Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

Следующий шаг в неведомую область сделал лишь через 30 лет Г. С. Горелик. Он теоретически доказал, что хорошие фотоэлектрические приемники света обладают достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нелинейные зависимости в целом ряде оптических явлений. Одно из таких явлений обнаружили в 1955 году американские исследователи.

Первые лазеры заработали в 1960 году. О лазерах мы поговорим позже. Сейчас большинство людей знает, что лазеры — новые источники света, испускающие свет несравненно более яркий, чем все другие известные источники света. Уже в 1961 году П. Франкен зафиксировал первый нелинейный лазерный эффект — удвоение частоты света, проходящего через прозрачный кристалл, а еще через год Е, Вудберн и В. Нг обнаружили вынужденное комбинационное рассеяние света.

Еще одна сказка

Каждый помнит восточного мудреца, попросившего о скромном вознаграждении. Он хотел, чтобы на первую клетку шахматной доски ему положили всего одно зернышко, а на вторую только два, на третью лишь четыре, и так, не запрашивая большего, он просил, чтобы на каждую следующую клетку ему клали всего вдвое больше зерен, чем на предыдущую. И каждый помнит, к чему это должно было привести. Скромное удвоение приводит к фантастически быстрому росту. Уже на восьмой клетке придется размещать 128 зерен…

Ученики и последователи Мандельштама и Ландсберга сумели извлечь пользу из ничтожных количеств света, преобразующегося в спектральные линии комбинационного рассеяния. Уже первые лазеры превратили наблюдение комбинационного рассеяния из изощренного эксперимента рутинную операцию. Но доля световой энергии, преобразующейся в излучение комбинационных частот, оставалась ничтожной. Однако ничтожная часть очень большой величины может оказаться достаточно крупной. Миллионная доля от миллиона тонн — это целая тонна!

Бурный рост лазеров привел физиков в область нелинейной оптики, путь в которую был указан Вавиловым. То, с чем им пришлось встретиться, ошеломляло не меньше, чем увеличение количества зерен в древней сказке.

Весь прежний опыт говорил о том, что по мере погружения луча света в рассеивающую среду интенсивность рассеянного света быстро уменьшается, даже если среда прозрачна и не поглощает свет. Никого это не удивляло. Ведь при рассеянии интенсивность первоначального света уменьшается за счет того, что часть энергии света рассеивается в стороны; уменьшается очень быстро, быстрее, чем увеличиваются кучки зерен на шахматной доске.

Но с лазерным лучом все выглядит сложнее. Конечно, и лазерный луч ослабевает по мере погружения в рассеивающую среду. Более того, его интенсивность убывает быстрее, чем убывала интенсивность в опытах с обычными источниками света. Удивительным оказалось, что интенсивность рассеянного света на начальном участке, там, где лазерный луч входит в рассеивающую среду, не убывает, а быстро возрастает. Такое может быть, только если доля рассеянного света не остается постоянной, а возрастает по мере продвижения лазерного излучения в среду.

Приходится признать, что процесс рассеяния отсасывает энергию из лазерного пучка сильнее, чем из пучка света обычного источника, причем по законам, неведомым оптикам. Это законы нелинейной оптики.

Теперь, когда они изучены, они выглядят необыкновенно ясными. Впрочем, и в то время их удавалось уяснить сравнительно легко при помощи общей теории нелинейных процессов, которая к тому времени уже была хорошо разработана усилиями Мандельштама и Н. Д. Папалекси, Ю. Б. Кобзарева, Н. Н. Боголюбова и их учеников.

К школе Мандельштама и Папалекси принадлежал Рем Викторович Хохлов (молодой ректор МГУ, трагически погибший в альпинистском походе в 70-х годах). Он внес решающий вклад в становление нелинейной оптики, раздела оптики, имеющего дело с оптическими явлениями при высокой интенсивности оптического излучения.

Механизм нелинейного комбинационного рассеяния лишь немногим сложнее обычного. При обычном комбинационном рассеянии часть падающего света рассеивается в стороны атомами вещества и изменяет при этом частоту в соответствии с частотами колебаний атомов в молекулах рассеивающего вещества. Интенсивность света, рассеиваемого в процессе обычного комбинационного рассеяния, пропорциональна интенсивности падающего света и увеличивается вместе с интенсивностью колебаний молекул. При обычном комбинационном рассеянии колебания молекул остаются практически неизменными при их взаимодействии со светом.

Но при воздействии на вещество мощного излучения лазера ситуация изменяется. Этого нельзя было предвидеть исходя из многовекового опыта обычной линейной оптики. Конечно, явления, известные ранее, не исчезли. Лазерное излучение, взаимодействуя с атомами, точнее, с электронами атомов, входящих в молекулы вещества, рассеивается в стороны. При этом в рассеянном излучении содержатся не только частоты первоначального лазерного излучения, но и комбинационные частоты. Словом, при применении лазерного источника сохраняются все особенности рассеянного света, изученные Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном.

Новой является только большая интенсивность рассеянного света. Но в этом нет ничего неожиданного, это предвидел Вавилов, изучением этого занимался Хохлов. Ведь интенсивность излучения лазера очень велика, а интенсивность рассеянного излучения пропорциональна интенсивности падающего излучения. Коэффициентом пропорциональности при этом служит интенсивность внутримолекулярных колебаний. Неожиданным является то, что излучение, возникшее в процессе рассеяния, если оно достаточно интенсивно, способно в свою очередь увеличивать внутримолекулярные колебания. Сказанное нуждается в уточнении: рассеянное излучение может влиять на колебания молекул, только если оно действует совместно с породившим его излучением лазера. Это значит, что рассеянное излучение влияет только на колебания тех молекул, которые располагаются в пределах пучка лазерного излучения.

При этом излучение лазера, рассеянное атомами, входящими в молекулы, действуя на эти же атомы совместно с первоначальным лазерным излучением, раскачивает их.

Здесь начинается самое интересное: переход от линейной оптики к нелинейной. Линейная оптика говорит, что интенсивность колебаний атомов в молекулах вещества служит постоянным множителем пропорциональности между падающим и рассеянным излучением. Нелинейная оптика замечает: это справедливо только при малых мощностях. При больших мощностях постоянный множитель пропорциональности превращается в переменную величину, зависящую от мощности падающего и рассеянного излучения. Причем этот ранее постоянный множитель растет вместе с мощностью излучения. Так замыкается цепочка. Увеличение мощности рассеянного излучения приводит к дальнейшему увеличению рассеяния. Именно эта особенность отражена в названии «вынужденное рассеяние». Рассеяние мощного лазерного излучения, воздействуя на вещество, создает условия для возникновения все более мощного рассеяния. Пропорциональность, то есть простая линейная зависимость мощности рассеиваемого излучения от мощности падающего излучения, заменяется более сложной нелинейной зависимостью.

Самовоздействие

При взгляде со стороны на луч достаточно мощного лазера, проникающий в прозрачное вещество, видно, что яркость рассеянного излучения возрастает по мере его углубления в вещество. Конечно, такое возрастание не безгранично. Ведь энергия лазерного излучения постепенно расходуется, порождая рассеянное излучение. Поэтому процесс постепенно становится все менее и менее эффективным. Физики говорят — процесс идет с насыщением. Возрастание интенсивности рассеиваемого излучения постепенно замедляется, а затем уступает место ослаблению, по мере того как все более расходуется энергия излучения, исходящего из