Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Итак, не упускают ли экспериментаторы, борющиеся с отражениями, чего-то весьма существенного? Может быть, они, подобно герою Мольера, не знают о том, что говорят прозой!
Нужно вернуться обратно. К азам. Заново продумать процесс генерации лазера... Все в нем очень просто. Вспышка лампы накачки возбуждает активное вещество. Многочисленные типы колебаний резонатора независимо обеспечивают замыкание соответствующих каналов обратной связи. И в резонаторе возникают многочисленные независимые лазеры, каждый из которых, то вспыхивая, то затухая, излучает свои пички света, хаотически складывающиеся в то, что мы воспринимаем как лазерный импульс.
Хаос... Он не подвластен ни механике Ньютона, ни уравнениям Максвелла, ни теории относительности. Как разобраться в нем? Как усмирить, покорить? Однако и на него есть управа. Статистика. Она помогает понять безумие экономики. Направляет работу биологов. К услугам физиков она предоставляет свою дочь — статистическую физику. Ее и призвал на помощь Летохов.
Вот что она сказала ему.
При случайном наложении множества простейших типов колебаний в лазере возникают короткие всплески излучения со случайными длительностями и случайными амплитудами. Если в этом участвует десять-двадцать простейших типов колебаний, всплески не могут быть короче нескольких наносекунд. Но когда в игре случайностей участвуют сотни колебаний, могут родиться пикосекундные импульсы. Причем их амплитуды будут заметно больше остальных.
Вот решение загадки! Тщательно устранив все отражения, используя хорошие активные элементы, можно обеспечить рождение сотен типов колебаний. Образуемые ими по воле случая пикосекундные импульсы скорее других прожигают путь через кювету с красителем, вызывают лавину генерации и, постепенно усиливаясь и укорачиваясь, раз за разом пробегают по резонатору, выплескиваясь через полупрозрачное зеркало в виде регулярной цепочки сверхкоротких импульсов.
Эксперимент, специально проведенный в ФИАНе при участии Басова и Летохова, подтвердил, что сверхкороткие импульсы действительно возникают до просветления красителя, а затем происходит их дополнительное сжатие и усиление.
Эта работа всколыхнула и теоретиков и экспериментаторов. Начались повторения опыта, уточнение результатов, соперничество умозаключений.
Планы
Вскоре Дж. Флек-младший прямыми численными расчетами подтвердил статистический механизм генерации ультракоротких импульсов. Кажется, все. Еще одна победа. Пора поставить точку и перейти к другой теме. Но время еще не настало. Басов, Летохов и их сотрудники хотят выжать все возможности из раскрытия тайны формирования сверхкоротких импульсов. Они увидели две новые возможности.
Вот первая. Она основана на весьма простом соображении. Лазер, который генерирует пикосекундные импульсы благодаря применению просветляющегося красителя, не вполне подвластен человеку. Действительно, момент просветления наступает по воле случая в результате сложной комбинации неуправляемых процессов. Все зависит от того, как развивается электрический разряд в лампе-вспышке, как накапливается энергия в активном элементе, как складываются между собой многочисленные типы колебаний, наконец, как проходит процесс обесцвечивания красителя.
Нужно подчинить себе главные этапы процесса. Подавить влияние случайности. Пусть раствор красителя будет столь концентрирован, чтобы самый интенсивный из импульсов, возникающих поводе случая в активном элементе, не мог его просветлить. Тогда, несмотря на действие лампы накачки, генерация не начнется.
Это лишь первый шаг. Теперь во время вспышки лампы накачки направим в активное вещество короткий импульс от вспомогательного лазера, достаточно интенсивный для прожигания красителя. Импульс откроет путь лавине фотонов, и она, раз за разом проходя через активное вещество, освободит всю запасенную в нем энергию, превратив ее в последовательность из нескольких мощных сверхкоротких импульсов.
Басов и его сотрудники построили такой лазер. Он состоял из, двух частей — лазера, дающего пикосекундные импульсы с энергией от 10–3 до 10–2 джоуля, и затвора, пропускающего во вторую часть установки только один из этих импульсов. Вторая часть представляла собой, по существу, лазерный усилитель бегущей волны. Его активный элемент располагался в одной из сторон треугольника, образованного тремя зеркалами. Рядом с ним помещалась и кювета с раствором красителя, достаточно концентрированным для того, чтобы полностью исключить возможность самовозбуждения усилительного каскада.
Но как только сверхкороткий импульс, поступавший из первой части установки, просветлял краситель, он, этот маломощный импульс, пять-семь раз обегал треугольник, образованный зеркалами, и выкачивал из активного элемента всю запасенную в нем энергию. Измерения показали, что полная энергия цуга из полученных таким образом пяти или семи сверхкоротких импульсов составляла 18 джоулей. А величина энергии импульса при этом увеличивалась в несколько сот раз!
Установка оказалась рекордной для своего времени. Но в запасе у фиановских физиков есть еще пока не реализованные возможности.
Глава V. Против течения
Что будет, если...
Привычка... Есть ли в мире что-нибудь прочнее привычки? Впрочем, может быть, с ней поспорит доверие к авторитетам. Недаром столько нелепиц тысячелетия слыли истинами только потому, что таково мнение Аристотеля.
Века и века луч света был символом прямизны. Понадобилось мужество Френеля и его уверенность в мощи математики, чтобы признать за светом способность огибать препятствия. Но ученейшие из ученых — члены Французской академии наук — ему не поверили. И выдвигали очевиднейшие опровержения, основанные на многовековом опыте.
Из формул Френеля следовало, что за непрозрачным экраном область тени не появляется внезапно. Как бы набираясь сил, она возникает тонкими полосками, повторяющими контуры экрана и перемежающимися со все более слабеющими линиями света. Все знали, что это предсказание противоречит очевидным фактам. Более того, этот опальный инженер, изгнанный со службы во время наполеоновских Ста дней, этот физик-самоучка, по существу, предсказывал, что за отверстием в непрозрачном экране свет должен перемежаться с темнотой. Такого никто никогда не видел, и все были уверены, что так не может быть.
Рассудил опыт, который к тому времени уже утвердился в качестве высшего авторитета в науке. Но не безликий и безымянный «многовековый», а специально поставленный Френелем вместе с французским физиком Арго, простой, наглядный и доступный каждому, по крайней мере каждому студенту университета. И нехитрый опыт, и волновая теория Френеля вошли в золотой фонд науки. Их не опровергли, а лишь дополнили труды многих поколений ученых. Темперамент, по-видимому, более чем что-либо другое, определяет, займется ли человек развитием, дополнением, уточнением чужих результатов или ему предстоит выдвигать и отстаивать свои собственные новые идеи.
Не успел Гурген Ашотович Аскарьян по-настоящему акклиматизироваться в Физическом институте АН СССР имени Лебедева, как его новые друзья поняли — такой не удовлетворится развитием и уточнением. Вопрос: «Что будет, если?..» — не возникал у него только тогда, когда к данному случаю лучше подходил вопрос «почему?». А правильно поставленный вопрос — это половина ответа. И Аскарьян не успокаивался, пока не находил вторую половину.
Среди множества вопросов, преследовавших Аскарьяна и многих, на которые ему удалось найти ответ, к теме нашего рассказа относится такой: что будет, если луч лазера попадет в прозрачную для него среду? Природа среды неважна, существенна прозрачность. Не должно быть потерь энергии. Они только затуманят вопрос, восходящий еще к академику Вавилову: как влияет вещество на свет, если мощность света велика?
Размышления... Сопоставления, казалось бы, далеких фактов... Наскоро написанные и зачеркнутые формулы... Уныние и надежды... И вдруг озарение. Всегда вдруг. Вывод, от которого отскакивают все возражения.
На этот раз ответ гласил: должно существовать множество прозрачных веществ, в которых лазерный луч не будет расходиться, как следовало бы ожидать на основе бесспорной теории Френеля.
Нет, Аскарьян не думал опровергать теорию Френеля. Он не сомневался в ней. Просто он понял, что в наш лазерный век условия изменились. На авансцене появились новые силы, совсем незнакомые Френелю. Силы, бывшие в то время второстепенными, вышли на первый план.
Давно забытый астроном Снеллиус установил закон преломления света. При переходе границы между двумя прозрачными средами падающий луч изламывается, давая начало преломленному. Первоначально ученые имели дело только с переходом света из воздуха в другую прозрачную среду или обратно — из такой среды в воздух. Угол между падающим и преломленным лучами в таких случаях определяется только свойствами среды. Точнее, лишь одной ее характеристикой, называемой показателем преломления.
