллельностью образовавшихся так зеркал: она могла отклоняться от идеала не более чем на 0,23 микрометра, иначе лазер отказался бы работать.
 
За все надо платить, а за вынужденное излучение — особенно. Чтобы забросить атомы на верхний энергетический этаж, требуется энергия, и не маленькая: на тот кристалл, что имелся у американцев, не менее четырнадцати киловатт. Это при том условии, что каждый квант света накачки встретится со «своим» атомом. То есть надо было четырнадцать киловатт монохроматического света.

Увы, в световом потоке лампы-вспышки таких лучей наберется лишь шестьдесят четыре тысячные доли, то есть на кристалл требуется обрушить не четырнадцать, а две тысячи двести киловатт света! Будь такой поток непрерывен, не помогла бы рубину его тугоплавкость, он моментально испарился бы.

Но импульсная накачка — иное дело. Лампа вспыхивает лишь на тысячную долю секунды, а значит, средняя мощность, та самая, которая греет кристалл, снижается в тысячу раз. Хотя, по правде сказать, и остатка многовато. Лазер приходилось интенсивно охлаждать, а главное — не требовать от него слишком частых «световых выстрелов».

Первое, на что обратили внимание исследователи лазеров, это была необычная форма выходящего из рубина луча. Он был тонкий, словно спица, и продолжал оставаться таким, пока не упирался куда-нибудь в стенку, тогда как обычный пучок света выглядит конусообразным, быстро расширяющимся.

Познакомившись с лазерным лучом, оптики получили в свое распоряжение то свойство электромагнитных волн, которое давно уже было знакомо радистам, оперирующим с теми же волнами, но только в тысячи и миллионы раз большей длины. Речь идет о когерентности.

Кванты шагают в ногу
По-латыни «кохеренс» значит «находящийся в связи с чем-то». Когерентные волны — волны взаимосвязанные. Как?

                Сержант Денисов был хороший парень.
                За многое ему я благодарен.
                Он научил ходить в строю меня
                И песни петь — в каких-нибудь три дня, - написал поэт.

Идущее в ногу отделение — образец когерентности. В едином ритме бьют о мостовую сапоги, мерно колышутся пилотки... И отделение движется одним и тем же темпом походного марша.

Физик вкладывает в понятие когерентности почти тот же смысл. Он говорит, что, во-первых, частота когерентного (так сказать, когерентного самому себе) колебания неизменна. Во-вторых, добавляет физик, постоянной должна быть фаза колебания. Попросту говоря, раз начавшись, колебательный процесс должен продолжаться и продолжаться.

А в нашем пехотном отделении это значит, что никто из солдат не должен «терять ногу»: каждый такой сбой превращает нерадивого рядового в некогерентного, строгий сержант тут же наводит порядок. Но сейчас все прекрасно. Полюбуйтесь, как отлично шагают наши солдаты, как согласованно, как взаимно когерентно!

Чуть сбоку — сержант Денисов. Он идет в ногу со своими подчиненными, он когерентен им. И отметим еще одно обстоятельство, противоречащее армейским понятиям, но вполне согласное с законами физики. Денисов может идти в том же ритме, что и отделение, но поднимать правую ногу, когда солдаты — левую, а все равно быть им когерентным. Физик оправдывает такую вольность тем, что хотя фазы движения сержанта и подчиненных ему людей различны, разность фаз остается постоянной.

Вдруг к Денисову подбегает связной, передает какое-то приказание, и сержант разворачивает свое отделение из походной колонны в боевую цепь. Оказывается, необходимо прочесать небольшую рощицу справа от дороги. Боевой порядок — не походный строй, каждый солдат идет самостоятельно, но старается и не вырываться особо вперед (один в поле не воин), и не чересчур задерживаться (могут ведь и трусом назвать). Цепь по мере возможности держит строй. Под ногами у бойцов сейчас ровная луговина, все идут одинаковым темпом. Если взглянуть сбоку, окажется, что хотя движения в ногу нет, фазы шага каждого солдата, то есть моменты, когда они поднимают ноги и опускают, довольно стабильны относительно друг другу. Для физика и такие колебания когерентны, ибо разность фаз постоянна.

Однако присмотримся повнимательнее. Правофланговый — здоровенный парень, другие ему по плечо, и шаг у него соответствующий. Прочие, как ни стараются идти в ногу с ним, в свободном строю не могут. Даже если начнут все с левой, согласованность постепенно теряется. В конце концов все по-прежнему поднимают левые ноги, а он — правую. Ну как, уважаемый физик? Есть когерентность или нет?

У физика ответ всегда готов, его ничем не смутишь. Когерентность? Очень просто! Она существует до тех
пор, пока разность колебаний не достигнет половины периода. То есть всё то время, пока правофланговый, начав вместе с другими с левой, не поднимет вместе с их левыми свою правую ногу.

В каждый момент такого совпадения, объясняет физик, одно из колебаний — скажем, правофлангового, — как бы забывает первоначальную фазу. Время от одной прискорбной «потери памяти» до другой принято называть временем когерентности. Умножив его на скорость хода солдат (скорость распространения колебаний), получают длину цуга когерентности. Цуг — слово немецкое, в старину так называли упряжку лошадей друг за другом, гуськом.

А теперь, распрощавшись с сержантом и его солдатами, продемонстрировавшими основные принципы когерентности, мы опять займемся волнами и квантами. Прежде всего выясним, чем же отличается луч лазера от света электрической лампочки. Оказывается, вся разница — в характере когерентности.

Лампочка, как и любое нагретое тело, излучает электромагнитные волны очень широкого спектра частот.
Атомы, из которых тело состоит, выбрасывают самые различные кванты. Светящаяся лампочка напоминает шум оживленной улицы — смесь колебаний с хаотически изменяющимися фазой и частотой, дающая в сумме столь же хаотическое общее колебание. Оно когерентно самому себе лишь на очень маленькой длине цуга, определяемой самым высокочастотным колебанием. Если рассматривать только волны видимого света, длина цуга солнечного излучения оказывается ничтожной, всего около микрометра.

У лазера все атомы излучают одинаковые кванты, неотличимые друг от друга. Поэтому и результирующее колебание оказывается когерентным на очень большом расстоянии: цуг растягивается Свет лазера — не уличный шум, а строгий звук камертона. Он постоянен по частоте, а плоский торец рубинового стерженька выбрасывает в пространство волну — точнее, волновой фронт. И свет не разбегается в стороны, а идет тонким лучом, создание которого до появления лазера считалось абсолютно невозможным.   

Вооруженные понятием когерентности (оно еще нам очень пригодится в разговоре о голографии), мы  можем теперь по-новому рассмотреть явления, о которых говорилось прежде.

Вспомним Гримальди: почему необходимы были очень близко расположенные дырочки, чтобы увидеть интерференционные полосы? Ясно, почему: на маленьком расстоянии приходящая от Солнца световая волна разбивается по принципу Гюйгенса на две, когерентные между собой на выходе из дырочек. Точно посередине между ними и перпендикулярно к экрану проходит линия, где фазы колебаний одинаковы. В этом месте на экране возникает яркое пятно, потому что волны складываются и усиливают друг друга.

Справа  и слева — уже  разность фаз, волны взаимно уничтожаются, пока не наступит полная темнота в тех местах, где горб одной волны попадает на впадину другой (словно солдаты, которые поднимали одни правую, другие левую ногу). Если двигаться еще дальще, то фазы вновь приближаются к согласию, яркость света возрастает. Однако яркость уже не так велика, как в центре. Мешает пресловутый цуг: у солнечного света он коротенький, колебания «забывают фазу» и плохо интерферируют. А на достаточно большом расстоянии от центральной яркой области интерференция совсем исчезает. Остается слабо освещенный, без всяких изменений яркости,  экран — «безволновая»  сумма  света,  прошедшего через дырочки.

Из-за того, что солнечный свет недостаточно когерентен (или, если хотите, недостаточно монохромати-чен), на экране видны лишь несколько максимумов и минимумов яркости. Зато с помощью лазера можно получить сто миллионов полосок — интерференционная картина растянется на десятки метров. Образуется световая линейка с делениями, отстоящими на длину полуволны. Где ее употребить? Скажем, на координатно-расточном станке, чтобы отсчитывать, на сколько переместился стол с деталью,— да мало ли где еще потребуется такой сверхточный измеритель.

Лазеры на любой вкус
Очень быстро, буквально через год после изобретения рубинового квантового генератора, появился газовый лазер, в котором электромагнитные волны излучаются атомами или молекулами газов. Вначале он представлял собой газоразрядную трубку, наполненную смесью гелия и неона. Затем выяснилось, что рабочим телом квантового генератора способны быть и водород, и многие другие газы, и даже пары воды. С их помощью оказалось возможным генерировать излучение самых разных длин волн, от ультрафиолетовых до дальних инфракрасных (дальних — значит, на шкале частот они расположены далеко от видимого света).

Всеобщий интерес привлекли химические лазеры, тоже газовые, но обладающие существенной особенностью: они излучают во время химической реакции взаимодействия двух или нескольких газов, накачивая энергией сами себя. Поэтому для их работы требуется сравнительно небольшая мощность источника энергии, особенно если вместо ламп-вспышек берут электрическую искру, проскакивающую в баллоне, где находится газовая смесь. Газы напускают в камеру, а потом возбуждают реакцию соединения. В камере есть окна, перед которыми снаружи стоят зеркала (кстати, они не плоские, а вогнутые, более удобные), из которых одно полупрозрачное — именно отсюда и вырывается лазерный луч. После взрыва продукты реакции удаляют и вновь заполняют камеру.

В химических лазерах используют самые разные смеси газов, и чем дальше, тем список становится обширнее. Водород плюс фтор,- хлор плюс йодистый водород, хлор плюс бромистый водород,.. Эти простенькие смеси стали постепенно заменяться более хитрыми. В компании с водородом сейчас используют пентафторид сурьмы, гексафторид вольфрама, шестифтористый уран и многие другие соединения. Каждая новая пара — это еще одна частота излучения, недоступная другим смесям. А еще привлекают химические лазеры тем, что у них очень высока мощность излучения.

Обычно, стараясь поднять мощность квантового генератора, конструкторы заставляют участвовать в акте вынужденного излучения как можно больше атомов или молекул. Но идеально прозрачных веществ нет. Луч частично поглощается в породившем его веществе, передает ему энергию — попросту греет. В лазере на рубине или ином твердом веществе приходится опасаться, что рассеиваемая внутри кристалла мощность разрушит его, если будет чересчур велика. Газ же этого не боится. Смесь излучает потому, что взрывается, самоуничтожается. «Смерть» рабочего вещества газового лазера вызывает к жизни излучение, и ограничения по вырабатываемой мощности (они всегда по тем или иным причинам есть) становятся куда либеральнее.

Если непрерывно выбрасывать продукты реакции из камеры и тут же ее наполнять (превратив ее в своеюбразный реактивный двигатель, стоящий на месте), мы получим квантовый генератор уже ие импульсного, а непрерывного действия. Можно подобрать такую смесь газов, что она станет самовозгораться, «Реактивный двигатель» примется выбрасывать не только пламя, но и мощный когерентный луч. Смесь оказывается довольно сложной, в нее входят окись азота, фтор, дейтерий (тяжелый водород), гелий и углекислый газ. Такие лазеры — их называют газодинамическими — обеспечивают мощность луча в непрерывном режиме, равную десяткам киловатт, а в импульсном — тысячам. Как эти киловаттты используют, мы очень скоро узнаем.

Однако твердотельные и газовые лазеры не всегда удовлетворяют конструкторов.

Лазер на твердом веще-стве означает большую концентрацию активных атомов, поэтому с каждого кубического сантиметра можно снять изрядную мощность, установка получается компактной. Однако рубин и другие подобные вещества дороги. Чем больше размер (а значит, и мощность) активного элемента, тем дороже. Что они склонны разрушаться, мы уже знаем. Есть и другие недостатки.

А газовый лазер работает при давлении газа в доли миллиметра ртутного столба (десятки паскалей), оттого мощность, получаемая с единицы объема, невелика: приходится делать трубки лазеров длиною в несколько метров. О газодинамических лазерах говорить, не приходится; каждый из нас хотя бы в общих чертах представляет себе степень технической сложности современного ракетного двигателя.

И совершенно логическим было поэтому обращение ученых-лазерщиков к жидкостям. Ведь там счастливо сочетаются и высокая плотность излучающих частиц, и хорошие оптические свойства, и «бесстрашие» к перегрузкам, и удобное охлаждение, — масса прекрасных качеств. Для таких лазеров были разработаны особые жидкости — неорганические вещества, в которых растворен неодим, играющий роль активного элемента квантового излучателя.

Еще более интересными оказались лазеры на красителях, изобретенные в Институте физики АН Белоруссии в 1964—1966 годах. Работой этой руководил директор института, Герой Социалистического Труда академик АН БССР Борис Иванович Степанов, а значение ее заключается в том, что впервые были получены лазеры, плавно перестраивающиеся в широком диапазоне видимой и ближней инфракрасной области спектра.

Красные и оранжевые лучи генерирует краситель, именуемый «нильский голубой», желтые — «родамин В», голубые и синие — «1,4-дистирибензол». Новым лазерам оказался свойствен очень высокий коэффициент полезного действия. Степень преобразования энергии накачки в лазерный свет — до пятидесяти процентов. Это намного лучше, чем у твердотельных и газовых квантовых генераторов.

Отсюда и миниатюрность, причем полученная необычным способом. Белорусские физики ухитрились убрать зеркала, без которых, как мы знаем, лазер — не лазер, а всего лишь газосветная трубка. Они подобрали такой состав красителя, что зеркала образуются в его толще сами собой, за счет внутренних процессов в веществе, едва только начинается вынужденное излучение. Когда оно прекращается, исчезают и зеркала, эти микроскопические отражатели.

Такой пазер — его назвали «Гном» — не только меньше по размерам, но и проще, дешевле: ведь становится ненужной такая прецизионная операция, как юстировка зеркал. Важное новшество касается накачки. Первые квантовые генераторы на красителях требовали, чтобы их подсвечивали рубиновым или неодимовым лазером. Этот недостаток удалось преодолеть, теперь для накачки используют обычные лампы-вспышки.

В 1964 году под руководством академика Басова были созданы первые полупроводниковые лазеры — наиболее миниатюрные приборы, излучающие когерентный свет. Очень быстро внутри этого класса лазеров выделились несколько видов, отличающихся способом накачки, а значит, конструкцией и размерами.

Самые маленькие лазеры — так называемые инжекционные, которые светят потому, что через полу-проводник проходит электрический ток. Точнее, не через один полупроводник, а через два, соединенных вместе: у первого в его кристаллической решетке есть атомы искусственно введенной примеси, благодаря которой в полупроводнике образуются свободные электроны, у второго примесь образует дырки — вакантные места для электронов. На переходе между двумя кусками полупроводника и происходит тот процесс, благодаря которому излучается свет.

Электроны, дрейфующие под действием электрического поля, как бы проваливаются в дырки, теряют энергию — выбрасывают кванты (хочу подчеркнуть, что это очень упрощенная картина). Свет выделяется в зоне, толщина которой измеряется единицами микрометров, но плотность энергии там очень высока — до ста киловатт снимается с одного квадратного сантиметра перехода. Чтобы добиться такого эффекта, приходится кристалл погружать в сосуд с жидким азотом, иначе он просто расплавится. А поскольку площадь излучающего перехода удается сделать не более десятитысячной доли квадратного сантиметра, полупроводниковый лазер инжекционного типа оказывается прибором маломощным. Зато коэффициент преобразования энергии в излучение получается очень высоким, близким к ста процентам.

Можно заставить полупроводник (теперь уже чистый, без примесей) светиться под ударами пучка электронов. Именно такие лазеры и были предметом исследований большой группы советских ученых в 1964 году — работа, удостоенная Ленинской премии. Главное достоинство таких квантовых генераторов в том, что можно возбудить довольно большой объем вещества и добиться высокой мощности излучения, измеряемого уже не ваттами и не сотнями ватт, а киловаттами и десятками киловатт в импульсе.

Есть, правда, у полупроводниковых лазеров общий недостаток — плохая направленность света, ибо излучающая область невелика по размерам, а теоретически давно уже было известно, что узкий луч можно получить лишь в том случае, если отношение размера антенны-излучателя к длине волны велико. Между тем иногда требуется получить от такого квантового генератора как раз узконаправленный луч.

Профессор Вадим Николаевич Маслов из Московского химико-технологического института придумал, как этого добиться. Оказывается, нужно напылить друг на друга несколько сотен слоев полупроводника, разделенных промежутками из полупроводника несколько иного состава. На торце такого слоеного пирога образуется множество излучателей, и расходимость луча уменьшается в несколько раз. Разработал Маслов и очень остроумный способ перестройки длины световых волн, излучаемых полупроводниковым лазером. Он создал установку, в которой можно получить полупроводник с плавно изменяющимися свойствами, от которых зависит цвет луча. Теперь если по такому куску вещества провести электронным лучом (так, как бегает луч по экрану телевизора), мы увидим, что излучаемый лазером свет будет разный в зависимости от того, куда попадают электроны. И что самое важное, перестройка с одного цвета на другой происходит чрезвычайно быстро, за миллионную долю секунды и даже быстрее. Для многих отраслей науки и техники это просто бес-> ценное свойство.

Очень интересный класс инжекционных полупровод-никовых лазеров — гетеропереходные, то есть излучающие на стыке двух различных по химическому составу веществ (напомню, что обычные инжекционные лазеры делаются из двух кусков одного и того же полупроводника, только с разными примесями). Они были впервые созданы в ленинградском Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе под руководством академика Жореса Ивановича Алферова.

Если обычные инжекционные лазеры могли работать хорошо, лишь будучи погружены в жидкий азот или даже гелий, то есть вблизи абсолютного нуля, то гетеролазеры отлично чувствуют себя при комнатной температуре. Это открывает перед ними широкое поле деятельности, например, в компактных телевизионных приемниках, проецирующих изображение на большой экран. Такие аппараты будут по размерам и стоимости эквивалентны транзисторным радиоприемникам, считает ака» демик Алферов.

Гетеролазеры сейчас изготовляют обычно из пары «арсенид галлия — арсенид алюминия» или иных по-добных веществ, генерирующих видимый свет. Но бывает нужно изготовить гетеролазер для работы в дальней инфракрасной области, где другие виды лазеров не очень справляются с делом. На этот случай очень при-годилась бы пара «теллурид кадмия — теллурид ртути», да ртуть слишком тяжела, во время плавки криеталл не получается хорошим. Из него удается использовать лишь крошечный кусочек, а все остальное идет в отходы.

И тогда ученые обратились к космонавтам: попытайтесь вырастить этот непокорный кристалл на орбите, в невесомости, где разница в плотности уже не имеет значения. Эксперимент впервые провели на борту станции «Салют-6» космонавты Юрий Романенко и Георгий Гречко, а затем еще раз этот опыт ставили Владимир Коваленко и Александр Иванченков в 1978 году.

«.Самое главное,— сказал журналистам член-корреспондент АН СССР Леонид Николаевич Курбатов, научный руководитель эксперимента,— мы убедились, что удалось сделать надежную систему, выдерживающую высокое давление паров ртути (100 атмосфер), которое развивается при плавке материалов. Микрорентгеновский анализ полученного слитка показал, что однородность (состава.— В. Д.) выдерживается и в микроскопическом масштабе на расстоянии даже порядка 30 микрон. Нас чрезвычайно привлекает космическая технология получения ценных кристаллов, потому что потребность в них относительно невелика. Нам не нужны тонны. Для удовлетворения запросов промышленности вполне хватило бы десятков килограммов в год. А такое производство в принципе вполне можно наладить на орбите, и оно будет более рентабельным, чем земные цехи. А как показывает исторический опыт, если у человечества есть возможность осуществить экономически выгодное и полезное предприятие, рано или поздно оно станет реальностью».

Конструкторы лазеров стремятся овладеть всеми частотами электромагнитного излучения, движутся и в сторону длинных волн, к радиочастотам, и в «короткую» область, к рентгеновским и гамма-лучам. Если такие «разеры» и «газеры» появятся, ученые надеются с их помощью более точно изучить строение молекул и даже атомов, устроить голографирование этих ничтожно малых частиц. Правда, трудности на этом пути открываются такие, что ученые только сокрушенно качают головами. За что ни возьмись — непонятно, как даже подступиться.

Скажем, рентгеновский лазер. Из чего делать зеркала? Без зеркал не получишь мощного вынужденного излучения, а рентгеновские лучи от вещества не отражаются подобно свету, а проходят насквозь или поглощаются. Еще одна загвоздка — ничтожное время, в течение которого атом способен находиться в верхнем энергетическом положении, при переходе с. которого излучается рентгеновский квант. Даже если удастся создать зеркало, зародившийся квант не успеет долететь до него, а возбужденные атомы за это ничтожное время вразброд перейдут (спонтанное излучение!) в спокойную форму. Вынужденного излучения не получится, поток рентгеновских лучей будет некогерентным, мы же за когерентность только и боремся. Короче, рентгеновский лазер, когда его сделают,— а что это рано или поздно произойдет, никто не сомневается,— будет кардинально отличаться от любых известных сейчас квантовых генераторов.

Судя по всему, излучать там станет не твердое вещество, не жидкость и не газ, а плазма. Да не простая — обработанная мощным лучом обычного лазера. «В вакуумной камере над тонкой протяженной мишенью выстроится цепочка линз,— описывает возможную конструкцию лазера один из научно-популярных журналов.— Они сфокусируют мощные лазерные пучки на всю длину мишени. В результате каждый кусочек мишени облучится один за другим буквально «автоматной очередью» лазерных импульсов. Над мишенью взметнутся плазменные факелы, словно каскад водяных фонтанчиков от пуль автомата. В первом же факеле возникнет короткий пакет монохроматического рентгеновского излучения. Пакет начнет расплываться во все стороны, а факел оседать! Но в этот момент совсем рядом на мишени вспыхнет второй факел. В него войдет часть пакета рентгеновских волн из первого факела и усилится. Затем второй факел передаст по эстафете формирующийся рентгеновский, луч дальше... Этот луч, набирая силу вдоль мишени, пробежит ее со скоростью света и через фильтр вырвется наружу». Необыкновенно своеобразная и сложная схема! Не случайно её до сих, пор (а была она предложена лет пять назад — срок по нынешним темпам развития науки гигантский) так и не удалось реализовать.

Более перспективным представляется иной путь, придуманный физиками-теоретиками ФИАНа и там же проверенный экспериментально. Оказывается, в плазме некоторых веществ содержится определенный процент ионов, словно нарочно подготовленных к излучению рентгеновских квантов. Нужно только заставить эти ионы быстро перейти с метастабильного уровня энергии на более низкий этаж. И тогда рентгеновский квант обеспечен. Такую плазму получили, расплавляя мощным импульсом электрического тока проволочку из лития. Происходит как бы небольшой взрыв, проволочка испаряется, превращается в плазму, и тут же на нее падает свет лампы-вспышки. В ответ из огненного облачка вырывается короткий всплеск рентгеновского излучения. Еще лучших результатов, считают исследователи, можно будет добиться, если подсветить плазму светом газодинамического лазера, но это уже дело будущего.

Гамма-лазер пока тоже непонятно, как соорудить. Правда, как обойтись без зеркал — уже ясно. Идею эту высказали академики Р. В. Хохлов и В. И. Гольданский, член-корреспондент АН СССР Ю. М. Каган, доктор физико-математических наук В. С. Летохов, кандидаты физико-математических наук И. А. Ильинский и В. А. Намиот. Надо радиоактивный изотоп кобальт-60 погрузить в жидкий гелий, охлажденный до температуры, лишь на сотую долю градуса отличающуюся от абсолютного нуля. При таком морозе почти совершенно прекращаются тепловые колебания ядер атомов. Их можно с помощью магнитного поля и потока радиоволн повернуть, выстроить «лицом» в одну сторону. Распадающиеся атомы (этот процесс не остановить и охлаждением!) станут посылать свое излучение не куда попало, а строго в одном направлении. Получится гамма-луч.

Однако это пока еще не лазерный луч. Чтобы сделать лазер, необходимо атомы возбудить, а для этого нужно пронизать наш кобальт-60 потоком нейтронов такой интенсивности, которую обеспечит атомный взрыв или управляемая термоядерная реакция... Так что с гамма-лазером придется подождать, пока теоретики не придумают какой-нибудь обходный вариант,
 
От термоядерной реакции до нее же
В своей лекции, которую каждый лауреат читает в Стокгольме на торжественной церемонии вручения ему Нобелевской премии, член-корреспондент Академии наук СССР Басов (академиком он был избран два года спустя) говорил, что «квантовая электроника дала права гражданства новому «сверхнеравновесному состоянию материи» — состоянию с отрицательной температурой, которое в своей крайней точке... близко к состоянию абсолютной упорядоченности, свойственной состояниям абсолютного нуля температуры».

И в самом деле, если обычно энергия, свойственная каждому атому в куске вещества, в жидкости или в газе, может быть какой угодно (в определенных пределах, конечно), если с энергетической точки зрения среди атомов царит хаос, то блеск лампы-вспышки заставляет эти атомы «все вдруг», как говорят моряки, занять строго определенное положение: взобраться на заданный энергетический этаж и там на ничтожное мгновение застыть в неподвижности до момента начала вынужденного излучения.

А такая «неподвижность» и есть абсолютный нуль температуры, если подходить к картине с энергетических позиций. Причем парадокс заключается в том, что этот странный абсолютный нуль мы создаем, не отбирая у вещества энергию, а наоборот, закачивая ее в вещество.

Так как атомы после краткого мига спокойствия отдают энергию все вместе, плотность ее в вылетающем из лазера световом луче оказывается просто чудовищной. Температура при термоядерном взрыве — десять миллионов градусов, в недрах звезд-гнгантов — сто миллионов. А в наиболее мощных лазерах десять триллионов триллионов градусов — единица с двадцатью пятью нулями! Открытый Эйнштейном эффект стал основой поистине сверхсолнца, до которого природе додуматься не удалось.

Нет такого вещества, которое не обратилось бы в пар, в плазму под действием луча лазера достаточной мощности. А мощность эта достигает в современных квантовых генераторах сотни тысяч мегаватт в коротком импульсе — это шестнадцать Красноярских ГЭС сразу! Много ли можно сделать за такое время? Если умело взяться — чрезвычайно  много.  Например, провести термоядерную реакцию в лаборатории, «поджигая» малюсенькую, весом в каких-то десять миллиграммов, крупинку из смеси замороженных изотопов водорода — дейтерия и трития.
 
Вариант термоядерного котла с лазерным «поджигом» реакции предложили в 1963 году академик Н. Г. Басов и доктор физико-математических наук О. Н. Крохин. Термоядерная реакция в девятилучевой лазерной установке была получена пять лет спустя. Лучи сжимали шарик водородного топлива диаметром в десятую долю миллиметра, плотность превосходила стократно плотность стали — в этих условиях явственно наблюдался микротермоядерный взрыв.

Расчеты показывают, что особым образом приготовленная мишень высвободит энергии тысячекратно больше, чем обрушивают на нее лазерные лучи. Увы, в те годы коэффициент полезного действия лазеров большой мощности не превышал десятой доли процента. То есть полезная энергия, вырабатываемая установкой, равнялась бы нулю... Вот почему главной сегодняшней задачей ученые считают увеличение эффективности квантовых генераторов. Известные успехи имеются, что позволило академику Басову заявить в одном из интервью: «Уже складывается образ лазерной термоядерной электростанции будущего; она может стать реальностью через какие-нибудь десять—пятнадцать лет».

А проектов лазерных термоядерных электростанций уже много. Вот один из них. Маломощный лазер формирует импульсы, которые усиливаются стержневыми и дисковыми усилителями из неодимового стекла. Луч направлен по вертикали вниз, в пятиметрового диаметра сосуд с расплавленным литием. Сосуд вращается так быстро, что внутри его образуется глубокая воронка. Именно туда, в воронку, и падает сверху ледяная таблетка дейтерий-тритиевой смеси. Ее тут же поджигает удар лазерного луча. Вспыхивает термоядерная реакция. Выделившееся тепло передается литию, он нагревается и греет через теплообменники воду, превращает ее в пар. Дальше — обычная тепловая электростанция.

Взрывы повторяются каждые десять секунд, в результате чего система обладает в среднем ста пятьюдесятью мегаваттами мощности. Это не так уж много. Наиболее крупные современные турбоблоки тепловых электростанций имеют восьмикратно большую мощность. Но это не смущает авторов проекта. Они считают, что будет выгодно соединить на параллельную работу несколько подобных термоядерных котлов, и тогда они обеспечат паром любую турбину.

Насколько трудно и дорого изготовить термоядерную таблетку? Оказывается, самый дорогой компонент — тритий — нужен будет только для пуска генератора в ход. В дальнейшем его станут выделять из лития, где тритий образуется под действием нейтронного излучения термоядерной реакции. Затем смесь жидких дейтерия и трития поступит капля за каплей в охлаждаемую жидким гелием камеру и там замерзнет. Как утверждают авторы проекта, вся эта система будет потреблять не более тысячной доли энергии, вырабатываемой термоядерным котлом.

Считается, что в 1983—1985 годах появятся лазерные установки нужной мощности. Спустя пять лет начнется строительство экспериментального реактора, а в 1995—2000 годах удастся приступить к сооружению промышленной термоядерной электростанции.

Однако польза лазера не только в его способности разрешить термоядерную проблему. В непрерывном ре-жиме излучения современный лазер может обрушить на преграду поток энергии плотностью до одного мегаватта на квадратный сантиметр. Даже тысячекратно менее мощный свет плавит, режет, сверлит, сваривает любые, сколь угодно тугоплавкие материалы.

Например, одна из промышленных установок рассекает лазерным скальпелем стальной лист миллиметровой толщины и делает это со скоростью четыре метра в секунду. Конечно, вместо стали может быть любой металл, дерево, пластмасса, ткань (лазер-раскройщик — уже почти обычный прибор швейных фабрик). Отходов минимум, ибо диаметр луча — всего десятая доля миллиметра. Опилок нет и быть не может, потому что вещество в лазерном луче распадается на атомы, превращается в плазму.
Другой лазер сваривает 20-миллиметровые стальные пластины раз в тридцать—сорок быстрее самого опытного сварщика. Тут уж никакого испарения нет, одно плавление, а для этого луч делают «ласковым», слегка расфокусируют.

Вот сверлильная установка. Специальность — отверстия диаметром от десяти миллиметров до двух тысячных долей миллиметра в любом материале, включая алмаз. Способна сверлить сколь угодно глубокие отверстия — те самые, которые всегда вызывают головную боль у начальника цеха, если их проделывают традиционным стальным сверлом. Да и где взять сверло диаметром в сотую долю миллиметра и тоньше?..

Под руководством доктора технических наук М. Ф. Стельмаха налажен серийный выпуск лазерных промышленных установок «Квант», которые умеют не только резать, сваривать и сверлить, но и упрочнять металл. Луч проходит по режущим кромкам штампа или резца и закаляет их, а весь остальной материал инструмента остается сырым, вязким, хорошо противостоящим ударам и резким нагрузкам. Двойная выгода: и стойкость инструмента возрастает, и работать им можно быстрее.
 
Электронные микросхемы — кусочки полупроводника, на одном квадратном миллиметре которого умеща-ются тысячи транзисторов, резисторов и других элемен-тов. Они все шире применяются в вычислительных машинах, карманных калькуляторах, радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, даже в кухонных плитах и стиральных машинах (как программные регуляторы). К микросхеме надо подвести снаружи электропитание, провода от кнопок, соединить микросхемы друг с другом. Из корпуса микросхемы торчат ножки, к которым припаиваются провода. А внутри к этим ножкам припаяны тончайшие, еле видимые паутинки — мостики к микросхеме. Вот эти паутинки без лазера к полупроводнику не приваришь, их даже в увеличительное стекло не очень хорошо видать. А лазер соединяет металл и полупроводник.

Хотите что-нибудь экзотическое? «Иногда ради шутки доктор Джон Асмус использует свою лучевую пушку для чистки кастрюль и сковородок на кухне. Но обычно этот физик применяет ее для реставрации драгоценных произведений искусства... Его «пушка» не что иное, как лазер... Асмус использовал его для выполнения своего самого крупного заказа — восстановления фресок в здании конгресса штата Калифорния в Сакраменто. Ученому достаточно направить тонкий красный луч своего аппарата на загрязнение, нажать на спуск и дождаться мягкого щелчка, яркой вспышки и появления едко пахнущего дымка испарений. В результате открывается чистая и неповрежденная поверхность росписи. По словам доктора Асмуса, бригада реставраторов, вооруженная специальными инструментами, микроскопами и растворителями, смогла бы выполнить эту работу за год, в то время как у него она заняла только два месяца. И обошлась в четыре раза дешевле».

Спросите хирурга, что такое оперировать «на сухом поле», и услышите ответ: «Это гарантия хорошо про-веденной операции». Хирургический лазер не только рассекает ткани, он сразу заваривает кровеносные сосуды. Совсем по-иному выглядит теперь вскрытие таких перенасыщенных кровеносными сосудами органов, как селезенка и печень. А то, что луч лазера заставляет кровь сворачиваться, врачи используют для остановки язвенных кровотечений в желудке. Уже выполнены первые операции, которые даже и операциями-то не назовешь: в желудок пациенту вводят световодный зонд, отыскивают пораженное место и облучают зеленым светом лазера. Этот метод лечения был разработан в ФИАНе под руководством академика Басова, результаты оказались весьма многообещающими. Как отметил академик, «исследуется также и влияние лазерного излучения на выделение желудочного сока. Если удастся таким образом влиять на его секрецию, это серьезно помогло бы в лечении язвы желудка».

Лазерное вмешательство блестяще демонстрирует свои сильные стороны в таком тонком деле, как лечение глазных заболеваний. Аппаратура для этого была разработана при творческом содружестве члена-корреспондента Академии медицинских наук СССР М. М. Краснова и академика А. М. Прохорова.
Она позволяет избежать сложной операции при таком опасном заболевании, как глаукома — повышение внутриглазного давления.

Глаукома занимает второе место в перечне причин слепоты, а возникает болезнь оттого, что канальцы, отводящие внутриглазную жидкость, закупориваются будто пробкой. Обычно стараются раскрыть их с помощью лекарств, а если не удается, то хирург пробирается своими инструментами в узкий промежуток между роговицей и радужной оболочкой к канальцам, прорезает необходимые проходы. Болезненная, длительная, а главное — не радикальная операция. Спустя некоторое время канальцы опять зарастают, опять операция, да к тому же, возможно, и не последняя...

Лазер же своим лучом добирается к пораженному месту, не затрагивая других тканей. Чтобы свести к минимуму время действия лазерного луча на ткани глаза, академик Прохоров предложил воспользоваться особыми квантовыми генераторами — с модулированной добротностью. Это значит, что энергия лазера выделяется не как обычно в цепочке импульсов, занимающих несколько тысячных долей секунды, а в одном импульсе — за несколько миллионных долей секунды. При таком воздействии интенсивность луча столь громадна, что ткань не сгорает, а распадается на атомы, исчезает бесследно. Канальцы открываются, больной после сеанса, занимающего несколько минут облучения (лазер-гониопунктуры, как назвали процесс), возвращается к своим повседневным делам. А сама техника воздействия и лазерная аппаратура настолько просты, что лазер-гониопунктуру можно проводить даже в амбулатории.

Медики используют для лечения такую особенность света, как избирательное его поглощение разными веществами. Со школьной скамьи мы знаем, что зеленый лист зелен потому, что поглощает все лучи спектра, кроме зеленого, белый — равно отражает все лучи, а черный — жадно все поглощает. Значит, если направить луч соответствующей мощности на черную татуировку, окрашенные клетки разрушатся, обесцветятся. А находящиеся рядом белые, краской не тронутые, уцелеют.

«...Во многих случаях воздействие лазеров оказывается более щадящим и дает лучшие косметические результаты, чем хирургический и другие методы лечения»,— писали еще в 1972 году в «Правде» украинские ученые из Института проблем онкологии АН УССР, где с 1965 года лечат лазерным светом некоторые злокачественные и доброкачественные опухоли, с 1969 года работает первое в СССР клиническое отделение, возвращают здоровье, казалось бы, неизлечимо больным людям. Впрочем, дадим слово авторам метода: «Одним из первых пациентов отделения был семнадцатилетний юноша. Обычный вопрос врача «На что жалуетесь?» здесь был излишен. Почти половину лица и височную часть головы покрывала бугристая синевато-красная опухоль... Больного подвергли лазерной терапии. Вскоре он вернулся домой, и односельчане не узнали парня: на лице его с трудом можно было определить место, где ранее находилась опухоль».

Лазерный луч можно сфокусировать в точку диаметром меньше тысячной доли миллиметра — превратить в «световую микроиглу». Биолог проникает ею в отдельную клетку, касается интересующих экспериментатора элементов ее строения. Свет ударяет, скажем, только в ядро — как на такую атаку ответит клетка, важно знать и онкологам, изучающим механизм возникновения и развития опухолей, и цитологам — специалистам по жизнедеятельности клеток, и генетикам — знатокам проблем наследственности.

Если требуется, на клетку действуют щадящим, рассеянным светом определенной, точно выверенной длины волны. Вторжение квантов по-разному отмечают субклеточные соединения — ферменты,  витамины, гормоны. Ученые полагают» что когда-нибудь они научатся избирательно влиять на эти вещества, а значит, и на работу клетки как целого, регулировать ее жизнедеятельность. Воздействовать на внутриклеточный обмен в живом организме — мечту такого рода не высказывал, похоже, ни один фантаст, а биологи ставят эту работу в будничный порядок дня.

Современные лазеры способны вырабатывать световые импульсы пикосекундной длительности, то есть в триллионную долю секунды. И оказывается, эти исчезающе короткие всплески излучения «видны» клетке, точнее входящим в ее состав молекулам. Такие импульсы способны возбуждать и даже разрушать отдельные участки таких сложных биологических соединений, как молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты — знаменитая ДНК, благодаря которой живые организмы передают по наследству свои свойства. Ученые считают, что таким способом когда-нибудь удастся прочитать записанную в ДНК генетическую информацию буквально атом за атомом. А это значит, что откроется возможность очень прицельного изменения наследственности — выведения новых сортов растений с заданными свойствами, новых пород животных.

Биолога интересуют живые клетки, но, увы, чаще всего ему приходится иметь дело с мертвыми. Их легче рассматривать в микроскоп, поскольку можно окрасить какой-нибудь подходящей краской, чтобы проявилось строение. Живые клетки прозрачны, их трудно наблюдать, да к тому же они не любят чересчур яркого света. Что делать? Сотрудники ФИАНа подметили, что некоторые вещества, генерирующие лазерный свет, при определенных условиях способны играть роль усилителей яркости. В одном и том же микроскопе поэтому сочетаются лазер, освещающий слабым, еле видимым лучом живую клетку, и усилитель яркости, делающий изображение доступным человеческому глазу. Новый оптиче-ческий прибор встречен биологами с понятным интересом. Ведь теперь можно заглянуть в самые интимные тайны работы клетки.

А может быть, кому-то хочется увидеть атом? Ну не сам атом, а место, где он находится? Лазер делает реальностью и такое. Логика рассуждения следующая: надо подобрать определенные кванты (электромагнитные волны определенной длины волны), чтобы их поглощали только нужные нам атомы. После поглощения рано или поздно наступит излучение, и мы увидим, как светятся именно эти, нужные. «Такие атомы... флюоресцируют в лазерном луче и поэтому становятся легко обнаружимыми,— пишет доктор физико-математических наук, профессор Летохов.— Сейчас в Институте спектроскопии АН СССР достигнут предел чувствительности аналитической спектроскопии — регистрируется каждый атом, попадающий в лазерный луч».

Возбуждая лазером молекулы, а затем засекая их излучение, исследователи пытаются создать анализаторы запахов, сравнимые по чувствительности с собачьим носом. Они будут следить за чистотой воздуха, воды и почвы, они помогут геологам искать месторождения полезных ископаемых: ведь некоторые газы выходят в микроскопических количествах из-под земли именно там, где в глубинах скрыты определенные руды, да и не только они. Лазерный «нос» учует их. Уже сейчас подобные приборы — правда, не такие чувствительные — проверяют целость труб газо- и нефтепроводов. «Автомобиль-лаборатория движется вдоль нитки трубопровода со скоростью до десяти километров в час и все время берет пробы воздуха. Если в них оказывается большая концентрация метана, срабатывает звуковой сигнал. Становится ясно, в каком месте надо производить ремонт»,— читаем мы заметку в газете.

Но можно, оказывается, так накачать энергией молекулу, что она развалится. Для подобной операции нужен мощный лазер с излучением соответствующей длины волны. Причем вот что интересно: поскольку поглощают энергию лишь избранные нами молекулы (а эту направленность предопределяет длина волны), то какой бы сложной ни была смесь, развалятся именно они и никакие иные. Явление было теоретически предсказано советским физиком Гургеном Ашотовичем Аскарьяном в 1964 году, а несколько лет спустя группы исследователей в Института спектроскопии АН СССР и в Канаде провели успешный эксперимент этого рода. Открылся путь к весьма эффективному разделению изотопов, то есть атомов, какого-либо элемента, отличающихся друг от друга массой, но химически настолько похожих, что в любом соединении они участвуют одинаково.
 
Их множество, среди них есть радиоактивные, очень полеаные для исследования скорости химических реакций, распределения питательных веществ в организме, а иногда и для лечения некоторых заболеваний. Ну а насколько необходимы радиоактивные изотопы технихе, и говорить не приходится, достаточно вспомнить, чю в реакторах атомных электростанций распадается уран, обогащенный изотопом уран-235, без которого цепную реакцию распада не получишь.

С каждым годом входят в строй все новые и новые АЭС, в мире работает уже свыше двухсот двадцати энергетических реакторов. Эксперты считают, что к'2000 году суммарная мощность АЭС возрастет в двадцать раз, а количество потребляемого урана — десятикратно. Значит, придется все в больших и больших масштабах отделять уран-235 от его собрата — урана-238, покамест не представляющего интереса для энергетики.

Сейчас процесс сложен и дорог. Физики используют разницу в массах атомов и пропускают их через специальные фильтры (естественно, превратив сначала уран в газообразное соединение, например в шестифтористый уран). Чтобы поднять концентрацию урана-235 до четырех процентов, нужна установка из тысячи четырехсот фильтров и такого же количества компрессоров! Лазерный способ несравненно проще.

Вот какую схему предложили советские ученые. Гексафторид урана облучают лазером, он возбуждается, теряет один из атомов фтора (речь идет, понятно, об уране-235) и превращается из газа в порошок. Вот и все. Но... Теория — прекрасно, а вот как практика? Опыт по разделению изотопов, о котором рассказыва-лось чуть раньше, заключался в том, что из смеси изотопов азот-14 и азот-15 выделяли редкий азот-15, которого в атмосферном воздухе меньше процента. Уже после первого цикла обработки концентрация этих атомов возросла до пятидесяти процентов. Так что очень скоро настанет очередь и урана...

Лазерный свет стал предметом пристального внимания химиков, у которых многие реакции синтеза идут только при высоких температурах. Тепло требуется, чтобы подраскачать атомы и молекулы, снабдить их запасом энергии, необходимой для преодоления сил отталкивания. Скажем, если хотите получить винилхлорид — исходный материал для выработки полихлорвиниловой пленки, искусственной кожи, кабельной изоляции, пенопластов и других изделий более трех тысяч наименований,— надо нагреть жидкий дихлорэтан до пятисот градусов Цельсия и ввести в камеру дорогой катализатор. И все равно в получившемся веществе останется множество побочных продуктов, неизбежно возникающих в ходе реакции. Удалять их потом — дело неизбежное и денежное.

А вот лазер требует предварительного нагрева только до трехсот градусов — это первое преимущество. Чистота же синтезированного продукта достигает 99,9 процента — достоинство еще более важное. Когда новая технология получит повсюду права гражданства, удастся на многие миллионы тонн сократить количество вредных отходов. Про экономию топлива, которое все труднее и дороже добывать, говорить не приходится.

Теперь поднимемся в воздух. Мы в кабине многоместного пассажирского лайнера, рядом с пилотами. Снаружи — тьма. Где-то впереди аэродром. Мы идем к нему, повинуясь невидимым лучам радиотехнического посадочного комплекса. Невидимым... А летчику так хочется порой проконтролировать приборы! Потому что техника техникой, а свой глаз — это свой глаз. Пилоту очень помогла бы на посадке видимая глиссада — та воображаемая линия, по которой скользит к земле самолет. До эпохи лазеров это были лишь мечты. А сегодня...

«На земле, точно по курсу самолета, вспыхнули три яркие звездочки. И тотчас буквально над нашими головами метнулся и замер почти осязаемый сгусток лазерного луча. Огненный жгут пульсировал, мерцал, жил рядом с кабиной.
— Порядок,— довольно басит слева летчик.— Занимаем глиссаду.
...Луч лазера лежит ниже нас. Он, словно могучий монорельс, уперся под углом в землю, и самолет деловито скользит по нему на посадку.
— Усы наблюдаете?
Отчетливо вижу: от боковых звездочек влево и вправо параллельно линии горизонта пролегли два ярких луча.
— Вон они! У комля монорельса...
— Что? Как вы сказали? — переспросил главный конструктор системы доктор физико-математических наук И. А. Бережной.— Монорельс? Нет, летчики окрестили наши лучи лазерными вожжами...»

Так рассказывает корреспондент «Правды» А. Хоробрых о своем знакомстве с изобретенной у нас в стра-не лазерной посадочной системой «Глиссада». В ее создании участвовали летчики, инженеры и физики, работающие в ФИАНе под руководством академика Басова. «Сочетание автоматического режима захода на посадку с визуальным наблюдением лучей лазерной системы (для контроля) значительно облегчает пилотирование» — таково мнение опытнейших летчиков, приземлявших воздушные корабли по лазерным «вожжам».

Обычно бывает так, что новинка появляется на «верхних этажах» техники — в авиации, на морском флоте — и только потом перекочевывает «вниз», где ей тоже находят дело. А с лазером-поводырем случилось иначе. До прихода в воздушный флот он уже управлял движением строительных машин — скреперов и бульдозеров. Еще в 1966 году в журнале «Приборостроение» была напечатана статья о том, как выравнивают площадки и прокладывают осушительные каналы, ориентируясь не на привычную опорную проволоку, а на экзотический тогда когерентный луч.

Площадку длиной сто метров по новой технологии горизонтировали с неслыханной точностью: плюс-минус один миллиметр! Почти вдвое увеличивается при такой работе производительность машин, да кроме того, они теперь могут действовать и ночью. Вначале каждой землеройной машине требовался свой направляющий лазер. А потом кто-то додумался до очень простого, остроумного решения: лазер ставят на вращающееся основание, и он чертит лучом плоскость, по которой координируют свои действия сколько угодно машин. Это особенно выгодно, когда приходится выравнивать крупные строительные площадки, аэродромы, полотна автострад...

Но если лазерный луч-нивелир так превосходно ведет себя в поле, почему бы не пригласить его на строительство промышленных предприятий? Вам никогда не приходилось бывать на монтаже прокатного стана? Это сооружение длиной в сотни метров необходимо не просто смонтировать, а вытянуть в идеально прямую нитку, расположить все валки (их порой сотни!) строго горизонтально. Для такой ювелирной работы обычно используют монтажную линейку — шестиметровую махину весом добрых сто килограммов. Попробуйте-ка подержать ее на весу целой бригадой хотя бы минуту, да чтоб не дрогнула! А геодезист прильнул к своему теодолиту, машет рукой: чуть выше... чуть ниже... теперь правее... Трудно наладить взаимопонимание в таких условиях, да еще когда между людьми расстояние в полсотни метров.

«Сверкающей, идеально натянутой струной повис луч над фундаментами. Он столь осязаемо пробивал утренний полумрак, что его хотелось потрогать рукой. — Хотите, попробуйте,— предложил геодезист. И сам подставил руку. Холодной стальной иглой луч уперся в ладонь.— Абсолютно безопасно. Как блики от электросварки...» — сообщает репортер с одной из строек.

Лазерный нивелир не только упрощает работу, он ее ускоряет, и ощутимо. На строительстве полукилометрового наклонного конвейера, подающего шихту в доменную печь, квантовый генератор принес свыше десяти тысяч рублей экономии, сократил срок монтажа в полтора раза. Валки прокатного стана на Выксунском металлургическом заводе выставили перпендикулярно оси агрегата за какой-то час — без лазера эта операция занимала целую смену. И еще. На стройплощадке всякое бывает, то пыль, то дождь, то туман мешает работе геодезистов, ночью и совсем ничего не видно. А луч лазера, наоборот, в запыленном воздухе даже лучше виден, тем паче ночью. Можно не прекращать монтаж ни на минуту.

Если же требуется выставить сооружение точно по вертикали — к услугам строителей зенит-центрир. Именно этому лазерному прибору обязаны своей идеальной стройностью Останкинская телебашня да еще множество высоченных труб, иные из которых по высоте немногим уступают ей...

Над башней в каких-то трехстах восьмидесяти четырех тысячах километров висит Луна. Не попробовать ли достать ее лазерным лучом? Первые опыты состоялись в 1962 году, а сегодня у нас есть лунные карты и глобусы, на которых высоты гор и глубины долин отмечены с точностью около полутора метров. Промерили их не космонавты — земные исследователи, ни на миллиметр не отрывавшиеся от родной планеты.

Впрочем, на небе есть не только луна, но и облака, в том числе такие трудные для наблюдения, как серебристые. Их открыл в 1885 году русский астроном В. К. Цераский и поразился их странным свойствам: тонкие, еле заметные, они были видны только в лучах заходящего солнца — появлялись на минуту и гасли... Самому упорному наблюдателю удавалось засечь серебристые облака лишь двадцать—тридцать раз в году. Лазерные локаторы-лидары измерили высоту, на которой образуются серебристые облака, о чем было столько споров. Оказалось, что они расположены в семьдесяти—девяностах километров над Землей, где и атмосферы-то в нашем привычном понимании нет. А они, представьте себе, еще и движутся, подгоняемые ветром,— ничего подобного никому и в голову не могло прийти!

Если спуститься пониже, на обычные высоты, где летают пассажирские самолеты и клубятся грозовые башнеподобные тучи, то значение лидаров тут тысячекратно возрастает. Не говоря уж о том, что эти приборы очень точно определяют высоту нижней кромки облачности (крайне важный показатель для безопасности полета), лидары способны измерять концентрацию газов, например кислорода, и по этому показателю судить об  атмосферном давлении на разных высотах.

Световым локаторам доступны измерения температуры воздуха, скорости ветра, анализ химического состава всевозможных атмосферных загрязнений. Отсюда уже рукой подать до лазеров, выявляющих нарушителей законов о чистоте окружающей среды. Не перевелись еще, к сожалению, ловкачи, готовые ради сиюминутной «экономии» выключить электрофильтр и нанести природе долговременный ущерб пылью, выбрасываемой трубами электростанции или цементного завода. Занимаются этим обычно под покровом темноты: ночь, никто не увидит... Нет, увидят! Лазер-контролер, который непрерывно осматривает воздушное пространство над городом, мгновенно засечет нарушителя и запишет, в какой точке, когда, сколько и какого состава грязи было выброшено в атмосферу. Точность безукоризненна, доказательства бесспорны для любого суда.

...В 1880 году Александр Грейам Белл, изобретатель телефона, построил фотофон — прибор, передающий на расстояние звуки «без посредства проводов, а исключительно при помощи световых лучей, отражаемых от тонкого, вибрирующего под влиянием звука зеркала». На приемной станции свет   направлялся на фотоэлемент (тогда его называли «селеновый столбик»), в подключенных к нему  наушниках был слышен звук. Такой способ передачи оказался во многом неудобен. Солнечный свет и любые другие источники создают помехи.

С появлением лазера идея фотофона обрела новую жизнь. Ведь  лазерный свет — просто радиоволны строго определенной и очень высокой частоты, а радисты с такими волнами умеют делать всё, что захотят. Возникла идея заменить радиосвязь световыми линиями. Однако быстро выяснилось, что атмосфера все-таки малоблагоприятная дорога для лазерных коммуникаций. Мешают туман, дождь, пыль (на  строительной площадке они рассеивают луч, делают видимым,— связистам это нож острый). Пришлось спрятать свет в оболочку. Попросту говоря, придумать стеклянные кабели.

Главная трудность была в том, что свет распространяется прямолинейно, а световодный кабель по нашей довольно-таки неровной планете приходится прокладывать зигзагообразно. Первые варианты кабелей возникли в лабораториях оптиков, мысливших довольно традиционно. Они прятали в трубу множество линз и тем самым строили дорогу для света. Выгода такого решения была в том, что луч лишь изредка встречается со стеклом, а все остальное время движется по воздуху. То есть идет, почти не затухая, на километры, десятки и даже сотни. Но конструктивно, а значит и в производственном плане кабель такого сорта оказался крайне сложным: приходилось ставить  в трубу  сотни и тысячи линз.

Поэтому более приемлемым оказался вариант, выдвинутый стеклоделами и химиками. Они создали стеклянное волокно с идеально отражающими стенками. Достаточно пустить туда свет, и он послушно побежит, следуя всем изгибам, волокно можно даже узлом завязать. Правда, долгое время этот изящный путь не удавалось реализовать, потому что в стекле луч лазера поглощается довольно сильно (строго говоря, не во всяком стекле и не всякий луч). Вспыхнувший было в середине шестидесятых годов интерес к световодам быстро сник. Но химики не теряли надежды, что сумеют подобрать такой состав стекла, в котором поглощение света сведется к минимуму
.
В 1970 году специалисты американской фирмы «Корнинг Гласе Уоркс» создали светопроводящее волокно
из стекла, «полученного в результате реакции между сверхчистым хлоридом кремния и кислородом».   Оно передавало свет уже на несколько километров.

Спустя несколько лет крупного успеха добились советские ученые. Они разработали такой новый материал для световодов, что затухание энергии снизилось в сотни раз. Необычна и технология производства несущих свет нитей. В трубку из особо чистого кварцевого стекла напускают газообразные соединения кремния с бором, германием и фосфором. На внутренней поверхности оседает тонкая рубашка. Потом эту композицию нагревают до размягчения кварца и вытягивают в длинную тонкую нить. Внутри кварцевой оболочки получается канал, полный заброшенных туда соединений. Свет по нему бежит целый, километр, затухая лишь втрое,— выдающийся результат!

Изобретение волоконных оптических линий связи, по мнению академика Владимира Александровича Котельникова, «представляет не меньшее значение, чем создание в свое время полупроводниковой текинки»,— оценка, которая неспециалисту может показаться завышенной. В самом деле: полупроводники — и какие-то там стеклонити... А они не «какие-то там». Они заменяют медь, материал дорогой, дефицитный, который мы сначала добываем с трудом из-под земли, а потом рьяно закапываем в землю в виде телефонных и прочих кабелей. Теперь можно закапывать стекло. И хотя внутри этого стекла находятся, как мы знаем, бор, германий и другие материалы, расход их (значит, стоимость!) не идет ни в какое сравнение с расходом меди.

Волоконно-оптический кабель толщиной в мизинец эквивалентен медному толщиной в руку. И весит куда меньше медного. На самолете, например, двадцать пять килограммов световодов способны заменить двухсотдвадцатипятикилограммовую медную бортовую сеть — соответственно увеличивается полезная нагрузка или запас топлива. Конструкторы авиатехники все внимательнее присматриваются к светопроводящим волокнам.

Еще одно преимущество света в том, что он требует гораздо меньше усилителей, чем их сейчас приходится ставить на длинных телефонных линиях. Казалось бы, почему так? Ведь ток в меди затухает гораздо медленнее, нежели свет в стекле. Но на электрический сигнал действуют всевозможные помехи от мощных трансформаторов, сварочных установок, радиопередатчиков, и потому сигналу нельзя позволить опуститься ниже определенного уровня. Свету такие помехи абсолютно не страшны.

Третье преимущество — высокая плотность «упаковки» сигналов, передаваемых по оптическим линиям. В один световод можно запустить по крайней мере вчетверо больше телефонных или телевизионных каналов, чем передать по самому лучшему нынешнему кабелю.

Лазеры, световоды и светоприемники (миниатюрные полупроводниковые приборы — фотодиоды) обещают серьезно повысить надежность электронных машин. Впрочем, тогда они уже станут, пожалуй, фотонными или фотонно-электронными, хотя, конечно, не в названии суть. Возрастет надежность, улучшится портативность. Сейчас девяносто процентов объема ЭВМ (!) занимают соединительные провода, из них почти половина — цепи связи между блоками. Если эти цепи заменить световодами, компьютеры похудеют почти вдвое. Громоздкие магнитные системы памяти можно заменить голографическими (о них речь будет в свое время). Новыми станут и устройства вывода информации — пишущие машинки (принтеры, как их называют).

Вот одно из сообщений, появившихся в журнале «Электроникс»: «Используя лазерный луч, можно зна-чительно уменьшить разрыв в быстродействии, существующий между оборудованием для обработки данных и устройствами вывода на печать. Новое безударное печатающее устройство модели 3352 фирмы «Сименс АГ» (ФРГ) печатает до 70 000 символов в секунду... [Оно] может воспроизводить шрифты различных кеглей и гарнитур (размеров и начертаний.— В. Д.), в том числе кириллицу и китайские иероглифы».

Но ведь записывать информацию можно по-разному. Звук — на грампластинках, и тут лазеры, судя по всему, сулят просто переворот. Причем они дают возможность записывать на дисках даже телепередачи! Лазер наносит на пластинку диаметром всего одиннадцать сантиметров многочасовой концерт, на диск — тридцатишестиминутную телевизионную про-грамму. Но, конечно, никакой канавки, по которой скользит в проигрывателях обычного типа игла, нет. Запись наносят в виде цифрового кода, выжигая его элементы на поверхности матрицы, с которой потом пе-чатают видео- или звукодиск. Лазером же и считывают записанное. Чтобы двигать луч по спиральной дорожке, применяют сложные следящие механизмы — словом, новейшие проигрыватели превращаются в соору-жения. А поскольку проигрывание идет бесконтактным методом, такие диски оказываются буквально веч-ными.

О лазерах можно рассказывать очень долго. Можно вспомнить о том, что мощный квантовый генератор —это оружие. Еще в начале семидесятых годов в зару-бежной печати стали появляться сообщения о противо-ракетных световых системах, сбивающих летательные аппараты. Лазеры наводят на цель ракеты и даже артиллерийские снаряды. Этот аспект лазерной темати-ки — самый грустный. Трагично, что даже наиболее удивительные достижения человеческого гения милита-ристы немедля поворачивают в сторону убийства и раз-рушении...

И потому лучше поговорим снова об энергетике — о предсказываемом теоретиками «низкотемпературном» ядерном синтезе. Однако начать придется с иного явления — самофокусировки света, во время которой плотность вещества (фотоны — это ведь тоже вещество, только не имеющее массы покоя!) в луче приближается к внутризвездной.

Самофокусировка света мощных лазеров (и вообще электромагнитных волн) была теоретически предсказана Г. А. Аскарьяном в 1962 году, тогда же была напечатана и его статья в ЖЭТФ — Журнале экспериментальной и тео-ретической физики, усердно читаемом учеными всего ми-ра. Сейчас это одна из самых цитируемых статей у нас и за рубежом. Еще бы! Она знаменовала открытие совер-шенно нового направления в физике когерентного света!

Самофокусировка получается потому, что электриче-ское поле света — электромагнитной волны — изменяет свойства среды, в которой свет распространяется. Ибо любая среда, вплоть до вакуума, так или иначе отзы-вается на электромагнитное поле. Раньше мощность светильников была мала, эффект   оставался   незаметным. А когда речь пошла о тысячах, тем более миллионах киловатт в импульсе — он себя проявил.

Самофокусировка возникает в любом веществе, в том числе и плазме, этой высокотемпературной смеси электронов и ионов (высокотемпературной, то есть при температуре около миллиона градусов, с точки зрения лазерщиков, весьма холодной...). Лучи света, падая на плазму со всех сторон, сжимают ее, и если через нее в этот момент проходит магнитное поле, вместе с плаз-мой сожмутся «вмороженные» в нее силовые линии поля. Иными словами, напряженность его сразу возра-стет, а при определенных условиях достигнет звездной. Этот способ получения сверхсильных магнитных полей был также предложен опять-таки Аскарьяном. В плаз-менном шнуре при таком сжатии резко поднимается тем-пература, достигает миллиона градусов, как при термоя-дерном синтезе. И что еще замечательно, ионы благодаря мощному полю ускоряются, их энергия стократно увели-чивается.

— Такой скачок очень существен,— сказал мне Аскарьян.— Потому что начинается рождение мезонов, а мезоны — чрезвычайно интересные объекты. Например, пи-мезоны превращаются в мю-мезоны и при этом излу-чают нейтрино, за которыми физики сейчас букваль-но охотятся. Нейтрино же требуются для всевозможных исследований. Они легко проникают через любые тол-щи любых веществ, даже через Землю пройдут, словно через пустоту. Но еще интереснее, что, помимо мю-ме-зонов с положительным зарядом, получаются отрица-тельные мю-мезоны. А они — отличные катализаторы ядерного синтеза.

Как это происходит? Отрицательный мю-мезон при-липает к ядру трития или дейтерия и компенсирует за-ряд ядра. Поэтому к такому нейтральному образова-нию без труда сможет присоединиться еще одно ядро трития или дейтерия. Получится гелий и выделится энергия, в которой мы так нуждаемся. И не при сотне миллионов градусов, а при обычных земных температу-рах.

Сотни миллионов градусов нужны, чтобы столкнуть ядра между собой, сама по себе такая температура ни к чему, она даже мешает, вносит массу осложнений и конструктивных, и теоретических. А мю-мезон... После слияния ядер он не теряется, он отскакивает и опять бродит, ищет новое ядро. Он работает как катализатор, пока не распадется. Живет же он по атомным понятиям чудовищно долго — миллионные доли секунды, в сто раз дольше пи-мезона, и за это время успевает сделать много хорошего. Специалисты говорят, что, если с по-мощью лазеров удастся получить в больших количе-ствах мю-мезоны, термоядерная проблема может по-вернуться совсем по-иному, от сверхвысокотемператур-ного синтеза к «холодному».

...Итак, сделав круг, мы вернулись к тому, с чего начали,— к прикладным проблемам ядерной лазерной техники. Оно и понятно: энергетика волнует человечество все больше и больше. Овладение ядерным синтезом даст людям неисчерпаемый источник, откуда они смогут чер-пать полными пригоршнями средства на самые дерзно-венные проекты. И прежде всего — средства на то, чтобы всем людям Земли были доступны все блага цивилизо-ванного мирового сообщества.

Ну а поскольку в разговоре о применениях лазеров автор сознательно обходил тему голографии, настала пора перейти и к ней. К последней главе этой книги.