Стимулированное излучение

Задача: свет и атомы в одной статистике

В 1916 году Эйнштейн развивал фундаментальную статистическую теорию тепла и излучения, уже принимая всерьёз квант энергии. Задача выглядела почти бухгалтерской, хотя бухгалтерия была космического масштаба: надо согласовать свойства теплового излучения с тем, как атомы обмениваются энергией со светом. Если вещество и излучение находятся в равновесии, процессы поглощения и испускания не могут быть перечислены на глазок; их вероятности должны дать правильное распределение света по частотам.

Атом в упрощённой модели имеет уровни энергии. Переход сверху вниз может сопровождаться испусканием кванта света, а переход снизу вверх — поглощением. Эйнштейн описал вероятности таких переходов статистически. Важен не рисунок атома с орбитами, который позднее стал музейным экспонатом квантовой наглядности, а принцип: вещество не обязано обмениваться энергией со световым полем непрерывным потоком.

Если бы существовали только самопроизвольное испускание и поглощение, равновесная картина не давала бы нужного результата. Поэтому в теории возник третий процесс: уже имеющийся свет определённой частоты может стимулировать возбужденный атом испустить ещё один квант. Это и есть стимулированное излучение. Оно не означает, что луч волшебно размножается в пустоте; посредником служит вещество с атомами в подходящем состоянии.

Как работает предсказанный процесс

При стимулированном испускании новый квант связан с воздействующим излучением: в идеализированном описании он имеет ту же частоту, направление, фазу и поляризацию. Именно такая согласованность делает процесс необычайно ценным. Самопроизвольное излучение идёт в случайные моменты и направления, поэтому обычная лампа даёт широкий и нестройный поток. Стимулированный процесс способен поддерживать свет, где множество квантов действует согласованно.

Можно представить вещество, в котором часть атомов заранее возбуждена. Попавший в него фотон подходящей частоты с некоторой вероятностью вызывает переход одного из таких атомов вниз. На выходе получается два согласованных фотона вместо одного. Затем каждый из них может участвовать в новых событиях. Это учебная схема, не готовое устройство: в настоящем веществе одновременно идут поглощение, столкновения, тепловое движение и самопроизвольное испускание.

Чтобы усиление победило потери, обычно необходимо больше атомов на верхнем рабочем уровне, чем на нижнем — так называемая инверсия населённостей. Равновесное вещество само к такому состоянию не стремится, поэтому лазерные устройства используют внешнюю накачку и тщательно выбирают среду. В работе Эйнштейна 1916 года нет чертежа лазера с зеркалами и блоком питания; в ней есть статистический закон, без которого эта инженерная конструкция потеряла бы свой главный механизм.

От коэффициентов к лазеру

Источники связывают предсказанный эффект с основой современного лазера, и эта связь точна, если не превращать слово «основа» в присвоение всех последующих работ. Лазеру потребовались развитие квантовой теории, понимание уровней вещества, методы создания инверсии, оптический резонатор и инженерия, способная удержать режим усиления. Теория указала процесс; техника научилась сделать его управляемым.

Эта работа относится к вкладам Эйнштейна в теорию излучения и статистическую механику берлинского периода. В ней особенно хорошо видно, что ранняя квантовая теория рождалась не только из эффектных парадоксов, но и из попытки правильно сосчитать вероятности. На поверхности — баланс поглощения и испускания. В глубине — признание того, что свет и атомы обмениваются дискретными квантами энергии.

Позднейший общий подход получил новый импульс благодаря работе Сатьендры Натха Бозе и её развитию Эйнштейном. Это другой участок квантовой истории, важный для статистики частиц, но он не даёт повода задним числом приписывать Эйнштейну всю физику лазеров. Его конкретный вклад здесь — вывод необходимости стимулированного испускания из условий равновесия. Для одной строки в статистическом балансе это весьма внушительная дальнейшая карьера.