Случайный лазер: фотонная каша или стадное чувство для света
В прошлый раз я рассказал вам о том, как с помощью двух зеркал учёным удаётся "поймать" свет, собрав его, притом, в узкий пучок. Напоминаю, нужно нам это для того, чтобы создать лазер - устройство, усиливающее/преобразующее свет. Кстати, эта самая пара зеркал - есть простейший пример оптического прибора, называемого резонатором. Собственно, резонатор - есть ключевой элемент лазера, без которого он работать никак не сможет, если только он не является случайным лазером, но об этом чуть позднее...
Ещё пара слов о резонаторе и свете. Всякий, кто хорошо учился в школе, наверное, помнит, что свет - это электромагнитная волна. То есть что-то вроде длинной, колеблющейся во времени и рассекающей пространство с огромной скоростью, синусоиды с "горбами" такой-то высоты (амплитуды) и с определённой частотой их следования друг за другом (собственно, частотой волны). Однако же весьма наивно думать, что лампочка, которая горит в комнате у каждого, излучает такие вот прекрасные серпантинки в чистом виде, отражающиеся от стен и попадающие нам на сетчатку. Всё прозаичней.
Вспомним, что раскалённая нить лампочки состоит из атомов. Из разных атомов. Да, вы скажете, что нить в лампочке вольфрамовая - значит, из атомов вольфрама она и состоит. Но я отвечу на это, что, помимо химического элемента №74 грязи там уж точно хватает. Да и в любом случае, как мы помним из предыдущих постов, "разогретые" атомы, прежде чем излучить фотон (квант или порцию света), будут сидеть на разных ступеньках своих лестниц (а у разных атомов и лестницы разные!) и, чтобы "остыть", станут стремиться спрыгнуть пониже. Вспомним также, что высоты различных ступенек отличаются друг от друга, а то, на сколько ступенек вниз ему разом спрыгнуть, каждый атом "решает" сам, и, по большому счёту, совершенно случайно. Отсюда мы делаем вывод: каждый атом (а их в лампочке миллиарды миллиардов) за один скачок вниз будет сбрасывать с себя излишек энергии величины, во многом, произвольной. Один скачок рождает один квант света, поэтому выходит, что энергия его и частота (эти величины связаны друг с другом напрямую) случайны.
Последнее обстоятельство, кстати, объясняет и то, что лампочка светит белым цветом. Ведь именно от частоты световой волны зависит цвет, который мы видим. Меньшей частоте (большему расстоянию между горбами) соответствует красный цвет, большей частоте - фиолетовый. А опыт с призмой показывает, что белый цвет содержит в себе целый спектр радуги, который, как выходит, и излучается всем множеством атомов, составляющих нашу раскалённую нить.
Представьте теперь, что огромное количество атомов, находящихся друг от друга по-соседству, излучает такие вот произвольные, никак не согласованные между собой ни по частотам, ни по направлениям волны-фотоны. Ясно, что каждая такая волна успеет преодолеть очень небольшой участок пространства (он, кстати, называется объёмом когерентности), пока к ней не подлетит и не "подмешает" своего колебания другая волна от соседнего атома. В результате такого наложения множества волн друг на друга (оно называется интерференцией) оказывается, что, в целом, свет от лампочки представляет из себя не изящно извивающуюся электромагнитную волну, а самую настоящую кашу из огромного количества крохотных объёмчиков когерентности, среди которых едва можно различить отдельные, разлетающиеся в различных направлениях, фотоны.
Пусть теперь, всю вышеописанную кашу мы засадили в резонатор. Посмотрим, как всего только два зеркала смогут преобразовать этот хаос. Заметим, что в каше обязательно найдётся пара совершенно одинаковых, но движущиеся в противоположных направлениях, волн, таких что "горбов" их между двух наших зеркал укладывается ровно целое число (то есть на каждое из зеркал эти волны должны падать либо минимумами, либо максимумами, либо нулями своих синусоид). Согласитесь, что тогда, отражённые от зеркал и "столкнувшиеся", они скомпенсируют обоюдное движение по всему, разделяющему зеркала, пространству.
Говорят, что при этом в резонаторе образуется стоячая волна, которая во времени, и впрямь, никак не изменяется. Все же остальные волны в каше, оказавшись в ловушке, так или иначе либо погаснут, хаотически складываясь (интерферируя) друг с другом, либо покинут резонатор из-за различных неидеальностей зеркал. Обратите внимание, благодаря двум зеркалам, из всей изначальной "фотонной каши", что нам излучала лампочка, остаётся лишь одна стоячая волна, а её объём когерентности из мизерного начинает приближаться ко вполне ощутимым размерам резонатора. Остаётся только усилить в нём свет, иначе говоря, заполнить этот объём фотонами.
Поможет нам в этом, как ни странно, стадное чувство. Да-да оно существует, не только в обществе, но и в квантовой физике, только в ней оно называется, по-научному, вынужденным (или стимулированным) излучением. Суть его в следующем. Излучаемый атомом фотон, если он "видит" поблизости от себя какой-нибудь другой квант света, предпочитает стать его точной копией - как по направлению движения, так и по частоте. И чем больше таких одинаковых квантов, тем выше вероятность того, что новый излучённый фотон станет "одним из толпы". Более корректным же этот эффект было бы связывать со взаимно согласованным воздействием на атом пролетающих мимо клонов, которые "вынуждают" его излучить ещё один фотон-копию.
Благодаря резонатору, некоторое число таких клонов из стоячей волны у нас уже есть, поэтому, дополнительно вынуждая атомы лампочки, излучать себе подобных, мы будем накапливать их количество. Если лампочка изначально мощная, то процесс этот начинает развиваться лавинообразно и, вуаля, мы получаем работающий лазер: светящий одним лучом, с одной частотой (цветом) и высокой мощностью (количеством фотонов в "стаде", но не в "каше") - то есть отнюдь не лампочку.
Что ж, с обычным лазером разобрались. На очереди, наконец, случайный. Теперь же, дорогой мой читатель, задам контрольный вопрос на засыпку: что-нибудь из того, что я понаписал тут хоть кому-то ясно, а?