Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Не мудрено, что траектория их движения выглядит как яркая светящаяся нить.
Теперь слово опять должно быть предоставлено эксперименту. Но эксперименту, поставленному в полном соответствии с условиями, для которых Прохорову и его сотрудникам удалось сформулировать задачу и выполнить соответствующие расчеты.
Первое сообщение о том, что наблюдаемые сбоку тонкие световые нити представляют собой след движущихся фокусов, явилось плодом совместной работы сотрудника Прохорова В.В. Коробкина и А.И. Аллока, выполненной в США, где Коробкин работал в течение нескольких месяцев. Затем М.Т. Лой и И.Р. Шен сообщили, что в результате самых тщательных исследований, выполненных в соответствии с условиями теории Прохорова и его сотрудников, они не обнаружили волноводного распространения света, но наблюдали движущиеся фокусы. Наконец, Прохоров с возвратившимся домой Коробкиным, Р.В. Серовым и М.Я. Щелевым не только наблюдали движущиеся фокусы, но и измерили их скорость. Она хорошо совпадала с предсказаниями теории.
Казалось, достаточно. Но Прохоров и Луговой не прекратили работы. Вместе с А.А. Абрамовым они доказали, что не только гигантские импульсы, но и в тысячу раз более короткие импульсы, те, которые принято называть сверхкороткими, тоже образуют движущиеся фокусы.
Подведем итоги. Твердо установлено теоретически и экспериментально, что мощный лазерный импульс, падающий на вещество, в котором возможен эффект Керра, самофокусируется. В результате возникает цепочка фокусов, чрезвычайно быстро движущихся по направлению к лазеру.
А как же тонкие нити? Как самоканализация света и его волноводное распространение, предсказанные Аскарьяном? Что делать с многочисленными теориями маститых авторов? Как относиться ко всем экспериментам, подтвердившим эти теории?
Не мне решать такие проблемы. Ведь факты — упрямая вещь. Но важно и толкование фактов.
Бегущие фокусы стали объективной реальностью. Они существуют, и условия их существования точно установлены.
Ясно и то, что теория волноводного распространения света еще не завершена. Слабые места ее известны. Не исключено, что и расчеты, аналогичные проведенным Дашко, Луговым и Прохоровым, выполненные для более сложных условий, соответствующих большинству прежних опытов, приведут к нитям или множеству нитей, а не к движущимся фокусам, соответствующим более простым условиям.
История еще не закончена. Невозможно предсказать, кто и где сделает следующий, решающий шаг. Но не сомневаюсь, что это будет человек или группа людей, столь же бестрепетно критикующих общепринятые теории, как Аскарьян и Луговой, обладающих чувством нового и глубокой интуицией Прохорова. Словом, то будут люди, не боящиеся идти против течения.
Глава VI. Качели
Лазер рождает лазер
Наши недостатки лишь продолжение наших достоинств. Как часто приходится сталкиваться с этим будничным вариантом великого закона единства противоположностей. Сфера действия его безгранична. А сила состоит в том, что в нем заключена возможность бесконечного развития. Ибо если достоинства неотделимы от недостатков, то и в недостатках заключены скрытые достоинства. Нужно лишь суметь обнаружить их и развить.
Все преимущества лазеров по сравнению с обычными источниками света обязаны тому, что в них неразрывно сочетаются квантовые свойства атомов, ионов или молекул с радиотехническим принципом обратной связи. Такое сочетание обеспечивает излучению лазера высокую упорядоченность в пространстве и во времени — высокую когерентность, говорят для краткости физики. Именно когерентность позволяет направлять все его излучение на маленькие площадки, размеры которых соизмеримы с длиной волны света. В его луче, сжатом до микронных размеров, плотность энергии столь велика, что ни одно из веществ не способно ему противостоять. Здесь бессильны представления старой оптики.
Когерентность дает лазерам возможность соперничать по стабильности с лучшими квантовыми стандартами частоты радиодиапазона. Но стабильность, неизменность его частоты, не всегда благо. Спектроскописты, химики, биологи, специалисты многих областей науки и техники мечтали о лазере, частоту которого можно было бы изменять, подобно тому как радист-оператор поворотом рукоятки заставляет свой передатчик работать на наиболее благоприятной частоте.
Многие говорят, что самая интересная часть современной оптики — нелинейная оптика. Это утверждение, вероятно, справедливо. Ведь нелинейная оптика стала общедоступной лишь с рождением лазеров, в то время как обычной линейной оптике не менее трехсот, а может быть, и более двух тысяч лет. Трудно найти что-либо новое в почве, перелопаченной на такую глубину. Не мудрено, что все, о чем писалось до сих пор во второй части этой книги, так или иначе связано с нелинейной оптикой, оптикой предельно сконцентрированных световых полей.
В долазерную эру оптики имели дело лишь с крайне слабыми полями, и для наблюдения нелинейных явлений приходилось создавать очень чувствительную аппаратуру. Обсуждая эту ситуацию, академик Вавилов, введший в науку термин «нелинейная оптика», писал: «Физики настолько свыклись с линейностью обыденной оптики, что до сих пор нет даже формального строгого математического аппарата для решения реальных «нелинейных» оптических задач».
С появлением лазеров, особенно лазеров с управляемой добротностью резонатора, дающих гигантские импульсы света мощностью в миллиарды ватт, нелинейные явления приобретают большое, иногда решающее значение не только для физики, но и для технических применений. Кстати, именно член-корреспондент Академии наук СССР Рем Викторович Хохлов со своим сотрудником профессором Сергеем Александровичем Ахмановым написали первую монографию в этой области, суммировав и значительно развив в ней и теорию, и математический аппарат, который имел в виду Вавилов. Впрочем, во время работы над этой монографией они были на восемь лет моложе и не имели столь высоких ученых званий.
В предыдущих абзацах мы уже несколько раз применили выражение «нелинейные явления». Иногда совершенно невозможно избежать научных терминов. Однако специальные термины, в том числе и научные, вовсе не засоряют язык. Наоборот, они делают его проще, яснее и позволяют достичь краткости. Одно-два слова заменяют целую фразу, а иногда и несколько фраз.
Представим себе, например, график движения поезда, идущего с постоянной скоростью. Изображая путь, пройденный им за какое-нибудь время, мы получим прямую линию. Опуская слово «прямая», физик говорит о «линейном законе движения», имея в виду, что пройденный путь пропорционален времени. Если же график изображает путь, пройденный свободно падающим камнем, то мы увидим на нем не прямую, а изогнутую линию. Не вдаваясь в подробности, не уточняя истинной формы этой кривой, физик говорит, что она не прямолинейна. Для краткости он говорит: она нелинейна. Это значит, что путь, пройденный падающим камнем, не пропорционален времени, он связан со временем нелинейной зависимостью.
В воздухе, стекле, воде, в большинстве известных сред путь, пройденный светом, пропорционален времени. Значит, скорость света в таких средах постоянна. Для большинства веществ это верно при всех достижимых интенсивностях света, даже для лучей оптических квантовых генераторов. Но есть небольшое количество кристаллов, в которых скорость света меняется в зависимости от его силы. Более того, эта зависимость изменяется, если меняется направление света по отношению к ребрам кристалла и его граням. Такой закон распространения света естественно назвать нелинейным. Иногда слово «нелинейный» относят к самому кристаллу, имея в виду, что закон распространения света в кристалле отличен от линейного.
В радиотехнике давно применяют нелинейные зависимости тока от напряжения, наблюдающиеся в радиолампах и полупроводниковых приборах. Их используют, например, для умножения частоты. Это значит, что, имея ламповый генератор какой-то определенной частоты, можно, не меняя ничего в генераторе, получить колебания вдвое, или втрое, или даже вдесятеро большей частоты.
Естественно, что после создания оптических квантовых генераторов физики решили получить нечто подобное и в оптике. Ведь до сих пор мощные квантовые генераторы работают только на двух длинах волн — квантовые генераторы с ионами неодима дают инфракрасные волны длиной около одного микрона, и рубиновые генераторы с ионами хрома излучают красный свет длиной около 0,69 микрона. Между тем, удвоив частоту неодимового генератора, то есть уменьшив его волну вдвое — до 0,5 микрона, можно получить зеленый свет. А утроить его частоту — значит получить ультрафиолетовые лучи длиной в 0,33 микрона. И не какие-нибудь лучи, а почти идеальные! Лазер рождает лазер!
