Ирина Радунская - Крушение парадоксов

Но вспомним о качелях. Будем раздвигать пластины конденсатора каждый раз, когда заряд на нем достигнет наибольшей величины, и возвращать их обратно, когда заряд равен нулю. Придется два раза за период совершать работу против сил притяжения разноименных зарядов. В результате напряжение на конденсаторе каждый раз будет немного увеличиваться, и энергия электрических колебаний станет возрастать за счет механической работы. Так работает параметрический генератор. В реальных условиях энергия электрических колебаний не будет возрастать бесконечно, а лишь до тех пор, пока не установится баланс между механической работой, затрачиваемой на перемещение пластин конденсатора, и нагревом проводов. Конечно, может найтись и полезное применение получающейся при этом электрической энергии.

Общая теория колебаний позволяет, исходя из всего, что изучено в области механических и электрических колебаний, предвидеть аналогичные явления в других областях, в частности в оптике.

Наряду с умножением частоты света теория предсказывает возникновение при известных условиях света с частотой более низкой, чем частота возбуждающего лазерного света. Такие условия возникают, в частности, в некоторых кристаллах, в которых зеленое излучение аргонового лазера возбуждает желтые, красные и даже инфракрасные волны. Характерно, что каждая из волн распространяется только по вполне определенным направлениям. Эти направления определяются условиями синхронизма, о которых уже говорилось в связи с умножением частоты света в подобных кристаллах. В отличие от случая параметрического возбуждения колебаний маятников и электрических контуров, при котором интенсивность колебаний увеличивается со временем, здесь, в оптике, колебания усиливаются по мере продвижения волны в глубь кристалла, причем усиление тем сильнее, чем больше расстояние, на котором сохраняются условия синхронизма.

До сих пор мы не видели никаких путей к плавному изменению длины волны лазерного излучения. Для достижения этой заветной цели необходимо найти в кристаллах возможность возникновения более сложных условий синхронизма, связывающих между собой не две, а три световых волны. И здесь Хохлов и Ахманов исходили из радиотехнической аналогии. Выше, при обсуждении процесса параметрической генерации, говорилось лишь о генерации дробных гармоник с частотами, равными половине, трети и другим долям частоты возбуждающего колебания. Но если вместо простого колебательного контура применить систему из двух связанных контуров, то возможности сразу расширятся.

Если контуры настроены так, что сумма их резонансных частот равна частоте внешнего возбуждающего сигнала, то сигнал возбудит параметрические колебания сразу в обоих контурах. Частота каждого из контуров уже не должна быть строго фиксирована. Их можно перестраивать. Нужно соблюдать лишь одно условие; сумма их резонансных частот должна оставаться постоянной и равной частоте внешнего сигнала.

Хохлов и Ахманов понимали, что в оптике этого недостаточно. Кроме условия о сумме частот возбуждаемых колебаний, должно быть выполнено еще одно важное условие. Направления распространения всех трех волн тоже оказываются связанными между собой и с соответствующими длинами волн так, что они должны образовывать треугольник, стороны которого обратно пропорциональны соответствующей длине волны.

Казалось, что новое условие делает невозможным обеспечение волнового синхронизма, а вместе с тем делает недостижимым эффективное преобразование энергии возбуждающей волны в энергию двух возбуждаемых волн. Однако Хохлов и Ахманов заметили, что во многих кристаллах такое условие может быть выполнено. Более того, при повороте кристалла по отношению к направлению распространения волны лазера условия синхронизма выполняются для различных частот. Это и есть простейший способ перестройки частоты нового прибора, который авторы назвали параметрическим лазером.

Выходная мощность параметрического лазера пропорциональна мощности возбуждающего излучения и очень быстро увеличивается с длиной кристалла. Но и тот и другой путь ограничены. Чрезмерная мощность возбуждающего излучения, если ее даже удается получить, разрушит кристалл. Сильно увеличивать длину кристалла трудно, ибо сложность и стоимость выращивания больших однородных кристаллов возрастают много быстрее, чем размеры получаемого кристалла.

Хохлов и Ахманов избежали этих трудностей, поместив кристалл в оптический резонатор, состоящий из двух плоских зеркал, как в обычных лазерах. Волны, возбуждаемые в кристалле в результате параметрического взаимодействия, отражаются от зеркал и многократно пробегают вдоль него, причем интенсивность их каждый раз существенно увеличивается.

Сейчас параметрические лазеры позволяют плавно перекрыть диапазон частот, включающий видимый свет и значительную часть инфракрасного диапазона. Они получили широкое применение и в спектральных исследованиях, и в изучении биологических и химических процессов. Нелинейные кристаллы могут служить и своеобразными оптическими микрофонами. При их помощи можно модулировать световые волны так же, как при помощи микрофонов модулируют радиоволны для передачи музыки или речи.

Особое практическое значение приобрело в последнее время явление управляемой оптической рефракции. Атмосферная рефракция, искривляющая путь лучей в воздухе, была обнаружена, как известно, еще Птолемеем. Ее приходится учитывать и при работе радиолокационных станций. Рефракция проявится в любых средах, если их показатель преломления не всюду одинаков. «Стеклянные сучки» — свили в оконных стеклах, искажающие проходящий через них свет, вызваны именно нарушением оптической однородности стекла.

В веществах, показатель преломления которых сильно зависит от приложенного электрического напряжения, можно вызвать появление искусственной рефракции и таким путем изменять направление лучей света, проходящих через вещество. Такие приспособления применяются, в частности, в некоторых системах крупно-экранного телевидения и в некоторых типах оптических локаторов.

Нелинейные оптические явления — та область, где отчетливо проявляется неразделимое единство двойственной природы света. Все, что только что говорилось об умножении частоты света, выражалось при помощи привычных для радистов волновых понятий. Но все это можно выразить и иначе.

С квантовой точки зрения удвоение частоты выглядит так. Кристалл, обладающий нелинейными свойствами, превращает два кванта малой энергии (два кванта инфракрасного излучения) в один квант вдвое большей энергии (квант зеленого света).

Соответственно параметрическое возбуждение света представляет собой распад возбуждающего фотона на два вторичных фотона, причем их суммарная энергия равна его энергии, а их суммарный импульс его первоначальному импульсу.

Нелинейная оптика предсказывает большую роль других процессов, в которых участвует сразу по несколько фотонов. Красная граница фотоэффекта, послужившая Эйнштейну исходным пунктом для создания квантовой теории света, теряет свое значение при больших интенсивностях излучения, обеспечиваемых лазерами. В лазерном луче фотоны летят «так густо», что два или даже несколько фотонов могут одновременно отдать свою энергию одному электрону и выбросить его сквозь энергетический барьер, высота которого образует непреодолимое препятствие для одиночного фотона данной частоты.

Это же относится к ионизации. Обычно фотоны поодиночке участвуют в процессах возбуждения и ионизации атомов. Н. Делоне в лаборатории Физического института имени Лебедева, руководимой М. Рабиновичем, изучал многофотонную ионизацию инертных газов и наблюдал акты ионизации, в которых одновременно участвовало одиннадцать фотонов.

Может быть, еще интереснее процессы, в которых участвуют не только несколько фотонов, но и кванты звука — фононы.

Один из таких процессов — рассеяние света на тепловых волнах, рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. С квантовой точки зрения, здесь все очень просто. Ведь звуковая волна может рассматриваться как поток квантов звука — фононов, — совершенно так же, как световая волна может быть представлена потоком квантов света — фотонов. Выбор того или иного представления зависит от характера рассматриваемого явления. В одних явлениях явственно выступают волновые свойства, в других преобладают квантовые.

В квантовой трактовке рассеяние Мандельштама — Бриллюэна сводится к столкновению фотона и фонона. Фотон исчезает, и одновременно рождается новый, имеющий другую частоту, меньшую, если при этом рождается и фонон, и большую, если фонон тоже исчезает. В таком процессе преобразуются не только энергии, но и импульсы взаимодействующих частиц: импульс вторичного фотона равен сумме импульсов первичного фотона и фонона, принимавшего участие в процессе.