Ирина Радунская - Крушение парадоксов

Формулы умнее человека. Это сказал Генрих Герц, открывший электромагнитные волны, существование которых было предсказано в конце прошлого века Кларком Максвеллом. Герц имел в виду знаменитые уравнения Максвелла, в которых содержатся не только законы поведения электромагнитных волн, но и разгадка многих неизвестных в то время явлений.

О метрологии можно сказать, что она предусмотрительнее человека. Метрология заготовила впрок возможность измерения чрезвычайно больших и крайне малых величин и даже построила для них систему наименований задолго до того, когда техника нашла способы их достижения. В самом деле, понадобилось для радиолокации название импульсов длительностью в миллионную долю секунды — пожалуйста. В реестрах метрологов предусмотрена специальная единица — микросекунда. Хотя до этого люди редко имели дело даже с длительностями, меньшими тысячной доли секунды, — миллисекундами. Появились лазеры, дающие очень короткие импульсы света, и наготове еще более мелкая единица — наносекунда — для измерения миллиардных долей секунды. Но и этого оказалось недостаточно. Сейчас идет борьба за получение и измерение еще в тысячу раз более коротких — пикосекундных импульсов. Впрочем, физики уверяют, что длительность жизни некоторых из все размножающегося семейства элементарных частиц должна быть еще более короткой. Но это лежит за пределами нашей темы. Здесь же речь пойдет о рождении пикосекундных импульсов света.

Для любителей математики можно добавить, что десятеричная система чисел позволяет очень просто, наглядно и компактно записывать такие невообразимо малые величины. Для этого вместо длинного ряда нулей достаточно написать десятку и возвести ее в отрицательную степень, показывающую то место после запятой, где стоит первая отличная от нуля цифра. Например, вместо одной десятой можно писать 10–1 , вместо одной тысячной — 10–3 (здесь единичка стоит на третьем месте справа от запятой: 0,001). В соответствии с этой записью миллионная доля (микро) — это 10–6, миллиардная доля (нано) — 10–9, а интересующая нас сейчас пикосекунда — 10–12 секунды.

Первый лазер, созданный в 1960 году Мейманом, генерировал вспышки света длительностью около миллисекунды. И они состояли из хаотической последовательности микросекундных пичков. Уже в следующем году Хеллворс изобрел лазер, в котором специальный затвор быстро изменял добротность резонатора от очень малой до весьма большой величины. Лазер генерировал гигантские одиночные импульсы длительностью в несколько десятков наносекунд.

Дальнейший путь уменьшения длительности импульсов оказался неожиданно трудным. Несколько групп ученых, следуя умозрительным, лишь качественным, а не количественным рассуждениям Гейзика и Сковелла, безуспешно пытались укоротить гигантские импульсы, пропуская их через оптический усилитель.

Лишь сложное теоретическое исследование, проведенное Басовым и Летоховым, позволило понять причину неудач и найти выход из тупика. Но этот путь не привел к существенному продвижению. Конечно, укорочение гигантского импульса до двух-трех наносекунд с одновременным усилением их энергии позволило проникнуть дальше в глубь тайников природы. Но ученые жаждали радикальных результатов.

Как это ни парадоксально, труднее всего добиться новых значительных достижений, идя по проторенному пути. Легкая, прямая и привлекательная дорога в мире науки обычно тянется недалеко. А дальше неизбежные повороты ведут к ухабам, а то и в тупик. Но — такова человеческая натура — трудно решиться свернуть на целину, если впереди видны накатанные трассы. Если говорить о дорогах, ведущих в мир сверхкоротких импульсов света, то одну из них проложила нелинейная теория колебаний, созданная и развитая главным образом трудами двух советских школ физиков и математиков: школы Мандельштама — Папалекси и школы Крылова — Боголюбова. Нелинейная теория колебаний вскрыла и взяла на вооружение глубокое единство, скрытое за внешним различием многообразных периодических процессов, происходящих в природе и создаваемых человеком для нужд техники.

Голландский ученый Ван дер Поль, сделавший существенный вклад в нелинейную теорию колебаний на первых этапах ее развития, обнаружил удивительную аналогию между работой сердца и лампового генератора электрических колебаний. Впоследствии удалось создать удобные радиотехнические модели для исследования работы сердца, почек, легких и других органов человеческого тела. Методы нелинейной теории колебаний теперь широко применяются в биологии и химии, астрофизике и сейсмологии, в инженерных науках и в экономических исследованиях.

Лазеры возникли благодаря проникновению методов нелинейной теории колебаний в оптический диапазон. Отнюдь не случайно квантовую электронику создали радиофизики Басов и Прохоров, блестящие представители школы Мандельштама — Папалекси, и Таунс — тонкий знаток нелинейной теории колебаний. Своему дальнейшему развитию, даже продвижению в оптический диапазон, квантовая электроника обязана скорее радиоспециалистам, освоившим оптику, а не оптикам, постигшим закономерности теории колебаний.

В большинстве случаев активное вещество лазера не участвует в его работе как единое целое. Обычно различные части рабочего объема начинают генерацию не одновременно и даже на нескольких различных частотах. Причина лежит в том, что резонатор лазера очень велик по сравнению с длиной световых волн. Поэтому в нем может возникнуть и обычно возникает множество различных и независимых типов колебаний.

Нечто подобное можно наблюдать на струне скрипки или мандолины, на которой, кроме основного тона, легко возбудить и обертоны. Музыканты редко пользуются такой возможностью. Но радиоинженеры прибегают к ней во многих случаях, когда им нужно создавать короткие электрические импульсы, например в радиолокации или телевидении. Для этой цели придуманы специальные схемы. Наиболее известны среди них мультивибраторы и блокинг-генераторы, в которых одновременно возбуждается множество колебаний, складывающихся друг с другом так, что они образуют серию коротких импульсов или острые одиночные всплески напряжения, по команде которых на экране возникают причудливые картинки или срывается с места стремительная ракета.

В отличие от таких ламповых генераторов в лазерах царствует полный хаос. Неизбежные неоднородности в кристаллах, стеклах и даже в газах, служащих активным веществом в лазерах; невозможность обеспечить совершенно однородное возбуждение по всему объему лазера; большое число типов колебаний, возникающих в резонаторе лазера, — все это приводит к тому, что большинство типов колебаний обычно возбуждается независимо от других. Глядя, конечно через защитные очки, на яркое пятно света, образуемое лучом газового лазера, мы в первый момент видим нечто подобное солнечному зайчику. Но, присмотревшись внимательно, замечаем, что яркое пятно состоит из отдельных хаотических переливающихся зернышек, разделенных менее яркими полосками. Очень похоже на поверхность Солнца, наблюдаемую через телескоп. Там тоже заметно множество ярких точек на менее светлом фоне.

Конечно, физики понимали, что причины, приводящие к возникновению солнечных гранул и ярких точек в луче газового лазера, различны. Общее в них лишь одно — существенная роль случайности в распределении температуры по поверхности Солнца и в развитии генерации в активном элементе лазера.

Те же явления возникали и в твердотельных лазерах, работающих в импульсном режиме. И в них случайное и независимое возбуждение отдельных типов колебаний приводит к возникновению хаотических пичков генерации. Экспериментаторы и теоретики объединились в анализе этой противоречивой работы лазеров.

Подробное исследование гигантских импульсов, даваемых лазерами с управляемыми затворами или с вращающимися призмами, показало, что и такие гигантские импульсы образованы в результате возбуждения многих типов колебаний.

Теория колебаний подсказывала: лазер отличается от лампового генератора только, длиной генерируемой волны и некоторыми техническими деталями; они основаны на единых принципах. Значит, можно заставить различные типы колебаний возникать в лазерах так же согласованно, как, например, в мультивибраторе. В таком случае лазер будет давать регулярную последовательность коротких импульсов.

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.