Ирина Радунская - Крушение парадоксов
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.
Систематические исследования привели к успеху. Наблюдая поглощение света в области спектральных линий некоторых молекул, Вавилов и его сотрудники обнаружили, что величина поглощения уменьшается по мере увеличения интенсивности падающего света. Среда «просветлялась» в полном соответствии с предсказаниями. Кто мог ожидать, что отсюда впоследствии возникнет затвор для модуляции добротности лазеров, тот третий способ увеличения мощности импульса лазера, о котором мы только что условились пока не говорить?
Так мы и сделаем на время, пока не узнаем о том, что внес лазер в нелинейную оптику и оправдал ли он предсказания Вавилова.
В замечательной книге «Микроструктура света» Вавилов наряду с этим опытом рассматривает причины, по которым и другие характеристики вещества должны зависеть от интенсивности света. Он описывает, как должны протекать соответствующие явления, предвещая будущее развитие науки.
Наступил 1961 год, который можно считать началом современного этапа развития нелинейной оптики. Его открыли опыты П. Франкена и сотрудников, которые в середине 1961 года наблюдали, как при прохождении луча рубинового лазера через прозрачный кристалл возникло слабое фиолетовое свечение.
То был типичный нелинейный процесс — удвоение частоты колебаний. Конечно, этот опыт был воспринят как сенсация. Теперь, при наличии лазеров с управляемой добротностью, такой эксперимент доступен любой лаборатории и может послужить лабораторной работой для студента.
В Московском университете С.А. Ахманов и Р.В. Хохлов проанализировали опыты Франкена и, основываясь на глубоком понимании природы волновых процессов и нелинейной теории колебаний, установили, что надо сделать, чтобы умножение частоты в оптике стало столь же эффективным, как в радиодиапазоне. Они доказали, что нужно создать особые условия, при которых были бы равны скорости основной волны, возбуждаемой гигантским импульсом лазера, и волны удвоенной (или утроенной) частоты, возникающей в веществе. И они реализовали свои предсказания.
Они же создали новый тип лазера — параметрический генератор света, — который представляет собой, по существу, преобразователь частоты и перерабатывает гигантский импульс лазерного излучения в излучение, частота которого может по желанию экспериментатора принимать любое значение в широком диапазоне световых волн. Но этим не ограничились те новые истины, которые добыл лазер в области нелинейной оптики.
Нелинейная оптика тесно связана с явлением рассеяния света на акустических волнах — с так называемым рассеянием Мандельштама — Бриллюэна; с комбинационным рассеянием, открытым одновременно Мандельштамом и Ландсбергом в нашей стране и Раманом и Кришнаном в Индии. Гигантские импульсы света, излучаемые лазерами с управляемой добротностью, придали этим и некоторым родственным явлениям большое практическое значение. Например, вынужденное комбинационное рассеяние гигантского импульса света позволило создать лазер нового типа. Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна в режиме гигантских импульсов должно, как указали Прохоров и его сотрудник Ф.В. Бункин, ограничивать возможности твердотельных лазеров, приводя к саморазрушению активного вещества.
Басов и Крохин, по-видимому, первые указали на возможность применения гигантских импульсов для лазерного нагрева плазмы как на путь к управляемым термоядерным реакциям. В Физическом институте имени П.Н. Лебедева и Басов и Прохоров со своими сотрудниками почти одновременно шагнули в область температур, превышающих миллион градусов, и наблюдали появление свободных нейтронов.
Однако оказалось недостаточно применить лазер с управляемой добротностью. Даваемый им гигантский импульс пришлось дополнительно усилить. Это была увлекательная работа. Она привела к удивительным результатам.
Здесь перечислены лишь некоторые последствия, связанные с применением гигантских импульсов лазерного света. Работа с ними столь перспективна, что она захватывает в свою орбиту все новые лаборатории, все новые коллективы.
Проникновение лазерного света в глубь вещества вскрывает такие сокровенные свойства материи, такие неизвестные до сих пор особенности самого света, что можно, пожалуй, сказать — начинается новая страница физики, новый роман вещества и энергии. Об этом мы еще расскажем. А сейчас время узнать, как идут дела с увеличением мощности гигантского импульса. Самое время, так как его ждут, как мы теперь знаем, интереснейшие задачи.
Третий способ
Представьте себе узкий стеклянный или кварцевый сосудик, между плоскими стенками которого налита жидкость — раствор одного из химических красителей. Выбранный краситель отличается тем, что, сильно поглощая излучение лазера, он мгновенно выцветает, становится прозрачным. Процесс, близкий к тому, от которого страдали модницы и изготовители дешевых тканей, быстро выцветавших под лучами солнца.
В данном же случае эта особенность положена в основу управления генерацией лазера. Так называемый нелинейный затвор. Тот самый третий способ, о котором мы хотели узнать.
Если сосудик с таким красителем поставить перед одним из зеркал лазерного резонатора, зеркало окажется закрытым. Добротность резонатора упадет до нуля. Обратная связь станет невозможной. Создается впечатление, что генерация не начнется, сколь сильно ни будет возбуждено активное вещество. Но это не так. При больших уровнях возбуждения усиливающая способность активного вещества становится весьма значительной. Даже несколько фотонов, случайно испущенных активными ионами вдоль лазерного стержня, уже за один пролет по направлению к сосудику с красителем вызовут появление такого количества вынужденных фотонов, что их поглощение в красителе вызовет его заметное выцветание и просветление.
В результате часть фотонов пролетит сквозь приоткрывшийся затвор к зеркалу и обратно к активному веществу. Так начнется действие обратной связи, а значит, возникнет самовозбуждение лазера. Скорость развития процесса оказывается очень большой, ибо лавинообразное размножение фотонов в активном веществе вызывает столь же лавинообразное просветление красителя, а значит, увеличение обратной связи. Так рождается гигантский импульс.
Стремление достичь еще большей мощности лазерных импульсов, еще сильнее сократить их длительность заставило ученых внимательно изучить процесс возникновения и развития гигантских импульсов.
Существенный успех увенчал усилия Басова, Летохова и их сотрудников. Летохов был, пожалуй, первым, подчеркнувшим роль флуктуаций в зарождении и развитии гигантского импульса.
Как только излучение накачки обеспечит достаточно сильное возбуждение активного вещества, отдельные фотоны, излучаемые возбужденными ионами по законам случая, будут вызывать независимые миниатюрные микролавины. Развитие большинства из них обрывается на границе активного вещества или при встрече с затвором. Едва затвор немного приоткроется, множество микролавин, родившихся непосредственно перед этим и летящих в подходящем направлении, положат начало процессу самовозбуждения, хотя вначале их интенсивность может различаться в десятки раз.
Эксперимент дал неожиданный результат: гигантский импульс не является гладким, как казалось ранее. Он сложен из совокупности еще более коротких импульсов! Что это?! Движение по кругу? Ножка, подставленная светом ученым, которые так долго, так упорно стремятся покорить его?
Ведь еще Хеллворс дисциплинировал пресловутые пички и объединил их в монолитный мощный импульс. И внимание ученых было сосредоточено лишь на проблеме увеличения его мощности. И вот они добились огромных успехов. Они повысили мощность, и, казалось, закончился один из самых трудоемких этапов работы. И что же? Начинать сначала? Они пришли в ту самую точку, откуда начали трудное движение?
Лишь тщательные исследования, размышления, споры помогли понять: происшедшее — не ошибка, не неудача.
Начинался следующий виток спирали познания.
Глава IV. Быстрее быстрого и короче короткого
Снова гигантский импульс
Человека влечет не достигнутое. Альпиниста — непокоренная вершина; агронома — небывалый урожай; летчика, шофера, моряка, бегуна, пловца, конструктора вычислительных машин или создателя станков — быстрота. Многие, очень многие стремятся к достижению небывалых скоростей. Но, пожалуй, только в одном случае фантастическая скорость возникла как подарок людям, стремившимся к совершенно другой цели.
