Мощные лазеры (газодинамические и газовые) оказались незаменимыми при термической
обработке металлов. Лазерный луч в доли секунды нагревает тонкий верхний слой, например,
изделия из стали. При охлаждении оно как бы одевается в твёрдую закалённую «скорлупу»,
устойчивую к износу; сердцевина же остаётся вязкой и упругой. То есть сильно повышается
прочность изделия, его стойкость к ударам и истиранию. Поэтому лазерной закалке подвергают
детали, испытывающие высокие нагрузки, — оси железнодорожных колёс, зубья шестерёнок,
распределительные валы двигателей внутреннего сгорания.
Сфокусированным лазерным лучом режут толстую листовую сталь, раскраивают ткани на
текстильных фабриках. Разрез получается очень тонким. А потому выкройки деталей можно
размещать на полотне более плотно и тем самым экономить материал. Световым лучом
сваривают детали, причём из материалов, не поддающихся сварке другими способами, —
например, из металла и керамики или стекла Лазерным лучом сверлят, точнее, мгновенно пробивают отверстия любой формы в самых прочных материалах. Всем известна, например, лампочка накаливания. Главная её деталь — тонкая вольфрамовая проволока, свёрнутая в спираль. Изготовляют её способом волочения: протаскивают заготовку через фильеры (от фр. filie're, от fil — «волокно», «нить») — сужающиеся отверстия. Вольфрам — металл очень твёрдый, поэтому фильеры сверлят в алмазе. Операция эта сложная, длительная и дорогая: алмаз сверлят только алмазом, и обработке он поддаётся очень медленно. Лазерная вспышка пробивает в минерале отверстие за считанные секунды. А излучение фокусируют так, что фильера сразу получается нужной формы и диаметра.
Интересно, что лазерным излучением алмаз можно не только «испортить», пробив в нём дырку, но и улучшить. Посторонние включения внутри крупного ювелирного камня не позволяют огранить последний в дорогой бриллиант, поскольку нарушают его «игру». Чтобы убрать дефекты, алмаз раньше распиливали на части. Сегодня лазерным лучом, сфокусированным в тонкую нить, включения выжигают и испаряют через пробитый микроскопический канал. После такой «косметической операции» отверстие заполняют прозрачным пластиком, и оно становится совершенно незаметным. В хороших механических часах стоят детали, изготовить которые без лазерной технологии очень нелегко. Это так называемые часовые камни — подшипники, на которые опираются оси шестерёнок. В каждом часовом механизме камней (миниатюрных шайбочек из синтетического корунда) не меньше десятка. Корунд по твёрдости почти не уступает алмазу, но лазерный станок пробивает в нём отверстие заданной формы меньше чем за секунду.

Уникальные свойства лазера сразу же привлекли внимание военных. Мощный световой луч можно использовать как оружие невиданной дальности и точности поражения. Есть у него лишь один, правда существенный, недостаток: в земной атмосфере свет сильно поглощается пылью, дымом и туманом. Поэтому особенно заманчивыми были перспективы применения боевых лазеров в космическом пространстве для уничтожения баллистических ракет и их боеголовок.
Мощный лазерный луч способен поражать космические цели, удалённые на тысячи километров. Свет преодолевает это расстояние за сотые доли секунды, и никакая автоматика не успевает среагировать на выстрел, вывести ракету из-под удара. Поскольку свет распространяется по прямой, для наведения лазерного оружия на цель не требуется сложных расчётов. Однако, чтобы разрушить корпус ракеты или систему её управления, требуется мощность излучения в десятки миллионов ватт. Её, по мнению исследователей, могут обеспечить химические, газовые и рентгеновские лазеры. Химические лазеры, работающие на фтористом водороде, сравнительно невелики; их могут
нести боевые спутники. Мощность непрерывного излучения таких лазеров достигает
миллионов ватт, но для надёжного поражения цели этого явно мало. А потому планировалось
использовать лучи сразу нескольких лазеров, управляемых быстродействующей системой
наведения.
Гораздо более мощное излучение дают лазеры, в которых используют соединения инертных
газов — фтористый аргон, фтористый и хлористый ксенон и некоторые другие. Эти лазеры
«выстреливают» импульсы когерентного света в ультрафиолетовом диапазоне. Возбуждают
газовую смесь высоковольтным электрическим разрядом, пучком нейтронов из ядерного
реактора или небольшим атомным взрывом. Лазер с подобной системой «накачки» вывести в
космос нельзя. Его пришлось бы строить на Земле, а лазерный луч направлять на цель при
помощи системы спутников с наводящими и фокусирующими зеркалами.
В начале 80-х гг. был испытан рентгеновский лазер с «накачкой» от ядерного взрыва.
Сообщалось, что при длительности импульса 10" с его энергия составила около 100 тыс.
джоулей. Это соответствует мощности импульса 10 Вт, или 100 ТВт. Рентгеновский лазер
сравнительно лёгок и компактен, и его можно вывести на орбиту спутника.
Рабочее вещество рентгеновского лазера — длинные цинковые стержни диаметром в доли
миллиметра, размещённые вокруг ядерного заряда. При его взрыве цинк мгновенно испаряется и превращается в горячую, сильно
возбуждённую плазму.
Всё происходит настолько быстро, что импульс вынужденного рентгеновского излучения
возникает, когда плазменный жгут успевает «распухнуть» только до 1,5 мм. В следующее
мгновение спутник, выполнивший свою задачу, погибает в пламени взрыва.
Весь этот комплекс лазерного и другого оружия, размещённого на Земле и в космосе,
разрабатывался, чтобы обезопасить страну от внезапного нападения. Однако шли годы, были подписаны договоры о сокращении стратегических вооружений. Стало ясно, что никто никого забрасывать ядерными зарядами не собирается. Огромная и невероятно дорогая система противоракетной лазерной обороны оказалась ненужной.

Незаменим лазер и в хирургии. Световой луч, разрезая кровеносные сосуды, одновременно «заваривает» их, останавливая кровотечение. Разрез получается тонкий и чистый, лазер травмирует живую ткань гораздо меньше, чем скальпель, причём снижается опасность инфицирования раны. Более того, с помощью лазерного луча проводят операции, которые невозможно сделать другим инструментом. В первую очередь это операции на глазах. Лазерный «скальпель» — световой луч, сфокусированный на сетчатке (тонком слое светочувствительных клеток, выстилающих изнутри глазное дно), вводят в глаз прямо через зрачок. Меняя длительность импульса и его энергию, аккуратно «приваривают» отслоившуюся сетчатку или отрезают больные сосуды, не давая им разрастаться. Цвет излучения играет существенную роль в лазерной хирургии. Например, кровь пропускает красный свет, а поглощает синий и зелёный. Поэтому рубиновый или гелиево-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. Зато синий луч аргонового лазера мгновенно вызовет свёртывание крови, и её сгусток «запечатает» сосуд. Но красный луч можно пропустить сквозь сеть капилляров, сфокусировать на опухоли и разрушить её. Кровеносные сосуды останутся неповреждёнными. На теле человека имеется множество точек, раздражая которые стимулируют или «тормозят»
работу внутренних органов. Раньше на эти точки воздействовали, вводя в них тонкие иглы. А
сегодня с той же целью применяют лазерное излучение.
Когерентный свет сильно влияет на живые организмы. Например, обработка семян лазерным
излучением повышает их всхожесть. Растения лучше растут и развиваются, более устойчивы к
болезням, легче переносят похолодания и засуху.
Даже слабый когерентный свет, по-видимому, способен вызывать мутации (от лат. mutatio —
«изменение», «перемена») — стойкие и не всегда благоприятные для организма изменения
наследственности. Поэтому даже маломощные лазеры снабжают табличками: «Осторожно!
Лазерное излучение!».

Как получить когерентное излучение, стало в общих чертах понятно в 1918 г., когда Альберт
Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения. Если создать среду, в которой атомы
находятся в возбуждённом состоянии, и «запустить» в неё слабый поток когерентных фотонов,
то его интенсивность станет расти. Оставалась «самая малость»: придумать, как такую среду
«сделать». На это ушло более 30 лет.
В начале 50-х гг. российские исследователи Николай Геннадьевич Басов (родился в 1922 г.),
Александр Михайлович Прохоров (родился в 1916 г. )и независимо от них американский физик
Чарлз Хард Таунс (родился в 1915 г.) создали усилитель радиоволн высокой частоты на
молекулах аммиака.
Нужные для работы возбуждённые молекулы отбирало из потока газа электрическое поле
сложной конфигурации. Новорождённое устройство получило название «мазер».
В I960 г. американский физик Теодор Гарольд Мейман сконструировал первый квантовый
генератор оптического диапазона — лазер. Усиление света происходило в кристалле рубина — прозрачной разновидности окиси алюминия с небольшой примесью хрома (на этот материал указали тремя годами раньше Н. Г. Басов и A.M. Прохоров). В лазере использовался охлаждаемый жидким азотом рубиновый стержень длиной около 4 см и диаметром 5 мм. Посеребрённые торцы стержня служили зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Энергию в кристалл «накачивала» мощная импульсная лампа. Поток фотонов высокой энергии переводил атомы хрома в возбуждённое состояние. На одном из высокоэнергетических уровней атомы задерживаются в среднем на 0,003 с — время по атомным масштабам огромное. За этот период часть атомов успевает самопроизвольно излучить фотоны. Их поток, многократно пробегая между зеркалами, заставляет все возбуждённые атомы излучать кванты света. В результате рождается световая вспышка — лазерный импульс мощностью в десятки тысяч ватт. Сегодня лазерные стержни изготовляют из различных материалов, но чаще всего из рубина, граната и стекла с примесью редкого металла — неодима. Некоторые твердотельные лазеры (например, на гранате) генерируют сотни и тысячи импульсов в секунду.
В том же, I960 г. американские физики А. Джаван, В. Беннет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Этот лазер излучал красный свет уже не импульсами, а непрерывно. Смесь газов оказалась настолько хорошо подобранной, что гелиево-неоновые лазеры до сих пор остаются самыми распространёнными источниками когерентного света, хотя излучения удалось добиться и от множества других газов и паров. Энергию в газовую смесь «накачивает» тлеющий электрический разряд. Цвет луча зависит от состава газа или пара, на котором лазер работает. Аргон, например, даёт синий свет, криптон — жёлтый, ксенон и пары меди — зелёный, углекислый газ и пары воды — невидимые тепловые (инфракрасные) лучи. К семейству газовых лазеров можно отнести и квантовые генераторы, в которых возбуждённые молекулы не «готовятся» заранее, а появляются непосредственно в момент излучения. Это так называемые газодинамические и химические лазеры, развивающие колоссальную мощность — в сотни киловатт и даже десятки мегаватт — в непрерывном режиме. Однако они очень сложны, громоздки и выглядят скорее как небольшой завод, а не как оптическое
устройство.
Газодинамический лазер напоминает реактивный двигатель. Молекулы сильно нагретого газа,
вылетающие из него, отдают энергию в виде светового излучения. В химическом лазере
возбуждённые молекулы возникают в результате химической реакции. Самая «энергичная» из
них — соединение атомарного фтора с водородом.
Непрерывное излучение дают и жидкостные лазеры. Рабочим веществом для них служат,
например, растворы солей неодима и соединений анилина. Поскольку соединения анилина
используются для окраски тканей, генераторы на их основе называют лазерами на красителях.
Для более стабильной работы лазера жидкость можно пропускать через холодильник.
Самые миниатюрные лазеры — полупроводниковые: в спичечный коробок их можно
поместить несколько десятков, а объём вещества, в котором происходит вынужденное
излучение, не превышает тысячных долей кубического миллиметра. Энергию в полупроводник
«накачивает» электрический ток. Больше половины его «превращается» в свет, т. е.
коэффициент полезного действия этих лазеров может достигать более чем 50%.

Свет — это поток испускаемых атомами особых частиц — фотонов, или квантов
электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как
частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии,
«выброшенную» атомом. Но чтобы атом мог излучать энергию, он должен иметь некоторый её
запас.
Когда энергия атома минимальна, говорят, что он находится на низшем, или стабильном,
энергетическом уровне. Все остальные его уровни называются возбуждёнными. В стабильном
состоянии атом может существовать неограниченно долго, а с возбуждённого уровня стремится
«упасть», отдав энергию. При переходе с высокого уровня на более низкий атом и излучает
фотон.
На любом возбуждённом энергетическом уровне атом находится какое-то время. Потом он
обязательно самопроизвольно возвращается в стабильное состояние, излучив фотон. Но если
этот срок достаточно велик (по атомным масштабам), может сработать другой механизм
излучения. Атом тогда «соскочит» с верхнего уровня на нижний под влиянием пролетающего
мимо фотона. Нужно только, чтобы энергия фотона была равна разности энергий атомных
уровней.
Вызвавший излучение и излучённый фотоны абсолютно идентичны, их частоты равны и фазы
одинаковы. Когда они встретятся с двумя возбуждёнными атомами, фотонов станет 4. Потом 8,
16 и т. д. Возникнет лавина неотличимых друг от друга фотонов, образующих так называемое монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Это
вынужденное излучение обладает целым рядом интересных свойств.

Как унести в кармане 30 томов Большой советской энциклопедии или весь Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона? Как измерить расстояние до Луны с точностью до сантиметра? Как в долю секунды пробить отверстие в алмазе, сделать операцию на глазном дне и сбить на лету баллистическую ракету?
Ответ один: это можно сделать при помощи лазера — удивительного изобретения XX столетия. Лазерная техника ещё очень молода — ей нет и полувека. Однако за это совсем небольшое время лазер из любопытного лабораторного устройства превратился в средство научного исследования, в инструмент, применяемый в промышленности. Трудно найти такую область современной техники, где бы не работали лазеры. Их излучение используется для связи, записи и чтения информации, для точных измерений; они незаменимы в медицине — хирургии и терапии. Многие учёные считают, что кардинальные изменения, которые лазер внёс в жизнь человека, подобны последствиям промышленного применения электричества в конце XIX в. Огромные возможности лазерной технологии объясняются особыми свойствами лазерного
излучения. Его природу изучает квантовая механика. Именно её законы описывают процессы,
происходящие в лазере, поэтому его называют также оптическим квантовым генератором.