Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Но Хеллворс нашел выход. Нужно, решил он, суметь быстро менять отражающую способность зеркала. Пусть она будет плохой до начала генерации и хорошей после того, как генерация началась. Можно заслонять зеркало не отражающим затвором и затем в нужный момент открывать его. Можно перед началом работы ламп накачки отклонять зеркало от правильного положения и возвращать в нужное положение лишь тогда, когда в активном веществе накопится достаточное количество возбужденных ионов.
Результаты первых же опытов превзошли все ожидания. Между выходным стержнем и зеркалом поставили затвор. Он открывался в тот момент, когда энергия, запасенная в активном веществе, достигала максимума. Неизвестно, ожидал ли Хеллворс увидеть то, что произошло в момент открытия затвора.
Не было ничего похожего на привычную работу лазера. Вся энергия, запасенная в активном стержне, выплеснулась в одном импульсе излучения. Хеллворс назвал его гигантским. Мощность излучения в импульсе превзошла десять миллионов ватт! Удивительной была и длительность импульса. Он продолжался лишь несколько стомиллионных долей секунды. И он был один. Хаотические пички не появлялись. В корне изменился весь процесс генерации.
Условия игры
Один из моих знакомых физиков в таких случаях говорит: «Был бы факт, а объяснение найдется».
Вот как объяснил своим коллегам возникновение гигантского импульса в лазере удачливый Хеллворс:
«Для генерации лазера необходимо одновременное наличие двух факторов — активное вещество должно быть возбуждено, а резонатор должен обеспечивать достаточно сильную обратную связь, чтобы при доступном уровне возбуждения был достигнут порог самовозбуждения. Радиолюбитель увидит в этом много общего с условием самовозбуждения обычного лампового генератора. Возбужденный активный стержень, подобно радиолампе, поставляет в генератор энергию. Зеркала, образующие оптический резонатор, подобно катушке обратной связи, заставляют электромагнитные волны многократно циркулировать в системе, причем каждый замкнутый цикл сопровождается усилением, увеличением энергии волны.
В случае лазера, имея в виду энергию электромагнитной волны, удобнее говорить о числе фотонов, пролетающих через сечение активного стержня. Если условие самовозбуждения выполнено, то с каждым пролетом через стержень происходит лавинообразное увеличение числа фотонов. Очень важно, что скорость развития этой лавины не остается постоянной, а все возрастает по мере увеличения числа фотонов. Еще Эйнштейн определил это такими словами: вероятность испускания фотона под влиянием световой волны пропорциональна плотности энергии в этой волне. Но, пользуясь терминологией радиоинженеров, можно, говоря о качестве оптического резонатора, оценить его понятием добротности. Хороший резонатор имеет большую добротность, плохой резонатор — малую добротность. Если резонатор образован двумя хорошими зеркалами, его добротность велика. Закройте одно из зеркал, и резонатор перестанет существовать, его добротность упадет до нуля, обратная связь в лазере прекратится. Генерация не возникнет.
— Итак, — развивал свою мысль Хеллворс, — если лазер работает в обычном режиме, без управления добротностью, он генерирует серию хаотических пичков, совокупность которых образует лазерный импульс. Перед началом каждого пичка возбуждение активного вещества лишь немного превышает пороговое значение. Но и к концу этого пичка возбуждение активного вещества очень слабо опускается ниже порога. Продолжающееся действие ламп накачки создает условия для возникновения нового пичка. И так до тех пор, пока лампа накачки не истощит энергию, накопленную в конденсаторах.
В отличие от только что описанного режима свободной генерации в режиме управления добротностью активное вещество запасает в себе большую энергию. В момент включения полной добротности резонатора порог самовозбуждения оказывается превзойденным в несколько раз. При этом лавина самовозбуждения развивается так быстро и так интенсивно, что в одном-единственном импульсе высвечивается практически вся энергия, запасенная в веществе. Его возбуждение срабатывается не до порогового значения, а практически до нуля. Вещество разом освобождает всю энергию, запасенную им в процессе накачки. Вот и все. Я изложил вам условия игры. Игры в гигантский импульс».
Ученые многих стран включились в нее. После пионерской работы Хеллворса они начали совершенствовать методы генерации гигантских импульсов. Работа шла в двух направлениях: одно — совершенствование методов управления добротностью и второе — разработка материалов и конструкций, способных запасать большую энергию, поступающую от ламп накачки.
Было предложено и испытано множество различных методов управления добротностью. Жизнеспособными оказались три. Только они могли совместить быстродействие, надежность и малую величину потерь энергии в самой системе управления.
Теперь уже трудно сказать, кто предложил наиболее простую и достаточно эффективную систему с вращающейся призмой. То была изящная и легко выполнимая конструкция. В ней стеклянная призма, две грани которой перпендикулярны и равны друг другу, заменяет собой одно из зеркал. Призма вращается при помощи маленького моторчика со скоростью нескольких десятков тысяч оборотов в минуту. Генерация возникает после включения ламп накачки в тот момент, когда передняя грань призмы в первый раз станет перпендикулярно оси резонатора. Обычно поджог ламп накачки осуществляется автоматически и связан с положением вращающейся призмы. Это обеспечивает достаточно хорошее воспроизведение условий генерации, а значит, увеличивает энергию гигантских импульсов.
Эта система сразу появилась во многих лабораториях и завоевала симпатии лазерщиков своей доступностью. Но скоро обнаружилось что-то вроде «врожденного порока». Скорость перехода от малой добротности резонатора к большой оказалась ограниченной. И ничего нельзя было поделать. Ведь призмы только постепенно занимают нужное положение. Не все сечение активного вещества одновременно охватывается процессом генерации. Казалось, можно уменьшить эти недостатки, увеличивая скорость вращения. Попробовали. Но скоро исчерпали все возможности. Порок был неустраним. Предел определяется прочностью материалов, неспособных противостоять огромным центробежным силам. Увы, пришлось прекратить поиски в этом направлении и усилить разработку других систем.
Вскоре на страницах научных журналов появились упоминания об электрическом затворе. Применившие его писали, что он свободен от недостатков системы вращающейся призмы. Он переходит из закрытого состояния в открытое под действием электрического импульса, поэтому переход совершается всего за стомиллионные доли секунды. Причем переключение происходит одновременно по всему сечению затвора. Авторы этого способа, однако, не скрывали, что недостатком затвора является неполное просветление. Даже в открытом состоянии потери в нем не падают до нуля. Вот почему пришлось искать следующий способ. Третий способ...
Роман вещества и энергии
Но будет ненужным отступлением от истины утверждать, что все лазерщики в ожидании дальнейших успехов на пути получения гигантского импульса сидели сложа руки. Конечно, нет. Многих вполне устраивали достигнутые мощности, и они с энтузиазмом пользовались ими в своих очередных научных исследованиях. Поэтому оставим на время тех физиков, которые ищут третий способ, и вернемся к ним, когда они его найдут. А пока поинтересуемся теми результатами, к которым привели два первых способа.
Создание лазеров, генерирующих гигантские импульсы излучения, дало гигантский импульс не только дальнейшему развитию лазерной техники, но послужило мощным толчком, открывшим неожиданные перспективы в других областях и приведшим к появлению новых научных направлений.
Одним из них явилась нелинейная оптика. Еще в долазерную эру замечательный оптик академик С.И. Вавилов предвидел, что под действием света большой интенсивности свойства вещества должны изменяться. При этом уравнения, описывающие распространение света, усложняются. Они становятся нелинейными. Отсюда и название нового раздела оптики. Но до создания лазеров не удавалось создать источники света, мощность которых позволила бы непосредственно провести соответствующие опыты. Тем не менее, глубокая физическая интуиция позволила Вавилову найти единственный путь, по которому экспериментатор мог войти в недоступную область нелинейной оптики. Этот путь был основан на использовании резонансных явлений.
Имеется множество примеров, когда слабая сила, действующая в резонанс, вызывает постепенное нарастание колебаний, достигающих большой, иногда разрушительной интенсивности. Так, отряд солдат, проходя через один из петербургских мостов, разрушил его только потому, что, шагая в ногу, случайно попал в резонанс с собственными колебаниями моста.
