Игра у света на нервах

Семь нянек лазерного чуда целый год празднуют 50-летие своего питомца

Французский композитор Жан-Мишель Жарр (Jean-Michel André Jarre) играет на лазерной арфе. Фото (Creative Commons license): Miemo Penttinen

Весь прошлый год среди физиков бурно и неофициально отмечался праздник. Его называли и лазерфестом, и просто годом лазера, но ни одно из этих названий не было освящено ЮНЕСКО — его учредители и организаторы сами физики и инженеры, среди которых Американское физическое общество (APS), Международное общество фотооптической инженерии (SPIE) и Фотонное общество при Институте электронной инженерии (IEEE Photonics Society). Но это не уменьшило всеобщей радости, ведь роль лазера в человеческой культуре трудно переоценить. Она проявилась хотя бы в двух, первыми приходящих на ум исторических обстоятельствах: лазерный луч — один из немногих непосредственно наблюдаемых квантовых эффектов и без него были бы невозможны почти все современные методы хранения и передачи информации.

Сколько у лазера отцов?

Лазер лазером, но есть все основания считать героем торжества Теодора Маймана (Theodore Harold Maiman, 1927–2007). И если о советских «нобелиатах» Басове и Прохорове, среди главных заслуг которых часто упоминается именно создание лазера, помнят все, то имя Маймана, прямо скажем, отнюдь не на слуху. И Нобелевской премией он похвастаться не может. В чем дело? Кто же был первый?

Вообще говоря, вопросы приоритета в истории решаются тяжело и болезненно. Кто изобрел автомобиль? Или поставим вопрос иначе: можно ли считать автомобилем самобеглую коляску Кулибина или аппарат с рисунка Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1452–1519)?

Принципиальное значение для создания первого лазера Теодором Майманом имел кристалл рубина, выполнявший функции активной среды. Эти кристаллы выращивались искусственно. Фото: Hughes Aircraft Company

Устройство, созданное Майманом, и то, с которым экспериментировали Басов и Прохоров, имеют одну, но принципиально важную общую черту: и то и другое производит когерентное электромагнитное излучение. Что это значит, будет сказано немного ниже, а пока поговорим о различиях.

Прежде всего, когерентное излучение, полученное в лаборатории Прохорова советскими физиками, было невидимым. Его длина волны лежала далеко в микроволновой области, что соответствует тепловому инфракрасному излучению. Поэтому и само устройство называлось мазером, по английской аббревиатуре MASER, расшифровывающейся как «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», то есть «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».

Кстати, обычно создателем мазера тоже считают не Прохорова с Басовым, а американца Таунса (Charles Hard Townes), который создал свой прибор в 1953 году. Об успехе своих исследований Прохоров и Басов сообщили только в 1954-м. Однако ни у кого никогда не возникало сомнений, что их исследование и исследование Таунса были одновременными и совершенно независимыми друг от друга.

Однако сам использованный ими принцип почти что исключал возможность получения светового луча.

В их приборе длина излучаемой электромагнитной волны точно равнялась длине самого прибора. Для того чтобы получить видимый луч, надо было создать прибор размером в микрон, а это невозможно. И хотя Таунс попытался преодолеть эту трудность, решения он так и не нашел.

Причина его неудачи — в выборе оптического резонатора. Хотя, стоп, об оптическом резонансе пока еще ничего не сказано. А как только мы о нем заговорим, сразу обнаружится еще один отец у лазера. На сей раз это если и не самая крупная, то уже точно самая известная фигура в физике ХХ века — Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879–1955). В работе, опубликованной в 1916 году, он высказал и обосновал соображение, что в оптике возможно примерно то же, что хорошо известно в акустике: когда две струны настроены в унисон и одна из них начинает звучать, то вместе с ней начнет звучать и другая. Если атомы газа находятся в возбужденном состоянии, а через газ проходит электромагнитная волна, частота электромагнитных колебаний в которой соответствует энергии перехода между возбужденным и не возбужденным состояниями атома, то все атомы газа испустят по кванту света.

Конечно, если все атомы газа находятся в возбужденном состоянии, то большая их часть и так самопроизвольно (как говорят, спонтанно) перейдет в не возбужденное, основное состояние. Но каждый это сделает независимо и не одновременно. Когда излучение вынужденно, кванты излучают одновременно и, что самое главное, в одном и том же квантовом состоянии. Разница здесь примерно та же, что между разноголосицей прихожан в церкви до начала службы и пением церковного хора во время нее. Когерентность лазерного луча делает возможной, например, голографию.

Эффект вынужденного испускания квантов света был сначала предсказан теоретически, а потом уже спустя много лет его удалось получить в лаборатории. Заключается он в том, что вероятность перехода атома из возбужденного состояния в основное значительно повышается под действием фотона. При этом образовавшийся (индуцированный) фотон находится в том же самом квантовом состоянии, что и фотон, вызвавший переход (индуцирующий). Иллюстрация (Creative Commons license): V1adis1av

Таким образом, активная среда (газ, где атомов в возбужденном состоянии больше, чем атомов в основном) служит, скорее, усилителем, чем генератором. Конечно, у этого усилителя есть важное свойство превращать усиливаемый свет в когерентный, но он от этого не перестает быть всего лишь усилителем. Надо как-то заставить его производить излучение нужной частоты. Делается это примерно так же, как в звуковом генераторе: если поднести микрофон к динамику, возникнет хорошо всем известный вой. Для того чтобы то же произошло со светом, надо не дать ему просто улететь в пространство, а заставить пройти через активную среду много раз, иначе говоря создать оптический резонатор.

Собственно, физико-технический и инженерный талант Чарльза Таунса, Александра Прохорова, Геннадия Басова, Теодора Маймана и многих их менее именитых коллег заключался в выборе активной среды, поддержания ее в активном состоянии (накачке) и устройстве резонатора. В газовых квантово-оптических генераторах резонатор должен был соответствовать длине волны излучения. Майман стал экспериментировать с рубином, и оказалось, что длина резонатора в этом случае может быть практически произвольной — теоретически излучаемая волна должна укладываться внутри резонатора целое число раз. И чудо случилось! Луч стал видим. Буква M сменилась на L, микроволны уступили место свету!

Готовое решение для инженера Гарина

Почти сразу же лазер назвали решением, которое ищет себе задачу. Задач за полвека нашлось немало. Автору этих строк не раз доводилось слышать, что только один «нобелевский» прорыв действительно по-настоящему перевернул нашу жизнь и нашу науку — это лазер.

Фрагмент праздничной инсталляции американских ВВС, посвященной «лазерному юбилею». Для авиации это изобретение имело особую ценность, и американские военные основательно потрудились над развитием лазерной техники. Фото: US Air Force

Что такое лазер сейчас для обывателя? Прекрасное средство сделать доклад и поиграть с кошкой (лазерная указка), помощь строителю (лазерный уровень) и стрелку (лазерный целеуказатель), услада для глаз (лазерное шоу на дискотеке), способ получить информацию (CD и DVD-приводы) и способ эту информацию разместить на бумаге — лазерные принтеры.

Однако сама лазерная наука не стоит на месте. Лазеры помогают открывать очень красивые физические явления, которые к тому же сразу применяются на практике. В одной статье невозможно даже перечислить только основные применения лазера в современной науке, технологии и медицине. Недаром даже Нобелевских премий, непосредственно связанных с лазерами, вручено уже целых пять.

Довольно большой куст проблем удалось разобрать с помощью очень коротких, но мощных импульсов. Тут можно вспомнить довольно очевидные военные задачи. Так, в известном романе Алексея Толстого асоциальный интеллектуал инженер Гарин изобрел совершенное оружие, в котором световая энергия нескольких одновременно сжигаемых свечек собирается в очень узкий луч. Если на время забыть, что из-за дифракции такой луч непременно «расползется» и единственный способ сделать его «нерасползающимся» — это достичь полной когерентности излучения (то есть сделать лазер), о чем Толстой знать не мог, то следует признать, что мысль писателя двигалась в правильном направлении. Совершенно бессмысленно «размазывать» имеющееся небольшое количество энергии тонким слоем по большой площади. Но нет смысла «размазывать» его и во времени. Гиперболоид, светивший в непрерывном режиме, просто зря расходовал свои драгоценные свечки. С помощью импульсов он достиг бы нужных целей гораздо лучше.

Первый лазер, дававший в импульсе необычайно высокую интенсивность светового потока — порядка петаватт на квадратный сантиметр, — собирался в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса. В отличие от обычного лазера, оптических резонаторов у него несколько, и они расположены в друх параллельных друг другу камерах. Установка создавалась для светового обжатия тритий-дейтериевой мишени в термоядерном реакторе. Фото: LLNL

Долгое время пределом интенсивности лазерного луча в импульсе считалось значение в 10¹⁴ Вт•см^–2. Дальше импульс с неизбежностью разрушит резонатор. Однако в 1985 году удалось придумать способ перескочить через это препятствие. Появился так называемый метод усиления чирпованных импульсов (CPA, Chirped pulse amplification).

Чтобы понять, в чем его смысл, надо принять во внимание возможность спектрального разложения импульса. Если бы гармоники были идеально монохроматическими, то каждая из них не переносила бы энергии. Вдобавок их потребовалось бы бесконечно много. На практике каждая из гармоник не идеальна, и разложив импульс на множество таких неидеальных гармоник, можно обеспечить безопасное прохождение каждой из них через резонатор, а потом их снова все просуммировать.

Осуществляется это при помощи дифракционных решеток.

Таким образом удалось достигнуть фантастических мощностей: при интенсивности порядка одного петаватта (10¹⁵ Вт) на квадратный сантиметр мощность пучка, излученного лазером, в 100 раз превышает мощность всех электростанций мира. Чтобы этого достичь, надо всю энергию, переданную активному телу в результате накачки, а оттуда — импульсу, сильно «сжать» во времени. Длительность такого импульса очень коротка — десятки и единицы фемтосекунд (1 фс = 10^–15с). Более того, фактически проблема построения «мощного лазера» сводится к получению очень короткого импульса. Первым «петаваттником» стал лазер NOVA в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса министерства энергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, US Department of Energy). Этому же прибору принадлежит «мировой рекорд» мощности — 1,5 ПВт.

В России тоже есть два лазера, как принято говорить, петаваттного класса (условно — от 0,5 ПВт и выше): в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде и в Саровском ядерном центре.

На установке Vulcan за счет слияния восьми пучков удалось получить непревзойденную пока интенсивность порядка 1015 Вт·см–2 в длинных импульсах (до 500 фс) или до 1021 Вт·см–2 в сверхкоротких. После проводящейся сейчас реконструкции интенсивность должна вырасти еще на два порядка. Фото: STFC

Впрочем, петаватт — это не предел. Современные лазерщики вовсю уже мечтают об эксаватте (10¹⁸ Вт) в импульсах длиной до сотен фемтосекунд. И вполне вероятно их мечта скоро осуществится. А о том, для чего это нужно, читайте в третьем номере журнала «Вокруг света».

Дмитрий Баюк, Алексей Паевский,