1. Открытие стимулированного излучения

До середины XIX в. электромагнитные и оптические явления рассматривались независимо друг от друга. Представления о свете в противоположность развитой Ньютоном корпускулярной теории (теория света Ньютона), согласно которой свет должен состоять из маленьких материальных частиц (световых корпускул), характеризовались волновой теорией света (Гюйгенс, 1678 г.). По этой теории световые волны распространяются как упругие волны в светоносном эфире. Дальнейшее развитие волновой теории света было связано с работами Френеля (1825 г.), который объяснил интерференционные и дифракционные явления и показал, что при рассмотрении световых волн речь идет о поперечных волнах, т.е. о волнах, колеблющихся перпендикулярно направлению распространения, благодаря чему стала понятной поляризация света. Однако физически распространение света в виде упругой механической волны во всепроникающем эфире оставалось непонятным.

После установления основных уравнений электродинамики Максвеллом (1871 г.) последовало обоснование представления о свете как электромагнитной волне (толчком послужили измерения Вебера (1858 г.)). Существование электромагнитных волн было подтверждено Герцем экспериментально в 1888 г.

Квантовая эпоха в оптику и вообще в физике пришла в первые годы XX века из теории равновесного излучения М. Планка (где появляется понятие фотона) и идеи квантов, которую развил и опубликовал Альберт Эйнштейн в 1905 г. в статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В самом начале статьи Эйнштейн подчеркивал противоположность представлений физики о структуре материи и структуре света. «Согласно теории Максвелла, — писал Эйнштейн, во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему»[1]. Однако Эйнштейн полагает, что «теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет к противоречию с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света»¹. По мнению Эйнштейна, явления «излучения черного излучения», фотолюминесценции, фотоэффекта и другие, связанные с возникновением и превращением света, «лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно»¹.

Согласно сделанному им в этой статье предположению «энергия пучка света, вышедшего из каждой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком»¹. Так Эйнштейн вернулся к ньютоновским представлениям о неделимых световых частицах, «поглощаемых или возникающих только целиком»¹.

Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.

Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излучении электро-магнитных волн.

Фундаментальной основой квантовой электроники является предсказанное Эйнштейном явление индуцированного излучения (А. Эйнштейн «К квантовой теории излучения», 1916 г.).  Суть явления заключается в том, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, может отдать энергию как в виде спонтанного, так и в виде индуцированного (вынужденного) излучения. В последнем случае  возбужденный атом излучает, когда он взаимодействует с внешним квантом поля. При этом испущенный и внешний кванты неразличимы. В работе Эйнштейна были также определены коэффициенты поглощения и индуцированного излучения и установлена связь между ними, что позволило вычислять эти величины исходя из экспериментальных спектроскопических данных. Но чтобы наблюдать индуцированное излучение, нужно, во-первых, обеспечить наличие возбужденных атомов, а во-вторых, необходимо, чтобы вероятность индуцированного излучения была больше вероятности спонтанного. В обычных условиях плотность энергии света невелика и соответственно вероятность индуцированного излучения, величина которой пропорциональна этой плотности, также мала. Этим обстоятельством и объясняется тот факт, что даже после возникновения понимания этого явления в теории очень долго (до 30-х годов) никто и не пытался поставить соответствующий эксперимент.

В принципе, еще в начале этого века уровень лабораторной техники был достаточно высок для создания, например, газоразрядные лазера, однако эта потенциальная возможность не могла быть реализована к установлению ряда понятий и закономерностей, лежащих в основе идеи квантового генератора. Однако «чем объясняется, что в 30-х годах не были сделаны попытки создания

лазеров? Опыты, которые ставились в то время, преследовали одну цель —доказать существование индуцированного излучения. Однако никто не высказал идею возможности создания монохроматических генераторов света на основе индуцированного излучения, а это является принципиальным шагом в создании квантовых генераторов света»[2].

Количественная теория явления была создана примерно через 10 лет П. Дираком. Из теории следовало, что возникающие при вынужденном излучении фотоны по всем своим параметрам (энергии, направления распространения и поляризации) совпадают с выходными фотонами. Это свойство называется когерентностью вынужденного излучения. Кроме того велись работы по изучению явления аномальной дисперсии (вблизи резонанса дисперсия меняет знак и существенно растет поглощение). Этим исследованием, как теоретическим, так и экспериментальным, занимались в середине 20-х годов XX столетия несколько исследователей: Крамерс - теоретически, а Ладенбург - экспериментально, на опытах в газах (1928). При сильном возбуждении газ явно показал наличие "отрицательного поглощения", то есть, по существу, усиления излучения. К сожалению, твердый предрассудок, что излучение должно обязательно находиться в жестком равновесии со средой, не позволил экспериментаторам в то время более глубоко изучить это неординарное явление.