Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Множество применений лазеров требует все большей концентрации энергии в пространстве и во времени. Однако в природе существует целый ряд запретов, близких к знаменитому соотношению неопределенностей, обнаруженному одним из создателей квантовой механики, Гейзенбергом. Такой запрет ограничивает и возможность пространственной концентрации — фокусировки света лазера в пятнышко, размеры которого существенно меньше длины излучаемой волны.
Но в первом рубиновом лазере концентрация энергии во времени была еще очень далека от предела. Этот лазер, как, впрочем, и большинство современных импульсных лазеров, испускал серию хаотически следующих один за другим импульсов длительностью около миллионной доли секунды каждый. Вспышка лазера содержала сотни таких отдельных пичков и длилась примерно тысячную долю секунды. Многие пытались понять, почему генерация лазера не развивается непрерывно, а быстро обрывается, чтобы начаться вновь в виде очередного пичка. Ничего подобного не наблюдалось ни в ламповых генераторах, ни даже в квантовых генераторах радиодиапазона — мазерах. Было опубликовано несколько теорий, каждая из которых убедительно объясняла причину возникновения пичков, но все причины... были различными. Тем не менее, все теории достаточно убедительно подтверждаются опытом.
Постепенно выяснилось, что главная причина — в размерах резонатора. Резонатор лазера обычно во много миллионов раз больше длины световой волны. Поэтому структура электромагнитного поля в нм много сложнее, чем в резонаторе мазера, в котором укладывается самое большее несколько волн.
В резонаторе лазера может возникать много различных типов колебаний. Они не равноправны между собой. Для некоторых добротность резонатора больше, и они возбуждаются легче, чем другие. Неравноправие возникает и из-за присутствия внутри резонатора активного вещества — рубина, стекла и т. п., — а также вследствие неравномерного поступления света ламп накачки в толщу активного вещества.
В результате различные типы колебаний начинают и кончают процесс генерации почти независимо от других, а затем через некоторое время в них вновь возникает пичок генерации. Энергия отдельного пичка невелика, ибо в его образовании участвует лишь малая доля активных частиц, возбуждаемых лампой накачки.
Способ концентрировать энергию лазера во времени, объединить большинство активных частиц для генерации одного импульса излучения и таким образом увеличить мощность лазера был найден Хеллворсом. Он предложил для этого управлять резонатором лазера. Открывать при помощи быстродействующего затвора одно из зеркал резонатора, которое в начальный момент закрыто этим затвором.
В результате накачка активных частиц длится дольше, чем при открытом зеркале. Ведь без системы двух зеркал нет резонатора и невозможна генерация. К моменту открытия затвора в резонаторе накапливается много больше активных частиц, чем в обычном лазере. Лавина генерации развивается очень быстро и интенсивно, и излучение лазера собирается в один гигантский импульс длительностью в несколько сотых частей от миллионной доли секунды. Несмотря на то что энергия этого импульса обычно в несколько раз меньше энергии вспышки обычного лазера, состоящей из множества пичков, мощность его в сотни тысяч раз больше. Ведь мощность характеризует среднее значение энергии, выделяемой за единицу времени, так что, если время сокращается, мощность растет. Поэтому мощность, развиваемая порохом при ружейном выстреле, соизмерима с мощностью огромной турбины. Но заряд патрона, способный с большой скоростью вытолкнуть пулю, не может совершить и малой доли работы, выполняемой неутомимой турбиной. Гигантская мощность импульсов лазеров с управляемым резонатором позволяет решать множество сложнейших задач науки и техники. Однако существуют и такие случаи, когда достигнутая мощность недостаточна. Известны и такие ситуации, при которых важна не столько мощность, сколько энергия лазерной вспышки.
Наиболее прямой способ наращивания энергии лазера за счет увеличения размеров активного элемента, оправдавший себя в лазерах, работавших в обычном режиме свободной генерации с его хаотическими пичками, не давал результатов при переходе к гигантскому импульсу. Исследования показали, что для главных лазерных материалов — рубина и неодимового стекла — это не случайность. Причиной неудачи являются те же особенности этих материалов, которые обеспечивают их выдающиеся достоинства с точки зрения обычных лазеров.
Неодимовое стекло и рубин способны запасать в каждом своем кубическом сантиметре сравнительно большие порции энергии. А свойства ионов неодима и хрома таковы, что усиление света в них при прохождении каждого сантиметра длины весьма велико. Благодаря большому коэффициенту усиления лазеры на этих веществах легко возбуждаются даже при сравнительно плохих зеркалах. Если активные элементы достаточно длинны, то одно из зеркал резонатора может совершенно отсутствовать. Его с успехом заменяет отражение света от торца активного элемента.
Ясно, что в этом случае режим гигантского импульса совершенно неосуществим. Генерация начнется при закрытом затворе, несмотря на малую добротность резонатора, образованного одним зеркалом и торцом активного элемента. Инженеры спасли дело, сошлифовав торец под углом к оси резонатора. Генерация с участием торца стала невозможной, и управление резонатором при помощи затвора, помещенного перед вторым зеркалом, осуществилось без помех.
Но измерения показали, что по мере удлинения активного элемента неукоснительно возрастали и потери энергии в режиме гигантского импульса по сравнению с энергией свободной генерации. И устранить это в рубине и неодимовом стекле не удалось. При высоких уровнях возбуждения, создаваемых накачкой при закрытом затворе, в них возникают чрезвычайно-большие коэффициенты усиления. Столь большие, что фотоны, случайно вылетающие вдоль оси активного элемента, вызывают в нем вынужденное испускание массы фотонов, уносящих значительную часть энергии, поступающей в активный элемент от ламп накачки. Этим ограничивается возможность накопления в активном элементе больших запасов энергии, а следовательно, и возможность увеличения энергии гигантского импульса.
Так природа выдвинула перед учеными и инженерами непреодолимое препятствие. Возможности метода управляемого резонатора оказались исчерпанными. Требовалось что-то новое. Новые активные материалы для того, чтобы достичь больших энергии известным методом, или новые методы, позволяющие достичь того же с применением известных материалов. Первый путь еще не реализован, но некоторые из ученых считают, что они добьются своего. Второй путь уже позволил увеличить энергию гигантских импульсов в несколько раз и одновременно привел к совершенно неожиданным результатам.
Поворот
Все казалось очень простым. Если возможности генераторов гигантских импульсов исчерпаны, нужно пропустить излучаемые ими импульсы через усилитель. Ясно, что так можно достичь увеличения энергии. Но когда энергия импульса, попадающего на вход усилителя, очень велика, следует ожидать и дополнительного эффекта. Здесь не было ничего нового. Еще при исследовании одного из типов квантовых усилителей радиодиапазона — мазера с бегущей волной — было установлено, что при больших входных сигналах форма усиленного импульса искажается.
В радиодиапазоне, где сигналы используются для передачи информации, всякое искажение в процессе усиления, конечно, вредно. Чтобы бороться с искажениями, радисты изучили причину их возникновения. И установили, что по мере распространения импульса сквозь усиливающую среду сигнал, заключенный в его передней части, особенно на фронте импульса, все больше усиливается, отбирая энергию от активных частиц вещества.
Если сигнал был очень силен еще до усиления, то передний фронт импульса забирает практически всю энергию, запасенную в веществе. На долю последующих частей ничего не остается. Они не только не усиливаются, но оказываются ослабленными, ибо, отдав свою энергию фронту импульса, вещество стремится приобрести его вновь за счет электромагнитного поля, образующего остальные части импульса. В результате, продвигаясь по активному веществу, фронт импульса быстро усиливается, становясь все более крутым, а его хвост заметно ослабляется. Ясно, что при этом одновременно с увеличением интенсивности импульса он неизбежно сокращается во времени. Мощность импульса растет одновременно за счет двух причин — в результате увеличения его энергии и по мере ее концентрации во времени.
Но радиоинженеры не могли использовать устройство, в котором усиление сигнала сопровождается такими искажениями. Вывод? Подобная ситуация возникала перед кочевниками-скотоводами при перегоне больших стад. Передние гурты поглощают всю траву и набирают вес, не оставляя ничего для последующих, которые постепенно тощают. Избежать этого можно, лишь направляя гурты параллельными тропами или поочередно, с интервалами, достаточными для восстановления травостоя. Примерно так поступили и радиоспециалисты. Но подробности их работы нас сейчас не интересуют.
