Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

Ученые давно уже научились преобразовывать инфракрасные сигналы. С помощью обычного нелинейно-арифметического сложения в кристалле лазерный луч, общаясь с инфракрасными, переводит их в видимую часть спектра. Но опять-таки то были сигналы, а не подробная информация.

И вот на кафедре волновых процессов МГУ лазерный луч произвел в нелинейном кристалле прустита сложную операцию, благодаря которой изображение можно подать на вход электронно-оптического преобразователя, запечатлеть на фотопленке и даже рассматривать невооруженным глазом.

У кандидата физико-математических наук Эдуарда Воронина я видел макет первого параметрического ап-конвертора — так назван здесь преобразователь невидимого изображения. Как утверждают энтузиасты, этот преобразователь делает реальной мечту об инфракрасной голографии и инфракрасном телевидении.

Это в перспективе.

А пока на кафедре прошли серию исследований непрозрачные полупроводники — их обследовал инфракрасный луч лазерной установки. Это значит, что университетские «не-оптики» к существующим методам анализа полупроводников добавили еще один — пожалуй, самый добротный. Но этим дело не ограничилось. Физики кафедры сумели просветить полупроводники с помощью самого простого видимого света, сделали их прозрачными. Просветление среды — один из первых эффектов нелинейной оптики, вызвавший повсеместный восторг. Но долгое время и он оставался лишь ярким примером особенностей лазерного излучения, не более. Лишь недавно началось экспериментальное и практическое освоение и этого явления.

...На лабораторном столе расположился плотный, непрозрачный, что видно сразу, кубик полупроводникового материала.

Включен неодимовый лазер, его невидимый луч, испытав встречу с нелинейностью в кристалле KDP, становится видимым — зеленым. Все пока идет, как обычно.

Но вот щелкнул затвор, и луч коснулся темного кубика полупроводника. По всем законам здравого смысла, а вернее, законам линейной оптики, этим все и должно было кончиться — ведь на пути луча лежал кристалл непрозрачного материала. Однако луч не захотел считаться со здравым смыслом. Он чудесным образом прошел сквозь толщу кристалла, то есть промчался там, куда путь ему был накрепко заказан. Что же произошло?

Как давно установили физики, природа поглощения света — квантовая. Атомы непрозрачного кристалла перехватывают кванты света, поглощают пришельцев один за другим. Тело, испытавшее удар светового луча, лишь слегка нагреется, так как его возбужденные атомы тотчас же отдают пойманную световую энергию в виде тепла. Это происходит в том случае, если луч света обычный — не лазерный. Воздействие луча лазерного можно уподобить мощной эшелонированной атаке, когда первые цепи атакующих сминают противника, а последующие проходят через его позиции уже без задержки. Именно так и действуют кванты лазерной вспышки. «Передовой отряд» квантов лазерного импульса, сталкиваясь с атомами вещества, приводит их в возбужденное состояние. «Передовой отряд» такой многочисленный, удар его настолько мощный, что атомы вещества успевают возбудиться все без исключения. И «второй эшелон» квантов уже не встречает сопротивления — все стражи порядка обезоружены. На время действия лазерного луча, пока длится световая вспышка, вещество, до той поры слывшее непреодолимой преградой для света, делается прозрачным. «Индуцированная прозрачность», исследованная для полупроводников на кафедре МГУ, — дорогой подарок технике.

Мы сидим вдвоем в теплой уютной комнате. Убаюкивающе выдает свои двенадцать импульсов в секунду лампа накачки неодимового лазера. На окнах плотные шторы. Привычная обстановка нелинейных лабораторий.

У каждого раздела физики существует свой собственный аромат, свой антураж, столь же неповторимый, как и смысл научных исследований, для которых он уникален.

Со времен Ньютона оптические лаборатории отличает величественная тишина. Поскольку один из главных приборов по сей день — глаз экспериментатора, комнату оберегают от лишнего света. Но источники излучения, конечно, не времен Ньютона. Они принадлежат целиком нашему времени.

Лазерная революция преобразила не только существо оптики, она внесла свои коррективы и во внешний облик лабораторий. И тишины теперь нет и в помине, и обстановка другая. Работают мощные импульсные лазеры, хлопают их затворы, лабораторию озаряют слабые вспышки, и пылинки воздуха высвечивают прямую линию лазерного луча.

В этой комнате занимаются спектроскопией — почтенной, родившейся еще в девятнадцатом веке, ветвью оптики.

Измерения проводит кандидат физико-математических наук Николай Коротеев.

Сначала луч неодимового лазера, преображенный нелинейным кристаллом из невидимого в зеленый, раздваивается на полупрозрачном зеркале. Путь одного из его «потомков» — внутрь прозрачного сосуда, где находится органическое соединение — бензол, подвергаемый анализу. Второй зеленый луч вызывает желтое свечение — люминесценцию сосуда с жидкостью, расположенного на его пути. Так рождается третий луч, состоящий уже из множества частот. А Коротееву нужна лишь одна частота, одно излучение, монохроматическое, чего он и добивается манипуляциями с зеркалами. Очистка луча от всех сопутствующих — результат второй встречи с нелинейностью.

После этого начинается священнодействие — все три луча, два зеленых и один желтый, попадают внутрь сосуда с бензолом. На экране большого фотоумножителя появляются полосы — свидетели того, что происходит в бензоле под воздействием лучей. Так третий раз проявляется нелинейность — теперь как перспективное направление активной спектроскопии.

Я медленно кручу ручки прибора. И на темном фоне одна за другой вспыхивают тонкие линии, каждая из которых несет свою долю информации.

Активная спектроскопия — новый метод исследований, родившийся на кафедре МГУ, но основа его — комбинационное рассеяние света, открытие которого связано было с именами замечательных советских физиков академиков Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга.

Смысл явления заключается в том, что световую волну, попавшую внутрь вещества, немедленно окружают дополнительные вспышки света других частот — сателлиты. Они появляются в результате взаимодействия светового луча и различного рода неоднородностей, а также тепловых и упругих колебаний вещества. Луч как бы спотыкается на них и обрастает маленькими световыми вспышками. Возникшие сателлиты несут богатую информацию о внутренней жизни испытуемого тела, скажем, о структуре кристаллической решетки, о поведении молекул жидкости и тому подобное.

Плохо одно — сателлиты в сотни миллионов раз слабее вызвавшей их световой волны. Регистрировать едва заметный свет очень трудно. Физики МГУ нашли выход из этого положения. Их метод не зря называется активной спектроскопией. За работу взялись сразу три луча.

Два из них — желтый и зеленый — заставляют проявляться колебания молекул вещества, как бы раскачивают их, попадают в резонанс. А третий луч рассеивается на этих, уже ставших сильными, колебаниях. И появляющиеся сателлиты достигают вполне солидных размеров. Я, например, их ясно вижу.

И еще одно преимущество нового способа приоткрыть завесу, закрывающую внутренний мир молекул вещества. Желтый луч может «примерить» целую серию частот. Не