Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Создание лазеров привело к рождению новой области науки — нелинейной оптики, имеющей непосредственное отношение к проблеме рассеяния света. Нелинейная оптика пережила долгий период утробного развития. Еще в 1923 году С. И. Вавилов и В. Л. Левшин обнаружили уменьшение доли поглощенного света при увеличении интенсивности падающего света. До того никто не сомневался в независимости всех оптических явлений от интенсивности света. Но С. И. Вавилов сделал из своего частного наблюдения далеко идущие выводы. Он понял, что оптические явления не зависят от интенсивности света
Даже открытое Галилеем постоянство периода колебаний маятника справедливо, только если размахи маятника малы. Стоит отклонить или толкнуть маятник сильнее, период его колебаний изменится. Это лишь простой пример. Аналогичные ситуации встречаются повсеместно.
Во всех случаях, когда главные особенности явлений не зависят от масштаба характеризующих их величин, исследования приводят к простейшим математическим уравнениям. Математики называют такие уравнения линейными потому, что одно из них описывает свойства прямой линии.
Когда закономерности какого-либо явления зависят от интенсивности (от величины) соответствующих процессов, для их изучения требуется применение более сложных — нелинейных уравнений. Поэтому, поняв, что при увеличении интенсивности света должны наблюдаться новые неведомые явления, зависящие от интенсивности света, Вавилов ввел новый термин. Он назвал нелинейной оптикой новый раздел оптики, открывшей ему свое присутствие слабой зависимостью величины поглощения света стеклом, содержащим соединения урана.
Следующий шаг в неведомую область сделал лишь через 30 лет Г. С. Горелик. Он теоретически доказал, что хорошие фотоэлектрические приемники света обладают достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нелинейные зависимости в целом ряде оптических явлений. Одно из таких явлений обнаружили в 1955 году американские исследователи.
Первые лазеры заработали в 1960 году. О лазерах мы поговорим позже. Сейчас большинство людей знает, что лазеры — новые источники света, испускающие свет несравненно более яркий, чем все другие известные источники света. Уже в 1961 году П. Франкен зафиксировал первый нелинейный лазерный эффект — удвоение частоты света, проходящего через прозрачный кристалл, а еще через год Е, Вудберн и В. Нг обнаружили вынужденное комбинационное рассеяние света.
Еще одна сказка
Каждый помнит восточного мудреца, попросившего о скромном вознаграждении. Он хотел, чтобы на первую клетку шахматной доски ему положили всего одно зернышко, а на вторую только два, на третью лишь четыре, и так, не запрашивая большего, он просил, чтобы на каждую следующую клетку ему клали всего вдвое больше зерен, чем на предыдущую. И каждый помнит, к чему это должно было привести. Скромное удвоение приводит к фантастически быстрому росту. Уже на восьмой клетке придется размещать 128 зерен…
Ученики и последователи Мандельштама и Ландсберга сумели извлечь пользу из ничтожных количеств света, преобразующегося в спектральные линии комбинационного рассеяния. Уже первые лазеры превратили наблюдение комбинационного рассеяния из изощренного эксперимента рутинную операцию. Но доля световой энергии, преобразующейся в излучение комбинационных частот, оставалась ничтожной. Однако ничтожная часть очень большой величины может оказаться достаточно крупной. Миллионная доля от миллиона тонн — это целая тонна!
Бурный рост лазеров привел физиков в область нелинейной оптики, путь в которую был указан Вавиловым. То, с чем им пришлось встретиться, ошеломляло не меньше, чем увеличение количества зерен в древней сказке.
Весь прежний опыт говорил о том, что по мере погружения луча света в рассеивающую среду интенсивность рассеянного света быстро уменьшается, даже если среда прозрачна и не поглощает свет. Никого это не удивляло. Ведь при рассеянии интенсивность первоначального света уменьшается за счет того, что часть энергии света рассеивается в стороны; уменьшается очень быстро, быстрее, чем увеличиваются кучки зерен на шахматной доске.
Но с лазерным лучом все выглядит сложнее. Конечно, и лазерный луч ослабевает по мере погружения в рассеивающую среду. Более того, его интенсивность убывает быстрее, чем убывала интенсивность в опытах с обычными источниками света. Удивительным оказалось, что интенсивность рассеянного света на начальном участке, там, где лазерный луч входит в рассеивающую среду, не убывает, а быстро возрастает. Такое может быть, только если доля рассеянного света не остается постоянной, а возрастает по мере продвижения лазерного излучения в среду.
Приходится признать, что процесс рассеяния отсасывает энергию из лазерного пучка сильнее, чем из пучка света обычного источника, причем по законам, неведомым оптикам. Это законы нелинейной оптики.
Теперь, когда они изучены, они выглядят необыкновенно ясными. Впрочем, и в то время их удавалось уяснить сравнительно легко при помощи общей теории нелинейных процессов, которая к тому времени уже была хорошо разработана усилиями Мандельштама и Н. Д. Папалекси, Ю. Б. Кобзарева, Н. Н. Боголюбова и их учеников.
К школе Мандельштама и Папалекси принадлежал Рем Викторович Хохлов (молодой ректор МГУ, трагически погибший в альпинистском походе в 70-х годах). Он внес решающий вклад в становление нелинейной оптики, раздела оптики, имеющего дело с оптическими явлениями при высокой интенсивности оптического излучения.
Механизм нелинейного комбинационного рассеяния лишь немногим сложнее обычного. При обычном комбинационном рассеянии часть падающего света рассеивается в стороны атомами вещества и изменяет при этом частоту в соответствии с частотами колебаний атомов в молекулах рассеивающего вещества. Интенсивность света, рассеиваемого в процессе обычного комбинационного рассеяния, пропорциональна интенсивности падающего света и увеличивается вместе с интенсивностью колебаний молекул. При обычном комбинационном рассеянии колебания молекул остаются практически неизменными при их взаимодействии со светом.