Проклятые вопросы
Шрифт:
Можно ли преодолеть эту трудность? Как добиться того, чтобы (несмотря на неизбежные неоднородности материала, работающего в лазере-усилителе) свойства усиленного излучения были бы не хуже свойств излучения, подлежащего усилению?
Ответ на эти вопросы подсказывают мысленные опыты с кастрюлькой, проведённые нами выше. Нужно заставить свет, прошедший через неоднородную среду, возвратиться обратно точно по тому пути, по которому он распространялся первый раз! Тогда все искажения, возникшие при первом прохождении, повторятся на обратном пути, но с обратным знаком. А значит, в итоге все искажения взаимно уничтожатся!
Выполнить
Иное дело — фронт световой волны. Сделать его видимым — сложная задача. Она может быть решена, например при помощи голографии. При помощи голографии можно достичь и главной цели — повернуть световую волну в обратном направлении так, чтобы в месте поворота фронт волны, бегущей обратно, точно совпал с фронтом приходящей волны.
Но группа учёных Физического института РАН достигла этой цели другим путём, более простым, чем голография. Они заставили саму исходную световую волну сформировать своеобразное «зеркало», отражение от которого заставляет отражённую волну вернуться обратно, повторяя во всех деталях путь волны, идущей в первоначальном направлении. Они назвали этот процесс самообращением волнового фронта.
Возможность самообращения реализуется только для очень мощного излучения, когда законы обычной оптики уступают место законам нелинейной оптики, появление которой предсказал С. И. Вавилов.
Б. Я. Зельдович (сын учёного, которого знает весь научный мир, академика Я. Б. Зельдовича) и его сотрудники решили привлечь к выполнению этой задачи процесс, называемый вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна. Напомним, что на рубеже двадцатых годов нашего века советский учёный Л. И. Мандельштам и французский учёный Л. Бриллюэн независимо друг от друга предсказали, что неоднородности плотности вещества, порождаемые хаотическим тепловым движением молекул, приводят к столь же хаотическим изменениям показателя преломления, а следовательно, к рассеянию света, проходящего через это вещество. Такое рассеяние было позднее обнаружено Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и подробно изучено Е. Ф. Гроссом.
Создание мощных лазеров внесло существенное изменение в процесс этого рассеяния. Свет от самых мощных нелазерных источников практически не влияет на свойства вещества, через которое он распространяется. Мощный лазерный свет, напротив, изменяет оптические свойства прозрачных тел. В частности, он приводит к значительным изменениям показателя преломления вещества. Это в свою очередь влияет на распространение света в веществе, сквозь которое проходят лучи мощного лазера. При этом вместе с мощностью лазерного пучка изменяется и процесс его распространения в веществе. Возникает самовоздействие лазерного излучения. Существует ряд веществ, свойства которых особенно сильно изменяются под действием мощного лазерного излучения. Учёные называют их нелинейными средами, имея в виду, что в них особенно заметны законы нелинейной оптики.
Если исходная лазерная волна обладает пространственной неоднородностью, например в результате прохождения
Для того чтобы подчеркнуть особенности такого процесса, физики называют его вынужденным рассеянием, имея в виду, что оно много больше, чем рассеяние нелазерного света, и что оно является одним из проявлений самовоздействия мощных лазерных пучков.
Б. Я. Зельдович и его сотрудники использовали важную особенность вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Складываясь с первоначальным лазерным излучением, распространяющимся в глубь оптически нелинейного вещества, свет, возникающий в результате вынужденного рассеяния, формирует в этом веществе области со значительными перепадами коэффициента преломления. Такие перепады, подобно зеркалу, отражают падающий на них свет. По распределению в пространстве эти области, эти «зеркала», совпадают с фронтами волн первоначального лазерного излучения.
Так, проникая в вещество, показатель преломления которого сильно зависит от интенсивности лазерного излучения, это излучение порождает в веществе «зеркала». Их форма такова, что первоначальное лазерное излучение отражается и распространяется назад точно по тем же направлениям, по которым оно вошло в вещество. Это и есть обращение волнового фронта. И это явление подсказало прозорливым исследователям способ, каким можно избавиться от искажений лазерного луча!
Давайте рассуждать вместе с учёными. Итак, волна, повернув назад, проходит через лазер-усилитель точно по тому пути, по которому она прошла первоначально. При этом она вновь испытает искажения из-за неоднородности вещества лазера-усилителя. Эти искажения точно равны по величине, но обратны по знаку искажениям, испытанным ею при первом прохождении через усилитель. В результате из усилителя выйдет дважды усиленное излучение, полностью свободное от искажений. Его оптическое качество не ухудшено по сравнению с излучением маломощного лазера-генератора!
Впоследствии было установлено, что не только вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, но и другие процессы вызывают самовоздействие лазерного излучения в веществах, показатель преломления которых зависит от интенсивности лазерного излучения.
Академия наук СССР, учтя заслуги Б. Я. Зельдовича в исследовании и применении явления самообращения волнового фронта лазерного излучения, избрала его своим членом-корреспондентом.
Рассмотрим два случая использования явления самообращения волнового фронта.
Первый из них относится к попытке применить мощные лидеры для получения термоядерной энергии.
Мы знаем, что в таком реакторе маленькая мишень, содержащая тяжёлые изотопы водорода, маленькая водородная «льдинка», должна со всех сторон освещаться мощным лазерным излучением. Мощность его должна быть столь большой, чтобы быстро и сильно сжать мишень, одновременно нагревая её до сотен миллионов градусов. При этом водородная мишень превратится в гелий, что сопровождается значительным выделением энергии. Эта энергия и будет передаваться потребителю.