Первый лазер из облака газа — земная модель «естественных» лазеров, действующих в далеком космосе.
Луч из туч: Облачный лазер

Еще с 1960-х астрономы, обнаруживая в космосе мощные и многочисленные источники оптического и микроволнового монохроматического излучения, поначалу весьма заинтересовались их природой. Вскоре стало ясно, что так работают «естественные» лазеры — скажем, атмосферы звезд и планет, которые при определенных условиях действуют так же, как обычные, искусственные лазеры, генерируя узконаправленный поток излучения, когерентного и поляризованного. Однако как это происходит, оставалось неясным.

Обычный лазер работает за счет накачки атомов энергии, при этом они переходят на возбужденные энергетические уровни и, возвращаясь обратно, теряют энергию, выделяя ее в виде фотонов. Эти фотоны стимулируют «энергетические скачки» соседних атомов, создавая вынужденное излучение.

Часто в качестве среды для этого используют кристаллы: достаточно отражать фотоны обратно зеркалами, чтобы стимулировать появление вынужденного излучения. Широко известны и газовые лазеры, рабочим телом в которых выступает вещество в газообразном состоянии, атомы которого накачиваются электрическими разрядами. Сходным образом могут действовать и атмосферы целых планет и звезд — но что выступает у них в роли зеркал?

Ответ на это появился недавно — в виде лазеров с хаотическим режимом регуляции, способных использовать в качестве рабочего тела неупорядоченную среду — скажем, полупроводниковую пудру. Зеркалом в данном случае способна выступать сама среда, частицы которой иногда случайным образом отражают фотоны обратно. Так же, видимо, действуют и «естественные» лазеры в космосе: средой выступает атмосфера планеты или звезды, она же играет роль зеркала.

Недавно эта идея получила косвенное подтверждение — ученым впервые удалось собрать в лаборатории лазер хаотической генерации с рабочей средой в виде неупорядоченного атомарного газа. Это было небольшое облако рубидия, удерживаемое в магнито-оптической ловушке. Атомы рубидия возбуждались контролируемым лазерным пучком, переводясь на более высокие энергетические уровни — и начинали излучать. Полученный таким образом узкий пучок и вправду был монохроматическим (имел строго определенную длину волны), поляризованным и когерентным (волны его колебались в одной плоскости и фазе). Иначе говоря, облако стало лазером.

По публикации MIT Technology Review / Physics arXiv Blog