§ 4.9 Лазеры и квантовая электроника

§ 4.9 Лазеры и квантовая электроника

Никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер… Если они сделали это, то где же тогда, чёрт возьми, их лазер?

Теодор Мейман об учёных-кванторелятивистах

Лазеры стали важнейшей составляющей современной науки, техники и быта. Поэтому особенно обидно, что эти генераторы света, вопреки идеям их создателей, называют квантовыми генераторами, а саму лазерную физику — квантовой электроникой. На деле, лазерное излучение, как видели (§ 4.5), не стоит связывать с квантами и фотонами, ведь лазер — это просто высокодобротный оптический резонатор и усилитель, который избирательно усиливает одни волны и гасит другие, подобно акустическому, выделяя заданные частоты и фазы колебаний. Происходит, по сути, такая же, как в опыте Франка-Герца, перекачка энергии, запасённой во внешних электронах атома, частота колебаний которых не фиксирована и превышает основную частоту f, — к узловым, внутренним электронам, колеблющимся и излучающим на этой стандартной частоте f. Именно это и позволяет трансформировать разные виды энергий накачки — в когерентный свет, с его жёстко заданной фазой и частотой. А стандарт этой частоты задан отнюдь не квантами и дискретными значениями энергии атома, а кристально чёткой пространственной структурой атома, с твёрдым масштабом расстояний и констант радиуса r₀, магнитного момента ? и заряда e электрона (§ 3.1).

Лазер — это чисто классический прибор, в котором происходит нелинейное взаимодействие электромагнитных волн и колебаний атомных электронов. За счёт этого, энергия электронов, вибрирующих с разными частотами и фазами, и преобразуется в энергию колебаний электронов на стандартной частоте f лазерного излучения. Этот процесс уже давно описан в классической, хоть и нелинейной теории колебаний [103], а фотонами и квантами здесь, как говорится, "и не пахло". Сначала оптическое излучение накачки (скажем, от лампы-вспышки) возбуждает колебания внешних и внутренних электронов атома на множестве собственных частот, причём на некоторой частоте f колебания возбуждаются особенно эффективно. Электроны, вибрирующие с частотой f, теряют энергию медленней, чем получают её от взаимодействия с другими электронами и излучёнными ими волнами. Поэтому, при некоторой интенсивности излучения, превышающей пороговую, колебания электронов на частоте f будут усиливаться, за счёт энергии всех прочих колебаний, переходящей в энергию колебаний и излучения на основной частоте f.

Как следует из соотношений Мэнли-Роу [103], такая перекачка энергии эффективна лишь в случае, если высокочастотное излучение преобразуется в низкочастотное. Вот почему, излучение накачки обязательно должно иметь частоту f_p — большую, чем частота f излучения лазера, хотя здесь играет роль и постепенное расширение витков орбиты внешних электронов, передающих свою энергию узловому электрону, при снижении частоты их колебаний с f_p до f. То есть, здесь ни при чём обычное объяснение, по которому энергия кванта излучения лазера E=hf не может быть больше энергии кванта накачки E_p=hf_p. Совершенно излишне здесь и представление об инверсии населённостей уровней атома, ибо порог генерации задаётся балансом скорости притока и оттока энергии основных колебаний электронов на частоте f. Так что, "квантовые" генераторы и усилители работают исключительно по классическим принципам теории колебаний и волн, не требуя квантовых. В некоторых типах лазеров, например в полупроводниковых, газовых и некоторых других, механизм перекачки энергии может иметь и более сложный, но, всё равно, — классический характер. В этих случаях, генерация лазерного излучения может идти примерно так. При накачке (скажем электрическим разрядом) атомы, а, точнее, — их внешние электроны, набирают энергию. Одновременно возбуждаются и внутренние электроны в узлах, которые генерируют пока ещё некогерентное, но уже имеющее стандартную частоту f излучение (могут присутствовать и другие частоты спектра, которые усиливаются и излучаются гораздо хуже).

Это излучение, проходя сквозь атомы, заставляет их, по спусковому механизму фотоэффекта, выбрасывать те внешние электроны, что крутятся с той же частотой f (в отличие от внутренних электронов, они излучают очень слабо, поскольку имеют гораздо меньшие значения скоростей и ускорений, § 3.2). Тогда, атом испытывает отдачу, отчего происходит взбалтывание его узловых электронов, особенно электронов с частотой собственных колебаний f, так же как в опыте Франка-Герца. Поэтому, они сами начинают генерировать излучение f, причём, — в той же фазе, что и падающий свет, поскольку их колебания запущены синхронным с падающей волной внешним электроном (Рис. 160). Его рывок-отдача не только запускает колебания внутреннего электрона, но и синхронизует их с падающим светом.

Рис. 160. Генерация лазерного света: набор электроном энергии в поле E разряда, его захват и выброс атомом от фотоэффекта.

Таким образом, запальное излучение будет лавинно нарастать, за счёт энергии внешних электронов. Спустя время те восполнят утерянную при вылете энергию, за счёт устройства накачки, затем поглотятся атомами и снова будут испущены при падении волны. Итак, каждый акт усиления начального излучения связан с выбросом и захватом электрона. Недаром, наибольшим КПД и распространением обладают разработанные отечественными физиками Г. Алфёровым и Н.Г. Басовым полупроводниковые лазеры (те, что стоят в СD- и DVD-устройствах), где инжекционная генерация света напрямую связана с внутренним фотоэффектом. Это доказывает тесную связь лазерного излучения с прямым и обратным фотоэффектом — с элементарными актами испускания-поглощения электронов и света атомами среды. Не зря, и сам фотоэффект Планк уподоблял взрывному, лавинному процессу, где свет лишь высвобождает запасённую энергию, служа спусковым механизмом лавины (§ 4.3). Вообще, лазер стали применять в качестве оружия отчасти потому, что его работу издавна иллюстрируют с помощью баллистической аналогии. В лазере атомы сначала запасают энергию, как запасает её тетива лука, арбалета, баллисты, или заряд пороха в ружье, а после энергия взрывообразно высвобождается спусковым крючком, которым в лазере служит сам свет.

В квантовой же физике объяснение генерации лазерного света звучит крайне неправдоподобно. Достаточно сказать, что основное свойство лазерного излучения — его когерентность, равенство частот и фаз у всех волн света, — там объясняют, не рассматривая сами волны и их генерацию, а рассуждая исключительно о фотонах и квантах света, — о неволновой стороне явления. И, вообще, ошибочно считать, что создание лазеров чем-то обязано квантовой теории. Лазеры изначально были разработаны исключительно на основании известного из опытов оптического свойства сред, — способности возбуждённых атомов среды излучать свет заданной частоты под действием падающего света (сугубо классического эффекта фотолюминесценции, § 3.1). Поэтому, первые лазеры были изобретены и построены техниками, инженерами, экспериментаторами, людьми далёкими от квантовой и вообще теоретической физики (так же и первый мазер был построен Басовым и Прохоровым, на основе классической молекулярной радиоспектроскопии и нелинейной теории колебаний). Первые подвижки в этом направлении и, даже, реально работающие лазеры были сделаны ещё в XIX веке инженером-изобретателем Н. Тесла, позднее крайне негативно относившимся и к теории относительности, и к квантовой физике. Созданная им в 1890 г. электронная лампа давала свет по механизму, близкому к генерации монохроматичного света в опыте Франка-Герца (§ 4.8) и уже имела зеркальный резонатор с полупрозрачным участком, как в нынешних лазерах [110, с. 537].

Саму же идею лазера выдвинул в 1939 г., и более развёрнуто в 1951 г., советский техник-энергетик В.А. Фабрикант, причём не в виде научной статьи, а в форме заявки на изобретение. Открытие В. Фабриканта, однако, было отвергнуто, как не реализуемое и противоречащее теории. А построил первый работающий лазер в 1960 г. опять же инженер, американец Т. Мейман, руководствуясь больше не расчётами, а опытом и здравым смыслом (см. www.ritz-btr.narod.ru/mejman.html). Мейман собрал лазер, по сути, в домашних условиях: из простой лампы-вспышки и рубинового стержня. Этот лазер умещался в кармане, как современные лазерные указки [143], и был настоящим эффективно работающим лазером, не шедшим ни в какое сравнение с созданными даже спустя некоторое время громоздкими установками представителей официальной квантовой науки. Мейману, однако, пришлось опубликовать отчёт об этом изобретении в обычной газете, тогда как научные журналы отказывались принять статью к печати, поскольку, во-первых, это была статья не специалиста-теоретика, а во-вторых, лазер Меймана работал вопреки квантовой теории. Сам Мейман основой своего успеха считал, как раз, отход от квантовой догмы, от традиционных представлений, основанных на "незыблемых" постулатах научной элиты. Именно слепая вера в авторитеты ("эффект гуру", как называл его Т. Мейман) не позволила, по словам изобретателя, достичь успеха другим учёным. И неизвестно, были бы у нас вообще сейчас работающие лазеры, не осмелься кто-то пойти против официальных квантовых догм.

То же самое и с мазером — прибором, излучающим радиоволны строго фиксированной частоты и, оттого, послужившим основой для создания лазеров и высокостабильных часов. Мазер тоже работает на чисто классическом принципе возбуждения и усиления электромагнитных колебаний в резонаторе — от пучка возбуждённых молекул аммиака, отдающих энергию собственных колебаний, в виде энергии излучения на стандартной частоте этих колебаний. Дабы обеспечить преобладание усиления над поглощением, пучок молекул, поступающий в резонатор, пропускают через неоднородное электрическое поле. Оно выводит из пучка поглощающие молекулы аммиака, которые не колеблются, а, потому, обладают постоянным дипольным моментом, на который и действует поле. В то же время, колеблющиеся, возбуждённые молекулы аммиака подобны пульсирующему диполю (Рис. 29): их дипольный момент периодически меняет величину и знак, отчего усреднённый по времени дипольный момент и действие электрического поля за время пролёта равны нулю. Поэтому, возбуждённые излучающие молекулы не выводятся из пучка электрическим полем, а, попав в резонатор, возбуждают его на частоте своих колебаний. Колебания молекул аммиака NH₃, имеющих вид пирамидки, с атомом азота N в вершине и тремя атомами водорода H в основании, носят классический непрерывный характер: атом азота механически колеблется, пролетая между атомами водорода и выходя то по одну, то по другую сторону от них (если же атом азота обладает малой энергией, он не пройдёт меж атомов водорода, а молекула не будет колебаться). Так что, дискретные изменения состояний и энергетические уровни из квантовой физики здесь совершенно ни при чём (§ 3.4). Более того, квантовая теория противоречит работе мазера.

Как рассказывает Н.Г. Басов, физик-инженер, совместно с А.М. Прохоровым построивший первый мазер, он обращался с идеей такого генератора ко многим видным специалистам по квантовой теории. И все кванторелятивисты в один голос утверждали, что мазер создать невозможно, что частоту излучения нельзя жёстко зафиксировать, ибо это противоречит принципу неопределённости Гейзенберга (Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы, М.: Физматлит, 2008, с. 53). И, всё же, вопреки догматам квантовой физики, мазер был построен Басовым в 1954 г. Лишь после этого под уже готовое изобретение, реализованное физиками-инженерами, подогнали теоретическую базу кванторелятивисты, будто именно квантовой теории мазер обязан своим появлением. На деле же, видим, что мазер и лазер были созданы не благодаря, а, скорее, — вопреки квантовой теории и должны считаться не триумфом, а грандиозным провалом неклассической физики. То же можно сказать и об основе современных лазерных систем, — полупроводниковых лазерах, идею которых выдвинул всё тот же Басов, хотя против этого восстали все теоретики, твердившие, что такой лазер не сможет работать, — из-за сильного поглощения света полупроводником. А, ведь, ещё в 1920-х годах нижегородский радиоинженер О.В. Лосев наблюдал свечение, исходящее из полупроводников, и эффект усиления, открыв путь создания не только всей нынешней электроники и транзисторов, но и светодиодов с лазерами. В итоге, вопреки всем прогнозам кванторелятивистов, полупроводниковый лазер заработал, да ещё как!

Итак, первые мазеры и лазеры не могли работать по квантовой теории! Мейману, выступившему против квантовых догм, приходилось трудиться в условиях постоянного безденежья, неверия и насмешек. Когда же твердотельный лазер был построен, и 7 июля 1960 г. на пресс-конференции, организованной Мейманом, все увидели, что лазер работает, его сразу же использовали в своих целях кванторелятивисты, забыв об авторе изобретения и начав утверждать, что лазер построен и предсказан по квантовой теории. Так, задним числом Ч. Таунс и другие учёные подогнали теоретическую базу под уже готовое изобретение, хотя исходная теория лазера Таунса, как показал Мейман, — неработоспособна, а предложенный Таунсом лазер на парах натрия так и не удалось построить. Однако, в итоге нобелевскую премию за создание лазеров получил не В. Фабрикант, и не Т. Мейман, открывший лазеры и указавший все известные в настоящее время сферы их применения, а Ч. Таунс, совместивший лазеры с неклассической физикой и применивший их для утверждения диктатуры квантовой теории и теории относительности. Повторялась ситуация, уже имевшая место при открытии сверхпроводимости, сверхтекучести (которые квантовая теория не могла предсказать и, даже, после открытия долго не могла объяснить, § 4.20, § 4.21), при открытии ядерной энергии (ничем не обязанной теории относительности, § 3.13). Так же, и лазер — это сугубо классический прибор, для понимания принципов работы которого не нужны квантовые представления, а достаточно знать классическую модель атома или опытно открытую способность среды из возбуждённых атомов резонансно усиливать падающее излучение. Секта кванторелятивистов присвоила себе открытие лазера так же, как открытие сверхпроводимости, ядерной энергии, спектральных формул Ритца, его же формул для смещения перигелия Меркурия, квантов электрического поля (реонов), — всего того, к чему кванторелятивисты не имели никакого отношения, но до сих пор приводят в качестве успехов своих абсурдных теорий. "Наказать невиновных и наградить непричастных" — таков девиз кванторелятивистов. Изобретение лазера, построенного руками инженеров и физиков-классиков, было украдено у них дельцами от науки, совсем как в повести А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина", и использовано для утверждения всемирного господства кванторелятивистской секты.