КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА

КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА, раз­дел фи­зи­ки, изу­чаю­щий ме­то­ды уси­ле­ния, ге­не­ра­ции и пре­об­ра­зо­ва­ния элек­тро­маг­нит­ных волн в ши­ро­ком диа­па­зо­не длин волн (вклю­чая ра­дио- и оп­тич. диа­па­зо­ны), ос­но­ван­ные на эф­фек­те вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния и не­ли­ней­но­го взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом и ис­поль­зо­ва­нии об­рат­ной свя­зи. К. э. изу­ча­ет так­же свой­ст­ва кван­то­вых уси­ли­те­лей и ге­не­ра­то­ров и их при­ме­не­ние. Ис­точ­ни­ка­ми из­лу­че­ния в К. э. яв­ля­ют­ся ла­зер и ма­зер, из­лу­че­ние ко­то­рых яв­ля­ет­ся мо­но­хро­ма­ти­че­ским, уз­ко­на­прав­лен­ным и вы­со­ко­ин­тен­сив­ным. Прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие ла­зе­ров и ма­зе­ров от ес­теств. ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния – это воз­мож­ность управ­лять час­то­той, рас­хо­ди­мо­стью, дли­тель­но­стью и спек­траль­ны­ми свой­ст­ва­ми из­лу­че­ния.

Физические основы квантовой электроники

Элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние ис­пус­ка­ет­ся ато­ма­ми, мо­ле­ку­ла­ми и др. кван­то­вы­ми сис­те­ма­ми, об­ла­даю­щи­ми не­ко­то­рой из­бы­точ­ной внутр. энер­ги­ей. При пе­ре­хо­де ато­ма с бо­лее вы­со­ко­го уров­ня энер­гии $\mathscr E_2$ на бо­лее низ­кий уро­вень $\mathscr E_1$ ис­пус­ка­ет­ся квант из­лу­че­ния (фо­тон) с час­то­той $\nu$, оп­ре­де­ляе­мой ус­ло­ви­ем Бо­ра: $$\nu=(\mathscr E_2- \mathscr E_1)/\hbar, \quad\tag{*}$$где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка. Та­кие пе­ре­хо­ды «вниз» мо­гут быть са­мо­про­из­воль­ны­ми и вы­ну­ж­ден­ны­ми (напр., под дей­ст­ви­ем внеш­не­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля). Пе­ре­хо­ды с ниж­не­го уров­ня на верх­ний мо­гут быть толь­ко вы­ну­ж­ден­ны­ми, т. к. свя­за­ны с по­гло­ще­ни­ем кван­та из­лу­че­ния, час­то­та ко­то­ро­го оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­ви­ем (*).

Рис. 1. Спонтанное испускание фотона (а), вынужденное испускание (б); ℰ1 и ℰ2 – уровни энергии атома.

Со­стоя­ние воз­бу­ж­дён­ных час­тиц не­ус­той­чи­во, они мо­гут са­мо­про­из­воль­но (спон­тан­но) ис­пус­тить квант из­лу­че­ния (рис. 1, а). Спон­тан­ное из­лу­че­ние но­сит хао­тич. ха­рак­тер: фо­то­ны ис­пус­ка­ют­ся разл. час­ти­ца­ми в разл. мо­мен­ты вре­ме­ни, име­ют раз­ную час­то­ту, по­ля­ри­за­цию и на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния. Все не­ла­зер­ные ис­точ­ни­ки све­та (лам­пы на­ка­ли­ва­ния, га­зо­раз­ряд­ные лам­пы и т. п.) из­лу­ча­ют свет в ре­зуль­та­те ак­тов спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния. В ра­дио­диа­па­зо­не та­кой же ха­рак­тер име­ют шу­мы элек­трон­ных уст­ройств и те­п­ло­вое ра­дио­из­лу­че­ние на­гре­тых тел.

Воз­бу­ж­дён­ные час­ти­цы мо­гут ис­пус­кать фо­то­ны не толь­ко са­мо­про­из­воль­но, но и вы­ну­ж­ден­но под воз­дей­ст­ви­ем внеш­не­го из­лу­че­ния, час­то­та ко­то­ро­го удов­ле­тво­ря­ет ус­ло­вию (*) (рис. 1, б). В про­цесс вы­ну­ж­ден­но­го ис­пус­ка­ния во­вле­че­ны два кван­та из­лу­че­ния: пер­вич­ный, вы­ну­ж­даю­щий, и вто­рич­ный, ис­пу­щен­ный воз­бу­ж­дён­ным ато­мом и не­от­ли­чи­мый от пер­вич­но­го, об­ла­даю­щий точ­но та­кими же час­то­той, фа­зой, по­ля­ри­за­ци­ей и на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния, т. е. ко­ге­рент­ный с пер­вым. С рос­том чис­ла ак­тов вы­ну­ж­ден­но­го ис­пус­ка­ния в еди­ни­цу вре­ме­ни ин­тен­сив­ность вол­ны воз­рас­та­ет, про­ис­хо­дит ко­ге­рент­ное уси­ле­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (см. Кван­то­вый уси­ли­тель). Ко­ге­рент­ное уси­ле­ние вол­ны воз­мож­но, толь­ко ес­ли чис­ло воз­бу­ж­дён­ных час­тиц пре­вы­ша­ет чис­ло не­воз­бу­ж­дён­ных (со­стоя­ние с ин­вер­си­ей на­се­лён­но­стей). Ин­вер­сию на­се­лён­но­стей соз­да­ют в сре­де (на­зы­вае­мой ак­тив­ной сре­дой) под дей­ст­ви­ем на­кач­ки, для че­го ис­поль­зу­ют­ся разл. фи­зич. и хи­мич. про­цес­сы (элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, бы­строе ох­ла­ж­де­ние, элек­трон­ный удар, хи­мич. ре­ак­ции, ин­жек­ция но­си­те­лей за­ря­да и др.). Ве­ли­чи­на мощ­но­сти на­кач­ки, при ко­то­рой про­ис­хо­дит уси­ле­ние из­лу­че­ния, на­зы­ва­ет­ся по­ро­гом уси­ле­ния.

Для ге­не­ра­ции из­лу­че­ния не­об­хо­ди­ма об­рат­ная связь, для это­го ак­тив­ную сре­ду по­ме­ща­ют в ре­зо­на­тор (объ­ём­ный или от­кры­тый), в ко­то­ром мо­гут воз­бу­ж­дать­ся элек­тро­маг­нит­ные вол­ны, ко­то­рые вы­во­дят­ся на­ру­жу с по­мо­щью спец. уст­ройств (напр., по­лу­про­зрач­но­го зер­ка­ла для све­то­вых волн). Ко­гда мощ­ность вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния пре­вы­ша­ет мощ­ность по­терь на на­грев сте­нок ре­зо­на­то­ра, рас­сея­ние из­лу­че­ния и т. п., а так­же на по­лез­ное из­лу­че­ние во внеш­нее про­стран­ст­во, в ре­зо­на­то­ре воз­ни­ка­ют не­за­ту­хаю­щие ко­ле­ба­ния, т. е. про­ис­хо­дит ге­не­ра­ция из­лу­че­ния (см. Кван­то­вый ге­не­ра­тор). Ми­ним. ве­ли­чи­на мощ­но­сти на­кач­ки, при ко­то­рой про­ис­хо­дит ге­не­ра­ция из­лу­че­ния, оп­ре­де­ля­ет по­рог ге­не­ра­ции.

Ла­зер­ное из­лу­че­ние, ис­хо­дя­щее из лю­бо­го ре­зо­на­то­ра, об­ла­да­ет час­тот­ной мо­до­вой струк­ту­рой, т. к. ус­ло­вия воз­бу­ж­де­ния мо­гут вы­пол­нять­ся од­но­вре­мен­но для на­бо­ра час­тот, имею­щих от­но­си­тель­но друг дру­га слу­чай­ные фа­зы. Это при­во­дит к по­те­ре мо­но­хро­ма­тич­но­сти и ос­лаб­ле­нию ин­тен­сив­но­сти ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния. Для уве­ли­че­ния макс. ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния ис­поль­зу­ет­ся фа­зи­ров­ка мод (см. Син­хро­ни­за­ция ко­ле­ба­ний и волн), ос­но­ван­ная, напр., на прин­ци­пе мо­ду­ля­ции (пе­рио­дич. из­ме­не­нии) доб­рот­но­сти с по­мо­щью разл. за­тво­ров. Сна­ча­ла при соз­да­нии ла­зе­ров ис­поль­зо­ва­лись ме­ха­нич., элек­трич. и оп­тич. за­тво­ры, по­зво­лив­шие дос­тиг­нуть пи­ко­се­кунд­ной дли­тель­но­сти из­лу­чае­мо­го им­пуль­са.

Для ге­не­ра­ции фем­то­се­кунд­ных ла­зер­ных им­пуль­сов не­об­хо­ди­мы ак­тив­ная сре­да с ши­ро­кой спек­траль­ной по­ло­сой уси­ле­ния и обес­пе­че­ние фа­зо­во­го со­гла­со­ва­ния внут­ри­ре­зо­на­тор­ных мод во всей по­ло­се. Та­кие им­пуль­сы по­лу­ча­ют с по­мо­щью твер­до­тель­ных ла­зе­ров. Для фор­ми­ро­ва­ния бо­лее ко­рот­ких, ат­то­се­кунд­ных им­пуль­сов ис­поль­зу­ют ге­не­ра­цию на­бо­ра выс­ших оп­тич. гар­мо­ник ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Применение приборов квантовой электроники

Ста­нов­ле­ние К. э. и соз­да­ние ис­точ­ни­ков ин­тен­сив­но­го ко­ге­рент­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния при­ве­ли к воз­ник­но­ве­нию мн. но­вых об­ла­стей в фи­зи­ке, в др. нау­ках и тех­ни­ке. При взаи­мо­дей­ст­вии вы­со­ко­ин­тен­сив­но­го из­лу­че­ния со сре­дой воз­ни­ка­ет це­лый ряд но­вых яв­ле­ний, ко­то­рые изу­ча­ет не­ли­ней­ная оп­ти­ка: ге­не­ра­ция гар­мо­ник, па­ра­мет­рич. взаи­мо­дей­ст­вия, са­мо­фо­ку­си­ров­ка све­та, об­ра­ще­ние вол­но­во­го фрон­та, ко­ге­рент­ное ан­ти­сто­ксо­во рас­сея­ние све­та и др. В по­ле ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­лу­ча­ют сжа­тые и пе­ре­пу­тан­ные со­стоя­ния элек­тро­маг­нит­но­го по­ля (см. Кван­то­вая оп­ти­ка), иг­раю­щие важ­ную роль в кван­то­вой тео­рии ин­фор­ма­ции. 

Сверх­ко­рот­кие ла­зер­ные им­пуль­сы да­ли воз­мож­ность на­блю­дать и управ­лять ди­на­ми­кой быс­тро­про­те­каю­щих про­цес­сов в хи­мии, био­ло­гии и фи­зи­ке. Фем­то­се­кунд­ные им­пуль­сы ис­поль­зу­ют­ся для изу­че­ния ди­на­ми­ки мо­ле­ку­ляр­ных сис­тем, напр. пе­ре­строй­ки свя­зей ме­ж­ду ато­ма­ми или груп­па­ми ато­мов в мо­ле­ку­ле. Ат­то­се­кунд­ные им­пуль­сы по­зво­ля­ют изу­чать ди­на­ми­ку суб­мо­ле­ку­ляр­ных сис­тем, элек­тро­нов и др. лёг­ких час­тиц.

Важ­ней­шей об­ла­стью при­ме­не­ния К. э. яв­ля­ет­ся мет­ро­ло­гия – соз­да­ние кван­то­вых стан­дар­тов час­то­ты, кван­то­вых маг­ни­то­мет­ров, ла­зер­ных даль­но­ме­ров, ла­зер­ных сис­тем дис­тан­ци­он­но­го спек­т­раль­но­го ана­ли­за, эта­ло­нов час­то­ты (вре­ме­ни). На ос­но­ве сис­тем, ге­не­ри­рую­щих фем­то­се­кунд­ные им­пуль­сы, бы­ла соз­да­на оп­тич. «час­тот­ная гре­бён­ка», что по­зво­ли­ло дос­тичь по­греш­но­сти из­ме­ре­ния временнóго эта­ло­на по­ряд­ка 10^–11.

На­но-, пи­ко- и фем­то­се­кунд­ные ла­зер­ные сис­те­мы по­зво­ли­ли соз­дать та­кие сверх­кри­тич. со­стоя­ния ве­ще­ст­ва, как ла­зер­ная плаз­ма, в ко­то­рой мо­гут воз­бу­ж­дать­ся ядер­ные пе­ре­хо­ды, ини­ции­ро­вать­ся тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции син­те­за и ядер­ные ре­ак­ции де­ле­ния. Воз­дей­ст­вие на твер­до­тель­ную ми­шень фем­то­се­кунд­но­го им­пуль­са мо­жет обес­пе­чить кон­цен­тра­цию энер­гии до 10¹¹ Дж/см³. Та­кое воз­дей­ст­вие пре­вра­ща­ет фем­то­се­кунд­ную ла­зер­ную плаз­му в мощ­ный ис­точ­ник кор­пус­ку­ляр­но­го и элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ний, ко­то­рый мо­жет ис­поль­зо­вать­ся для ини­ции­ро­ва­ния тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций, на­ра­бот­ки изо­то­пов, изу­че­ния ра­диац. стой­ко­сти ма­те­риа­лов.

Вы­со­кая ко­ге­рент­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­зво­ли­ла реа­ли­зо­вать го­ло­гра­фию и соз­дать ряд го­ло­гра­фич. при­боров.

Рис. 2. Искусственный белый свет, генерируемый в микроструктурированном волокне (А. М. Жёлтиков, Международный лазерный центр МГУ).

Ис­точ­ни­ки све­та, об­ла­даю­щие ши­ро­ким, но управ­ляе­мым спек­тром, яв­ля­ют­ся не­за­ме­ни­мым ин­ст­ру­мен­том ис­сле­до­ва­ния. Соз­да­ние та­ких ис­точ­ни­ков све­та ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря раз­ра­бот­ке мик­ро­струк­ту­ри­ро­ван­ных во­ло­кон, ко­то­рые кро­ме серд­це­ви­ны и обо­лоч­ки со­дер­жат так­же внут­рен­нюю пе­рио­дич. или апе­рио­дич. струк­ту­ру воз­душ­ных по­лос­тей, ори­ен­ти­ро­ван­ных вдоль во­лок­на. Ге­не­ра­ция бе­ло­го све­та (рис. 2) с по­мо­щью ин­тен­сив­ных сверх­ко­рот­ких ла­зер­ных им­пуль­сов в во­ло­кон­ных струк­ту­рах име­ет боль­шое зна­че­ние для це­ло­го ря­да при­ло­же­ний: вы­со­ко­точ­ных мет­ро­ло­гич. из­ме­ре­ний, не­ли­ней­ной спек­тро­ско­пии, зон­ди­ро­ва­ния ат­мо­сфе­ры и т. п.

К по­сто­ян­но раз­ви­ваю­щим­ся об­лас­тям при­клад­но­го при­ме­не­ния К. э. от­но­сят­ся так­же ла­зер­ная тех­но­ло­гия (в т. ч. ла­зер­ная рез­ка ме­тал­лов); ла­зер­ное раз­де­ле­ние изо­то­пов; фор­ми­ро­ва­ние слож­ных рель­е­фов по­верх­но­стей твёр­дых тел; ди­аг­но­сти­ка и ле­че­ние в ме­ди­ци­не; хра­не­ние, об­ра­бот­ка и пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции и др. При­бо­ры К. э. ра­дио­диа­па­зо­на (ма­зе­ры) ис­поль­зу­ют­ся в ра­дио­ло­ка­ции, ра­дио­ас­тро­но­мии, в гло­баль­ных сис­те­мах на­ви­га­ции и кос­мич. свя­зи. Не­ко­то­рые ти­пы при­бо­ров К. э. и их ха­рак­те­ри­сти­ки при­ве­де­ны в таб­ли­це.

История развития квантовой электроники

Хо­тя по­ло­же­ние о вы­ну­ж­ден­ном из­лу­че­нии, на ко­то­ром ос­но­ва­на К. э., фор­ми­ро­ва­лось при­ме­ни­тель­но к оп­ти­ке, раз­ви­тие К. э. на­ча­лось в ра­дио­фи­зи­ке. Не­мо­но­хро­ма­тич­ность из­лу­че­ний ис­точ­ни­ков оп­тич. диа­па­зо­на и от­сут­ст­вие в оп­ти­ке ме­то­дов и кон­цеп­ций, хо­ро­шо раз­ви­тых в ра­дио­фи­зи­ке, в ча­ст­но­сти по­ня­тия об­рат­ной свя­зи, по­слу­жи­ли при­чи­ной то­го, что ма­зе­ры поя­ви­лись рань­ше ла­зе­ров. 

В 1-й пол. 20 в. ра­дио­фи­зи­ка и оп­ти­ка раз­ви­ва­лись раз­ны­ми пу­тя­ми: в оп­ти­ке раз­ви­ва­лись кван­то­вые пред­став­ле­ния, в ра­дио­фи­зи­ке – вол­но­вые. Общ­ность ра­дио­фи­зи­ки и оп­ти­ки, обу­слов­лен­ная общ­но­стью кван­то­вой при­ро­ды элек­тро­маг­нит­ных вол­но­вых про­цес­сов, не про­явля­лась до тех пор, по­ка не воз­ник­ла ра­дио­спек­тро­ско­пия, изу­чаю­щая спек­тры мо­ле­кул, ато­мов, ио­нов в СВЧ-диа­па­зо­не. Важ­ной осо­бен­но­стью ра­дио­спек­тро­ско­пич. ис­сле­до­ва­ний бы­ло ис­поль­зо­ва­ние ис­точ­ни­ков мо­но­хро­ма­тич. из­лу­че­ния. Это при­ве­ло к го­раз­до бо­лее вы­со­ким чув­ст­ви­тель­но­сти, раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти и точ­но­сти ра­дио­спек­тро­ско­пов по срав­не­нию с оп­тич. спек­тро­ско­па­ми. В ра­дио­диа­па­зо­не, в от­ли­чие от оп­тич. диа­па­зо­на, воз­бу­ж­дён­ные уров­ни в ус­ло­ви­ях тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия силь­но на­се­ле­ны, а спон­тан­ное из­лу­че­ние го­раз­до сла­бее. В ре­зуль­та­те вы­ну­ж­ден­ное из­лу­че­ние не­по­сред­ст­вен­но ска­зы­ва­ет­ся на ве­ли­чи­не на­блю­дае­мо­го ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния ра­дио­волн ис­сле­дуе­мым ве­ще­ст­вом. Те­п­ло­вое дви­же­ние мо­жет силь­но на­се­лять воз­бу­ж­дён­ные ра­дио­уров­ни и не мо­жет на­се­лять воз­бу­ж­дён­ные оп­тич. уров­ни. Пе­ре­чис­лен­ные фак­то­ры при­ве­ли к то­му, что ра­дио­спек­тро­ско­пия ста­ла ба­зой ра­бот по кван­то­вой элек­тро­ни­ке.

Дру­гой оп­ре­де­ляю­щий прин­цип К. э. – об­рат­ная связь – был реа­ли­зо­ван в пер­вом при­бо­ре К. э. – мо­ле­ку­ляр­ном ге­не­ра­то­ре, соз­дан­ном в 1954–55 Н. Г. Ба­со­вым и А. М. Про­хо­ро­вым и не­за­ви­си­мо в США Дж. Гор­до­ном, Г. Зей­ге­ром и Ч. Та­ун­сом. Ак­тив­ной сре­дой это­го ге­не­ра­то­ра был пу­чок мо­ле­кул ам­миа­ка NH₃. Ин­вер­сия на­се­лён­но­стей соз­да­ва­лась ме­то­дом элек­тро­ста­тич. про­стран­ст­вен­ной сор­ти­ров­ки, об­рат­ная связь – объ­ём­ным ре­зо­на­то­ром, в ко­то­ром при вы­пол­не­нии ус­ло­вий са­мо­воз­бу­ж­де­ния воз­ни­ка­ла ге­не­ра­ция из­лу­че­ния. По­яв­ле­ние мо­ле­ку­ляр­ных ге­не­ра­то­ров от­кры­ло но­вые воз­мож­но­сти в соз­да­нии сверх­точ­ных ча­сов и точ­ных на­ви­га­ци­он­ных сис­тем. Их по­греш­ность по­ряд­ка 1 с за 300 тыс. лет. Соз­дан­ный позд­нее во­до­род­ный ге­не­ра­тор име­ет ещё бóль­шую ста­биль­ность час­то­ты (относит. по­греш­ность по­ряд­ка 10^–13).

Од­на­ко сор­ти­ров­ка воз­бу­ж­дён­ных и не­воз­бу­ж­дён­ных час­тиц в боль­шин­ст­ве сред не­воз­мож­на. Для соз­да­ния ин­вер­сии на­се­лён­но­стей Н. Г. Ба­сов и А. М. Про­хо­ров пред­ло­жи­ли ис­поль­зо­вать трёх­уров­не­вый ме­тод на­кач­ки (1955), по­лу­чив­ший ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние. Н. Блом­бер­ген при­ме­нил этот ме­тод для соз­да­ния ма­зе­ров-уси­ли­те­лей на па­ра­маг­нит­ных кри­стал­лах (1956). По­сколь­ку в оп­тич. диа­па­зо­не по­стро­ить объ­ём­ный ре­зо­на­тор не­воз­мож­но, Про­хо­ров в 1958 пред­ло­жил от­кры­тый ре­зо­на­тор, ко­то­рый в суб­мил­ли­мет­ро­вом диа­па­зо­не пред­став­лял со­бой два па­рал­лель­ных, хо­ро­шо от­ра­жаю­щих ме­тал­лич. дис­ка, а в оп­ти­че­ском сво­дил­ся к двум па­рал­лель­ным зер­ка­лам.

Пер­вым дос­ти­же­ни­ем К. э. в оп­тич. диа­па­зо­не ста­ло соз­да­ние ла­зе­ра на мо­но­кри­стал­ле ру­би­на (1960, Т. Мей­ман, США), где для по­лу­че­ния ин­вер­сии на­се­лён­но­стей был при­ме­нён трёх­уров­не­вый ме­тод на­кач­ки. Вско­ре по­сле ру­би­но­во­го ла­зе­ра был раз­ра­бо­тан пер­вый га­зо­вый ла­зер [А. Джа­ван, У. Бен­нетт, Д. Гар­ри­от (Хар­ри­от, Эр­риот), 1960, США] на сме­си ато­мов не­она и ге­лия. Вско­ре Н. Г. Ба­сов, О. Н. Кро­хин и Ю. М. По­пов пред­ло­жи­ли кон­цеп­цию по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ин­жек­ци­он­но­го ла­зе­ра (1961), а в 1962 он был соз­дан сна­ча­ла в США (Р. Холл, а так­же У. Дум­ке с со­труд­ни­ка­ми), а по­том и в СССР (Фи­зич. ин-т РАН).

Даль­ней­шее раз­ви­тие К. э. бы­ло свя­за­но с со­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем схем мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти, ис­поль­зо­ва­ни­ем в них не­ли­ней­ных взаи­мо­дей­ст­вий по­ля и сре­ды, а так­же не­ли­ней­ных взаи­мо­дей­ст­вий в оп­тич. во­лок­нах, по­зво­ляю­щих от­ка­зать­ся от инер­ци­он­ных и не­на­дёж­ных ме­ха­нич. и элек­трич. за­тво­ров. Це­лью всех этих усо­вер­шен­ст­во­ва­ний бы­ло уко­ро­че­ние им­пуль­са ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния. К 2008 су­ще­ст­ву­ют ла­зе­ры, ге­не­ри­рую­щие из­лу­че­ние на час­то­тах вплоть до рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на; раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся, но по­ка не соз­дан гам­ма-ла­зер. Не­об­хо­ди­мую час­то­ту ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния мож­но по­лу­чить так­же с по­мо­щью не­ли­ней­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния ла­зер­ной час­то­ты, но это ве­дёт к сни­же­нию ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния. Су­ще­ст­ву­ют так­же ла­зе­ры с пе­ре­страи­вае­мой час­то­той (обыч­но ла­зе­ры на кра­си­те­лях). Ис­поль­зо­ва­ние мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти по­зво­ли­ло соз­дать ла­зер­ные сис­те­мы, ге­не­ри­рую­щие пи­ко­се­кунд­ные им­пуль­сы (дли­тель­но­стью по­ряд­ка 10^–12 с), а до­бав­ле­ние прин­ци­па син­хро­ни­за­ции мод – сис­те­мы ге­не­ра­ции фем­то­се­кунд­ных ла­зер­ных им­пуль­сов (10^–15 с). За соз­да­ние ка­ме­ры, ис­поль­зую­щей фем­то­се­кунд­ные ла­зер­ные им­пуль­сы и по­зво­ляю­щей по­лу­чить мгно­вен­ные сним­ки мо­ле­кул в про­цес­се са­мых бы­ст­рых хи­мич. ре­ак­ций, А. Зи­вейл был удо­сто­ен Но­бе­лев­ской пр. в 1999. В 2001 бы­ли по­лу­че­ны ла­зер­ные ат­то­се­кунд­ные им­пуль­сы (10^–18 с), пред­став­ляю­щие со­бой пре­дель­но до­пус­ти­мые по крат­ко­сти сгу­ст­ки све­то­вой энер­гии, со­дер­жа­щие неск. ко­ле­ба­ний све­то­во­го по­ля (вплоть до од­но­го). Ат­то­се­кунд­ные им­пуль­сы по­зво­ля­ют по­лу­чить изо­бра­же­ние элек­трон­ной струк­ту­ры ато­мов и про­сле­дить ди­на­ми­ку элек­трон­ных про­цес­сов в атом­ных сис­те­мах с раз­ре­ше­ни­ем по­ряд­ка 100 ас.

С по­яв­ле­ни­ем ла­зе­ров воз­ник­ли и ста­ли раз­ви­вать­ся идеи ох­ла­ж­де­ния ато­мов, соз­да­ния атом­ных ло­ву­шек (спо­соб­ных удер­жи­вать в прак­ти­че­ски не­по­движ­ном со­стоя­нии один атом), пле­не­ния ато­мов и т. н. атом­но­го ла­зе­ра, ко­гда до­сти­га­ет­ся ко­ге­рент­ное со­стоя­ние ан­самб­ля ато­мов (см. Атом­ная оп­ти­ка). Эти идеи ус­пеш­но раз­ви­ва­лись Г. А. Ас­карь­я­ном и В. С. Ле­то­хо­вым. За соз­да­ние ме­то­да ох­ла­ж­де­ния и улав­ли­ва­ния ато­мов ла­зер­ным лу­чом У. Фил­лип­су, К. Ко­эн-Тан­нуд­жи и С. Чу при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. (1997).

Зна­чит. ус­пе­хи бы­ли дос­тиг­ну­ты Т. Хен­шем и Дж. Хол­лом в пре­ци­зи­он­ной ла­зер­ной спек­тро­ско­пии, вклю­чая тех­ни­ку из­ме­ре­ний, ос­но­ван­ную на ис­поль­зо­ва­нии «час­тот­ных гре­бё­нок» в оп­ти­че­ских стан­дар­тах час­то­ты (Но­бе­лев­ская пр., 2005).