Вообще, идея рентгеновских и гамма-лазеров давно привлекает внимание ученых (Молчанов, 1972; Бушуев, Кузьмин, 1974; Гольданский, Кузьмин, 1976). Применение таких лазеров сулит большие перспективы: как источники когерентных волн, они приведут к рождению рентгеновской и гамма-голографии (молекулярной голографии), позволят создать рентгеновский микроскоп и расшифровать объемную структуру молекул и атомов.
Возможность воздействовать на атомы и их ядра строго дозированными порциями энергии – квантами – даст возможность изучать и направленным образом изменять структуру атомных ядер. Специально подобрав частоту излучения, можно раскачивать и разрывать определенные связи в ядре и стимулировать этим самые экзотические ядерные превращения.
Ту роль, которую играют сейчас оптические лазеры в области управления химическими реакциями, рентгеновские и гамма-лазеры будут играть в сфере ядерных превращений. Впрочем, они найдут применение и в хирургии, и в спутниковой связи, и в других областях народного хозяйства. Поэтому уже более 50 лет продолжаются попытки создать рентгеновский лазер, используя, разумеется, не разрушительную энергию ядерного взрыва, а «прирученную» энергию. Например, обычных оптических лазеров.
При создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть некоторые принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и возбужденными атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Короче, это можно записать так:
K = Ϭ ( N воз – N осн ),
где K – коэффициент усиления излучения, Ϭ – сечение взаимодействия квантов с атомами, N воз и N осн – число атомов в возбужденном и основном состояниях.
В нормальных условиях термодинамического равновесия выполняется соотношение N воз < N осн , поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям ( N воз > N осн ), в чём и состоит одна из основных проблем.
Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что Ϭ ~ λ 2 . Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление.