...и невозможное становится возможным

Рассказ об удивительных способностях лазерного луча не окончен. Монохроматичность и когерентность и особенно концентрация энергии достигают в лазерном луче невиданных размеров. А количественные изменения рано или поздно приводят к появлению новых признаков, свойств, явлений — нового качества. Таков всеобщий закон объективной диалектики природы, неоднократно подтверждавшийся и подтверждающийся по мере развития научного познания. Лазерный луч — еще одно тому доказательство.

Как влияет мощный световой поток на свойства вещества? Как ведет он себя в прозрачной среде, которая его не поглощает? Над этими вопросами впервые задумался выдающийся советский физик-оптик, будущий президент Академии наук СССР Сергей Иванович Вавилов. В то время, 30—50 лет назад, источники света были маломощными, о лазерах и не мечтали. Законы оптики казались незыблемыми, как египетские пирамиды. Г. Г. Слюсарев в своей книге «О возможном и невозможном в оптике», вышедшей на самом пороге лазерного века, категорически утверждал: невозможно сжигание предметов на большом расстоянии; невозможно получение параллельных пучков светового излучения, переносящих энергию на значительные расстояния; явления преломления и отражения света обратимы (за вычетом рассеяния и поглощения) и т. п.

Лазерный луч ниспроверг все эти и многие другие, дотоле незыблемые твердыни, открыл новую главу науки о свете, получившую название «нелинейной оптики». Лишь С. И. Вавилов пророчески предвидел возможность нелинейных явлений при использовании очень мощных световых потоков. Удивительные физические особенности лазерного излучения нашли выражение в целом ряде новых оптических явлений. Выше уже шла речь о том, что луч лазера можно сфокусировать в пятнышко менее микрона в диаметре. Обычный, немонохроматический луч сфокусировать в точку принципиально невозможно: каждая волна, каждый диапазон частот образует в этом случае свой фокус, а общее пятнышко окажется достаточно большим (явление хроматической аберрации). Луч лазера, сделав невозможное возможным, ниспроверг один из запретов классической оптики.

Но революция в оптике, начатая с созданием оптических квантовых генераторов, этим не ограничивается. Один из классических законов оптики, экспериментально найденный Столетовым и сформулированный Эйнштейном, утверждает, что выбить электрон из металла (фотоэлектрический эффект) может свет определенной частоты и длины волны. Если длина волны света становится больше какой-то величины (так называемого красного порога), то фотоэффект не наблюдается, сколько бы мы ни увеличивали интенсивность освещения. Эйнштейн дал объяснение этому явлению с позиций квантовой теории: каждый фотон света самостоятельно и независимо от других фотонов взаимодействует с электроном, отдавая ему свою энергию. Если этой энергии достаточно для преодоления внутриатомного взаимодействия — электроны вылетают, образуя фототок. Если энергия каждого кванта недостаточна для выбивания электрона — эффекта не будет, как бы много фотонов с малой энергией ни падало на металл. Итак, считалось твердо установленным, что увеличением количества света нельзя компенсировать недостатки его качества, нельзя преодолеть красный порог.

С открытием лазеров рухнул и этот запрет. Сверхплотное и когерентное излучение оптических квантовых генераторов взаимодействует с веществом иначе, чем обычный свет. Фотоны в лазерном луче летят столь плотным потоком, что они могут одновременно реагировать с одним атомом, с одним электроном. Становятся возможны двух- и многофотонные процессы (еще один наглядный пример перехода количества в качество), исчезает красный порог: одновременное действие двух фотонов соответствует эффекту одного фотона с удвоенной частотой колебаний (с вдвое более короткой волной). Кванты красного света слишком малы, чтобы вызвать фотоэффект. Но ЛУЧ рубинового лазера — тоже красный — вызывает интенсивную фотоионизацию, вплоть до полного отрыва электронов от ядер, с превращением вещества в плазму.

Согласно строгим квантовым законам, открытым Н. Бором, атом поглощает и испускает излучение строго определенных частот, энергия квантов которого точно соответствует разности энергетических уровней атома. Многофотонные процессы, характерные для лазерного излучения, ниспровергли и этот запрет: теперь важно, чтобы энергия суммы фотонов (двух, трех или более) соответствовала разности уровней. В связи с этим закон сохранения и превращения энергии, полностью сохраняя силу, приобретает новую форму.

Сорок лет назад С. И. Вавилов и В. Л. Левшин наблюдали первый нелинейный эффект — изменение коэффициента поглощения вещества под действием света. В обычных условиях, сколько бы света ни падало на вещество, его поглощающая способность остается прежней — своеобразная бочка Данаид! Но ведь возбужденный атом, поглотивший электрон, приобретает новые квантовые, а значит, и оптические свойства. Поглотить еще один квант того же света он уже обычно не может. Пока число таких возбужденных атомов в веществе относительно невелико, их изменившиеся свойства внешне не проявляются. Но мощный световой поток и в этом случав должен привести к качественно новым явлениям. В опыте Вавилова и Левшина при поглощении урановым стеклом света мощной искры прозрачность стекла под влиянием сильного освещения возрастала.

С открытием лазера стало ясно, что опыт Вавилова — не исключение: мощный световой поток как бы прокладывает себе дорогу в веществе, изменяя дотоле незыблемую константу — коэффициент поглощения. Новый эффект самоканализации сразу же нашел применение. Для получения гигантских импульсов в лазерах с модулированной добротностью стали применять не механические, а оптические затворы: при достаточно высоком уровне возбуждения кристалла возникают нелинейные явления, и затвор, дотоле непрозрачный, открывается сам.

Аналогичная судьба постигла еще одну константу классической оптики — показатель преломления. Свет, как известно,— электромагнитные колебания, электромагнитное поле. Синхронность, однофазность световых колебаний в лазерном луче и большая плотность энергии в нем создают напряженность электрического поля до миллионов вольт на сантиметр. Такое поле оказывает сильное влияние на электроны атомов вещества, через которое проходит луч. Если частота и амплитуда колебаний электронов близки к частоте световых колебаний, то проходящий лазерный луч, вызывая резонансные колебания электронов вещества, изменяет, модулирует себя: возникает волна удвоенной частоты. Подбор кристаллов делает возможным превращение невидимого света неодимового лазера (лежащего в ближней инфракрасной области с длиной волны 10·600 А) в видимый ( = 5300 А) зеленый луч; а красный свет рубинового лазера может быть таким же образом превращен в ультрафиолетовый с коэффициентом полезного действия, близким к 50%!

Принцип удвоения частоты уже используется практически для получения лазеров, работающих в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Тот же эффект при прохождении в кристалле двух разных световых потоков дает более сложный эффект взаимной модуляции; рождаются две новые волны: одна с частотой, равной сумме, другая — разности частот первичных волн. Это явление используется для получения радиоволн, ультракоротких и миллиметровых.

Изменение показателя преломления вещества под влиянием мощного светового потока приводит к еще одному необыкновенному явлению: лазерный луч, проходящий в однородной прозрачной среде, самофокусируется! При этом плотность лучистой энергии в пучке света еще более возрастает. И если в прозрачной среде попадаются хоть малейшие неоднородности, поглощение в них хотя бы ничтожной части энергии вызывает растрескивание, разрыв стекла или другого прозрачного материала.

В свое время выдающемуся русскому физику П. Н. Лебедеву пришлось потратить годы и проявить поистине ювелирное мастерство, чтобы доказать реальность светового давления. А лазер и здесь сделал невозможное возможным, сложное и абстрактное — простым и наглядным. Лазер мощностью всего 0,25 вт — лилипут в мире великанов — в состоянии удерживать на своем луче, направленном вертикально вверх, стеклянный шарик диаметром 0,025 мм. А в фокусе луча мощного импульсного лазера давление превышает тысячу тонн на квадратный сантиметр! Перечень революционных свойств лазерного луча можно было бы продолжить. К их числу относится, например, возникновение в веществе ультра- и гиперзвуковых колебаний. Но и сказанного достаточно, чтобы понять, что с созданием оптических квантовых генераторов в учении о свете открылась новая глава.