Учёные давно мечтали создать тонкий, нерасходящийся луч света, который мог бы переносить большую энергию и служить инструментом или оружием. Привычными оптическими способами получить такое оказалось невозможным, и лучи смерти гуляли лишь по страницам фантастических произведений. Прорыв в этой области наметился в первой половине ХХ века, когда стала разрабатываться квантовая механика. В 1954-м году советские учёные Н.Басов и А.Прохоров параллельно с американцем Ч.Таунсом создали микроволновой квантовый генератор. И только к 1960-му году учёным удалось создать первый квантовый генератор, порождающий световой луч.
Принцип работы лазера весьма сложен, в очень-очень упрощённом виде его можно описать так – существуют вещества, которые способны как бы запасать в себе световую (в первых лазерах) или химическую, электрическую энергию и отдавать её коротким мощным импульсом или же в виде постоянного излучения. Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, механистически атом можно представить себе, как массивное ядро в центре и летающие вокруг него по орбитам электроны. При помощи сильного внешнего источника энергии электроны могут перескакивать на более высокие орбиты, делая атом возбуждённым. Если рядом с таким атомом пролетит фотон - частица света, электрон спрыгнет обратно, отдавая наружу ещё один фотон, в точности похожий на пролетевший.
Для нас важно именно то, что фотоны в данном случае идентичны друг другу. Они имеют одну длину волны, т.е. цвет, одинаково поляризованы и движутся в одном направлении. Физики называют их когерентными. Пролетая через вещество, содержащее возбуждённые атомы (активную среду), они «зовут с собой» всё новые и новые фотоны, количество их лавинообразно нарастает. Для того чтобы процесс не затухал, в лазерах применяют особый оптический резонатор, не дающий квантам света сразу покидать активную среду и гоняющий их туда-сюда, пока свет не усилится в нужной степени.
Первый лазер имел в качестве активной, или рабочей среды, цилиндрический кристалл очень чистого рубина, покрытый с торцов зеркальным напылением. При помощи мощной газоразрядной лампы, примерно такой, как в фотовспышке, производилась накачка кристалла энергией. Потом кристалл начинал испускать фотоны, но благодаря зеркалам усиливалось только излучение, параллельное оси рубина. Одно из зеркал частично пропускало свет, и фотоны узким потоком вылетали наружу, образуя лазерный луч.
Рубиновый лазер недолго оставался в одиночестве, очень скоро физики научились использовать в качестве активной среды смеси газов, полупроводники, органические красители и ещё много чего. В зависимости от природы применяемого вещества свойства излучения сильно различаются. Существуют лазеры импульсные и непрерывные, «красные, зелёные, жёлтые, лиловые» и прочие, в том числе работающие в невидимых частях спектра, сверхмощные промышленные или слабенькие, стоящие в музыкальных проигрывателях и лазерных указках. Сфера применения этих устройств огромна и затрагивает практически все области науки и техники.
Разумеется, в первую очередь новое изобретение заинтересовало военных, желающих получить в распоряжение пресловутый «луч смерти». Но очень скоро выяснилось, что боевое применение лазеров сильно осложнено громоздкостью и хрупкостью конструкции и большим расходом электроэнергии. К тому же любая дымка или туман снижали их эффективность.
Впрочем, лазеры всё же нашли свою нишу в военном деле – они применяются в высокоточных системах наведения, дальномерах, прицелах и тому подобных устройствах. Во время «холодной войны» в США разрабатывались проекты мощнейших рентгеновских орбитальных лазеров, накачивающихся ядерным взрывом. В СССР же была почти доведена до готовности лазерная боевая орбитальная станция «Скиф». В настоящее время проводятся эксперименты с установкой сверхмощных лазеров на самолётах, но боевая ценность их пока под вопросом.
Что же касается мирного применения квантовых генераторов, то здесь им удалось развернуться вовсю. Мощные лазеры применяют в промышленности для резки тугоплавких материалов, сварки, закалки, легирования металлов. В медицине используется лазерная коррекция зрения, лазерные скальпели, сварка тканей когерентным лучом. Активно развиваются средства связи на основе волоконной оптики, где тоже не обойтись без лазеров. Миниатюрные лазерные диоды стоят в оптическом приводе каждого компьютера или музыкального центра, в компьютерных мышках и принтерах.
Только благодаря изобретению лазера стала возможной голография – способ записи всех оптических свойств объекта с целью получения его объёмного изображения. Никого уже не удивляют лазерные световые шоу. В обиход входят высококачественные лазерные дисплеи.
Наиболее перспективной областью применения квантовых генераторов считается энергетика будущего. Уже более полувека физики пытаются создать термоядерный реактор, который вытеснил бы нынешние небезопасные «атомные котлы». Попытки зажечь управляемую реакцию синтеза с положительным выходом энергии упираются в необходимость обеспечить высокие температуры – свыше миллиона градусов. В термоядерных бомбах этих температур достигают посредством взрыва инициирующего ядерного запала, но в реакторах такой способ непригоден.
Выход нашли в применении мощных лазеров, которые фокусируются на маленькой мишени из реагирующих веществ – дейтерия и трития, или дейтерия и гелия-3. Энергия выделяется в результате серии очень маленьких термоядерных взрывов. Пока до практического применения этой схемы ещё далеко, но к середине века учёные обещают создать безопасные серийные реакторы с лазерной накачкой.
Космические исследования - это ещё одна перспективная область использования лазеров. Их можно применять для дистанционного зондирования космических тел, обеспечения сверхдальней связи между исследовательскими аппаратами. Есть проекты, предусматривающие разгон межпланетных зондов при помощи лазерного луча, направленного с Земли или орбитальной станции.
За несколько десятков лет лазерные технологии переместились из научных лабораторий во все области человеческой деятельности. Нет сомнений, что нас ещё ждут новые открытия, связанные с когда-то грозным фантастическим «лучом смерти», а ныне универсальным инструментом, способным легко и непринуждённо выполнять некогда сложные или вообще недоступные манипуляции. Остаётся надеяться, что дальнейшее развитие лазера будет происходить преимущественно в мирной области.