Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 15)
Биологи и медики стали на стезю «генной инженерии». Вероятно, они овладеют ее методами и научатся влиять на наследственный аппарат животных, растений и даже человека, исправлять оплошности природы. А для этого ученые должны получить в руки особый, чрезвычайно тонкий инструмент, чтобы можно было производить операции на генах. Пока в их распоряжении есть один-единственный «хирургический» инструмент — нуклеазы, белковые элементы, способные разрывать химические связи в молекулах ДНК. Лазерный луч определенной частоты может оказаться более надежным и безотказным скальпелем для операций на молекулярном уровне. Но еще не найдено вещество, которое могло бы испускать луч такой частоты. Возможно, этот луч можно получить методом преобразования тех, которые дают сегодняшние лазеры?
Химики тоже мечтают об аналогичном, но более изощренном молекулярном инструменте. Для управления различными химическими реакциями надо научиться разрушать внутренние связи молекул, создавать новые. Только лазерный луч переменной частоты способен произвести подобную операцию. Ведь молекулы разнообразны. Для каждой нужен свой специфический инструмент, множество инструментов, буквально тысячи. Столь же разностороннее молекулярное оборудование уже сегодня требуется для анализа смеси прозрачных газов. Каждый из них избирательно поглощает «свои» любимые световые частоты. Стало быть, если перед нами неизвестная газовая смесь, то по ослаблению световых лучей можно точно определить, какие газы и в каких соотношениях ее составляют.
Короче говоря, изменение частоты лазерных лучей — не каприз исследователей, а насущная необходимость для науки и техники.
Вот почему с такой радостью встретили ученые и инженеры появление параметрического генератора, созданного Ремом Викторовичем Хохловым и доктором физико-математических наук Сергеем Александровичем Ахмановым. Насколько этот прибор пришелся впору науке и технике, свидетельствует присуждение его авторам Ленинской премии.
Экспериментальная работа исследователей нелинейных явлений в некотором смысле однотипна. Почти все эффекты, даже самые удивительные, были предсказаны заранее на основе уравнений поляризации и других аналогичных выкладок. Какие именно лучи появятся при тех или иных взаимодействиях лазерного луча с веществом — это можно рассчитать.
Нелинейные эффекты существуют и в обычных линейных средах, но в абсолютно микроскопических дозах. Лазерное излучение проявляет их, доводя до тысячных или даже сотых долей процента. Но для техники этого все равно безумно мало. Радужные преобразования типа параметрической люминесценции — зрелище, которым меня угостили при встрече, равно как и красный луч, обернувшийся белым, все-таки редкость. Эффекты весьма незначительны. И работа экспериментаторов как раз и заключается в том, чтобы резко увеличить, усилить эффект, сделав его «зримым» в переносном, а поскольку речь идет об оптике, и в прямом смысле.
В поисках веществ, которые могут удваивать частоты сигналов — физиков прежде всего интересовало именно это, — ученые наткнулись на кристаллы дигидрофосфата калия. Дигидрофосфат калия — кристалл неоднородный. Его физические константы зависят от направления, по которому происходит наблюдение. Скажем, вдоль оси кристалла теплопроводность и упругость одна, а поперек оси — совершенно другая. Столь же прихотливы и оптические свойства.
Ученые обнаружили, что в кристалле KDP (теперь найдены и другие аналогичные вещества) существуют направления синхронизма, где происходит резкое удвоение частоты.
Но это еще не самое главное. Оказалось, что лазерный луч создает в таких кристаллах многочисленные пары лучей, арифметически связанных со своим прародителем (сумма их частот составляет его частоту). И определенное направление в кристалле — угол между лучом и осью кристалла — выделяет из всех этих пар одну. Она сильнее прочих. Но все еще бесконечно слаба. Однако лазерная техника знает средство усиления световых «крошек». Два зеркала-резонатора — классический образец лазерной конструкции. Такую же систему использовали Хохлов с Ахмановым. Специально подобранные и особым образом расположенные зеркала, поймав народившийся слабый луч, заставляют его многократно пройти через кристалл. С каждым разом он выходит оттуда все сильнее и сильнее.
Таким образом параметрический генератор рождает лучи, вполне пригодные для использования. Частота их, их цветное одеяние определяются простым поворотом ручки прибора, фиксирующего угол кристалла. Все остальное работает автоматически. Плавно перестраивая частоту, можно пройти весь диапазон видимого света — от красного до фиолетового.
А почему только видимого? Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи — чрезвычайно важная часть спектра.
Скажем, инфракрасное тепловое излучение тел. Регистрация этих лучей составляет целый раздел техники, очень широкий и достаточно сложный.
Собственно говоря, «ночное» видение никого сейчас уже не удивляет. «Инфракрасный» глаз способен превратить ночь в день, так как существует множество различных способов регистрации теплового излучения. Но большинство приборов, которые могут выполнять подобную процедуру, определяют лишь наличие источника излучения, его температуру и мощность. Правда, можно получать изображение предмета в виде своеобразной мозаики, использовав для этого целую систему инфракрасных детекторов. Такие установки существуют, однако они крайне громоздки, требуют глубокого охлаждения — словом, неудобны.
А вот преобразование инфракрасного изображения в видимое может сделать неявное очевидным. Надо найти способ без искажений проявить невидимый рисунок, причем не имеет значения, какого цвета он будет: дело не в окраске, а в деталях запечатленной картины, в информации, которую она несет.
«Цвет» этой информации— вопрос второстепенный.
Ученые давно уже научились преобразовывать инфракрасные сигналы. С помощью обычного нелинейно-арифметического сложения в кристалле лазерный луч, общаясь с инфракрасными, переводит их в видимую часть спектра. Но опять-таки то были сигналы, а не подробная информация.
И вот на кафедре волновых процессов МГУ лазерный луч произвел в нелинейном кристалле прустита сложную операцию, благодаря которой изображение можно подать на вход электронно-оптического преобразователя, запечатлеть на фотопленке и даже рассматривать невооруженным глазом.
У кандидата физико-математических наук Эдуарда Воронина я видел макет первого параметрического ап-конвертора — так назван здесь преобразователь невидимого изображения. Как утверждают энтузиасты, этот преобразователь делает реальной мечту об инфракрасной голографии и инфракрасном телевидении.
Это в перспективе.
А пока на кафедре прошли серию исследований непрозрачные полупроводники — их обследовал инфракрасный луч лазерной установки. Это значит, что университетские «не-оптики» к существующим методам анализа полупроводников добавили еще один — пожалуй, самый добротный. Но этим дело не ограничилось. Физики кафедры сумели просветить полупроводники с помощью самого простого видимого света, сделали их прозрачными. Просветление среды — один из первых эффектов нелинейной оптики, вызвавший повсеместный восторг. Но долгое время и он оставался лишь ярким примером особенностей лазерного излучения, не более. Лишь недавно началось экспериментальное и практическое освоение и этого явления.
...На лабораторном столе расположился плотный, непрозрачный, что видно сразу, кубик полупроводникового материала.
Включен неодимовый лазер, его невидимый луч, испытав встречу с нелинейностью в кристалле KDP, становится видимым — зеленым. Все пока идет, как обычно.
Но вот щелкнул затвор, и луч коснулся темного кубика полупроводника. По всем законам здравого смысла, а вернее, законам линейной оптики, этим все и должно было кончиться — ведь на пути луча лежал кристалл непрозрачного материала. Однако луч не захотел считаться со здравым смыслом. Он чудесным образом прошел сквозь толщу кристалла, то есть промчался там, куда путь ему был накрепко заказан. Что же произошло?
Как давно установили физики, природа поглощения света — квантовая. Атомы непрозрачного кристалла перехватывают кванты света, поглощают пришельцев один за другим. Тело, испытавшее удар светового луча, лишь слегка нагреется, так как его возбужденные атомы тотчас же отдают пойманную световую энергию в виде тепла. Это происходит в том случае, если луч света обычный — не лазерный. Воздействие луча лазерного можно уподобить мощной эшелонированной атаке, когда первые цепи атакующих сминают противника, а последующие проходят через его позиции уже без задержки. Именно так и действуют кванты лазерной вспышки. «Передовой отряд» квантов лазерного импульса, сталкиваясь с атомами вещества, приводит их в возбужденное состояние. «Передовой отряд» такой многочисленный, удар его настолько мощный, что атомы вещества успевают возбудиться все без исключения. И «второй эшелон» квантов уже не встречает сопротивления — все стражи порядка обезоружены. На время действия лазерного луча, пока длится световая вспышка, вещество, до той поры слывшее непреодолимой преградой для света, делается прозрачным. «Индуцированная прозрачность», исследованная для полупроводников на кафедре МГУ, — дорогой подарок технике.