Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

Рождение новых частот при взаимодействии мощного лазерного луча с веществом — вот что такое любой из нелинейных эффектов. Зеленый и красный лучи, которые так красиво преобразовывались на моих глазах, создавали своих разноцветных потомков, рассеиваясь на атомах. В толще любого нелинейного кристалла идет подобная работа. Одни частоты сменяют другие, лазерный луч окрашивается по-иному, появляясь то синим, то красным, то оранжевым, то вообще становясь невидимым.

Но зачем все это? Кому нужна такая световая феерия, как использовать нелинейную способность лучей к переодеванию?

Лазерный луч — сугубо одноцветный, монохроматичный. Он содержит только одну частоту. Между тем то, что мы в быту называем красным или, скажем, зеленым, имеет множество оттенков. Наш глаз их не различает. Лазерная вспышка — это множество совершенно одинаковых по всем физическим характеристикам квантов света. Никаких примесей! Какие бы лазеры мы ни применяли — твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые, на органических красителях, — их лучи обладают этим свойством — постоянством и однородностью.

Каждое вещество, способное к лазерному излучению, строго индивидуально, испускает лишь те частоты, которые разрешены энергетикой тела, состоянием атомов. Но физики и химики, биологи и медики, инженеры и технологи настоятельно требуют лазеров не только всех цветов радуги, но и всех частот радуги! Их аппетиты просто ненасытны. Скажем, для локации воды необходим зеленый лазер особой окраски. Аргоновый не подходит.

Биологи и медики стали на стезю «генной инженерии». Вероятно, они овладеют ее методами и научатся влиять на наследственный аппарат животных, растений и даже человека, исправлять оплошности природы. А для этого ученые должны получить в руки особый, чрезвычайно тонкий инструмент, чтобы можно было производить операции на генах. Пока в их распоряжении есть один-единственный «хирургический» инструмент — нуклеазы, белковые элементы, способные разрывать химические связи в молекулах ДНК. Лазерный луч определенной частоты может оказаться более надежным и безотказным скальпелем для операций на молекулярном уровне. Но еще не найдено вещество, которое могло бы испускать луч такой частоты. Возможно, этот луч можно получить методом преобразования тех, которые дают сегодняшние лазеры?

Химики тоже мечтают об аналогичном, но более изощренном молекулярном инструменте. Для управления различными химическими реакциями надо научиться разрушать внутренние связи молекул, создавать новые. Только лазерный луч переменной частоты способен произвести подобную операцию. Ведь молекулы разнообразны. Для каждой нужен свой специфический инструмент, множество инструментов, буквально тысячи. Столь же разностороннее молекулярное оборудование уже сегодня требуется для анализа смеси прозрачных газов. Каждый из них избирательно поглощает «свои» любимые световые частоты. Стало быть, если перед нами неизвестная газовая смесь, то по ослаблению световых лучей можно точно определить, какие газы и в каких соотношениях ее составляют.

Короче говоря, изменение частоты лазерных лучей — не каприз исследователей, а насущная необходимость для науки и техники.

Вот почему с такой радостью встретили ученые и инженеры появление параметрического генератора, созданного Ремом Викторовичем Хохловым и доктором физико-математических наук Сергеем Александровичем Ахмановым. Насколько этот прибор пришелся впору науке и технике, свидетельствует присуждение его авторам Ленинской премии.

Экспериментальная работа исследователей нелинейных явлений в некотором смысле однотипна. Почти все эффекты, даже самые удивительные, были предсказаны заранее на основе уравнений поляризации и других аналогичных выкладок. Какие именно лучи появятся при тех или иных взаимодействиях лазерного луча с веществом — это можно рассчитать.

Нелинейные эффекты существуют и в обычных линейных средах, но в абсолютно микроскопических дозах. Лазерное излучение проявляет их, доводя до тысячных или даже сотых долей процента. Но для техники этого все равно безумно мало. Радужные преобразования типа параметрической люминесценции — зрелище, которым меня угостили при встрече, равно как и красный луч, обернувшийся белым, все-таки редкость. Эффекты весьма незначительны. И работа экспериментаторов как раз и заключается в том, чтобы резко увеличить, усилить эффект, сделав его «зримым» в переносном, а поскольку речь идет об оптике, и в прямом смысле.

В поисках веществ, которые могут удваивать частоты сигналов — физиков прежде всего интересовало именно это, — ученые наткнулись на кристаллы дигидрофосфата калия. Дигидрофосфат калия — кристалл неоднородный. Его физические константы зависят от направления, по которому происходит наблюдение. Скажем, вдоль оси кристалла теплопроводность и упругость одна, а поперек оси — совершенно другая. Столь же прихотливы и оптические свойства.

Ученые обнаружили, что в кристалле KDP (теперь найдены и другие аналогичные вещества) существуют направления синхронизма, где происходит резкое удвоение частоты.

Но это еще не самое главное. Оказалось, что лазерный луч создает в таких кристаллах многочисленные пары лучей, арифметически связанных со своим прародителем (сумма их частот составляет его частоту). И определенное направление в кристалле — угол между лучом и осью кристалла — выделяет из всех этих пар одну. Она сильнее прочих. Но все еще бесконечно слаба. Однако лазерная техника знает средство усиления световых «крошек». Два зеркала-резонатора — классический образец лазерной конструкции. Такую же систему использовали Хохлов с Ахмановым. Специально подобранные и особым образом расположенные зеркала, поймав народившийся слабый луч, заставляют его многократно пройти через кристалл. С каждым разом он выходит оттуда все сильнее и сильнее.

Таким образом параметрический генератор рождает лучи, вполне пригодные для использования. Частота их, их цветное одеяние определяются простым поворотом ручки прибора, фиксирующего угол кристалла. Все остальное работает автоматически. Плавно перестраивая частоту, можно пройти весь диапазон видимого света — от красного до фиолетового.

А почему только видимого? Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи — чрезвычайно важная часть спектра.

Скажем, инфракрасное тепловое излучение тел. Регистрация этих лучей составляет целый раздел техники, очень широкий и достаточно сложный.

Собственно говоря, «ночное» видение никого сейчас уже не удивляет. «Инфракрасный» глаз способен превратить ночь в день, так как существует множество различных способов регистрации теплового излучения. Но большинство приборов, которые могут выполнять подобную процедуру, определяют лишь наличие источника излучения, его температуру и мощность. Правда, можно получать изображение предмета в виде своеобразной мозаики, использовав для этого целую систему инфракрасных детекторов. Такие установки существуют, однако они крайне громоздки, требуют глубокого охлаждения — словом, неудобны.

А вот преобразование инфракрасного изображения в видимое может сделать неявное очевидным. Надо найти способ без искажений проявить невидимый рисунок, причем не имеет значения, какого цвета он будет: дело не в окраске, а в деталях запечатленной картины, в информации, которую она несет.

«Цвет» этой информации— вопрос второстепенный.