Самофокусування потужних променів

Звичайний промінь, проходячи в середовищі — в повітрі, воді і будь-якій іншій речовині, — розширюється і утворює розпливчасту пляму. Чим більший шлях пройде промінь, тим більша пляма. Але виявляється, що так поводяться тільки порівняно слабкі промені з потужністю набагато менше деякої критичної величини. Якщо ж промінь має потужність, порівнянну з критичною, він починає помітно впливати на середовище, в якому поширюється, і так змінює його властивості, що перестає розширюватися, як би сам себе стискаючи. Утворюється вузький світлопровідний канал, хвилевід.

Критична потужність, при якій починається стягання променя, тим менша, чим менша довжина хвилі, а також залежить від показника заломлення і нелінійних властивостей середовища. Цікаво відзначити, що в багатьох випадках критична потужність не залежить від радіусу променя.

Як повинні змінитися властивості середовища, щоб відбулося самофокусування? Для цього потрібно, щоб показник заломлення середовища всередині променя став більше, ніж зовні. В цьому випадку крайові промені (фактично весь промінь – це пучок променів) будуть притискатися до осі через заломлення. Подібно до того, як при повному внутрішньому відображенні промінь світла не може вийти з середовища з великим показником заломлення в середовище з меншим показником (наприклад, з води в повітря), якщо він падає під досить малим кутом до поверхні розділу середовищ.

Зараз вченими досить докладно досліджені фізичні процеси, які призводять до збільшення показника заломлення в промені в порівнянні з навколишнім середовищем. Загальним для всіх цих процесів є взаємодія атомів і молекул середовища з електромагнітним полем променя і як наслідок цього — зміна макроскопічних властивостей середовища.

Зміна властивостей середовища зазвичай наростає зі збільшенням потужності випромінювання. Як буде виглядати промінь при різних потужностях?

Промені малої інтенсивності ведуть себе, як у звичайній оптиці,— вони розширюються із-за дифракції та розхідності. Тому на деякій відстані пляма від променя набагато більша початкової. Однак по мірі збільшення потужності зростає показник заломлення всередині хвилеводу, крайові промені починають притискатися до осі все сильніше, і конусність і перетин променя стають все менше і менше. При критичній потужності пляма променя стискається до початкового, тобто утворюється хвилевід постійного радіусу. При критичних потужностях можливе схлопування променя в точку, так званий фокус, або хвилевід зі звуженням.

Ймовірний і такий випадок, як розпад променя на кілька фокусів при потужностях, багато більше критичної. Таку можливість теоретично передбачив американський фізик Ч. Таунс.

При білякритичних потужностях самоспалення променя з конуса, що розходиться в шнур з радіусом, близьким до початкового, неодноразово спостерігалося експериментально. Дослідження показали, що можна отримати досить тонкий шнур, якщо початкові розміри променя будуть малими, а потужність — близькою до критичної. При цьому на трасі кінцевої довжини розміри плями променя будуть всього лише трохи «дихати» через малі зміни початкової потужності. Фокус в цьому випадку не з’явиться і не завадить передачі енергії.

Отже, результати досліджень показали, що для передачі енергії на великі відстані потужність променя повинна бути якомога ближче до критичної. Однак поведінка променя при потужностях, що значно перевершують критичні, досі залишається предметом наукових суперечок. Немає єдиної думки про те, що відбувається за фокусом, точкою схлопування променя, як поширюється випромінювання далі. У перших роботах було зроблено припущення, що і після фокуса утворюється тонкий хвилевід дуже малого радіусу.

Розрахунки ж, проведені вченими, показали, що при збільшенні потужності за першим фокусом з’являються нові фокуси. Причому їх число приблизно дорівнює відношенню потужності до критичної (в кожному фокусі поглинається потужність, близька до критичної). У деяких експериментах цього колективу, мабуть, спостерігався такий розпад на фокуси. Зміна потужності імпульсу в часі могла приводити до руху фокусів по осі променя і імітувати сяючі нитки, що сприймаються на вигляд як хвилевід.

Саме в цей час і з’явилися повідомлення про те, що хвилеводу взагалі немає, а є тільки рухомі фокуси.

Однак подальше вивчення самофокусування в закритичній області принесло несподівані результати. Виявилося, що утворення фокуса відповідає лише ідеальному випадку, коли зміна показника заломлення середовища пропорційна квадрату напруженості електромагнітного поля променя. Але реальні середовища, як правило, мають відхилення від суворого квадратичного закону. Це призводить до утворення хвилеводу замість фокуса. Навіть коли промінь розбивається на фокуси, за кожним з них тягнеться хвилевід. Крім того, за розрахунками B. Захарова, можуть існувати так звані хвилеводи з декількома обтисками або перетяжками. Інакше кажучи, в деяких точках перетин хвилеводу пульсує, то розширюючись, то звужуючись. Таке звуження зовні виглядає як фокус.

Тому багато експериментів, які раніше трактувалися як чіткий доказ багатофокусності, виявилися непереконливими.

До речі, американські вчені експериментально отримали довгу хвилеводну нитку з точки схлопування променя лазера, що працює в безперервному режимі. Середовищем, в якому поширювався промінь, служили пари лужних металів. Цей експеримент дозволяє впевнено стверджувати, що в деяких середовищах і після схлопування утворюється хвилевід. Однак питання про поведінку променя закритичної потужності після схлопування для інших, ще мало вивчених середовищ зараз як і раніше відкрите. Мабуть, обидва випадки можливі: і фокуси, і хвилеводи. Більш того, вони можуть навіть співіснувати одночасно — фокус може бути початком хвилеводу. Або слід рухомого фокуса — хвилеводом.

Але це ніяк не зачіпає питання про хвилеводне обтискання променя в шнур, який можна реалізувати, підбираючи потужність, близьку до критичної.

Про важливість цього результату для радіаційної енергетики легко судити вже з того, що американський фізик Ч. Таунс запатентував самохвилеводну передачу енергії. Ефект хвилеводного самофокусування зараз набуває особливого інтересу у зв’язку з дослідженнями взаємодії інтенсивних радіохвиль з плазмою. Експерименти показали, що можна забезпечити концентровану передачу випромінювання, пробивши променем канал в плазмі, в яку випромінювання малої потужності проникнути не могло через відбиття або поглинання.

Дослідження проводилися у великих металевих бочках розміром до декількох метрів. Бочки відкачувалися і заповнювалися плазмою, на яку падав потік радіовипромінювання. Датчики показували, що потік малої потужності або взагалі не проходив через шар плазми (у разі щільної плазми), або мав широкий перетин, коли плазма була нещільною. З підвищенням потужності падаючого випромінювання через плазму проходив концентрований обтиснутий промінь, тобто в шарі плазми виникав хвилевід.

Автор: А. Кренке.