Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Но группа учёных Физического института РАН достигла этой цели другим путём, более простым, чем голография. Они заставили саму исходную световую волну сформировать своеобразное «зеркало», отражение от которого заставляет отражённую волну вернуться обратно, повторяя во всех деталях путь волны, идущей в первоначальном направлении. Они назвали этот процесс самообращением волнового фронта.
Возможность самообращения реализуется только для очень мощного излучения, когда законы обычной оптики уступают место законам нелинейной оптики, появление которой предсказал С. И. Вавилов.
Б. Я. Зельдович (сын учёного, которого знает весь научный мир, академика Я. Б. Зельдовича) и его сотрудники решили привлечь к выполнению этой задачи процесс, называемый вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна. Напомним, что на рубеже двадцатых годов нашего века советский учёный Л. И. Мандельштам и французский учёный Л. Бриллюэн независимо друг от друга предсказали, что неоднородности плотности вещества, порождаемые хаотическим тепловым движением молекул, приводят к столь же хаотическим изменениям показателя преломления, а следовательно, к рассеянию света, проходящего через это вещество. Такое рассеяние было позднее обнаружено Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и подробно изучено Е. Ф. Гроссом.
Создание мощных лазеров внесло существенное изменение в процесс этого рассеяния. Свет от самых мощных нелазерных источников практически не влияет на свойства вещества, через которое он распространяется. Мощный лазерный свет, напротив, изменяет оптические свойства прозрачных тел. В частности, он приводит к значительным изменениям показателя преломления вещества. Это в свою очередь влияет на распространение света в веществе, сквозь которое проходят лучи мощного лазера. При этом вместе с мощностью лазерного пучка изменяется и процесс его распространения в веществе. Возникает самовоздействие лазерного излучения. Существует ряд веществ, свойства которых особенно сильно изменяются под действием мощного лазерного излучения. Учёные называют их нелинейными средами, имея в виду, что в них особенно заметны законы нелинейной оптики.
Если исходная лазерная волна обладает пространственной неоднородностью, например в результате прохождения через неоднородное вещество лазера-усилителя, то интенсивность этой волны сильно изменяется в пространстве. Когда такая неоднородная волна проникает в нелинейное вещество, она вызывает в нём сильные изменения показателя преломления. Эти изменения в свою очередь влияют на распространение лазерного излучения. При этом сильно увеличивается его рассеяние.
Для того чтобы подчеркнуть особенности такого процесса, физики называют его вынужденным рассеянием, имея в виду, что оно много больше, чем рассеяние нелазерного света, и что оно является одним из проявлений самовоздействия мощных лазерных пучков.
Б. Я. Зельдович и его сотрудники использовали важную особенность вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Складываясь с первоначальным лазерным излучением, распространяющимся в глубь оптически нелинейного вещества, свет, возникающий в результате вынужденного рассеяния, формирует в этом веществе области со значительными перепадами коэффициента преломления. Такие перепады, подобно зеркалу, отражают падающий на них свет. По распределению в пространстве эти области, эти «зеркала», совпадают с фронтами волн первоначального лазерного излучения.
Так, проникая в вещество, показатель преломления которого сильно зависит от интенсивности лазерного излучения, это излучение порождает в веществе «зеркала». Их форма такова, что первоначальное лазерное излучение отражается и распространяется назад точно по тем же направлениям, по которым оно вошло в вещество. Это и есть обращение волнового фронта. И это явление подсказало прозорливым исследователям способ, каким можно избавиться от искажений лазерного луча!
Давайте рассуждать вместе с учёными. Итак, волна, повернув назад, проходит через лазер-усилитель точно по тому пути, по которому она прошла первоначально. При этом она вновь испытает искажения из-за неоднородности вещества лазера-усилителя. Эти искажения точно равны по величине, но обратны по знаку искажениям, испытанным ею при первом прохождении через усилитель. В результате из усилителя выйдет дважды усиленное излучение, полностью свободное от искажений. Его оптическое качество не ухудшено по сравнению с излучением маломощного лазера-генератора!
Впоследствии было установлено, что не только вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, но и другие процессы вызывают самовоздействие лазерного излучения в веществах, показатель преломления которых зависит от интенсивности лазерного излучения.
Академия наук СССР, учтя заслуги Б. Я. Зельдовича в исследовании и применении явления самообращения волнового фронта лазерного излучения, избрала его своим членом-корреспондентом.
ДВЕ ЦЕЛИРассмотрим два случая использования явления самообращения волнового фронта.
Первый из них относится к попытке применить мощные лидеры для получения термоядерной энергии.
Мы знаем, что в таком реакторе маленькая мишень, содержащая тяжёлые изотопы водорода, маленькая водородная «льдинка», должна со всех сторон освещаться мощным лазерным излучением. Мощность его должна быть столь большой, чтобы быстро и сильно сжать мишень, одновременно нагревая её до сотен миллионов градусов. При этом водородная мишень превратится в гелий, что сопровождается значительным выделением энергии. Эта энергия и будет передаваться потребителю.
Можно представить себе, сколь сложно сосредоточить энергию многих лазеров на мишень, движущуюся внутри рабочей камеры установки. Сосредоточить так, чтобы мишень освещалась одновременно и равномерно со всех направлений. Здесь приходится решать две задачи: обеспечение одновременности генерации и «прицеливание» независимых лазеров-генераторов на мишень.
Применение обращения волнового фронта радикально упрощает обе задачи. Для этого мощные лазеры-генераторы заменяют ещё более мощными лазерами-усилителями, а мишень освещают излучением вспомогательного лазера. Мишень рассеивает его излучение. Рассеянное излучение попадает на лазеры-усилители и проходит сквозь них, приобретая большую дополнительную энергию. Позади каждого из них расположено устройство, обращающее волновой фронт излучения, заставляя его второй раз пройти через усилитель. Так как излучение с обращённым волновым фронтом точно повторяет (но в обратном направлении) путь излучения, прошедшего через усилитель, то оно неизбежно попадает на мишень. При этом становятся ненужными устройства для «прицеливания». Ненужными, несмотря на то, что мишень выстреливается в рабочую камеру реактора и движется в ней под действием силы тяжести.
Для того чтобы отпала необходимость прицеливания вспомогательного лазера на летящую льдинку, его пучок расширяют при помощи оптических линз так, что он освещает всю среднюю часть камеры. «Прицеливание» усилите лей не нужно потому, что их излучение в результате обращения волнового фронта вернётся в ту точку, где находилась мишень, когда её осветил пучок излучения вспомогательного лазера. Ведь скорость света столь велика по сравнению со скоростью движения мишени, что мишень не успевает сместиться за время, нужное свету, рассеянному ею, для прохождения от мишени сквозь усилитель и обратно.
Явление обращения волнового фронта использовано при разработке некоторых вариантов лазерного оружия звёздных войн.
Путём небольшого видоизменения эту систему можно применить для поражения космических объектов, например спутников связи и других сугубо мирных объектов и, конечно, для разрушения ядерных ракет. Для этого система убийца помимо маломощного лазера, излучение которого усиливается мощным наземным лазером, должна быть снабжена большим зеркалом, направляющим усиленный пучок лазерного излучения на цель.
РУКОТВОРНЫЕ ВЕЩЕСТВАМы знаем лазер на искусственном рубине, на искусно подобранной смеси газов. Оказалось, что это не единственные вещества, которые могут зажечь лазерный свет.
Теперь мы познакомимся ещё с одним типом лазера. Рабочим веществом в нём служит стекло. Стекло — твёрдое тело, но по своему строению оно мало отличается от очень вязкой жидкости, например смолы. Разница между ними много меньше, чем различие стекла и кристалла.
В большинстве кристаллов образующие их ионы располагаются регулярно так, что их взаимное расположение многократно повторяется подобно рисунку на обоях. Конечно, это не полная аналогия, ибо рисунок повторяется на плоскости, а расположение ионов — в пространстве.
В стёклах упорядоченность может быть обнаружена только в расположении ближайших соседей. Дальше царствует хаос. Именно это и роднит стекло с жидкостями. Различие между ними лишь в величине вязкости. Она столь велика, а текучесть стекла столь мала, что по механическим свойствам оно близко к хрупким твёрдым телам.
