Вопрос науки: лазер

Нобелевская премия по физике 2018 года была присуждена за революционные изобретения в области лазерной физики». Двое из троих лауреатов, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд, получили премию за разработку метода генерирования сверхкоротких оптических импульсов чрезвычайно высокой интенсивности. О сути их открытия расскажет гость передачи «Вопрос науки» Алексея Семихатова, заместитель директора Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде Ефим Аркадьевич Хазанов.

Самое главное, что отличает лазерный свет от обычного света — солнца, фонарика, лампочки, свечи: лазерное излучение когерентно. По-простому свет состоит из фотонов, то есть из частиц. И эти частицы могут вести себя либо одинаково, синхронно, либо кто как захочет. Представьте, что в супермаркете вы видите много людей, которые по-разному одеты, кто-то ходит в одну сторону, кто-то в другую, кто-то стоит у витрины, кто-то с кем-то сталкивается и разговаривает. Кто-то кого-то даже отталкивает. Некое хаотичное движение. Хотя люди все примерно одинаковые. И совсем другая картина, когда вы смотрите на военный парад. Там тоже такая толпа, если можно так сказать. Все одновременно поднимают правую ногу, одновременно опускают и движутся в одну и ту же сторону с одной и той же скоростью, никто никого не обгоняет.

Слово «лазер» — это аббревиатура от английского light amplification by stimulated emission of radiation. И вот слово stimulated — «вынужденное» — как раз отвечает за то, что при определенном процессе рождаются фотоны. Один фотон рождает другой, и в этом случае они, по фундаментальным законам физики, являются близнецами. Свойства квантовой механики приводят к тому, что если эти фотоны рождаются каждый сам по себе, то они вот как люди в супермаркете. Если один фотон хватает другого, то тот рождается копией, а дальше два рождают четыре, четыре — восемь…

Волшебные свойства заключаются в том, что вот этот когерентный или лазерный свет можно собрать во времени и пространстве таким образом, что это время и пространство будут очень маленькими. И это приводит к тому, что у вас относительно небольшая энергия, которая в этих фотонах сосредоточена, но сконцентрированная в очень маленьком пространстве и в очень короткое время, дает огромную мощность. Фактически все применения в нашей жизни, где используются лазеры — мощные, не мощные, — сводятся к тому, что вам нужно либо во времени, либо в пространстве хорошо организовать этот свет.

С самого начала было понятно, что одно из уникальных свойств заключается в том, что свет можно сжать во времени, то есть сделать очень коротким. И открылась дорога к тому, чтобы получить большую мощность. Мощность — это просто энергия, деленная на время. Чтобы получить большую мощность, надо делать либо большой числитель, либо маленький знаменатель, либо и то и другое. В отличие от других электромагнитных источников и некогерентного света, сразу стало понятно, что можно будет получить импульс очень короткий, несколько периодов поля. И если в 1960 году появился первый лазер, то через пять лет появились лазеры, длительность которых — несколько десятков периодов поля. То есть уже близко к пределу и намного короче, чем все другие источники. Знаменатель в каком-то смысле почти сразу был исчерпан. Дальше стали увеличивать энергию при помощи лазерного усиления, все больше и больше размножая одинаковые фотоны. И эта дорога быстро пришла в тупик, который, собственно, нобелевские лауреаты Жерар Муру и Донна Стрикленд разрулили.

Жерар Муру © École polytechnique - J.Barande

Тупик заключается в том, что, с одной стороны, чтобы эти фотоны размножались и плодились, вам нужна среда: стекло или кристалл. Они не могут брать энергию из вакуума. А с другой стороны, поскольку мы разгоняли мощность излучения, то очень быстро пришли к такой мощности, которая разрушает саму среду. И получилось неразрешимое противоречие.

Я сначала поясню вне лазерных терминов, что Муру и Стрикленд придумали. Фактически проблема заключается в следующем: у нас есть узкая трубка, в которой много еды, и есть червяк, который по ней может ползти, есть эту еду и толстеть. Трубка длинная, еды там много. Поэтому, если нам нужен длинный червяк, то он будет долго-долго двигаться и расти в длину. Но вот если вам нужен толстый червяк — вам нужно мощность увеличить. Как только он станет толщиной с трубку — конец истории. Он либо трубку разрушит, либо с голоду умрет. Или перестанет расти.

Донна Стрикленд © nbc

Идея Муру и Стрикленд заключалась в том, что сначала, на входе в эту трубку, червяка нужно растянуть. Как резинку. Тогда он станет тоньше. После этого он пройдет через трубку, разъестся, опять же до размеров трубки, тут ничего нового. Выйдет из этой трубки, а потом обратно сожмется. Естественно, увеличив свою толщину. То есть из такого длинного и узкого станет плоским как блин.

И вторая половина этой идеи заключалась в том — тут уже мы должны перейти на лазерный язык, — что для усиления света нам нужна обязательно среда. Обязательно вот эта трубка. А для того, чтобы сжать, — трубка не нужна. Достаточно использовать просто отражение света, когда свет внутрь среды не проходит.

И вот эта идея 1985 года заключается в том, что нужно взять обычный уже по тем временам генератор, который генерирует очень короткий импульс. Потом усилитель, в котором плодятся однотипные фотоны. А дальше нужно импульс растянуть с помощью устройства, которое называется «стрейчер» — от слова «растягивать». После этого стоит компрессор, который импульс сжимает. Есть только один способ растянуть импульс: пустить разные частоты с разной скоростью. Красные летят впереди, а синие сзади. И именно этот импульс называется «чипованный».

Теперь давайте посмотрим, что такое компрессор. Это ключевой элемент. Вот этот чипованный импульс летит: красные частоты впереди, синие сзади. Он попадает на дифракционную решетку. Дифракционная решетка обладает тем свойством, что разные частоты отклоняет под разным углом.

Потом стоит зеркало, которое пускает все назад. Все лучи проходят строго назад. Снова собираются в одну узенькую линию. И видно невооруженным глазом, что синие частоты прибегут быстрее, чем красные. У них путь побольше. И, соответственно, они догонят красных. Это достаточно большой путь, до метра, то есть это не какие-то там доли длины волны. Главное свойство компрессора заключается в том, что свет, который уже мощный, не проходит внутрь, он только отражается. И поэтому он не портит среду.

Компрессор на двух дифракционных решетках придумал Эдмунд Трейси еще в 1959 году. Что, собственно, придумали Муру и Стрикленд в 1985-м? Фактически они догадались поставить усилитель. То есть этот компрессор решеточный раньше использовался для сжатия импульсов. Для растяжения импульсов использовалось 1,5 км волокна. Свет в волокне бежит с разной скоростью. И за счет того, что волокна очень много, эта разница набегает, набегает, набегает и, соответственно, одни частоты опережают другие. Муру и Стрикланд придумали поставить между генератором, стрейчером и компрессором усилитель, чтобы поднять мощность, воспользовавшись тем, что импульс длинный и низкий. Поднять его энергию. Накачать его, вот этого червяка, едой.

Это их ключевая идея. Но не было бы Нобелевской премии, если бы все осталось как есть. Ведь это очень просто на картинке — растянуть, а потом сжать. А надо же не просто растянуть и сжать, надо растянуть и сжать так, чтобы все, что вы растянули, точненько назад потом вернулись. Поэтому, когда стрейчер вносит на каждую частоту свою огромную задержку со знаком плюс, компрессор эту задержку вычитает — со знаком минус.

Когда вы вычитаете два больших числа, очень трудно сделать разницу нулевую. А на самом деле вам нужно не два больших числа сделать, а целую функцию по всему спектру. И очень быстро оказалось, что свойства волокна и этих решеток такие, что примерно можно сделать, но не очень точно. Это работает, но не до очень коротких импульсов. То есть в очень узкой области можно сделать, а в широкой получается плохо. Следующий важный шаг — статья Оскара Мартинеса 1987 года. Он придумал, что если между двумя решетками поставить просто две линзы, обычный телескоп, то вот эта задержка частот меняет знак. Вместо того чтобы синие бежали вперед — красные бегут вперед. И это как раз то, что пригодилось Муру. Но сам Мартинес — так схема и называется, схема Мартинезс — думал, что собрал компрессор. В июне 1987 года Жерар Муру опубликовал статью, в которой уже картинка полностью — пазл сложился.

Вычитание происходит уже в точности. Если решетки идеально одинаковые, стоят под одинаковыми углами, то вам гарантированы одинаковые величины — только с разными знаками. И эта концепция, со стрейчером Мартинеса и компрессором Трейси, уже вошла во все без исключения мощные лазеры на сегодняшний день.

Читайте также
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Большинство считает, что вакцина обязана предотвращать заражение. Но это не так.
Как поймать темную материю
Как поймать темную материю
Темная материя есть даже в вашей комнате, но как ее поймать?
Венера — наша историческая родина?
Венера — наша историческая родина?
Благодаря находке фосфина в облаках Венеры, астрофизики обрели веру в возможность обнаружения внеземной жизни.