Техника - молодёжи 1989-02, страница 20

Рис. 1. Поворот фронте луча.

пространения луча без уширения ©д~ Лп.

Осталось выяснить, как зависит Дп от мощности лазера Р, и получим полное представление об условиях сходимости пучка. Простейший тип нелинейности среды — прямая пропорциональная зависимость Дп от Р. Только не будем забывать, что пучок — неоднороден. Удобней говорить не о его мощности, а о плотности потока мощности l = P/S, где S =лг² — площадь сечения пучка. Тогда Дп пропорционально этой величине с каким-то коэффициентом А:Дп=А1. Физический смысл А прост — это показатель степени нелинейности данной среды — чем он больше, чем ярче выражены нелинейные свойства вещества, тем резче меняется его п под действием Р, тем сильнее самофокусировка.

Будем считать, что ©н скомпенсирует ©а, когда мощность луча превысит некоторую критическую величину Ркр. Тогда, подставляя в равенство ©н =©д известные нам теперь значения, получим после простых преобразований формулу для этой критической величины: Ркр =Рк.²/4А.

Вот теперь мы имеем количественную оценку явления и можем определить условия, при которых дифракционная расходимость лазерного луча будет компенсироваться нелинейной сходимостью, то есть получится самофокусировка. Оказывается, диаметр луча здесь вообще не имеет значения, зато очень много зависит от длины волны. Самофокусировки легче добиться при малых длинах волн и, само собой, в средах с резко выраженной нелинейностью.

Теперь понятно и то, что произойдет, если мощность лазера превысит критическую: его пучок

несколько сантиметров. А известный американский физик Ч. Таунс показал, что еще до работ Пили-пецкого и Рустамова были замечены следы разрушений в твердых телах, оставленные движущимися фокусами, хотя тогда эти явления были совершенно непонятными.

Итак, проблема решена, предсказания подтверждены. Уважаемые читатели, разрешите поздравить вас с открытием лазерной самофокусировки и пожелать вам дальнейших творческих успехов!

станет уже не параллельным, а начнет сжиматься к оси, сечение уменьшится, плотность потока мощности подскочит вверх, коэффициент преломления среды еще более увеличится, что, в свою очередь, еще сильнее сожмет пучок.... Таким образом, стоит лишь мощности лазера превысить Р_кр , как его пучок любого диаметра, пройдя определенное расстояние, соберется в точку, в фокус, схлоп-нется. Это расстояние Ц , как мы видим на рис. 2, равно г/©н, и если подставить известное нам

значение ©и =^/An=VAP/S, получим L_t =r²VAP/S. А это значит, что при увеличении мощности лазера фокус будет перемещаться к нему все ближе. Скорость такого движения может быть огромной, даже сверхсветовой, в чем тоже легко убедиться с помощью последней формулы. Разумеется, это не парадокс, потому что движется не материальное тело, а только место встречи световых лучей.

Вот сколько всего можем мы уже предсказать, получив лишь пару простейших формул, вот чем отличается открытие от догадки. Но и это не все. Поскольку размеры фокуса сравнимы с длиной волны К, в столь ничтожном объеме плотность потока мощности возрастет в сотни миллионов раз, а значит, молекулы и атомы среды разрушатся, образуется плазма, сконцентрированная в ней энергия будет высвобождаться из малого объема. Можно предполагать, что сопутствующие этому яркие световые эффекты прежде всего обнаружатся при экспериментальной проверке наших предсказаний...

Так и случилось на самом деле. Н. Ф. Пилипецкий вместе с А. А. Рустамовым, первыми поставившие эксперимент по лазерной самофокусировке в жидкости (МГУ, 1965 г.), увидели в ней тончайшие светящиеся нити длиной в

Рис. 2. Три «способа поведения» лазерного луча в среде, коэффициент преломления которой увеличивается под действием мощного светового пучка (таковы сероуглерод, толуол и т.* п. жидкие диэлектрики). В ней возникает своеобразный волновод, стремящийся «сжать» луч к оси, сфокусировать его. Фокусировка тем сильнее, чем больше мощность луча Р.

Если Р меньше Ркр (некоторой критической мощности), лучу не удается преодолеть дифракционную расходимость, и он все же рассеивается, хотя и в меньшей степени, чем в пустоте (а,б).

Если Р равно Р_К(1, расходимость точно скомпенсирована нелинейной подфоку-сировкой и луч строго параллелен^).

Если Р больше Рк,, фокусировка преобладает над расходимостью и луч, пройдя определенное расстояние, нахлопывает-ся» в фокус^г).

ОТКРЫТИЕ. НО ЭТО ОЧЕНЬ ТРУДНО!

А теперь вернемся к реальности. Надеюсь, многие «авторы открытия» уже догадались, что в жизни путь к открытию был гораздо сложнее. Как это обычно и бывает, рассуждения удалось «спрямить» и «сгладить» только задним числом при уже известном результате.

Всякая идея, прежде чем материализоваться хотя бы в журнальной статье, какое-то время «носится в воздухе». Так было и с идеей самофокусировки. Но чтобы заговорить о ней сколько-нибудь серьезно, надо было рассчитать конкретный механизм нелинейно

2 «Техника — молодежи» № 2