Глава IV. Быстрее быстрого и короче короткого
страница №2
...баний.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.
- 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.
Снова тупик
Еще в десять раз более коротких импульсов добился американский ученый М.ДиДоменико 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 ДеМария с сотрудниками. Скачок, который измерялся тысячами единиц удачи, а не десятками или сотнями, как то бывает при движении по традиционному пути. За ДеМарией 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 ДеМарии. 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 ДеМарии было то, что полученные им импульсы имели малую энергию. И тем не менее, несмотря на малую энергию каждого отдельного импульса, в опыте ДеМарии она составляла лишь сотые или даже тысячные доли джоуля, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.
Пропустив эти импульсы через лазерный усилитель, ДеМария 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?
Вмешательство теоретика
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 ДеМария 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?
Итак, не упускают ли экспериментаторы, борющиеся с отражениями, чего-то весьма существенного? Может быть, они, подобно герою Мольера, не знают о том, что говорят прозой!
Нужно вернуться обратно. К азам. Заново продумать процесс генерации лазера... Все в нем очень просто. Вспышка лампы накачки возбуждает активное вещество. Многочисленные типы колебаний резонатора независимо обеспечивают замыкание соответствующих каналов обратной связи. И в резонаторе возникают многочисленные независимые лазеры, каждый из которых, то вспыхивая, то затухая, излучает свои пички света, хаотически складывающиеся в то, что мы воспринимаем как лазерный импульс.
Хаос... Он не подвластен ни механике Ньютона, ни уравнениям Максвелла, ни теории относительности. Как разобраться в нем? Как усмирить, покорить? Однако и на него есть управа. Статистика. Она помогает понять безумие экономики. Направляет работу биологов. К услугам физиков она предоставляет свою дочь - статистическую физику. Ее и призвал на помощь Летохов.
Вот что она сказала ему.
При случайном наложении множества простейших типов колебаний в лазере возникают короткие всплески излучения со случайными длительностями и случайными амплитудами. Если в этом участвует десять-двадцать простейших типов колебаний, всплески не могут быть короче нескольких наносекунд. Но когда в игре случайностей участвуют сотни колебаний, могут родиться пикосекундные импульсы. Причем их амплитуды будут заметно больше остальных.
Вот решение загадки! Тщательно устранив все отражения, используя хорошие активные элементы, можно обеспечить рождение сотен типов колебаний. Образуемые ими по воле случая пикосекундные импульсы скорее других прожигают путь через кювету с красителем, вызывают лавину генерации и, постепенно усиливаясь и укорачиваясь, раз за разом пробегают по резонатору, выплескиваясь через полупрозрачное зеркало в виде регулярной цепочки сверхкоротких импульсов.
Эксперимент, специально проведенный в ФИАНе при участии Басова и Летохова, подтвердил, что сверхкороткие импульсы действительно возникают до просветления красителя, а затем происходит их дополнительное сжатие и усиление.
Эта работа всколыхнула и теоретиков и экспериментаторов. Начались повторения опыта, уточнение результатов, соперничество умозаключений.
Планы
Вскоре Дж.Флек-младший прямыми численными расчетами подтвердил статистический механизм генерации ультракоротких импульсов. Кажется, все. Еще одна победа. Пора поставить точку и перейти к другой теме. Но время еще не настало. Басов, Летохов и их сотрудники хотят выжать все возможности из раскрытия тайны формирования сверхкоротких импульсов. Они увидели две новые возможности.
Вот первая. Она основана на весьма простом соображении. Лазер, который генерирует пикосекундные импульсы благодаря применению просветляющегося красителя, не вполне подвластен человеку. Действительно, момент просветления наступает по воле случая в результате сложной комбинации неуправляемых процессов. Все зависит от того, как развивается электрический разряд в лампе-вспышке, как накапливается энергия в активном элементе, как складываются между собой многочисленные типы колебаний, наконец, как проходит процесс обесцвечивания красителя.
Нужно подчинить себе главные этапы процесса. Подавить влияние случайности. Пусть раствор красителя будет столь концентрирован, чтобы самый интенсивный из импульсов, возникающих поводе случая в активном элементе, не мог его просветлить. Тогда, несмотря на действие лампы накачки, генерация не начнется.
Это лишь первый шаг. Теперь во время вспышки лампы накачки направим в активное вещество короткий импульс от вспомогательного лазера, достаточно интенсивный для прожигания красителя. Импульс откроет путь лавине фотонов, и она, раз за разом проходя через активное вещество, освободит всю запасенную в нем энергию, превратив ее в последовательность из нескольких мощных сверхкоротких импульсов.
Басов и его сотрудники построили такой лазер. Он состоял из, двух частей - лазера, дающего пикосекундные импульсы с энергией от 10-3 до 10-2 джоуля, и затвора, пропускающего во вторую часть установки только один из этих импульсов. Вторая часть представляла собой, по существу, лазерный усилитель бегущей волны. Его активный элемент располагался в одной из сторон треугольника, образованного тремя зеркалами. Рядом с ним помещалась и кювета с раствором красителя, достаточно концентрированным для того, чтобы полностью исключить возможность самовозбуждения усилительного каскада.
Но как только сверхкороткий импульс, поступавший из первой части установки, просветлял краситель, он, этот маломощный импульс, пять-семь раз обегал треугольник, образованный зеркалами, и выкачивал из активного элемента всю запасенную в нем энергию. Измерения показали, что полная энергия цуга из полученных таким образом пяти или семи сверхкоротких импульсов составляла 18 джоулей. А величина энергии импульса при этом увеличивалась в несколько сот раз!
Установка оказалась рекордной для своего времени. Но в запасе у фиановских физиков есть еще пока не реализованные возможности.