Достижения нелинейной оптики

Не одну сотню лет всё или почти всё в оптике было понятно. Почему линза фокусирует свет, почему красные лучи не проходят через зеленое стекло, почему в призме они всегда отклоняются слабее, чем синие… Студентам на лекциях оставалось лишь сожалеть, что все «очевидные», сами собой разумеющиеся вещи уже открыты и нельзя хоть ненадолго попасть в то время, когда их еще предстояло открыть. И вдруг такая возможность появилась. Оптика словно перенеслась одним скачком далеко назад, к самому началу своего пути. Со школьной скамьи знакомые явления опять стали необычными, непонятными.

Произошло это лет пятьдесят назад, во время опытов с лазерами. Если лазерный луч попадает в какое-либо вещество, оптические свойства этого вещества начинает «трясти» как в лихорадке. Они стремительно изменяются в зависимости от интенсивности луча. Показатель преломления, прозрачность, цвет… Те самые свойства, которые издавна считались постоянными, которые определяли поведение света в веществе, на которых, словно на трех китах, держались уравнения оптики.

Рамки уравнений обычной оптики оказались слишком тесны. Возникла новая область физики, которая была названа нелинейной оптикой.

Нелинейной оптике предстояло заново осмыслить поглощение, преломление света и многие другие явления, которые были хорошо известны ее старшей сестре — линейной оптике. Линза фокусирует свет. Казалось бы, что может быть проще. Но попробуйте сообразить, как поведет себя в линзе луч, который сам меняет показатель преломления среды и в результате сам себе создает своеобразные линзы внутри вещества.

Почти с первых же шагов в нелинейной оптике были открыты явления, совершенно немыслимые в рамках обычной оптики. Красный луч, проходя через бесцветное прозрачное вещество, исчезал, превращался в невидимый ультрафиолетовый. Темно-зеленое стекло на мгновение изменяло свой цвет, становясь абсолютно прозрачным для красного света…

Новые эффекты оказались необычайно интересными для физиков и в теоретическом отношении, и в практическом. Поэтому развитие нелинейной оптики сразу же понеслось «вскачь». Хлынул поток исследований, замелькали международные конференции.

Нелинейный ключ от лабиринта

Энергетическая структура атомов и молекул напоминает выставку или лабиринт с огромным числом комнат и переходов. Представьте себе, что ваш билет действителен всего на одну-две минуты. Те комнаты, в которые можно попасть прямо от входа, вы (за несколько посещений) осмотрите. А как быть с внутренними комнатами? Не успеешь попасть в них, время истекло. Надо возвращаться за новым билетом. Вот если бы его можно было получить тут же, у входа в следующий зал…

Много десятков лет для физиков были открыты только самые первые комнаты в энергетическом лабиринте атомов и молекул. До остальных добраться не удавалось. С появлением лазеров и возможностей их перестройки по частоте вход в глубины лабиринта был открыт. Возникла возможность «отправлять» атомы в те или иные «комнаты» по выбору. И на смену обычной спектроскопии пришла так называемая активная. Исследование ведется с применением одновременно двух лазерных излучений.

Одно непрерывно переводит атомы в нужное энергетическое состояние, а другое зондирует их в этом состоянии. Зондирует с невероятной тщательностью. Ведь лазер дает очень узкий по частоте луч. Его можно настроить на любые из рядом расположенных переходов в энергетическом лабиринте. Иначе говоря, исследовать такие детали в строении атомов, которые раньше были «все на одно лицо».

Лазер вместо рентгена

Два дерева срослись стволами. Между ними нет ни малейшего промежутка. Солнце слепит вам глаза, и вы видите только общий силуэт сросшихся стволов. Как определить, сколько же деревьев перед вами — одно, два, а может быть, несколько тонких?..

С такой задачей приходится сталкиваться в оптике. Атом — система очень стабильная. Недаром ученые обнаруживают знакомые спектры элементов в далеких галактиках. Но совершенно ничтожные различия в энергии существуют даже у одинаковых атомов. Чуть-чуть «дышат» энергетические уровни, между которыми происходят переходы при излучении и поглощении света, чуть-чуть «по- своему» излучает и поглощает каждый отдельный атом в зависимости от скорости и направления движения (доплеровский эффект), ведь его не заставишь стоять неподвижно. В результате все линии в спектре атома слегка расплываются. Если строение у двух атомов очень сходное, и линии их расположены в спектре рядом, может случиться (и практически очень часто случается), что эти расплывшиеся линии превратятся в одну, как два сросшихся ствола. Природа словно ставит перед спектроскопистами границу: «не пытайтесь что-то высмотреть там, где я сама перестаю отчетливо видеть».

Исследования, проведенные физиками, показали, что можно перейти и эту границу. Среди множества одинаковых атомов всегда есть такие, у которых чуть колеблющиеся энергетические уровни находятся в данную секунду точно на среднем расстоянии, не дальше, не ближе — в самом центре «ствола». Физики обнаружили, что лазерный луч взаимодействует с такими атомами охотнее всего. При этом в спектре возникает тончайшая линия, намного уже, чем «изготовленные» природой. Два «ствола» — две линии. Лазерный луч словно выискивает сердцевины стволов, не обращая ни малейшего внимания на все попытки природы замаскировать их толщей древесины и коры других деревьев. Словно рентгеновский аппарат, различающий отдельные кости внутри непрозрачного тела.

Согласитесь сами, столь «непочтительно» обойтись с установленными природой границами — это в науке случается не часто.

А кроме подарка спектроскопистам, это открытие позволило ученым достигнуть совершенно фантастической точности эталона длины, необходимого при всех исследованиях в области микромира.

0,00000000000005 мм — таков на сегодняшний день новый рекорд точности измерения длины. Если с этой точностью измерять расстояние от Луны до Земли, ошибка окажется меньше сотой доли миллиметра.

И еще один очень ценный подарок, который несколько лет назад показался бы совершенно неосуществимым, преподнесла нелинейная оптика спектроскопии. Кроме способности исследовать очень редкие и очень мало отличающиеся процессы, спектроскопия получила от нелинейной оптики способность «объясняться» с мгновенно изменяющимися состояниями вещества.

Необычное интервью

Предположим, вы захотели спросить о чем-то пассажиров пролетающего мимо экспресса. Начало вашего вопроса услышат в первом вагоне. Конец вопроса достанется пассажирам пятого. А ответ вы услышите разве что из последнего или, что еще вероятнее, до вас донесется совершенно неразборчивый шум сразу десятков голосов из разных вагонов. Каждый пассажир уловил какой-то обрывок нашего вопроса и постарался ответить.

Остается одно — задавать вопросы с такой быстротой, чтобы экспресс не успел за это время сдвинуться и на метр. Тогда интервью состоится. Подразумевается, конечно, что «слух» у пассажиров хороший и быстро отвечать они тоже умеют.

Многие интересующие ученых процессы в атомах и молекулах происходят за миллиардные доли секунды. Чтобы зафиксировать отдельные этапы этих процессов, прозондировать их, «вопрос» должен быть задан во много раз быстрее «мгновения ока», быстрее вспышки фотолампы, быстрее… подберите сами любое сравнение, все равно окажется: «еще неизмеримо быстрее».

И нелинейной оптике удалось добиться таких скоростей. Сначала световые импульсы длились десятимиллионные доли секунды, затем миллиардные…

«Фотонное эхо» — отклик среды на мгновенный зондирующий импульс — этот термин за полтора года успел стать обычным. И не только термин. С помощью «эха» уже начато исследование некоторых свойств металлов (изучаются по отдельным этапам процессы, при которых атомы металлов за стомиллиардные доли секунды теряют избытки энергии).

Автор: Я. Терской.