Глава IV. Быстрее быстрого и короче короткого

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 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.

— 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. Ди Доменико 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 Де Мария с сотрудниками. Скачок, который измерялся тысячами единиц удачи, а не десятками или сотнями, как то бывает при движении по традиционному пути. За Де Марией 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 Де Марии. 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 Де Марии было то, что полученные им импульсы имели малую энергию. И тем не менее, несмотря на малую энергию каждого отдельного импульса, в опыте Де Марии она составляла лишь сотые или даже тысячные доли джоуля, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.

Пропустив эти импульсы через лазерный усилитель, Де Мария 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 Де Мария 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.