Крушение парадоксов - Ирина Радунская

Естественно, что по такому пути направились многие исследователи. Первыми добились успеха Л. Харгров, Р. Форк и М. Поллак, работавшие с газовым лазером. Затем работа с рубиновым лазером принесла удачу Т. Дейтчу. И наконец торжествовали победу А. Де Мария, С. Феррар и Г. Даниэльсон, работавшие с лазером на неодимовом стекле.

— Мы принудительно периодически изменяли потери в резонаторе лазера, — объясняли коллегам ученые.

Применяли они привычный для радиоспециалистов прием: меняли в резонаторе условия существования электромагнитных волн. Но простой прием приводил к непростым результатам. Если при этом частота изменения потерь совпадала с частотным интервалом между простейшими типами колебаний резонатора, типы оказывались связанными.

Теория колебаний не подвела. Лазер, который в режиме свободной генерации давал миллисекундные импульсы, состоящие из множества пичков, превратился в генератор наносекундных импульсов. Если в результате внешнего воздействия достигалась связь между двадцатью типами колебаний, длительность импульсов составляла всего половину наносекунды. Это в пять-десять раз короче, чем в лазерах с вращающейся призмой!

Рекорд, сенсация! Он дал новый толчок поискам и усилиям. Путь оказался очень заманчивым, простым, легко выполнимым. И давал быстрые и ощутимые результаты. Надо было только овладеть способностью чувствовать особенность материалов лазеров. Какие из них на что способны. Что из них можно выжать. Насколько они гибки в способности лепить нужные физикам импульсы света. Некоторые ученые даже обнаружили в себе своеобразное чутье, интуицию в подборе нужных для новой цели лазерных материалов.

И вот половина наносекунды — этот недолгий рекорд вновь побежден.

Еще в десять раз более коротких импульсов добился американский ученый М. Ди Доменико с сотрудниками. Они периодически управляли потерями в лазере на совсем новом в то время материале — кристалле иттрий-алюминиевого граната. Но дальше дело не пошло. Прямой путь на этот раз кончился тупиком. Выход из него могло дать лишь озарение или тщательное изучение причины неудач.

Дальнейший скачок совершил также американский физик Де Мария с сотрудниками. Скачок, который измерялся тысячами единиц удачи, а не десятками или сотнями, как то бывает при движении по традиционному пути. За Де Марией быстро последовали группы Басова и Прохорова. Теперь новый источник пикосекундных импульсов получил широкое применение, стал повседневностью в обиходе этого круга ученых, стал необходимой обычностью.

Все казалось очень простым в первом опыте Де Марии. Можно сказать, что он не сделал ничего нового. Лишь более подробно изучил то, что получали раньше и он и другие. Получали, не зная, что находится у них в руках.

Де Мария и его сотрудники применяли для управления добротностью лазера насыщающийся поглотитель. То же делали и другие. Все было очень просто. Внутри резонатора лазера помещался тоненький сосудик, заполненный раствором специального красителя. Плохого красителя, с точки зрения любого разумного человека. Этот краситель никуда не годится для обычного применения, он быстро обесцвечивается под действием света. Становится прозрачным. Но почему-то именно такой краситель физики вымаливали у химиков.

Сосудик с красителем заслонял одно из зеркал резонатора. Несмотря на то что лампа-вспышка накачивала активное вещество, генерация не могла начаться. Ведь при закрытом зеркале отсутствовала обратная связь, необходимая для возникновения генерации. Но по мере повышения уровня возбуждения активный стержень начинал светиться все ярче и ярче. Его усиливающая способность становилась столь большой, что фотоны, летящие вдоль его оси, были способны увлечь за собой сотни таких же фотонов. Наконец их становилось так много, что под их действием краситель начинал выцветать. И часть фотонов устремлялась ко второму зеркалу и потом обратно. Так возникала обратная связь, приводящая к возникновению генерации. К лавинообразному возрастанию числа фотонов, летящих вдоль оси резонатора. Из лазера в определенный момент вылетал гигантский импульс излучения. В нем как бы сосредоточивалась вся та энергия фотонов, которая накапливалась до того, как краситель выцвел и дал лавине фотонов прорваться к зеркалу. Это не было новостью в 1966 году. Но лишь Де Мария и его сотрудники обнаружили, что в отличие от гигантских импульсов, получаемых при помощи вращающейся призмы или электрооптического затвора, новый импульс состоял из регулярной последовательности удивительно коротких импульсов.

Измерения показали, что эти импульсы возникают точно через интервалы, нужные свету для того, чтобы пройти от полупрозрачного зеркала через активное вещество к глухому зеркалу и обратно. Длительность каждого из них составляла несколько пикосекунд, несколько единиц, умноженных на 10–12 секунды! Всем было ясно, что явление, обнаруженное в этих опытах, возникает потому, что отдельные типы колебаний, излучение которых участвует в просветлении красителя, оказываются связанными между собой. Связь возникает вследствие их совместного взаимодействия с красителем. Это самофазировка, — определяют явление физики, — и она отличается от принудительной фазировки, получающейся в результате периодического изменения потерь резонатора, применявшегося ранее для получения коротких импульсов.

Единственным огорчением Де Марии было то, что полученные им импульсы имели малую энергию. И тем не менее, несмотря на малую энергию каждого отдельного импульса, в опыте Де Марии она составляла лишь сотые или даже тысячные доли джоуля, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.

Пропустив эти импульсы через лазерный усилитель, Де Мария еще больше увеличил их мощность. А вскоре Басов с сотрудниками достигли таким путем рекордной мощности в тысячу киловатт. Один из любителей обобщений пришел к выводу, что после создания лазеров в 1960 году мощность генерируемых ими импульсов света возрастала ежегодно примерно в десять раз! Сколь долго будет продолжаться этот рост?

Лазер, дающий ультракороткие сверхмощные импульсы света, этот феномен современной физики, стал объектом детального экспериментального и теоретического исследования во многих лабораториях. Он был загадкой и в теоретическом отношении, и в отношении тех возможностей, которые таились в его сдерживаемой мощи, выбрасываемой внезапно, как яд жалящей змеи.

В течение двух лет после того, как Де Мария открыл явление образования пикосекундных импульсов и выявил его основные черты, постепенно сформировалась и стала общепринятой весьма наглядная точка зрения на процесс образования этих импульсов.

Считалось, что в результате взаимодействия нескольких простейших типов колебаний лазера при участии просветляющегося красителя образуется импульс света длительностью в несколько наносекунд. Такой процесс был хорошо изучен для случая периодического изменения потерь, с которым мы уже знакомы. Казалось ясным, что дальнейшее сжатие этого импульса до пикосекундной длительности осуществляется в результате многократного прохождения импульса через краситель.

Однако эта простая и наглядная точка зрения встречалась с рядом трудностей. Летохов при помощи тщательных расчетов показал, что общепринятая точка зрения на механизм сжатия наносекундных импульсов недостоверна. Таким путем его длительность может уменьшаться лишь в 10...20 раз, а не в тысячи раз, как это наблюдается в действительности. Если общепризнанный механизм не способен превратить наносекундные импульсы в пикосекундные, нужно искать дальше. Следует еще раз проанализировать все детали опыта, особенно те, которые не вошли в общепринятую теорию, но влияют на результат.

Теоретик, который активно участвует в интересующих его экспериментах, — это большая удача для лаборатории. То, что большинство экспериментаторов считает само собой разумеющимся, не заслуживающим внимания, а тем более упоминания в докладе и статье, вызывает у Летохова особый интерес. Так у него возникает очередная догадка, очередной вопрос. Вопрос, который не может возникнуть у самого гениального теоретика, если он судит об эксперименте лишь по публикациям, в которые из-за недостатка места многие подробности не попадают.

Экспериментаторы знали, что любое лишнее препятствие, приводящее к отражению света внутри резонатора в направлении его оси, ухудшает условия образования пикосекундных импульсов. Знали — и устраняли все, что может им помешать. И не задумывались над тем, почему вредны именно отражения, а не поглощения света, не потери энергии. Так поступают многие. И не по лености ума. Нет, все их силы направлены на достижение цели. Они способны для этого преодолеть любые препятствия. Им просто некогда отвлечься от решения очередной задачи, от преодоления очередной каверзы матушки-природы. И что им до того, что лишняя отражающая поверхность внутри резонатора вместе с его зеркалами образует оптический фильтр, обрезающий и подавляющий многие простейшие типы колебаний. Выбрасывающий их из игры. Выбрасывающий! А они нужны для образования пикосекундных импульсов! Ведь не из прихоти экспериментаторы борются с лишними отражениями. Суровая необходимость заставляет их устранять все, что может играть роль фильтра, фильтра, уменьшающего количество типов колебаний, одновременно участвующих в работе лазера. В чем же их роль?