Нынешняя обстановка характеризуется вызреванием «второй квантовой революции» — набора технологий для управления единичными квантовыми объектами. Мы являемся свидетелями того, как новейшие методы экспериментальной физики, позволяющие манипулировать отдельными атомами и создавать искусственные квантовые объекты, вкладываются в руки химиков, биологов и медиков. И это открывает перед человечеством фантастические возможности не только в новых технологиях обработки материалов и информации, но и в генной инженерии и биоинформатике.

В первых лазерах активным элементом был рубин, т. е. оксид алюминия с небольшой примесью хрома. Именно ионы хрома придают абсолютно бесцветному оксиду алюминия столь эффектный рубиновый цвет и при правильном подходе к делу усиливают мощность проходящего сквозь рубин красного света. Вплотную к рубиновому активному элементу (стержню) устанавливалась мощная лампа-вспышка, энергия которой «накачивала» ионы хрома, и переизлучалась ими в виде лазерного импульса красного света. Энергоэффективность такого переизлучения в первых лазерах была ничтожна, но тот факт, что свет от самой обычной лампочки трансформировался в остро направленный пучок света, испущенный в виде не очень длинного импульса, был просто потрясающим достижением. Ведь такой импульс легко фокусируется обычной линзой в пятно размером всего несколько микрон, и в этом крошечном пятне выделяется мощность во многие сотни ватт.

Прорыв к еще в тысячу раз более коротким пикосекундным импульсам стал возможным с освоением более сложного режима синхронизации мод. Для синхронизации мод нужен, как ни странно, не импульсный, а непрерывный лазер. К концу 60-х гг. непрерывные лазеры уже появились, как вариант — на гранате с неодимом. А вот на рубине непрерывные лазеры по ряду причин так и не сделали.

Теперь вспомним, что важнейшей частью лазера является резонатор. Пусть для простоты он состоит из двух зеркал. Свет, испущенный активным элементом, живет в этом резонаторе какой-то своей жизнью, непрерывно переотражаясь между зеркалами. И подобно тому, как в гитаре струна может вибрировать только на строго определенной частоте, так и в резонаторе в установившемся режиме «выживает» свет только на строго определенных оптических частотах, на которых формируются стоячие волны резонатора. Такие конфигурации светового поля с четко определенными оптическими частотами принято называть модами резонатора. Число мод зависит от широкополосности активной среды — насколько широкий у нее спектр лазерного усиления, иными словами, свет в насколько широком диапазоне оптических частот такая среда может излучать. Понятно, что чем спектральный диапазон шире, тем число возможных мод в резонаторе больше. В обычном непрерывном лазере все эти моды живут независимо друг от друга, излучение такого непрерывного лазера случайным образом заполняет весь объем резонатора и, образно говоря, напоминает топот толпы. Используя специальные методы, с которыми можно ознакомиться все в том же учебнике Звелто, изначально независимые моды можно «синхронизовать» друг с другом. В этом случае моды перестают вести себя как толпа и, синхронизовавшись, все вместе создают один общий импульс, который бегает по резонатору от зеркала к зеркалу. Геометрическая длина такого импульса обычно оказывается во много раз короче, чем расстояние между зеркалами (длины резонатора), и зависит от числа синхронизованных мод, что, в свою очередь, определяется шириной спектра усиления активной среды. Чем спектр усиления активного элемента шире — тем такой импульс короче. Конкретно, используя неодим в гранате, оказалось возможным получить длительности импульсов в десятки пикосекунд. Для справки — свет в вакууме за одну пикосекунду распространяется на 300 микрометров (т. е. 0,3 мм).