Ирина Радунская - Кванты и музы
Идея Аскарьяна состояла в том, что под действием мощных лучей лазеров в некоторых веществах должны возникнуть новые процессы, способные преодолеть расширение пучков света, которые будут бежать не расширяясь, а ещё более мощные — даже сжимаясь!
Допустим, лазерный луч действительно нарушает закон Френеля, требующий расходимости световых потоков. Высказать идею мало. Надо доказать её. Надо обнаружить механизм, позволяющий потоку лазерного света поступить иначе, чем имеют право поступать обычные световые лучи. Но с чего начать доказательство? Какой путь избрать? На чём остановились предшественники?
Около ста лет назад шотландский учёный Джон Керр открыл явление, обнаружить которое хотел ещё великий Ломоносов. В одной из своих программ Ломоносов писал: «Надо сделать опыт, будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованном стекле и воде?» Этого же безуспешно пытался достичь гений эксперимента — Фарадей.
Керр оказался удачлив, он установил, что преломление света в стекле радикально изменяется, если поместить его между обкладками конденсатора, заряженного до высокого напряжения. Можно представить себе радость учёного, обнаружившего то, к чему безуспешно стремились его великие предшественники! Узкий луч света, идущий через стекло, при включении электрического напряжения внезапно расщеплялся на два, расходящихся под углом друг к другу. При выключении напряжения эффект исчезал. Да, в электрическом поле стекло вело себя иначе, чем обычно. Электрическое поле превращало стекло в подобие исландского шпата — кристалла, в котором ещё в 1670 году копенгагенский профессор Бартолин обнаружил расщепление лучей света — двойное лучепреломление. Тогда это было воспринято чуть ли не как фокус. Позже это явление наблюдали во многих кристаллах. А затем оказалось, что его можно вызывать искусственно и в тех кристаллах, где оно в обычных условиях не наблюдается, и даже в стекле. Для этого достаточно нажать на них или подвергнуть неравномерному нагреву. И вот ему, Керру, удалось получить двойное лучепреломление под действием электрического поля!
Но… настоящего учёного отличает прежде всего спо собность к самокритике. Впрочем, как и каждого настоящего человека, независимо от его специальности. Итак, Керр знал, что двойное лучепреломление в стекле может быть вызвано и электрострикцией — деформацией тел под действием внешнего электрического поля. Подобная деформация, как и простое нажатие, меняет свойства стекла: теперь они зависят от направления. Значит, необходимо ещё убедиться, действительно ли обнаружено новое явление — двойное лучепреломление в результате непосредственного влияния электрического поля — или в процессе участвует электрострикция.
Но Керр знал и другое. Электрострикция не способна вызвать двойное лучепреломление в жидкостях. Однако Керр нашёл жидкости, в которых наблюдается этот новый — электрооптический — эффект, вошедший в науку под названием явления Керра. Впоследствии Керр обнаружил, что двойное лучепреломление в некоторых веществах можно вызвать и при помощи магнитного поля, но это выходит за пределы нашей темы.
Для нас существенно, что электрооптический эффект не сводится к возникновению двойного лучепреломления. Электрическое поле, не только постоянное, как в опытах Керра, но и меняющееся во времени, в том числе и электрическая часть световой волны, приводит к изменению показателя преломления прозрачных тел. Причём он увеличивается вместе с ростом интенсивности света. Это один из процессов, способных в соответствии с идеей Аскарьяна привести к компенсации расходимости световых пучков.
О своих соображениях Аскарьян рассказал на семинаре по квантовой электронике, происходящем в ФИАНе с участием большинства московских и многих иногородних специалистов, а затем опубликовал свои результаты в известном во всём мире «Журнале экспериментальной и теоретической физики».
Эта небольшая статья отличается характерным для Аскарьяна богатством и новизной содержания. В ней показа но, что явление имеет не только теоретическое, познавательное значение, но и чисто практическое, очень важное и перспективное. По мнению Аскарьяна, поперечную неоднородность поля интенсивного электромагнитного луча можно по желанию использовать для втягивания электронов и атомов к оси пучка или для выталкивания их наружу и таким способом сжимать газ. Можно создать в газе канал для прохода электронов или плазмы. Сделать «пробку» у отверстия, соединяющего сосуды, в которых различны давления газа. Применить для нагрева плазмы, её транспортировки, создания плазменных токопроводов. И, конечно, для создания волноводов и самофокусировки. Специалистам, работающим в наиболее сложных областях физики плазмы, это показалось чудом: будто бы обыкновенному смертному сообщили, что теперь можно ходить по морю словно по суше. Открывался мост в страну покорённой энергии плазмы!
Шёл 1962 год… А в 1963 году в тоненькой книжечке журнала «Письма ЖЭТФ» Пилипецкий и Рустамов сообщили о первом экспериментальном наблюдении нового явления — самофокусировки световых лучей. В их опытах были фотографически зарегистрированы тонкие светящиеся нити в жидкостях, через которые проходил предварительно сфокусированный луч рубинового лазера. (В наши дни самофокусировка проявляется в большинстве опытов, связанных с прохождением гигантских импульсов света лазеров через жидкости. Её можно наблюдать и в газах, и в твёрдых телах.)
Новые факты требовали осмысления и теоретического анализа. Первым рассчитал профиль светового пучка, самоканализирующегося под влиянием высокочастотного эффекта Керра, молодой физик из Горького, теперь уже профессор, Таланов.
Таланов принадлежит к третьему поколению замечательной советской школы физиков, основанной академиками Мандельштамом и Папалекси. Эта школа прославила нашу страну крупнейшими открытиями в области нели нейной теории колебаний, радиофизики, оптики и многими другими. В третье поколение входят академики Гапонов, Гинзбург и создатели квантовой электроники академики Прохоров и Басов, начинавший свою научную работу под руководством Прохорова, но бывший первоначально учеником академика Тамма, сотрудника Мандельштама. Ко второму поколению этой школы относятся такие выдающиеся учёные, как академики Андронов и Леонтович.
Пусть читатель простит меня за этот экскурс в научную генеалогию. Она здесь совсем нелишняя. Ведь мало где преемственность поколений выступает так отчётливо, как в науке.
А теперь ненадолго перейдём к истории и упомянем о географии.
В годы первой пятилетки наш народ начал поход за большую науку. Расширялись старые научные центры, создавались новые. Один из них был заложен на Волге в старом промышленном городе Горьком. Школа Мандельштама послала туда крепкое ядро. В него вошли талантливые молодые физики Андронов, Горелик, Грехова и другие. Они поддержали и умножили традиции школы. И, в свою очередь, вырастили поколение учеников. К ним и относится Таланов.
Прежде чем заняться теорией самоканализирующихся световых пучков, Таланов успел внести существенный вклад в нелинейную теорию колебаний и в теорию распространения электромагнитных волн. Самоканализация электромагнитных волн — один из типичных примеров того, как нелинейности среды определяют наиболее существенные черты наблюдающихся в ней явлений. Здесь Таланов был во всеоружии. Его теория была построена для распространения интенсивного пучка электромагнитных волн в плазме. Но в ней полностью содержалась оценка и описание любой аналогичной ситуации. Она была словно специально создана, чтобы нарисовать основную картину явления — формирование волноводного канала в любой среде, где ка нал может поддерживаться действием самого поля. Это касалось и «нашего» случая — с лучом лазера.
Впоследствии Таланов углубил общую теорию этого явления, получил ряд новых важных результатов. Но о них позже. Теперь мы должны пересечь океан.
Одновременно с работой Таланова в журнале «Письма в Физические обозрения», печатающем только те статьи, которые и автор и редактор считают срочными, появилась статья Чао, Гармайр и Таунса «Самофокусировка луча оптического мазера». Американский физик Таунс, один из творцов квантовой электроники и мазера, не применяет слово «лазер», предпочитая ему сочетание «оптический мазер». Не наше дело обсуждать терминологические споры. Мне они кажутся лишёнными глубокого смысла. Ведь лазер и оптический мазер означают одно и то же.
Статья начиналась так: «Ниже мы рассмотрим условия, при которых электромагнитный луч создаёт себе диэлектрический волновод и распространяется не дифрагируя». Авторы не были знакомы с работой Аскарьяна, но позднее, узнав о ней, признали его приоритет. В отличие от Таланова, рассмотревшего в своей первой работе лишь движение электромагнитной волны в плоском канале, они рассчитали цилиндрический канал, возникающий в подавляющем большинстве опытов с лазерами. Их короткая статья содержит глубокое и ясное рассмотрение физической сущности двух процессов, способных вызвать самофокусировку и канализацию света, — электрострикции и керр-эффекта.
