Какие трудности? Разберемся хотя бы в самых главных из них. Перед вами сосуд со свежеполученным активным веществом. Пусть по-прежнему это газ, в котором инверсия населенностей получена методом механического разделения. Итак, сосуд, заполнен атомами, большая часть которых находится в возбужденном состоянии. Не дожидаясь милостей от природы — в нашем случае спонтанного излучения,— запускаем туда фотон и... Да, действительно, получаем несколько актов вынужденного излучения, а следовательно, несколько фотонов, составляющих вместе с первоначально запущенным когерентный световой пучок. Но... Вот тут-то начинается целая серия «но».
Во-первых, чтобы полученный таким образом пучок фотонов вызвал сколь-либо заметный эффект, фотонов в нем должно быть очень много — миллиарды миллиардов. Что это значит? Фотоны должны пройти в активном веществе довольно большое расстояние. Подсчеты показывают, что такое расстояние измеряется десятками метров. Попробуйте заполнить активным газом трубку длиной 10 м при условии, что газ сильно разреженный (ведь в трубку попадает малая часть исходной газовой струи). Кроме того, имейте в виду, что вынужденно излучают только атомы, расположенные на пути фотонов, остальные излучают спонтанно, и каждое такое излучение кладет начало самостоятельному пучку фотонов, направленному в другую сторону и не когерентному с исходным. Каков результат? Если объем с активным веществом излучает, это излучение направлено во все стороны и не когерентно. Похоже, что усилия затрачены впустую.
Первую трудность довольно легко преодолеть. Возьмите сравнительно короткий отрезок трубки, заполненной активным веществом, и по торцам ее, строго параллельно друг другу, расположите два зеркала. Если фотон-инициатор на своем пути от левого торца трубки до правого породил, скажем, сто подобных себе когерентных фотонов, то, достигнув правого торца, эти сто фотонов отражаются от зеркала и отправляются в обратный путь. На обратном пути каждый из них порождает еще сто фотонов. Десять тысяч фотонов отражаются от левого зеркала и т. д. Процесс происходит до тех пор, пока вещество остается активным, т. е. пока в нем еще имеет место инверсия населенностей.
Усиление происходит непрерывно, если в трубку постоянно подкачивать свежее активное вещество. В процессе участвуют фотоны, направление движения которых совпадает с осью трубки. Фотон, направление движения которого хоть чуть-чуть отклоняется от оси трубки, после двух-трех отражений выходит за пределы трубки и не «портит* активное вещество. Полученный в результате параллельный когерентный пучок фотонов можно вывести за пределы трубки, сделав одно из зеркал полупрозрачным.
С первой трудностью вы справились. Но как получить монохроматический пучок, т. е. пучок, все фотоны которого имеют строго одинаковую энергию, а значит, строго одинаковую частоту? Так могло бы быть, если бы у всех атомов и молекул разности между двумя соответствующими энергетическими уровнями имели строго одинаковое значение. На самом деле так не бывает. Энергетические уровни в атомах и молекулах имеют конечную ширину, или тонкую структуру. Объясняется это множеством причин. Например, электрон, состояние которого считается соответствующим данному энергетическому уровню, а спин направлен, скажем, справа налево, на самом деле обладает энергией, слегка отличающейся от энергии электрона, находящегося в точно таких же условиях, но имеющего спин, направленный слева направо. Возможны и другие эффекты.
Атомы в газе находятся в постоянном движении. Если в каком-то атоме происходит вынужденный переход, частота излученного кванта равна некоторой величине, определяемой разностью энергетических уровней, между которыми произошел переход, плюс-минус скорость движения атома. Это так называемый линейный эффект Доплера. Плюс берется, когда атом движется в ту же сторону, ^ что и излученный фотон. В противном случае берется знак минус. Если скорость движения атома или электронов внутри атома сравнима со скоростью света, они живут в собственном времени в соответствии с соотношениями теории относительности. Снова поправка, известная как квадратичный эффект Доплера. Если атомов в активном веществе немного, пучок фотонов получается маломощным. Однако взяв побольше атомов, вы столкнетесь с их влиянием друг на друга, а это снова послужит причиной изменения частоты отдельных фотонов.
Который час?
