Самофокусировка мощных лучей

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Обычный луч, проходя в среде — в воздухе, воде и любом другом веществе, — расширяется и образует расплывчатое пятно. Чем больший путь пройдет луч, тем больше пятно. Но оказывается, что так ведут себя только сравнительно слабые лучи с мощностью гораздо меньше некоторой критической величины. Если же луч обладает мощностью, соизмеримой с критической, он начинает заметно влиять на среду, в которой распространяется, и так меняет ее свойства, что перестает расширяться, как бы сам себя сжимая. Образуется узкий светопроводящий канал, волновод.

Критическая мощность, при которой начинается стягивание луча, тем меньше, чем меньше длина волны, а также зависит от показателя преломления и нелинейных свойств среды. Интересно отметить, что во многих случаях критическая мощность не зависит от радиуса луча.

Как должны измениться свойства среды, чтобы произошла самофокусировка? Для этого нужно, чтобы показатель преломления среды внутри луча стал больше, чем снаружи. В этом случае краевые лучи (фактически весь луч — это пучок лучей) будут прижиматься к оси из-за преломления. Подобно тому, как при полном внутреннем отражении луч света не может выйти из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем (например, из воды в воздух), если он падает под достаточно малым углом к поверхности раздела сред.

Сейчас учеными довольно подробно исследованы физические процессы, которые приводят к увеличению показателя преломления в луче по сравнению с окружающей средой. Общим для всех этих процессов является взаимодействие атомов и молекул среды с электромагнитным полем луча и как следствие этого — изменение макроскопических свойств среды.

Изменение свойств среды обычно нарастает с увеличением мощности излучения. Как будет выглядеть луч при различных мощностях?

Лучи малой интенсивности ведут себя, как в обычной оптике,— они расширяются из-за дифракции и расходимости. Поэтому на некотором расстоянии пятно от луча гораздо больше начального. Однако по мере увеличения мощности растет показатель преломления внутри волновода, краевые лучи начинают прижиматься к оси все сильнее, и расходимость и сечение луча становятся все меньше и меньше. При критической мощности пятно луча сжимается до начального, то есть образуется волновод постоянного радиуса. При критических мощностях возможно схлопывание луча в точку, так называемый фокус, или волновод с сужением.

Вероятен и такой случай, как распад луча на несколько фокусов при мощностях, много больших критической. Такую возможность теоретически предсказал американский физик Ч. Таунс.

При околокритических мощностях самосжатие луча из расходящегося конуса в шнур с радиусом, близким к начальному, неоднократно наблюдалось экспериментально. Исследования показали, что можно получить достаточно тонкий шнур, если начальные размеры луча будут малыми, а мощность — близкой к критической. При этом на трассе конечной длины размеры пятна луча будут всего лишь немного «дышать» из-за малых изменений начальной мощности. Фокус в этом случае не появится и не помешает передаче энергии.

Итак, результаты исследований показали, что для передачи энергии на большие расстояния мощность луча должна быть как можно ближе к критической. Однако поведение луча при мощностях, значительно превосходящих критические, до сих пор остается предметом научных споров. Нет единого мнения о том, что происходит за фокусом, точкой схлопывания луча, как распространяется излучение дальше. В первых работах было сделано предположение, что и после фокуса образуется тонкий волновод очень малого радиуса.

Расчеты же, проведенные учеными показали, что при увеличении мощности за первым фокусом появляются новые фокусы. Причем их число примерно равно отношению мощности к критической (в каждом фокусе поглощается мощность, близкая к критической). В некоторых экспериментах этого коллектива, по-видимому, наблюдался такой распад на фокусы. Изменение мощности импульса во времени могло приводить к движению фокусов по оси луча и имитировать светящиеся нити, воспринимаемые на вид как волновод.

Именно в это время и появились сообщения о том, что волновода вообще нет, а есть только бегущие фокусы.

Однако дальнейшее изучение самофокусировки в закритической области принесло неожиданные результаты. Оказалось, что образование фокуса соответствует лишь идеальному случаю, когда изменение показателя преломления среды пропорционально квадрату напряженности электромагнитного поля луча. Но реальные среды, как правило, имеют отклонения от строгого квадратичного закона. Это приводит к образованию волновода вместо фокуса. Даже когда луч разбивается на фокусы, за каждым из них тянется волновод. Кроме того, по расчетам B. Захарова, могут существовать так называемые волноводы с несколькими обжатиями или перетяжками. Иначе говоря, в некоторых точках сечение волновода пульсирует, то расширяясь, то сужаясь. Такое сужение внешне выглядит как фокус.

Поэтому многие эксперименты, которые ранее трактовались как четкое доказательство многофокусности, оказались неубедительными.

Кстати, американские ученые экспериментально получили длинную волноводную нить из точки схлопывания луча лазера, работающего в непрерывном режиме. Средой, в которой распространялся луч, служили пары щелочных металлов. Этот эксперимент позволяет уверенно утверждать, что в некоторых средах и после схлопывания образуется волновод. Однако вопрос о поведении луча закритической мощности после схлопывания для других, еще мало изученных сред сейчас по-прежнему открыт. По-видимому, оба случая возможны: и фокусы, и волноводы. Более того, они могут даже сосуществовать одновременно — фокус может быть началом волновода. Или след движущегося фокуса — волноводом.

Но это никак не затрагивает вопроса о волноводном обжатии луча в шнур, который можно реализовать, подбирая мощность, близкую к критической.

О важности этого результата для радиационной энергетики легко судить уже из того, что американский физик Ч. Таунс запатентовал самоволноводную передачу энергии. Эффект волноводной самофокусировки сейчас приобретает особый интерес в связи с исследованиями взаимодействия интенсивных радиоволн с плазмой. Эксперименты показали, что можно обеспечить концентрированную передачу излучения, пробив лучом канал в плазме, в которую излучение малой мощности проникнуть не могло из-за отражения или поглощения.

Исследования проводились в больших металлических бочках размером до нескольких метров. Бочки откачивались и заполнялись плазмой, на которую падал поток радиоизлучения. Датчики показывали, что поток малой мощности либо вообще не проходил через слой плазмы (в случае плотной плазмы), либо имел широкое сечение, когда плазма была неплотной. С повышением мощности падающего излучения через плазму проходил концентрированный обжатый луч, то есть в слое плазмы возникал волновод.

Автор: А. Кренке.