Проклятые вопросы - Ирина Радунская

Газовые лазеры заняли лидирующее место и в других областях науки и техники. Сейчас лазеры на смеси гелия и неона, а также лазеры на углекислом газе успешно соревнуются с квантовыми стандартами частоты радиодиапазона. Они открыли реальную возможность создания единого эталона времени и длины.

Сейчас эталонами времени (частоты) служат квантовые эталоны. Они основаны на применении пучков атомов цезия, пролетающих внутри вакуумной трубки через специально сформированные магнитные и высокочастотные поля сантиметрового диапазона волн. Их преимуществом является не только огромная стабильность каждого прибора (ошибка в одну секунду может накопиться лишь за миллионы лет), но и надёжность конструкции, обеспечивающая возможность того, что любой из правильно изготовленных приборов такого типа фиксирует одну и ту же частоту с погрешностью не более 10–14.

Лазерные стандарты частоты уже догнали цезиевые эталоны по стабильности работы, но ещё нет уверенности в том, что каждый из них воспроизводит с этой точностью одну и ту же частоту. Когда удастся реализовать эту возможность, отпадёт и необходимость пользоваться отдельным эталоном длины.

Первоначально эталоном длины служил тщательно изготовленный стержень из платино-иридиевого сплава. Затем этот уникальный рукотворный эталон был заменён природным: в качестве эталона была избрана длина волны, соответствующая одной из спектральных линий, испускаемых атомами криптона.

Техническое воплощение такого эталона имеет вид стеклянного баллона, заполненного газообразным криптоном при малом давлении. При пользовании эталоном внутри него зажигают электрический разряд.

Таким путём не удалось существенно уменьшить погрешность определения единицы длины (она равна 10-8), но переход от искусственного эталона к природному обеспечил устойчивость системы мер.

Теперь, когда погрешность частоты лазера уменьшилась до 10–14, стало естественным принять длину его волны (обладающую столь же малой погрешностью) за основу эталона длины. Погрешность лазерного эталона длины в миллион раз меньше, чем у принятого теперь эталона, основанного на длине волны спектральной линии криптона.

Сверхстабильные лазеры дали потрясающую возможность наблюдать спектры одиночных атомов и ионов. А это открывает перспективу получения эталонов частоты с погрешностью 10–17, то есть ещё в тысячу раз меньшей, чем у существующих эталонов.

Наблюдения спектров одиночных атомов и ионов открывают небывалые возможности изучения их строения и свойств сил, действующих в микромире.

Лидирующее место в развитии этого направления занимают коллективы сотрудников Института теплофизики РАН в Новосибирске под руководством члена-корреспондента РАН В. Н. Чебатаева и Института спектроскопии РАН в городе Троицке (под Москвой), руководимого профессором В. С. Летоховым.

Имеется ряд задач, для решения которых за короткое время необходимо сосредоточить на мишени большую энергию. Наиболее остро эта задача возникает в исследовании высокотемпературной плазмы, связанном с получением управляемой термоядерной реакции. На лабораторном жаргоне это направление получило название «лазерный термояд». Мы уже знакомы с физическими проблемами, стоящими перед учёными, работающими в этой области.

Для того чтобы получить большую энергию в течение короткого времени, необходимо заставить множество ионов согласованно порождать лазерное излучение.

Для достижения этого при помощи лазеров приходится применять газы, находящиеся под высоким давлением. Это усложняет установки и всё же не может обеспечить плотность рабочих частиц, легко достижимую в твёрдых телах. Поэтому здесь возникает своеобразное соревнование между твердотельными и газовыми лазерами.

Для нагрева плазмы применяются главным образом твёрдотельные лазеры на стекле потому, что наряду с большой плотностью рабочих частиц в стекле из него можно изготавливать рабочие лазерные элементы больших размеров, недоступные при выращивании искусственных кристаллов.

Промышленность выпускает сверходнородные рабочие элементы из стекла столь большие, что в лабораториях их назвали «шпалами». Иногда им придают форму толстых прямоугольных пластин, которые по размерам сопоставимы с цементными плитами для тротуаров.

В течение первых десяти лет все рабочие элементы для лазеров на стекле изготовляли, вслед за Снитцером, из силикатного стекла. Когда коллектив сотрудников Института радиотехники и электроники РАН и Института общей и неорганической химии РАН по инициативе профессора М. Е. Жаботинского и аспиранта Ю. П. Рудницкого высказал уверенность в том, что лазерное стекло, сваренное на основе фосфатов, может иметь ряд преимуществ по сравнению с традиционным силикатным стеклом, они встретили дружные возражения лазерщиков и технологов.

Технологи были знакомы с обычным нелазерным фосфатным стеклом и знали его как сложное в изготовлении, склонное к кристаллизации и к возникновению внутренних неоднородностей. Кроме прочих недостатков, оно ещё неустойчиво по отношению к воздействию влаги и даже паров воды, присутствующих в воздухе. Такое стекло изготавливали с большим трудом для узких применений.

Но уверенность физиков увлекла химиков, и они преодолели капризы фосфатного стекла. Когда в исходную смесь фосфатов добавили окись неодима, сварили первое лазерное фосфатное стекло и изготовили из него рабочие элементы для лазеров, все ожидания подтвердились.

И повторилась, к сожалению нередкая, научная реакция. Увидев новые лазерные элементы из фосфатного стекла, некоторые специалисты заявили, что этого не может быть. Возражения приближались к аргументации одного из героев Чехова: этого не может быть потому, что не может быть никогда. Говорили даже, что это обычное силикатное стекло, что было, по существу, обвинением в обмане.

Сомнения были отвергнуты беспристрастным анализом. Тогда мнения изменились: стекло как стекло, но сварить из него крупные однородные рабочие элементы не удастся. Не удастся потому, что крупные элементы нужно охлаждать медленно, а при этом фосфатное стекло закристаллизуется. Да и неоднородности в нём неизбежны.

Прошло время, и мнения ещё раз изменились. Во многих местах заявляли: «Что здесь удивительного, я говорил, что будущее за фосфатным лазерным стеклом».

Теперь не только в России, но и в Японии, США и Франции в установках для исследования лазерного термояда применяют лазеры, работающие на фосфатном стекле, содержащем ионы неодима. Оно работает и во многих промышленных установках.

Конечно, силикатное лазерное стекло не сошло со сцены: оно дешевле и его проще изготавливать. Появились и другие лазерные стекла, но они не получили широкого применения.

С развитием лазеров выяснилось, что для ряда целей важно добиваться высокой мощности излучения, хотя бы в течение коротких промежутков времени.

Первым шагом в этом направлении было осуществление необычного режима работы лазеров. Такой режим был реализован в твердотельных лазерах на рубине американским учёным Р. В. Хеллворсом и на силикатном стекле сотрудником ФИАНа В. И. Малышевым.

Идея состояла в том, что освещать рабочий элемент лазера лампой-вспышкой следует при отсутствии обратной связи. При этом лазерная генерация не может начаться и в течение всего времени горения лампы-вспышки её свет поглощается рабочим веществом лазера, а накопленная в нём энергия возрастает.

Правда, вследствие различных причин часть энергии, способной участвовать в лазерной генерации, исчезает. Поэтому, когда величина запасённой энергии достигнет максимума, следует очень быстро включить обратную связь. При этом возникнет короткий, чрезвычайно мощный импульс лазерного излучения. Лабораторный жаргон нарек его гигантским импульсом. Уже в первых опытах мощность импульса достигла миллионов ватт, а длительность — лишь нескольких стомиллионных долей секунды. Первоначально быстрое включение обратной связи производили механическими средствами. Например, между зеркалами, осуществляющими обратную связь, располагали вращающийся непрозрачный диск с отверстием. При этом обратная связь возникала только тогда, когда между зеркалами появлялось отверстие. В других системах одно из зеркал делали быстро вращающимся вокруг оси, параллельной неподвижному зеркалу. При этом обратная связь возникала, когда вращающееся зеркало оказывалось параллельным неподвижному.

Затем был найден другой способ. Его назвали пассивным, ибо он сделал ненужным применение движущихся элементов или других способов внешнего воздействия на систему обратной связи. Происхождение названия «пассивный» возникло потому, что элемент, управляющий включением обратной связи, «пассивно ждёт», пока рабочий элемент лазера запасает в себе энергию. Затем происходит самоуправляемый процесс, ход которого зависит от свойств и размеров рабочего элемента лазера и от свойств «пассивного» управляющего элемента.