страница №1
Глава IV. Быстрее быстрого и короче короткого
Снова гигантский импульс
Человека влечет не достигнутое. Альпиниста - непокоренная вершина; агронома - небывалый урожай; летчика, шофера, моряка, бегуна, пловца, конструктора вычислительных машин или создателя станков - быстрота. Многие, очень многие стремятся к достижению небывалых скоростей. Но, пожалуй, только в одном случае фантастическая скорость возникла как подарок людям, стремившимся к совершенно другой цели.
Множество применений лазеров требует все большей концентрации энергии в пространстве и во времени. Однако в природе существует целый ряд запретов, близких к знаменитому соотношению неопределенностей, обнаруженному одним из создателей квантовой механики, Гейзенбергом. Такой запрет ограничивает и возможность пространственной концентрации - фокусировки света лазера в пятнышко, размеры которого существенно меньше длины излучаемой волны.
Но в первом рубиновом лазере концентрация энергии во времени была еще очень далека от предела. Этот лазер, как, впрочем, и большинство современных импульсных лазеров, испускал серию хаотически следующих один за другим импульсов длительностью около миллионной доли секунды каждый. Вспышка лазера содержала сотни таких отдельных пичков и длилась примерно тысячную долю секунды. Многие пытались понять, почему генерация лазера не развивается непрерывно, а быстро обрывается, чтобы начаться вновь в виде очередного пичка. Ничего подобного не наблюдалось ни в ламповых генераторах, ни даже в квантовых генераторах радиодиапазона - мазерах. Было опубликовано несколько теорий, каждая из которых убедительно объясняла причину возникновения пичков, но все причины... были различными. Тем не менее, все теории достаточно убедительно подтверждаются опытом.
Постепенно выяснилось, что главная причина - в размерах резонатора. Резонатор лазера обычно во много миллионов раз больше длины световой волны. Поэтому структура электромагнитного поля в нм много сложнее, чем в резонаторе мазера, в котором укладывается самое большее несколько волн.
В резонаторе лазера может возникать много различных типов колебаний. Они не равноправны между собой. Для некоторых добротность резонатора больше, и они возбуждаются легче, чем другие. Неравноправие возникает и из-за присутствия внутри резонатора активного вещества - рубина, стекла и т. п., - а также вследствие неравномерного поступления света ламп накачки в толщу активного вещества.
В результате различные типы колебаний начинают и кончают процесс генерации почти независимо от других, а затем через некоторое время в них вновь возникает пичок генерации. Энергия отдельного пичка невелика, ибо в его образовании участвует лишь малая доля активных частиц, возбуждаемых лампой накачки.
Способ концентрировать энергию лазера во времени, объединить большинство активных частиц для генерации одного импульса излучения и таким образом увеличить мощность лазера был найден Хеллворсом. Он предложил для этого управлять резонатором лазера. Открывать при помощи быстродействующего затвора одно из зеркал резонатора, которое в начальный момент закрыто этим затвором.
В результате накачка активных частиц длится дольше, чем при открытом зеркале. Ведь без системы двух зеркал нет резонатора и невозможна генерация. К моменту открытия затвора в резонаторе накапливается много больше активных частиц, чем в обычном лазере. Лавина генерации развивается очень быстро и интенсивно, и излучение лазера собирается в один гигантский импульс длительностью в несколько сотых частей от миллионной доли секунды. Несмотря на то что энергия этого импульса обычно в несколько раз меньше энергии вспышки обычного лазера, состоящей из множества пичков, мощность его в сотни тысяч раз больше. Ведь мощность характеризует среднее значение энергии, выделяемой за единицу времени, так что, если время сокращается, мощность растет. Поэтому мощность, развиваемая порохом при ружейном выстреле, соизмерима с мощностью огромной турбины. Но заряд патрона, способный с большой скоростью вытолкнуть пулю, не может совершить и малой доли работы, выполняемой неутомимой турбиной. Гигантская мощность импульсов лазеров с управляемым резонатором позволяет решать множество сложнейших задач науки и техники. Однако существуют и такие случаи, когда достигнутая мощность недостаточна. Известны и такие ситуации, при которых важна не столько мощность, сколько энергия лазерной вспышки.
Наиболее прямой способ наращивания энергии лазера за счет увеличения размеров активного элемента, оправдавший себя в лазерах, работавших в обычном режиме свободной генерации с его хаотическими пичками, не давал результатов при переходе к гигантскому импульсу. Исследования показали, что для главных лазерных материалов - рубина и неодимового стекла - это не случайность. Причиной неудачи являются те же особенности этих материалов, которые обеспечивают их выдающиеся достоинства с точки зрения обычных лазеров.
Неодимовое стекло и рубин способны запасать в каждом своем кубическом сантиметре сравнительно большие порции энергии. А свойства ионов неодима и хрома таковы, что усиление света в них при прохождении каждого сантиметра длины весьма велико. Благодаря большому коэффициенту усиления лазеры на этих веществах легко возбуждаются даже при сравнительно плохих зеркалах. Если активные элементы достаточно длинны, то одно из зеркал резонатора может совершенно отсутствовать. Его с успехом заменяет отражение света от торца активного элемента.
Ясно, что в этом случае режим гигантского импульса совершенно неосуществим. Генерация начнется при закрытом затворе, несмотря на малую добротность резонатора, образованного одним зеркалом и торцом активного элемента. Инженеры спасли дело, сошлифовав торец под углом к оси резонатора. Генерация с участием торца стала невозможной, и управление резонатором при помощи затвора, помещенного перед вторым зеркалом, осуществилось без помех.
Но измерения показали, что по мере удлинения активного элемента неукоснительно возрастали и потери энергии в режиме гигантского импульса по сравнению с энергией свободной генерации. И устранить это в рубине и неодимовом стекле не удалось. При высоких уровнях возбуждения, создаваемых накачкой при закрытом затворе, в них возникают чрезвычайно-большие коэффициенты усиления. Столь большие, что фотоны, случайно вылетающие вдоль оси активного элемента, вызывают в нем вынужденное испускание массы фотонов, уносящих значительную часть энергии, поступающей в активный элемент от ламп накачки. Этим ограничивается возможность накопления в активном элементе больших запасов энергии, а следовательно, и возможность увеличения энергии гигантского импульса.
Так природа выдвинула перед учеными и инженерами непреодолимое препятствие. Возможности метода управляемого резонатора оказались исчерпанными. Требовалось что-то новое. Новые активные материалы для того, чтобы достичь больших энергии известным методом, или новые методы, позволяющие достичь того же с применением известных материалов. Первый путь еще не реализован, но некоторые из ученых считают, что они добьются своего. Второй путь уже позволил увеличить энергию гигантских импульсов в несколько раз и одновременно привел к совершенно неожиданным результатам.
Поворот
Все казалось очень простым. Если возможности генераторов гигантских импульсов исчерпаны, нужно пропустить излучаемые ими импульсы через усилитель. Ясно, что так можно достичь увеличения энергии. Но когда энергия импульса, попадающего на вход усилителя, очень велика, следует ожидать и дополнительного эффекта. Здесь не было ничего нового. Еще при исследовании одного из типов квантовых усилителей радиодиапазона - мазера с бегущей волной - было установлено, что при больших входных сигналах форма усиленного импульса искажается.
В радиодиапазоне, где сигналы используются для передачи информации, всякое искажение в процессе усиления, конечно, вредно. Чтобы бороться с искажениями, радисты изучили причину их возникновения. И установили, что по мере распространения импульса сквозь усиливающую среду сигнал, заключенный в его передней части, особенно на фронте импульса, все больше усиливается, отбирая энергию от активных частиц вещества.
Если сигнал был очень силен еще до усиления, то передний фронт импульса забирает практически всю энергию, запасенную в веществе. На долю последующих частей ничего не остается. Они не только не усиливаются, но оказываются ослабленными, ибо, отдав свою энергию фронту импульса, вещество стремится приобрести его вновь за счет электромагнитного поля, образующего остальные части импульса. В результате, продвигаясь по активному веществу, фронт импульса быстро усиливается, становясь все более крутым, а его хвост заметно ослабляется. Ясно, что при этом одновременно с увеличением интенсивности импульса он неизбежно сокращается во времени. Мощность импульса растет одновременно за счет двух причин - в результате увеличения его энергии и по мере ее концентрации во времени.
Но радиоинженеры не могли использовать устройство, в котором усиление сигнала сопровождается такими искажениями. Вывод? Подобная ситуация возникала перед кочевниками-скотоводами при перегоне больших стад. Передние гурты поглощают всю траву и набирают вес, не оставляя ничего для последующих, которые постепенно тощают. Избежать этого можно, лишь направляя гурты параллельными тропами или поочередно, с интервалами, достаточными для восстановления травостоя. Примерно так поступили и радиоспециалисты. Но подробности их работы нас сейчас не интересуют.
Специалисты в области лазеров, стремившиеся к увеличению энергии и мощности импульсов света и не думавшие в то время о неискаженной информации, рассчитывали, что все особенности квантовых усилителей, приводящие к трудностям в радиодиапазоне, пойдут им на пользу. Соответствующие качественные рассуждения были проведены еще в 1962 году Гейзиком и Сковиллом в США, но их работа, как это часто бывает, опередила время и не вызвала большого интереса. Лишь через год две группы американских авторов опубликовали первые расчеты, а еще через год более полную теорию напечатали В.И.Таланов из Горького, а также Л.А.Ривлин и А.Л.Микаэлян с сотрудниками из Москвы.
В том же году Басов с сотрудниками и еще через год Ривлин со своими сотрудниками, а за границей Е.Стилл и В.Дэвис направили гигантский импульс своих лазеров в лазерный усилитель, и... их ожидания не оправдались. Существенного сокращения длительности импульса за счет искажения его формы при усилении не получила ни одна из трех групп!
Через год упорной работы Басов с Летоховым опубликовали объяснение причин неудачи и способ достижения поставленной цели. В их статье содержалось и вызвавшее столько волнений среди любителей сенсаций указание, что гребень импульса должен при известных условиях бежать быстрее света.
Владлен Степанович Летохов - необычная фигура даже для Физического института имени П.Н.Лебедева, богатого своеобразными, талантливыми людьми. Как и многие, он пришел в лабораторию квантовой радиофизики студентом. Басов скоро обнаружил у него склонность и способность к теоретическим исследованиям. Летохов не только сидел дни и ночи, склонившись над письменным столом, но внимательно присматривался к ходу экспериментов. Обсуждал с экспериментаторами постановку опытов и их результаты. Быстро сопоставлял их с предсказаниями теории и немедленно приступал к усовершенствованию теории, если того требовал опыт. В 1965 году начинается публикация работ, посвященных распространению импульса света в усиливающей среде. Сперва теоретические работы Басова и Летохова, затем описание опытов, проведенных с их участием, снова теория и дальнейшие опыты. И так несколько лет.
Когда защищать диссертацию?
Отвлечемся немного от лазеров к другой проблеме, имеющей, впрочем, непосредственное отношение к науке. Спросим себя, когда ученый должен защищать диссертацию. Скажем, кандидатскую диссертацию. Принято считать, что он должен сделать это после того, как выполнит несколько исследований, бесспорно лежащих на уровне кандидатских работ.
Никто из знавших Летохова только по публикациям не мог предположить, что он, опубликовавший за четыре года более полусотни работ, не имеет кандидатской степени. И когда в конце 1969 года он под нажимом товарищей представил наконец кандидатскую диссертацию, ученый совет, присудив ему степень кандидата, рекомендовал представить эту же работу вторично на соискание степени доктора наук. Но Летохов не пошел по легкому пути. Он предпочел написать новую диссертацию и весной 1970 года блестяще защитил ее. В его диссертации речь шла и о сжатии лазерного импульса при усилении, и о сверхсветовом движении. Но вернемся на несколько лет назад.
Сейчас каждый школьник знает, что скорость света - высший предел скорости. Парадоксы, связанные с этим фундаментальным законом, встречаются все реже. И вот, солидные ученые предсказывают сверхсветовую скорость. А затем вместе с другими сотрудниками лаборатории квантовой радиофизики они получают как сверхсветовую скорость движения гребня импульса, так и дальнейшее сокращение длительности гигантского импульса.
Теория Басова и Летохова учитывает немаловажную деталь, которая выпадала из поля зрения предыдущих теорий: как ни быстро развивается генерация гигантского импульса, он не возникает мгновенно. На экране скоростного осциллографа можно видеть, что передний фронт гигантского импульса совсем не напоминает ступеньку, а плавно нарастает, причем медленнее, чем время, в течение которого протекают важнейшие процессы в усиливающей среде. В результате отдельные активные частицы взаимодействуют с усиливаемым импульсом не когерентно - независимо одна от другой.
Преимущественное усиление пологой головной части импульса приводит к постепенному перемещению гребня импульса вперед по переднему фронту так, что максимум импульса не бежит вместе с гребнем какой-либо определенной волны, а постоянно передается от задней волны к передней. Нечто подобное можно было бы увидеть, если бы колонна демонстрантов, не прекращая движения, передавала бы транспарант от задних рядов в передние. Здесь нет ничего противоречащего законам природы, в частности - невозможности перемещения материальных тел со скоростями, превышающими скорость света. В этом опыте со сверхсветовой скоростью движется не какое-либо тело или порция энергии, а лишь зона, в которой наиболее интенсивно происходит превращение энергии, запасенной в активных частях, в другую форму, в форму фотонов световой волны. Теория Басова и Летохова не только предсказала возможность движения гребня гигантского импульса со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света, но и объяснила, почему при этом не происходит сокращения длительности импульса.
Успех
Причиной является именно то, что гигантский импульс возникает не скачком, а развивается хоть и быстро, но постепенно от очень малых энергий. Слабые участки переднего фронта, простирающиеся далеко впереди его гребня, эффективно усиливаются, пробегая по наиболее "богатым", еще не затронутым главной частью импульса, частям усилителя. Будучи слабыми, они усиливаются без искажения, так что перед наблюдателем возникают все новые и новые участки переднего фронта, первоначально замаскированные шумами. В результате импульс возрастает, лишь незначительно деформируясь, как морская волна, приближающаяся к берегу по мелководью. Морская волна опрокидывается, набегая на берег. Можно заметить, как перед опрокидыванием ее передний фронт становится все более крутым. Гребень настигает его. Катастрофа возникает именно потому, что первыми выбегают на берег и разрушаются самые слабые передние волны. Нечто подобное необходимо и для сжатия лазерного импульса. Басов и Летохов установили, что для сжатия импульса в процессе усиления нужно отсечь слабые участки его переднего фронта, чтобы они не истощали активного вещества перед приходом гребня. Нужно с самого начала придать переднему фронту импульса форму, напоминающую ступеньку. Тогда именно передняя часть ступеньки будет отсасывать всю энергию, запасенную в усилителе. Гребень будет расти, последующие части импульса - ослабевать, как это предсказывал еще Сковелл, и сокращение импульса станет реальностью.
Для проверки теории Басов с сотрудниками установили между усилителем и лазером, дающим гигантский импульс, дополнительный затвор. Специальная схема чрезвычайно быстро открывала его только после того, как гигантский импульс достигал своего максимума. Поэтому перед гребнем гигантского импульса в усилитель не поступало никакого света. Зато гребень гигантского импульса имел возможность извлекать из активного материала всю запасенную в нем энергию. Затвор действовал так быстро, что передний фронт импульса на входе усилителя напоминал крутую ступень. И действительно, вся энергия, скопленная в усилителе, выплескивалась на гребень импульса. Измерения показали, что длительность импульса на выходе усилителя уменьшалась в несколько раз. Только за счет сокращения настолько же возрастала и мощность импульса. В действительности мощность увеличивалась еще быстрее, ибо импульс сильно возрастал за счет энергии усилителя.
Теперь во всех лабораториях, имеющих дело с гигантскими импульсами лазеров, сочетающих большую мощность с большой энергией, между лазером и усилителем включают дополнительный затвор, придающий переднему фронту импульса форму ступеньки. Об опытах со сверхсветовым движением лазерных импульсов теперь можно прочитать лишь в старых журналах и в учебниках по квантовой электронике. Такова судьба многих парадоксов. Они стимулируют ум, обостряют внимание и интерес и, сыграв свою роль, попадают в основные фонды прогресса, в тот отдел, где столь же почетное место занимают прялка и каменный топор. А менее эффектные результаты зачастую продолжают и в наши дни служить человеку. Так случилось и с этой работой советских ученых, для которых одинаково важны и фундаментальные исследования, и практические результаты.
Для любителей математики
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.
Царство хаоса
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 коле...