Кванты и музы

Прежде чем заняться теорией самоканализирующихся световых пучков, Таланов успел внести существенный вклад в нелинейную теорию колебаний и в теорию распространения электромагнитных волн. Самоканализация электромагнитных волн — один из типичных примеров того, как нелинейности среды определяют наиболее существенные черты наблюдающихся в ней явлений. Здесь Таланов был во всеоружии. Его теория была построена для распространения интенсивного пучка электромагнитных волн в плазме. Но в ней полностью содержалась оценка и описание любой аналогичной ситуации. Она была словно специально создана, чтобы нарисовать основную картину явления — формирование волноводного канала в любой среде, где ка нал может поддерживаться действием самого поля. Это касалось и «нашего» случая — с лучом лазера.

Впоследствии Таланов углубил общую теорию этого явления, получил ряд новых важных результатов. Но о них позже. Теперь мы должны пересечь океан.

Одновременно с работой Таланова в журнале «Письма в Физические обозрения», печатающем только те статьи, которые и автор и редактор считают срочными, появилась статья Чао, Гармайр и Таунса «Самофокусировка луча оптического мазера». Американский физик Таунс, один из творцов квантовой электроники и мазера, не применяет слово «лазер», предпочитая ему сочетание «оптический мазер». Не наше дело обсуждать терминологические споры. Мне они кажутся лишёнными глубокого смысла. Ведь лазер и оптический мазер означают одно и то же.

Статья начиналась так: «Ниже мы рассмотрим условия, при которых электромагнитный луч создаёт себе диэлектрический волновод и распространяется не дифрагируя». Авторы не были знакомы с работой Аскарьяна, но позднее, узнав о ней, признали его приоритет. В отличие от Таланова, рассмотревшего в своей первой работе лишь движение электромагнитной волны в плоском канале, они рассчитали цилиндрический канал, возникающий в подавляющем большинстве опытов с лазерами. Их короткая статья содержит глубокое и ясное рассмотрение физической сущности двух процессов, способных вызвать самофокусировку и канализацию света, — электрострикции и керр-эффекта.

Таунсу и его сотрудникам удалось рассчитать, при какой мощности в данных условиях будет подавлена дифракционная расходимость луча и он окажется захваченным в канал. Правда, значение критической мощности было вычислено только при учёте электрострикции. Существенным ограничением явилось и то, что математические вычисления относились только к состоянию, при котором луч уже захвачен в канал. Как это произошло и возможен ли вообще процесс захвата — осталось за пределами математического рассмотрения.

Статья Таунса с сотрудниками стимулировала целый ряд исследований. Американец Келли, по-видимому, первым увидел процесс схлопывания первоначально параллельного пучка света и установил, на каком расстоянии после вхождения света в нелинейную среду происходит самофокусировка. Интересно, что, указывая на своих предшественников, Келли располагает их в таком порядке: Аскарьян, Таланов, Таунс с сотрудниками.

Келли получил свои главные результаты при помощи численных расчётов. Вскоре Таланов, а затем сотрудники Московского государственного университета Ахманов, Сухоруков и безвременно скончавшийся академик Хохлов опубликовали аналитическое решение той же задачи. Однако приближённые методы, которые пришлось применить для решения этой весьма сложной задачи, теряли силу вблизи точки схлопывания. Численное решение Келли тоже не говорило ничего о том, что же происходит с пучком вблизи точки схлопывания и за ней.

Мнение, высказанное впоследствии Келли, а также Талановым, таково: лазерный луч за точкой схлопывания переходит в очень тонкую и чрезвычайно интенсивную световую нить. То же писали Таунс и другие. Лишь Хохлов и его товарищи из МГУ допускали, что за точкой схлопывания возможно образование более сложного и своеобразного узкого световода, подобного нити с периодически изменяющимся поперечным сечением.

Последующие теоретические работы исходили из того, что за точкой схлопывания возникает волноводный режим распространения света. Они были посвящены выяснению отдельных деталей, повышению строгости математических выкладок, уточнению расчётов.

Все, решительно все экспериментальные работы тех лет подтверждали предсказание теории. В них сообщалось о том, что за точкой схлопывания наблюдается волноводное распространение света в виде очень тонких нитей. Экспериментаторы соревновались в уточнении мельчайших подробностей, изучении разнообразных частных случаев, в увеличении точности измерений.

Все сходились на том, что эта область квантовой электроники в основном завершена. Были написаны итоговые статьи и монографии. Интересы исследователей постепенно перемещались в другие области науки.

Как это часто бывает, благополучие чревато катаклизмами. Они тем неожиданнее, чем более основательным кажется возведённое здание. Но катаклизмы безошибочно указывают, что под фундаментом нет достаточно надёжной основы. Хорошо, если слабина своевременно обнаружена. Её можно ликвидировать и продолжать украшать и наращивать башни. Однако нужно, чтобы делом занялся не эстетархитектор, а любитель основательности, не гнушающийся сумрачной серости грунтов и обыденности фундаментов.

В нашей истории, к счастью, такой любитель нашёлся. Молодой сотрудник Лаборатории колебаний ФИАНа, представитель четвёртого поколения школы Мандельштама, Владимир Николаевич Луговой обратил внимание на известное всем тонкое место теории самофокусировки. В нём, как в одной точке, сошлись сомнения всех теорий. Большинство авторов понимали трудности, возникавшие при попытке точно описать поведение лазерных лучей вблизи точки схлопывания. Понимали и даже не пытались детально разобраться в том, что там происходит. Ведь приходилось ограничиваться приближёнными теориями. А они говорили разное.

Из одних получалось, что по мере приближения к этой точке лучи, ранее изгибавшиеся к оси, постепенно начинали подходить к ней всё более полого. В других продолжения всех лучей должны были бы сойтись в точке схлопывания, как в фокусе. В третьих теориях эти лучи выпрямлялись и входили в область, где теория теряла силу. Но не будем уг лубляться в различные варианты.

Во всех случаях оставалось совершенно неясным, как же лучи света ведут себя там, куда теоретики не могут проникнуть? Что с ними происходит дальше? Не берёт ли дифракционная расходимость верх над нелинейными процессами там, где лучи сходятся слишком сильно? Не начинают ли там преобладать какие-то ещё не учтённые явления?

Если лучи идут к оси всё более полого, то сходятся ли они где-нибудь в точку или плавно переходят в тонкий канал, как думало большинство? Если же они, выпрямляясь, вонзаются в точку схлопывания, как в фокус линзы, то почему они не расходятся за ним? А может быть, они там вновь изгибаются и плавно входят в узкий канал? Или за фокусом лучи действительно расходятся, чтобы собраться вновь в следующем фокусе?

Эксперименты, впервые вполне уверенно произведённые Чао, Гармайр и Таунсом, обнаружили узкий канал, в который обращался луч, пройдя в среде путь, предсказанный ему теорией. Последующие опыты в большинстве случаев давали аналогичные результаты. Правда, в некоторых условиях возникали какие-то обрывки светящихся нитей, которые можно было толковать в пользу гипотезы периодически сужающихся каналов.

При очень больших мощностях картина чрезвычайно усложнялась. Вместо одного узкого канала возникало несколько, а иногда и множество тонких нитей.

Экспериментаторы ставили удивительные по ясности замысла опыты. Они наблюдали то, что никогда не пришло бы в голову ни Ньютону, ни Фарадею, ни Френелю — королям оптики. В те годы они и не помышляли о том, как глубок океан тайн света.

Но современных теоретиков все эти находки экспериментаторов не смутили. В нелинейных средах возможно и не такое. Теория убедительно показала, что уже на ранних стадиях фокусировки исходный пучок может распасться на несколько частей, тяготеющих к различным областям. В статьях замелькало магическое слово «неустойчивость».