Лазерный свет

РЕФЕРАТ

ЛАЗЕРНЫЙ СВЕТ

Попытка создать источник света, который обладал бы совершенно новыми свойствами. Толчок к этим разработкам был дан в 1958 году публикацией результатов Артура Шавлова и Чарлза Таунса. Еще раньше, в 1954 году, Таунс совместно со своими сотрудниками сконструировал прибор, генерировавший так называемые микроволны абсолютно новым способом. Эти микроволны, так же как и радиоволны, являются электромагнитными. Такие волны не воспринимаются нашими органами чувств, однако это ничуть не умаляет реальности их существования. Представьте себя на берегу моря темной -- хоть глаз выколи -- ночью: самих волн вы не видите, однако вполне способны сделать вывод об их наличии, если на волнах качается вверх-вниз лодка с фонарем. Примерно так же обстоит дело и с электромагнитными волнами. Доказательством их существования можно считать, например, радио: после определенных преобразований электромагнитные колебания становятся слышимыми для человека.

Задача Bell Telephone Laboratories заключалась в том, чтобы изготовить источник световых волн, основанный на принципе Таунса. Принцип этот получил название «мазер». «Мазер» -- как и многие другие термины в современной науке -- слово придуманное; можно даже сказать, что это лингвистическая шутка. Оно составлено из начальных букв английских слов (смысл которых для большинства неподготовленных читателей до сих пор остается несколько туманным): Microwave Amplification (by) Stimulated.Emission (of) Radiation. В переводе это означает «усиление микроволн в результате вынужденного излучения» -- так понятнее, но ненамного. А вот слово «лазер» (light Amplification (by) Stimulated emission (of) Radiation) прижилось очень быстро, хотя вся разница заключается в замене «микроволн» на «свет».

Чтобы по достоинству оценить прорыв, совершенный человечеством благодаря этому открытию, следует сначала вкратце обсудить лампы и излучаемый ими свет. Этот краткий экскурс не отвлечет нас от главной цели -- напротив, в ходе рассуждений читатель получит ясное представление об идеях, лежащих в основе синергетики.

В качестве примера обычной лампы возьмем так называемую газоразрядную трубку -- стеклянную трубку, заполненную каким-либо инертным газом (например, неоном). Атом газа состоит из положительно зараженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов, кружащихся вокруг этого ядра подобно планетам вокруг Солнца. Для простоты и краткости в дальнейшем мы будем рассматривать поведение только одного электрона, так называемого «светового» электрона (рис. 1). Датский физик Нильс Бор в 1913 году установил, что электрон может занимать только строго определенную орбиту, все же прочие для него оказываются «под запретом». Обоснование такого поведения было дано квантовой теорией, согласно которой электрон ведет себя не только как частица, но еще и как волна, которая при обращении вокруг ядра атома вынуждена ловить собственный «хвост»; в этом и заключена причина существования для каждого электрона только одной строго определенной орбиты. В нормальных условиях электрон движется по самой «глубокой колее» -- в некотором смысле, по дну потенциальной ямы (рис. 2). Если пропустить через трубку электрический ток, передающийся, как известно, множеством свободно движущихся электронов, то эти электроны будут сталкиваться с отдельными атомами газа. При этом световой электрон атома может «перескочить» со своей орбиты на другую, более высокую (с более высоким энергетическим уровнем) (рис. 3), а затем спонтанно (т.е. совершенно самопроизвольно, в непредсказуемый момент времени) вернуться на прежнюю орбиту. Освобожденную при этом энергию он отдаст в виде светового излучения (рис. 4) и продолжит движение по низкой орбите (рис. 5). Таким образом возникает световая волна -- точно так же, если бросить в воду камень, возникает волна на поверхности воды.

Рис. 1. Схема строения атома на примере атома водорода: отрицательно заряженный электрон движется по орбите вокруг положительно заряженного ядра

Рис. 2. Движение электрона (черный кружок) вокруг атомного ядра.

При получении энергии извне (например, при освещении) электрон, движущийся по нижнему желобу, может покинуть его и подняться на более высокий энергетический уровень

Естественно, такую судьбу разделяют множество световых электронов, находящихся в газоразрядной трубке. Они производят световые волны; общая картина при этом сходна с той, что получалась бы на поверхности воды от беспорядочного забрасывания ее камнями, т.е. совершенно хаотичное движение, состоящее из отдельных волновых цугов, напоминающих спагетти. При увеличении силы тока, пропускаемого через газ, в возбужденное состояние переходит все большее количество атомов; можно ожидать, что плотность цугов также увеличится. Многие физики именно так и полагали.

Рис. 3. Электрон движется по более высокой орбите; такое состояние атома называется возбужденным

Рис. 4. С верхнего желоба электрон переходит обратно на нижний, испуская при этом энергию в виде световой волны

В лазере же происходит нечто совершенно иное. Вместо беспорядочной толкотни в лазере возникнет абсолютно упорядоченный, практически бесконечный волновой цуг. Эксперименты, которые затем проводились в разных лабораториях по всему миру, целиком и полностью подтвердили этот прогноз. В этом, собственно, и заключается разительное отличие света обычной лампы от излучения лазера. Поясним происходящее при этом чудо, используя аналогию.

Вообразим себе атомы в виде маленьких человечков, стоящих с шестами на берегу наполненного водой канала (рис. 6); вода при этом будет символизировать световое поле. Находящаяся в состоянии покоя поверхность воды соответствует случаю, в котором световое поле отсутствует, т. е. темноте. Когда человечки погружают свои шесты в воду, состояние покоя нарушается, и поверхность приходит в движение -- появляются волны. Эта ситуация соответствует возникновению вокруг атомов световых полей. Это движение совершенно неупорядочено -- такое имеет место в обычной лампе. Однако представим, что человечки действуют согласованно, как по команде, и опускают шесты в воду одновременно, отчего на поверхности воды возникает равномерное движение. Будь наши атомы-человечки настоящими людьми, было бы понятно, каким образом достигается слаженность действий: рядом стоит какой-то босс или шеф и выкрикивает команду, точно регулирующую моменты спуска и подъема шестов. В то же время лазер является примером упорядоченного состояния, реализуемого посредством самоорганизации: хаотичное движение здесь переходит в упорядоченное; для синергетики лазер оказывается просто незаменимым, образцово-показательным примером, который можно использовать в качестве аллегории для очень многих процессов вплоть до социальных.

Рис. 5. Электрон снова движется по прежнему, низкоэнергетическому, желобу

Рис. 6. Принцип действия лампы и лазера

Человечки с шестами стоят на берегу канала, наполненного водой. На верхней картинке они опускают свои шесты в воду независимо друг от друга. Бурное движение водной поверхности соответствует световому полю обычной лампы. Изображенные на нижней картинке человечки погружают свои шесты в воду синхронно; возникающая при этом синхронная волна соответствует свету лазера.

На примере лазера мы можем без лишних усложнений разобраться в некоторых вопросах, и это -- пусть всего на шаг -- приблизит нас к пониманию процессов, протекающих в живой природе.

Рис. 7. Устройство типичной лазерной установки

Самоорганизация в лазере

Рассмотрим подробнее процессы, протекающие в лазере -- это поможет нам раскрыть тайну самоорганизации. Лазер отличается от обычной газоразрядной трубки только наличием зеркал (рис. 7). Зеркала нужны для того, чтобы свет, движущийся вдоль оси трубки, как можно дольше оставался внутри трубки (рис. 8). При этом одно из установленных зеркал частично проницаемо, благодаря чему некоторое количество света излучается наружу. Почему же желательно по возможности дольше удерживать свет внутри лазерной установки?

Рис. 8. Световые волны, оказавшись между зеркалами, могут вести себя по-разному: те, что движутся в направлении, точно совпадающем с осью трубки, отражаются от зеркал и остаются в лазере более продолжительное время, а все остальные быстро покидают пределы трубки

При таких условиях начинается процесс, еще в начале двадцатого века предсказанный Эйнштейном. Уже возникшие световые волны могут принудить возбужденные световые электроны к синхронным колебаниям. С электронами происходит то же самое, что и с увлекшимся чечеточником, который усиливает ритм, задаваемый музыкантами, и под конец, обессилев и целиком выложившись, буквально валится с ног. Электрон усиливает световую волну, т.е. поднимает ее гребень, до тех пор, пока не отдаст волне всю свою энергию и не вернется в начальное состояние -- состояние покоя.

Рис. 9. «Волна волне рознь»: примеры волн с различными фазами, т. е. с разными расстояниями между гребнями

Поскольку благодаря зеркалам световые волны относительно долго остаются внутри лазера, они могут подчинять себе все больше и больше световых электронов, используя их для того, чтобы увеличить собственную амплитуду, т. е. высоту гребня волны. Но и волны с одинаковой амплитудой все же могут отличаться друг от друга: одинаковые по высоте гребни волн могут следовать на разном расстоянии друг от друга (рис. 9). Таким образом, у «истоков» каждого лазерного излучения стоят одновременно совершенно разные волны, успевшие на данный момент сформироваться благодаря усилиям нескольких особо «прытких» электронов. Волны вступают в конкурентную борьбу за усиление своего влияния на возбужденные электроны. Сами электроны тоже по-разному относятся к различным волнам, зачастую при передаче энергии отдавая какой-то определенной волне некоторое предпочтение; предпочтением этим пользуются те волны, частота которых оказывается ближе всего к «внутреннему ритму» самого электрона. И хотя такие особые волны часто имеют лишь очень небольшое преимущество, степень их влияния лавинообразно растет, и в конце концов они одерживают верх над остальными. В результате такого тотального подавления вся энергия световых электронов оказывается собрана в единую абсолютно равномерно колеблющуюся волну. И наоборот: стоит только какой-то волне добиться успеха, как она подчиняет себе каждый вновь возбуждаемый электрон, навязывая ему свою собственную частоту колебаний. Возникающая таким образом новая волна определяет своим поведением порядок в лазере -- она играет роль параметра порядка; термин этот уже не раз нами упоминался.

Поскольку параметр порядка вынуждает отдельные электроны двигаться совершенно синхронно и тем самым определяет их действия, мы снова можем сказать, что параметр порядка «порабощает», подчиняет себе отдельные элементы системы. Верно и обратное: параметр порядка (т. е. световая волна) есть результат синхронных колебаний отдельных электронов. Возникновение параметра порядка, с одной стороны, и когерентного поведения электронов -- с другой, взаимно обуславливают друг друга; в таких случаях принято говорить о циклической причинности. Перед нами еще один типичный пример синергетического поведения. Для обеспечения синхронности колебаний электронов должен существовать параметр порядка (в данном случае эту роль выполняет световая волна). Однако существование самой световой волны возможно только благодаря синхронным колебаниям электронов. Словом, все выглядит так, что мы должны бы задействовать некую высшую силу, единожды создавшую некое изначальное состояние упорядоченности, которое затем сможет самостоятельно поддерживать свое существование. Однако в действительности все происходит иначе. В самом начале имеет место конкурентная борьба и процесс отбора, в результате которого все электроны становятся «рабами» какой-то определенной волны. При этом интересно отметить, что все волны, совершенно случайно -- спонтанно -- порожденные электронами, должны быть рассортированы в соответствии с законами конкурентной борьбы, т. е. пройти через некий отбор. Перед нами типичный для синергетики пример взаимоотношений между случайностью и необходимостью: «случайность» здесь воплощена в спонтанном излучении, а «необходимость» -- в неумолимом законе конкуренции и отбора.

Лазер: открытая система с фазовым переходом

Можно ли любую лампу превратить в лазер, просто добавив к ней зеркала? Собственно, почти так оно и есть, однако следует подробнее рассмотреть один ключевой момент. Световые волны, испускаемые возбужденными электронами в обычной лампе, разбегаются прочь с такой быстротой, что другие электроны практически не имеют времени на то, чтобы поддержать колебания этих волн. Это значит, что вынужденное излучение состояться не может, и отдельные волновые цуги оказываются не в состоянии хоть сколько-нибудь «продлить себе жизнь». Лампа испускает самые различные волны таким образом, что они совершенно не зависят друг от друга. Зеркала в лазере предназначены для того, чтобы воспрепятствовать движущимся в осевом направлении волнам покинуть лазер -- для того чтобы осталось достаточно времени для усиления волн посредством вынужденного излучения. Однако не существует зеркал, совершенных настолько, чтобы удержать свет в лазере вечно; кроме того, имеются и другие причины, по которым свет «теряется» (например рассеяние). Разумеется, при любом применении лазера часть света зеркала должны выпускать: в конце концов, лазерный свет нужен нам для того, чтобы что-нибудь им облучать.

Таким образом, задача генерации лазерного света становится задачей чисто количественной. Необходимо возбуждать световые электроны атомов газа с такой скоростью, чтобы они оказались в состоянии усиливать световые волны достаточно быстро и эффективно для того, чтобы компенсировать потери от несовершенства зеркал. Другими словами, мы должны постараться устроить все так, что потери энергии волн покрывались бы энергией, получаемой в результате вынужденного излучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходит скачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами через газоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, при котором состояние лазера радикально изменяется -- даже в том случае, если ее изменение ничтожно мало. Работу лазера мы можем поддерживать единственным способом: постоянно снабжая его энергией (например в виде электрического тока). Одновременно лазер будет постоянно излучать энергию в виде лазерного света (не будем забывать и о тех неизбежных потерях энергии, которые уже упоминались). Лазер, таким образом, постоянно обменивается энергией с окружающим миром, а значит, является открытой системой. В то же время лазер является системой, чрезвычайно далекой от теплового равновесия -- точно так же, как двигатель внутреннего сгорания.

Скачкообразное возникновение макроскопического состояния упорядоченности очень напоминает поведение ферромагнетика или сверхпроводника, при котором также возникают состояния с совершенно новыми физическими свойствами. Правда, эти системы находятся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, что и отличает их от нашего случая.

Именно поэтому многие физики были поражены, когда мы в Штутгарте, одновременно с группой наших американских коллег, смогли установить, что фазовый переход в лазере демонстрирует все свойства, характерные для обычных фазовых переходов, в том числе критические флуктуации и нарушение симметрии. Таким образом, лазер стал как бы мостом между неживой и живой природой. Состояние упорядоченности в лазере поддерживается за счет процессов самоорганизации, протекающих благодаря притоку дополнительной энергии извне. Лазер -- как и все биологические системы -- система открытая.

Интересный мостик к физиологическим процессам выстраивается, прежде всего, в ходе исследований химических лазеров, где происходит своего рода обмен веществ. Химический лазер нуждается в водороде и фторе; эти вещества очень активно вступают в реакцию друг с другом. В результате между атомами водорода и фтора возникает новое «партнерство», причем химическая реакция протекает настолько бурно, что вызывает возбуждение световых электронов, а они, в свою очередь, генерируют лазерный свет уже знакомым нам способом.

В данном случае энергия создается в ходе химических реакций. Химическая энергия, высвобождаемая в виде тепла, преобразуется при этом в конечном счете в строго упорядоченную энергию синхронного движения волн лазерного света. Перед нами своего рода обмен веществ, при котором низкоуровневая энергия горения преобразуется в высокоуровневую энергию лазерного света. Нечто похожее происходит в двигателе, цилиндр которого наполнен газовой смесью. Тепловая энергия, распределенная по многим степеням свободы, преобразуется здесь в кинетическую энергию поршня, которая, собственно, и заставляет автомобиль двигаться. В дальнейшем мы еще не раз столкнемся с тем, что подобная трансформация микроскопических энергий в макроскопическую энергию с меньшим числом степеней свободы оказывается одним из основных принципов протекания биологических процессов.

Лазер можно заставить работать не только повышая силу тока и увеличивая тем самым частоту возбуждений отдельных электронов. Следует обратить внимание и на другой процесс, при котором мощность накачки остается прежней, но число атомов в лазере постоянно увеличивается. Исследования показывают, что до тех пор, пока количество атомов в лазере не достигает определенного значения, он действует в режиме обычной лампы, но как только число атомов увеличится до критического, возникает лазерный свет. В сущности, перед нами переход количества в качество.

Рис. 10. Между двумя зеркалами распространяются только совершенно определенные волны

Приведенные примеры показывают, что процессы самоорганизации могут быть запущены различными способами. В дальнейшем, обратившись к биологии, мы займемся этой темой подробнее.

С другой стороны, мостик к биологии можно перебросить и на основе уже имеющихся примеров. Благодаря использованию зеркал в лазере мы создаем для атомов и генерируемых ими световых волн специфическую «окружающую среду». Физикам известно, что между двумя параллельными зеркалами могут существовать только совершенно определенные световые волны (рис. 10). Это означает, что изначально ясно, какие именно волны могут рассматриваться в качестве лазерных. Вполне может случиться так, что волны, «пользующиеся успехом» у световых электронов, окажутся неспособны распространяться между зеркалами. Однако это не приведет к отказу электронов от участия в генерации лазерного света; электроны просто выберут волну с такими характеристиками, которые окажутся ближе всего к «полюбившимся» им ранее волнам (правда, это срабатывает лишь до определенных пределов). При медленном изменении расстояния между зеркалами изменится, соответственно, и процесс испускания электронами лазерного света -- электроны приспособятся к новой окружающей среде. Здесь может произойти нечто, достойное весьма пристального рассмотрения. Возможно, что новая волна между зеркалами окажется больше похожа на «предпочитаемую» электронами волну, чем на ту, которой электроны подчинялись и которую поддерживали до сего момента. В этом случае сначала отдельные электроны спонтанно, в виде флуктуации, отдадут новой волне свою энергию, а вскоре и все остальные электроны поддержат именно эту волну, полностью отказав в поддержке прежней: адаптация к новому «зеркальному окружению» прекратится посредством флуктуации.

В лазере, как и в жидкости, состояние макроскопической упорядоченности может быть достигнуто увеличением количества поступающей энергии. В случае с жидкостью мы повышаем температуру, получая в результате все более и более сложные структурные образования вплоть до возникновения турбулентности; то же и с лазером: при дальнейшем повышении мощности накачки лазер внезапно начинает испускать регулярные невообразимо короткие и интенсивные световые вспышки. Выходная мощность каждой вспышки при этом может быть сопоставима с мощностью всех вместе взятых электростанций США. Длительность же такой вспышки составляет всего триллионную долю секунды. Описанные световые вспышки, называемые также ультракороткими лазерными импульсами, возникают в результате кооперации множества различных волн. Конкуренция между ними прекращается, вытесненная общим мощным усилием. Кроме того, наша теория предсказывает, что лазеры способны генерировать еще один новый тип света -- турбулентный свет, что открывает обширную новую область исследования для экспериментальной физики.