Потомки лазеров, блеснувших впервые около двенадцати лет назад, развивались, и совершенствовались в разных направлениях. Они специализировались. Некоторые наращивали мощность излучаемых импульсов света за счет увеличения их энергии, и укорочения длительности импульсов. Целью других стало непрерывное излучение света большой мощности.
Заряд патрона, способный за доли секунды с большой скоростью вытолкнуть пулю, не может совершить, и малой части работы, выполняемой неутомимой паровой турбиной. Но мощность, развиваемая порохом при ружейном выстреле, соизмерима с мощностью огромной турбины. Мощность характеризует среднее значение энергии, выделяемой за единицу времени. Таким образом, если время, за которое выделяется данная порция энергии, сокращается, мощность растет.
Каждый раз, когда человек овладевал новым видом энергии, он искал возможность запасать ее, и потом мгновенно высвобождать. Так было, и с электричеством. Еще в 1745 году некто Мушенброк в голландском городе Лейдене соорудил сосуд, способный накапливать электричество и поражал соседей яркими, громыхающими разрядами. Тогда всем казалось, что молния покорена, и скоро будет служить людям.
В наши дни лейденские банки можно увидеть только в школьных кабинетах физики. На смену им пришли разнообразные конденсаторы, без которых немыслимы ни радиоприемник, ни лампа-вспышка - помощница фотографа, ни лазер, превращающий в импульсы когерентного света ту световую энергию, которой «накачивает» активное вещество лазера - рубин, стекло или жидкость - специальная лампа-вспышка, лампа накачки, как принято ее называть.
Первый лазер, подобно первому паровозу, был весьма несовершенным прибором. Он перерабатывал в свет примерно пять сотых процента энергии, запасенной в конденсаторах. Энергия вспышки составляла лишь один джоуль. Такую энергию излучает за одну секунду лампочка карманного фонаря мощностью в один ватт.
Но новорожденный лазер значительно превосходил лампочку в другом. Вся небольшая энергия первой лазерной вспышки была необычайно сконцентрирована в пространстве - он излучал ее узким, слабо расходящимся пучком; по спектру - он сиял чистым красным цветом; наконец, во времени - вспышка длилась тысячную долю секунды. Для того, чтобы испускать один джоуль световой энергии каждую тысячную долю секунды, необходима лампа мощностью в целый киловатт!
Росли размеры, улучшалось качество искусственных кристаллов рубина. Энергия лазерной вспышки выросла до сотен джоулей. Применение специального стекла, содержащего попы редкоземельного элемента неодима, дало еще более высокие энергии, измеряемые тысячами джоулей.
Однако повышать мощность лазерного излучения становилось все труднее и труднее. Все больших трудов, и затрат стоило увеличить размеры стержней из рубина или неодимового стекла. Оставалась возможность поднять мощность лазерного импульса, сокращая его продолжительность при той же энергии. Но для этого нужно наращивать и мощность импульсных ламп накачки. А этого тоже можно было добиться, лишь сокращая длительность их вспышки. Однако этот путь оказался нереальным из-за быстрого разрушения ламп.
ЗАТВОР
Принципиально новый путь уже через год после появления первого лазера указал Р. Хеллворс. Он обратил внимание на то, что вспышки света, излучаемого рубиновым или неодимовым лазером, обычно имеют сложную структуру. Каждый импульс состоит из множества отдельных пичков, длительность которых составляет лишь миллионные доли секунды. Пички хаотически следуют один за другим с интервалами, которые обычно измеряются тоже миллионными долями секунды. Мощность вспышки, таким образом, дробится на мелкие, беспомощные порции.
Почему же возникает такая сложная картина? Чтобы разобраться в этом, надо прежде понять, что происходит в кристалле или стекле при генерации света (см. рисунок внизу).
Активное вещество лазера, рождая свет, ведет себя отнюдь не, как единое целое. Различные его участки начинают генерацию не одновременно, и даже не на строго одинаковой частоте резонатор лазера, образованный зеркалами, очень велик по сравнению с длиной световых волн, и поэтому в нем может возникнуть множество различных, и независимых типов колебаний. Одни из них возбуждаются легче, быстрее, другие - труднее, позже. Свою роль при этом играют и неизбежные неоднородности в кристалле. Из-за них невозможно обеспечить совершенно одинаковое возбуждение по всему объему активного вещества. Все это приводит к тому, что одни тип колебаний, захватывающий лишь часть активного вещества, обычно возбуждается независимо от других. А, поскольку в образовании отдельного пичка участвует лишь малая доля активных частиц, возбуждаемых лампой накачки, энергия каждого пичка невелика.
Что же предложил Хеллворс?
Он попытался изменить процесс излучения света, увеличив число возбужденных ионов к моменту начала генерации, поднять порог возбуждения лазера. Хеллворс знал, что высота порога возбуждения зависит от многих причин, прежде всего от свойств активных ионов, затем от того, насколько длинен активный элемент, насколько мала отражающая способность зеркал. От тех же характеристик лазера зависит, и мощность отдельного пичка.
По-видимому, рассуждал он, самый простой способ поднять порог возбуждения - это уменьшить коэффициент отражения одного из зеркал. Тогда до начала генерации в активном веществе накопится - больше возбужденных ионов, а значит, в нем будет запасено больше энергии. Но, к сожалению, коль скоро коэффициент отражения зеркала мал, накопленная энергия не сможет полностью превратиться в излучение генерация прекратится при большом запасе не высветившейся энергии.
Итак, простой путь ведет в тупик. Но Хеллворс нашел выход. Нужно, решил он, суметь быстро менять отражающую способность зеркала. Пусть оно будет плохим до начала генерации и хорошим после того, как генерация началась. Можно, например, заслонить зеркало неотражающим затвором, и затем в нужный момент открывать его. Можно перед началом работы ламп накачки отклонять зеркало от правильного положения и возвращать его в нужное положение лишь тогда, когда в активном веществе в достаточном количестве накопятся возбужденные ионы.
Результаты первых же опытов превзошли все ожидания. Вся энергия, запасенная в активном стержне, выплеснулась в одном импульсе излучения. Хеллворс назвал этот импульс гигантским. Он, и в самом деле был таким. Мощность излучения превзошла десять миллионов ватт! Несмотря на то, что энергия импульса была в несколько раз меньше энергии вспышки обычного лазера, состоящей из множества пичков, мощность его оказалась в сотни тысяч раз большей ведь он продолжался - лишь несколько стомиллионных долей секунды. И он был один. Хаотические пички не появлялись.
В корне изменился весь процесс генерации. Покуда затвор был закрыт, в резонаторе накапливалось много больше активных частиц, чем это необходимо для генерации при открытом затворе. И в тот момент, когда открывался затвор, порог самовозбуждения оказывался превзойденным в несколько раз. При этом лавина самовозбуждения развивалась так быстро, и так интенсивно, что в одном-единственном импульсе высвечивалась практически вся энергия, запасенная в веществе.
НА ГРЕБНЕ
Хеллворс добился многого - он сумел собрать в один короткий импульс всю энергию, которую можно запасти в активном веществе лазера. Что же дальше? Возможен ли дальнейший рост мощности? Или возможности лазеров исчерпаны? Казалось, если возможности генераторов гигантских импульсов исчерпаны, нужно, как-то усилить излучаемые ими импульсы.
Еще при исследовании одного из типов квантовых усилителей радиодиапазона - так называемого 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, конечно, вредно. Чтобы бороться с искажениями, радисты выяснили, как возникают они в процессе усиления, и установили, что по мере распространения импульса сквозь усиливающую среду его фронт все больше возрастает, отбирая энергию от активных частиц веществ. На долю последующих частей импульса ничего не остается. Они не только не усиливаются, но оказываются ослабленными, ибо, отдав свою энергию фронту импульса, вещество стремится приобрести ее вновь за счет электромагнитного поля, образующего остальные части импульса.
Так вздымается морская волна, приближаясь к берегу по мелководью фронт импульса, продвигаясь по активному веществу, возвышается и становится все более крутым, а его хвост заметно ослабляется. При этом импульс неизбежно сокращается во времени. И то, и другое приводит к росту его мощности. Именно эти особенности квантовых усилителей и сулили новый рост энергии, и мощности лазерных импульсов.
Соответствующие качественные рассуждения были проведены еще в 1962 году Гейзиком и Сковиллом в США, но их работа, как это часто бывает, опередила свое время, и не вызвала большого интереса. Лишь через год две группы американских авторов опубликовали первые расчеты, а еще через год более полную теорию явления дали горьковчанин В. И. Таланов, а также москвичи Л. А. Ривлин и А. Л. Микаэлян со своими сотрудниками.
В этом же году в лаборатории Н. Г. Басова, и еще через год в лаборатории Ривлина, 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, и его ученик В. С. Летохов объяснили причину неудачи и указали способ достижения поставленной цели. Вот, что говорилось в их статье.
Гигантский импульс возникает не скачком, а развивается быстро, но постепенно от очень малых энергий. Слабые участки переднего фронта, простирающиеся далеко впереди от гребня, эффективно усиливаются, пробегая по наиболее «богатым», еще не затронутым главным пиком импульса участкам активного вещества, отбирая запасенную в нем энергию. Все, что позади, в том числе, и главный пик, ослабляется.
Выход ясен. Нужно отсечь слабые участки переднего фронта, чтобы они не истощали активного вещества перед приходом гребня. Следует с самого начала придать переднему фронту форму, напоминающую ступеньку. Тогда обрывистый фронт будет отсасывать всю энергию, запасенную в усилителе. Гребень будет расти, последующие части импульса ослабевать, и сокращение импульса станет реальностью (см. рис. на стр. 32).
Для проверки теории Басов с сотрудниками установили между усилителем, и лазером, дающим гигантский импульс, дополнительный затвор. Специальная схема открывала его при подходе вершины гигантского импульса. И вся энергия, накопленная в усилителе, выплескивалась на круто срезанный гребень. Измерения показали, что длительность импульса по выходе из усилителя уменьшалась в несколько раз. Только за счет этого сокращения , настолько же возрастала, и мощность импульса. В действительности мощность увеличивалась еще быстрее, ибо импульс сильно возрастал за счет энергии усилителя.
РАЗГАДАННАЯ СЛУЧАЙНОСТЬ
Новый путь получения еще более коротких импульсов был открыт благодаря наблюдательности итальянского физика-экспериментатора Де Мария. В то время многие получали гигантские импульсы при помощи нового фотохимического затвора (см. рисунок внизу слева). Его основой служит краска, быстро выцветающая под действием света. Работая с таким затвором, Де Мария заметил, что лазер способен испускать серии импульсов в тысячи раз более коротких, чем ставшие уже привычными наносекундные гигантские импульсы - импульсы, длящиеся миллиардную долю секунды.
Измерения показали, что длительность каждого из сверхкоротких импульсов составляет несколько пикосекунд (10 12 сек.) и, что они отстоят друг от друга на время, нужное свету для того, чтобы пройти от полупрозрачного зеркала через активное вещество к глухому зеркалу, и обратно. Например, если это расстояние равно 30 см, импульсы следуют через две наносекунды.
Единственным огорчением было то, что полученные импульсы имели малую энергию - она составляла сотые или даже тысячные доли джоуля. И все-таки, несмотря на это, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.
Как же возникает эта удивительно строгая череда столь коротких импульсов?
Естественным казалось такое объяснение отдельные типы световых волн, возникающих в резонаторе лазера, и участвующих в просветлении красителя, оказываются связанными между собой. Еще из радиотехники было известно, что наложение многих простейших гладких колебаний может породить острые импульсы, тем более короткие, чем больше таких взаимодействующих колебаний.
Можно было предположить, что именно взаимодействие многих световых волн с красителем связывает их между собой, порождая короткие импульсы, обесцвечивающие краситель, просветляющие его. Казалось ясным, что дальнейшее сжатие импульсов до пикосекундной длительности осуществляется в результате их многократного прохождения через краситель.
Однако эта простая, и наглядная точка зрения встретилась с рядом трудностей. В. С. Летохов при помощи тщательных расчетов показал если в образовании импульса участвуют лишь десять - двадцать простейших типов колебаний, то его длительность может уменьшиться лишь в 10 - 20 раз, но отнюдь не в тысячи раз, как это наблюдается в действительности.
Лишь более тонкий расчет, основанный на методах статистической физики, позволил Летохову сделать вывод если в игру случайностей вовлечены 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 Физическом институте АН СССР при участии Басова, и Летохова, подтвердил эту картину, нарисованную теоретиком. Кажется все. Еще одна победа. Но Басов, Летохов, и их сотрудники, раскрыв тайну формирования сверхкоротких импульсов, увидели две новые возможности.
Вот первая из них. 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 по воле 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. Этот импульс откроет путь лавине фотонов, и она, раз за разом проходя через активнее вещество, освободит всю запасенную в нем энергию, превратив ее в последовательность нескольких сверхкоротких мощных импульсов. Басов, и его сотрудники построили такой лазер. Энергия импульса при этом увеличивалась в несколько сот раз. Эта установка оказалась рекордной для своего времени.
Но в запасе у фиановских физиков есть еще одна, пока не реализованная возможность.. Они хотят ввести в лазер с просветляющимся красителем еще одну кювету с тем же красителем, но при большей концентрации. Зачем? Они рассчитывают так подбирать уровень энергии, при которой просветляется вторая кювета, чтобы его могли просветлить только наиболее мощные импульсы, формируемые первым красителем. Это должно привести к увеличению уровня энергии, запасаемой в активном веществе, к уменьшению числа импульсов в их последовательности, а значит, к существенному увеличению их энергии.
Предел в этом направлении еще не достигнут. Трудности велики, но велики, и перспективы. ...Некий любитель обобщений пришел к выводу, что после создания лазеров в 1960 году мощность даваемых ими импульсов света возрастала ежегодно примерно в десять раз! Так продолжалось вплоть до 1969 года.
Сколь долго будет продолжаться этот рост?
КАК УСТРОЕН ЛАЗЕР!
Чтобы слишком часто не отвлекать читателя от чтения статьи, не отсылать его к сноскам для выяснения специальных терминов, объясним здесь принципы действия лазера, ныне ставшие уже хрестоматийными.
Основной частью любого лазера является активное вещество - твердое тело (рубиновый кристалл, стекло, и т. д.), жидкость или газовая смесь. Атомы активного вещества, помимо «спокойного», основного энергетического состояния, могут пребывать в нескольких возбужденных состояниях, причем энергии возбужденных состояний, и время пребывания в них атомов должны удовлетворять определенным условиям.
Для получения лазерного эффекта необходимо в первую очередь перевести большинство атомов в возбужденное состояние. В твердотельных лазерах для этого применяют газоразрядную лампу. Если такую лампу зажечь от батареи конденсаторов большой емкости, то произойдет яркая вспышка света - из лампы вырвется мощный поток фотонов. Атомы активного вещества, поглотив эти фотоны, перейдут в возбужденное состояние. Здесь они должны подождать дальнейшего развития событий.
А происходит вот, что любой случайный фотон, движущийся вдоль оси лазера, и имеющий энергию, в точности равную разности энергий между основным, и возбужденным энергетическим уровнем, будет, как груши с дерева, срывать атомы с высокого энергетического уровня, рождая при этом новые фотоны, в точности идентичные первоначальному фотону. Так рождается световая волна со строго определенной частотой, и фазой. (В этом, и заключается основное свойство лазерного излучения - когерентность, в отличие от некогерентного, хаотического света обычных источников.)
Лавина фотонов, летящая сквозь кристалл, и увлекающая за собой все новые, и новые порции света, оказывается зажатой между двумя зеркалами, которые устанавливаются против торцов кристалла. Эти зеркала образуют оптический резонатор лазера. Зеркала выделяют из всей массы фотонов те, которые летят вдоль оси стержня. Благодаря резонатору фотоны получают возможность многократно пробежать сквозь кристалл - тем самым они заставляют высветиться все возбужденные атомы.
Одно из зеркал резонатора делают полупрозрачным, так, что при каждом пробеге часть фотонов выходит наружу, а часть возвращается в кристалл. Чтобы вспышка не затухла, этот отраженный поток фотонов должен вернуться к полупрозрачному зеркалу усиленным в активном веществе, а это возможно тогда, когда концентрация возбужденных атомов в активном веществе достаточно велика, то есть, когда достигнут порог генерации. Вышедшие из кристалла фотоны образуют лазерный луч - мощную световую волну со строго определенной частотой, и фазой.
КАК РАЗВИВАЕТСЯ ИМПУЛЬС!
Пока не загорелась лампа накачки, активные ионы., обеспечивающие работу лазера, - ионы хрома в рубине или ионы неодима в стекле - находятся в тепловом равновесии с окружающей средой, преимущественно в основном энергетическом состоянии (1; цифра в скобках здесь, и далее означает номер «кад рика» под кривой, показывающего, что происходит с атомами активного вещества в каждый момент по мере развития импульса черная точка означает основное состояние, светлая - возбужденное, серая - переход из одного состояния в другое).
Зажглась импульсная лам на накачки. Активные ионы поглощают ее свет, и постепенно во все возрастающем количестве переходят в возбужденное состояние (2 - 4). Как только число возбужденных ионов достигает определенной величины, называемой порогом возбуждений (5л начнется дружный, нарастающий, подобно лавине, переход возбужденных ионов обратно в основное состояние (6 - 8). Каждый из них при этом излучает фотон - квант света определенной частоты.
Как только количество активных ионов станет недостаточным для поддержания генерации, генерация прекратится. Выплеснув порцию света, активные ионы, вернувшиеся в основное состояние, снова поглощают свет лампы накачки (9). Число возбужденных ионов опять возрастает. Как только вновь будет достигнут порог генерации, возникнет следующий пичок и так далее, пока не угаснет вспышка лампы накачки.
КАК МОЖНО УПРАВЛЯТЬ ПРОЦЕССОМ ИЗЛУЧЕНИЯ!
Теперь уже трудно сказать, кто предложил наиболее простую, и достаточно эффективную систему с вращающейся призмой. Это была изящная, и легко выполнимая конструкция. Стеклянная призма, две грани которой перпендикулярны, и равны друг другу, заменяет собой одно из зеркал. Призма вращается при помощи маленького моторчика, совершая несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Генерация возникает после включения ламп накачки в тот момент, когда передняя грань призмы в первый раз станет перпендикулярно оси резонатора.
Правда, у этой системы вскоре обнаружилось, что-то вроде «врожденного порока». Призма занимает нужное положение постепенно, и пребывает в нем лишь мгновение. Сечение активного вещества охватывается процессом генерации не одновременно. Порок устранить не удалось. Пришлось прекратить поиски в этом направлении, и усилить разработку других систем.
Вскоре на страницах научных журналов появились упоминания об электрическом затворе. Те, кто применил его, писали, что он свободен от недостатков системы с вращающейся призмой. Он переходит из закрытого состояния в открытое под действием электрического импульса, и этот переход совершается всего за стомиллионные доли секунды. - Причем переключение происходит одновременно по всему сечению затвора. Авторы этого способа, однако, не скрывали, что недостатком затвора является неполное просветление. Даже в открытом состоянии потери в нем не падают до нуля.
Вот почему пришлось искать следующий способ. Третий способ.
Еще в до лазерную эру, замечательный оптик академик С. И. Вавилов предвидел, что под действием света большой интенсивности свойства вещества, - скажем, прозрачность - должны изменяться. При этом уравнения, описывающие распространение света, усложняются. Они становятся нелинейными. Отсюда, и название нового раздела науки о свете - «нелинейная оптика». Но в то время не было источников света, мощность которых позволила бы непосредственно провести соответствующие опыты.
Провести их позволили лазеры. И то, что было при этом обнаружено, вскоре нашло удачное применение в самой лазерной технике. Представьте себе узкий стеклянный или кварцевый сосудик, между плоскими стенками которого налита жидкость. Это раствор одного из химических красителей. Выбранный краситель отличается тем, что, сильно поглощая излучение лазера, он мгновенно выцветает, становится прозрачным.
Если сосудик с таким красителем поставить перед одним из зеркал лазерного резонатора, зеркало окажется закрытым. Казалось бы, генерация в этих условиях не начнется, сколь сильно ни будет возбуждено активное вещество.
Но это не так. При больших уровнях возбуждения усиливающая способность активного вещества становится весьма значительной. Даже несколько фотонов, случайно испущенных активными ионами вдоль лазерного стержня, уже за один пролет по направлению к сосудику с красителем вызовут появление такого количества новых, подобных им фотонов, что их поглощение в красителе вызовет его заметное выцветание, и просветление.
В результате часть фотонов пролетит сквозь приоткрывшийся затвор к зеркалу, и обратно - к активному веществу. Так начнется самовозбуждение лазера. Лавинообразное размножение фотонов в активном веществе вызывает столь же стремительное просветление красителя. Так рождается гигантский импульс в системе с фотохимическим затвором.
С КАКОЙ СКОРОСТЬЮ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ ИМПУЛЬС!
В статье Басова, и Летохова, объяснившей, как получить сверхкороткий импульс с помощью лазерного усилителя, содержалось, и указание, что гребень импульса должен при известных условиях бежать быстрее света.
Здесь нет ничего противоречащего законам природы, в частности выводу теории относительности о том, что тела не могут перемещаться со скоростями, превышающими скорость света. В опыте Басова, и Летохова со сверхсветовой скоростью движется не, какое-либо тело или порция энергии, а лишь зона, в которой наиболее интенсивно происходит превращение энергии, запасенной в активном веществе, в другую ее форму - в энергию световой волны.
Преимущественное усиление головной части импульса приводит к постепенному перемещению гребня импульса вперед так, что максимум импульса. постоянно перемещается от задней части волны к передней. Нечто подобное можно было бы увидеть, если бы колонна демонстрантов, не прекращая движения, передавала бы транспарант от задних рядов в передние.
КАКОВА СТРУКТУРА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА!
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, замеча ем, что яркое пятно состоит из отдельных хаотически переливающихся зернышек, разделенных менее яркими полосками. Это очень похоже на поверхность Солнца, наблюдаемую через телескоп. Там тоже заметно множество ярких точек на менее светлом фоне. Астрономы называют это грануляцией.
Представление о «лазерной грануляции» дают окраинные участки снимка. В луче, пропущенном сквозь узкую диафрагму, остается лишь несколько типов колебаний (физики называют их модами). Поэтому, складываясь, они дают довольно правильный узор - вы видите «его в центральной части рисунка.
