Техника - молодёжи 1978-12, страница 8

ЛАУРЕАТЫ ПРЕМИИ ЛЕНИНСНОГО НОМСОМОЛА

ровать эту скорость для вновь создаваемых материалов, вести их целенаправленный поиск.

Механизмов возврата может быть несколько. Возбужденный атом способен, во-первых, самопроизвольно излучить квант света — фотон. Во вторых, полностью передать энергию соседнему атому примеси, если тот не возбужден. В-третьих, передать соседу только часть энергии. При этом появляют ся две новые частицы с энергией возбуждения, разумеется, меньшей, чем была у исходной. Последние ведут себя также по-разному: излучают свет (но уже на других частотах) или растрачивают энергию на нагрев окружающей среды. Подобный механизм распада называется кросс релаксацией. И, наконец, два (или больше) возбужденных атома могут, взаимодействуя, объединить свои энергетические ресурсы, и тогда появится частица с энергией большей, чем при первоначальном возбуждении. Она способна испустить куда более энергичный квант.

Каждый из перечисленных процессов совершается с некоторой вероятностью. Поэтому для решения общей задачи прежде всего надо выяснить, какова вероятность того или иного процесса.

Но мало разобраться в поведении изолированных атомов, необходимо еще иметь представление о коллективном поведении всех атомов, составляющих систему. Обычно в активном веществе лазера главную роль играют атомы специально введенной примеси. Их время жизни в возбужденном состоянии обычно изменяется за счет влияния атомов соседей. Благодаря зтому и возникает возможность накопить достаточное для лазерной вспышки количество возбужденных атомов. Таким образом, кроме выяснения вероятностей отдельных единичных процессов, возникает дополнительная задача: как на эти вероятности влияет об щая обстановка в коллективе атомов? Здесь должны быть учтены температура, концентрация примесных атомов, вид атомов соседей, расстояния до них, да и масса иных факторов. Этих факторов столь много, а взаимосвязи между ними столь сложны, что теоретически описать в общем случае процесс распада коллектива возбужденных атомов — дело необыкновенной трудности. Поэтому физики выбрали обычный в подобной ситуации обходной путь: экспериментально изучают явление с самых разных сторон, всякий раз проводя опыты так, чтобы только одна или немно гие стороны его проявляли себя ярко, а остальные были бы затушеваны или исключены.

Представьте себе: перед специалистом множество лазерных материалов — кристаллы, стекла раз личного состава, полупроводники. В каждый из них ничто не мешает ввести в виде примеси активные атомы. Выбор этих атомов тоже не мал: не менее полутора десятков редкоземельных элементов — нео дим, лантан, церий, гадолиний европий, лютеций и многие другие. Количество их комбинаций само по себе огромно, если прибавить сюда еще возможные вариации процентного состава, различные способы химической и термической обработки, нетрудно догадаться — выбор практически необозрим.

Остановиться на конкретных вариантах помогает отличное знание физики явлений, а иногда и интуиция. Известно, например, что атомы неодима, когда переходят из возбужденного в обычное состояние, предпочитают отдавать энергию по частям и причем исключительно своим невозбужденным «собратьям». Значит, на образцах с атомами неодима удобно изучать количественные характеристики распада возбужденного состояния, свяванного с кросс-релаксацией.

Атомы другого редкоземельного металла — иттербия, наоборот, стремятся «сбыть с рук» энергию только целик м, и она перзскаки-вает от атома к атому — происходит так называемая миграция энергии по лазерному материалу. Возбуждение при этом не деградирует в тепло, а лишь меняет свой адрес, правда, не бесконечно долго, а лишь до момента, пока это воз буждение не наткнется на какое-либо необычное место в твердом теле (структурный дефект), где энергия сможет выключиться из этой непрерывной скачки, перейдя в другую форму (свет, тепло). Следовательно, для изучения вероятности процесс^ миграции энергии лучше использовать образцы, «нашпигованные» атомами иттербия.

Но вот опыты запланированы. Подготовлены нужные образцы. (Сложное дело, требующее б льшого мастерства, умения вырастить совер шенный кристалл, сварить стекло по точному рецепту, ввести в отмерен ных дозах примеси и измерить их распределение. В иных случаях образец приходилось подвергать дополнительной обработке, например, облучать гамма-квантами или «зака ливать», нагревая до красного каления, а затем охлаждая за считанные секунды в жидком азоте.)

Наступило время собственно самих исследований.

В программу опытов входило определение самых разных характеристик активных лазерных материалов : интенсивности люминесценции в зависимости от различ

ных факторов (тем 1ературы, концентрации, величины внешнего магнитного поля и т. д.), частоты излучения, ширины и формы спектральных линий, рассеяния света на неоднородностях и других.

Аппаратура, использованная гфи исследованиях, включала в себя десятки установок, приборов и приспособлений, объединенных в раз ных сочетаниях в единые комплексы — каждый для проведения конкретной серии измерений. Эти комплексы в зависимости от замыслов ученых порой значительно видоизменялись от опыта к опыту, однако почти всегда в них можно было выделить две основные части. Речь идет прежде всего об источнике энергии, служащем для воз буждения активных атомов в образцах. Его роль могут играть как лазеры (на рубине, арсениде галлия. органических красителях, не одимовом стекле), так и лампы (вольфрамовые или кгеноновые с теми или иными светофильтрами). Вторая же часть — регистрирующая аппаратура. Здесь применялись спектрометры, спектрографы и спектрофотометры, а также фотоумножители, работавшие в режиме счета отдельных фотонов. Очень часто в состав комплекса входила установка для точного поддержания температуры образца. Это тот или иной криостат с автоматическим регулированием, в котором можно задавать и поддерживать с точностью до десятой доли градуса любую температуру (от комнатной до температуры жидкого гелия).

Если еще добавить, что зачастую обработкой результатов опытов занимались ЭВМ, то станет ясным, какой мощный арсенал экспериментальной аппаратуры использовали физики в своей работе.

Исследования, отмеченные премией Ленинского комсомола, продолжались несколько лет. Результаты только той их части, о кото рой мы рассказываем, оформлены в виде довольно пухлого тома. Ко ротко сформулировать общий итог трудно хотя бы потому что итог этот будучи, придерживаясь образного сравнения, камешком в общзй мозаике знаний, сам мозаичзи: он распадается на ряд закономерностей, выявленных в ходе исследований. Прежде всего экспериментально определены взроятиости кросс-релаксации и миграции энергии в зависимости от концентрации ктивиых атомов при разных температурах Установлзно, что скорость миграции анергии по лазерному веществу достигает максимума примерно при температуре жидкого азота (—196°С) Сииж ние скорости миграции при температурах выше и иижз «азотной» объясняет

6