Крушение парадоксов

Эта система сразу появилась во многих лабораториях и завоевала симпатии лазерщиков своей доступностью. Но скоро обнаружилось что-то вроде «врожденного порока». Скорость перехода от малой добротности резонатора к большой оказалась ограниченной. И ничего нельзя было поделать. Ведь призмы только постепенно занимают нужное положение. Не все сечение активного вещества одновременно охватывается процессом генерации. Казалось, можно уменьшить эти недостатки, увеличивая скорость вращения. Попробовали. Но скоро исчерпали все возможности. Порок был неустраним. Предел определяется прочностью материалов, неспособных противостоять огромным центробежным силам. Увы, пришлось прекратить поиски в этом направлении и усилить разработку других систем.

Вскоре на страницах научных журналов появились упоминания об электрическом затворе. Применившие его писали, что он свободен от недостатков системы вращающейся призмы. Он переходит из закрытого состояния в открытое под действием электрического импульса, поэтому переход совершается всего за стомиллионные доли секунды. Причем переключение происходит одновременно по всему сечению затвора. Авторы этого способа, однако, не скрывали, что недостатком затвора является неполное просветление. Даже в открытом состоянии потери в нем не падают до нуля. Вот почему пришлось искать следующий способ. Третий способ...

Но будет ненужным отступлением от истины утверждать, что все лазерщики в ожидании дальнейших успехов на пути получения гигантского импульса сидели сложа руки. Конечно, нет. Многих вполне устраивали достигнутые мощности, и они с энтузиазмом пользовались ими в своих очередных научных исследованиях. Поэтому оставим на время тех физиков, которые ищут третий способ, и вернемся к ним, когда они его найдут. А пока поинтересуемся теми результатами, к которым привели два первых способа.

Создание лазеров, генерирующих гигантские импульсы излучения, дало гигантский импульс не только дальнейшему развитию лазерной техники, но послужило мощным толчком, открывшим неожиданные перспективы в других областях и приведшим к появлению новых научных направлений.

Одним из них явилась нелинейная оптика. Еще в долазерную эру замечательный оптик академик С.И. Вавилов предвидел, что под действием света большой интенсивности свойства вещества должны изменяться. При этом уравнения, описывающие распространение света, усложняются. Они становятся нелинейными. Отсюда и название нового раздела оптики. Но до создания лазеров не удавалось создать источники света, мощность которых позволила бы непосредственно провести соответствующие опыты. Тем не менее, глубокая физическая интуиция позволила Вавилову найти единственный путь, по которому экспериментатор мог войти в недоступную область нелинейной оптики. Этот путь был основан на использовании резонансных явлений.

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.

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.