Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Итак, нагреть и удержать. Но как нагреть и как удержать? Первый обнадеживающий путь указал академик И.Е. Тамм: нагреть электрическим разрядом и удержать силой магнитных полей. Этот путь привлек многих ученых. Но никто еще не прошел его до конца. Никто не достиг вожделенной цели.
Главная причина в том, что при помощи электрического разряда невозможно осуществить достаточно быстрый нагрев. И даже сегодня мощная магнитная ловушка не способна удержать от расширения плазму, когда ее температура превышает миллион градусов... Соревнование между природными свойствами атомов и ухищрениями людей кончается не в пользу последних. Тепловое движение, стремящееся разметать атомы, пока что берет верх над удерживающими силами ловушки и способностью мощного электрического разряда продолжать нагрев разлетающейся плазмы.
Ни ускорить до нужной величины процесс нагрева, ни увеличить время удержания плазмы пока не удается, хотя опыт советских ученых под руководством академиков Л.А. Арцимовича и М.А. Леонтовича на установках типа «Токамак» привел их на самый порог поставленной цели.
А вот другой путь. В вакуумную камеру выстреливается льдинка замороженного дейтерия. Мощная вспышка лазера встречает льдинку в центре камеры. Мощность лазерного луча столь высока, что льдинка, температура которой первоначально близка к абсолютному нулю, мгновенно превращается в крупинку Солнца. Температура ее приближается к бушующей в недрах звезды, а плотность все еще очень велика. Ведь за то мгновение, пока длится вспышка, частицы, уже набрав колоссальную скорость, еще не успели заметно сместиться в пространстве.
В этой адской температуре порваны связи между ядрами и электронами. Атомов дейтерия уже нет. Пылает плазма из ядер дейтерия — дейтонов и свободных электронов. Сталкиваясь между собой, дейтоны образуют ядра гелия. Температура при этом еще больше нарастает. Сопутствующие реакции порождают свободные нейтроны. Еще несколько мгновений — и рукотворная звездочка гаснет. Плазма, быстро остывая, разлетается по вакуумной камере.
А ученые еще долгими часами вглядываются в записи приборов. Долгими месяцами думают над тем, как подготовить очередной опыт, следующий шаг к покорению энергии атомных ядер.
И каждый из таких филигранных опытов требует одновременного применения наиболее выдающихся достижений современной науки — криогенной техники, высокого вакуума, сверхмощных лазеров — и автоматики, не менее сложной, чем та, которая направляет зенитный снаряд в сверхзвуковой самолет.
О каждой из этих областей можно написать целую книгу, но наша книга о лазерах. Поэтому здесь речь пойдет о том, как появились, и как работают лазеры, способные зажечь рукотворную звезду. Лазеры, дающие гигантские по мощности импульсы света.
Был бы факт
Первый лазер, подобно первому паровозу, был весьма несовершенным. Он перерабатывал в свет примерно пять сотых процента энергии, запасенной в конденсаторах, питавших лампу-вспышку. Это была, конечно, ничтожная мощность. И все же уже излучение первых лазеров обладало замечательными свойствами. В отличие от света обычных ламп, уходящего во все стороны, оно образовывало узкий слабо расходящийся луч. Диаметр луча при выходе из лазера составлял примерно сантиметр и увеличивался до двух сантиметров только на расстоянии в метр. Энергия вспышки составляла один джоуль. Примерно такую энергию излучает за одну секунду лампочка карманного фонаря мощностью в один ватт. Но лазер излучал эту энергию всего за тысячную долю секунды. Для того чтобы излучить один джоуль за тысячную долю секунды, необходима лампа мощностью в целый киловатт. Но обычная лампа не способна образовать узкий луч. Свести весь свет, излучаемый лампой, в луч, подобный лучу лазера, невозможно.
Уже через несколько лет, прошедших после появления первых лазеров, возможности новых приборов чрезвычайно возросли. Увеличение размеров и качества искусственных рубинов привело к увеличению энергии лазерной вспышки до сотен джоулей. Применение в лазерах специального стекла, содержащего ионы редкоземельного элемента неодима, дало еще более высокие энергии. Неодимовый лазер способен давать вспышки, энергия которых составляет многие килоджоули.
Такой рост энергии позволил применить лазеры для технологических целей в промышленности, для измерения расстояний в геодезии и астрономии, для лечения больных и, конечно, для различных исследовательских целей. Новые возможности, заманчивые цели требовали дальнейшего наращивания мощности лазеров.
Но увеличивать мощность лазерного излучения простым повышением энергии отдельных лазерных вспышек становилось все труднее и труднее. Промышленность практически достигла предела увеличения размеров рубиновых стержней. Изготавливать большие активные элементы из неодимового стекла значительно проще, но и здесь каждый следующий шаг требует колоссальных усилий и больших затрат.
Достигли практического предела и импульсные лампы, излучающие свет, возбуждающий активный материал лазера.
Оставалась возможность увеличить мощность лазерной вспышки, сокращая продолжительность лазерного импульса при той же энергии. Но для этого нужно увеличивать и мощность импульсных ламп накачки, чего, в свою очередь, тоже можно добиться, лишь сокращая длительность их вспышки. Однако такой путь оказался нереальным из-за быстрого разрушения ламп накачки.
Принципиально новый путь уже через год после появления первого лазера указал Р. Хеллворс. Его идея явилась результатом критического анализа процесса генерации лазера, активным веществом которого является кристалл или стекло, возбуждаемые светом ламп накачки. Оказывается, импульс света, излучаемого таким лазером, обычно имеет сложную структуру.
В большинстве случаев каждая вспышка лазера состоит не из монолитного импульса, а из множества отдельных вспышек, пичков, длительность которых составляет лишь миллионные доли секунды. Такие пички хаотически следуют один за другим с интервалами, равными обычно тоже миллионным долям секунды.
Почему же возникает такая сложная картина?
Этот вопрос не мог не волновать физиков, так как они понимали, что мощность лазера, таким образом, дробится на мелкие беспомощные порции.
Чтобы бороться с явлением, надо понять его. Что же происходит в кристалле или стекле при генерации? И физики снова мысленно оценивали каждую деталь лазера. Все знакомо, все тысячи раз ощупано...
В обычном состоянии активные ионы, обеспечивающие работу лазера, — ионы хрома в рубине или ионы неодима в стекле — находятся в основном энергетическом состоянии. Весь активный элемент пребывает в тепловом равновесии с окружающей средой.
А после начала вспышки импульсной лампы накачки? Активные ионы поглощают ее свет и постепенно во все возрастающем количестве переходят в возбужденное состояние.
Все это тоже было хорошо известно. Известно и то, что, как только число возбужденных ионов достигнет определенной величины, называемой порогом возбуждения, в лазере начнется генерация — лавинообразное возрастание числа фотонов. И генерация эта вызвана дружным переходом массы возбужденных ионов обратно в основное состояние. Как только вследствие испускания фотонов количество активных ионов станет недостаточным для поддержания генерации, генерация прекратится. Только под влиянием света ламп накачки может начаться новое увеличение числа активных ионов. Как только вновь будет достигнут порог генерации, возникнет излучение следующего пичка и так далее — до угасания вспышки лампы накачки.
Долго ученые пытались форсировать режим ламп накачки. Но, увеличивая энергию ламп накачки, удавалось увеличить лишь количество отдельных пичков, но не мощность каждого из них.
Тогда, может быть, попытаться изменить сам процесс генерации?
Хеллворс решил попытаться достичь цели, добившись увеличения числа возбужденных ионов к моменту начала генерации, подняв порог возбуждения лазера. Он знал, что величина порога возбуждения зависит от многих причин, прежде всего от свойств активных ионов, длины активного элемента и отражающей способности зеркал. От тех же характеристик лазера зависит и мощность отдельного пичка. Он понимал, что самый простой способ — уменьшить коэффициент отражения одного из зеркал. При этом действительно, прежде чем лазер начнет генерировать, в активном веществе должно накопиться большее число возбужденных ионов, чем в случае, когда оба зеркала отражают хорошо.
Но запасти большую энергию к началу генерации недостаточно для того, чтобы она полностью превратилась в излучение лазера. Малый коэффициент отражения выходного зеркала увеличивает не только порог, после которого начинается генерация, но и вызывает ее прекращение при большем запасе не высветившейся энергии. Итак, простой путь ведет в тупик.
