образом, дробится на мелкие беспомощные порции.
Чтобы бороться с явлением, надо понять его. Что же происходит в кристалле или стекле при генерации? И физики снова мысленно оценивали каждую деталь лазера. Все знакомо, все тысячи раз ощупано...
В обычном состоянии активные ионы, обеспечивающие работу лазера, — ионы хрома в рубине или ионы неодима в стекле — находятся в основном энергетическом состоянии. Весь активный элемент пребывает в тепловом равновесии с окружающей средой.
А после начала вспышки импульсной лампы накачки? Активные ионы поглощают ее свет и постепенно во все возрастающем количестве переходят в возбужденное состояние.
Все это тоже было хорошо известно. Известно и то, что, как только число возбужденных ионов достигнет определенной величины, называемой порогом возбуждения, в лазере начнется генерация — лавинообразное возрастание числа фотонов. И генерация эта вызвана дружным переходом массы возбужденных ионов обратно в основное состояние. Как только вследствие испускания фотонов количество активных ионов станет недостаточным для поддержания генерации, генерация прекратится. Только под влиянием света ламп накачки может начаться новое увеличение числа активных ионов. Как только вновь будет достигнут порог генерации, возникнет излучение следующего пичка и так далее — до угасания вспышки лампы накачки.
Долго ученые пытались форсировать режим ламп накачки. Но, увеличивая энергию ламп накачки, удавалось увеличить лишь количество отдельных пичков, но не мощность каждого из них.
Тогда, может быть, попытаться изменить сам процесс генерации?
Хеллворс решил попытаться достичь цели, добившись увеличения числа возбужденных ионов к моменту начала генерации, подняв порог возбуждения лазера. Он знал, что величина порога возбуждения зависит от многих причин, прежде всего от свойств активных ионов, длины активного элемента и отражающей способности зеркал. От тех же характеристик лазера зависит и мощность отдельного пичка. Он понимал, что самый простой способ — уменьшить коэффициент отражения одного из зеркал. При этом действительно, прежде чем лазер начнет генерировать, в активном веществе должно накопиться большее число возбужденных ионов, чем в случае, когда оба зеркала отражают хорошо.
Но запасти большую энергию к началу генерации недостаточно для того, чтобы она полностью превратилась в излучение лазера. Малый коэффициент отражения выходного зеркала увеличивает не только порог, после которого начинается генерация, но и вызывает ее прекращение при большем запасе не высветившейся энергии. Итак, простой путь ведет в тупик.
Но Хеллворс нашел выход. Нужно, решил он, суметь быстро менять отражающую способность зеркала. Пусть она будет плохой до начала генерации и хорошей после того, как генерация началась. Можно заслонять зеркало не отражающим затвором и затем в нужный момент открывать его. Можно перед началом работы ламп накачки отклонять зеркало от правильного положения и возвращать в нужное положение лишь тогда, когда в активном веществе накопится достаточное количество возбужденных ионов.
Результаты первых же опытов превзошли все ожидания. Между выходным стержнем и зеркалом поставили затвор. Он открывался в тот момент, когда энергия, запасенная в активном веществе, достигала максимума. Неизвестно, ожидал ли Хеллворс увидеть то, что произошло в момент открытия затвора.
Не было ничего похожего на привычную работу лазера. Вся энергия, запасенная в активном стержне, выплеснулась в одном импульсе излучения. Хеллворс назвал его гигантским. Мощность излучения в импульсе превзошла десять миллионов ватт! Удивительной была и длительность импульса. Он продолжался лишь несколько стомиллионных долей секунды. И он был один. Хаотические пички не появлялись. В корне изменился весь процесс генерации.
Один из моих знакомых физиков в таких случаях говорит: «Был бы факт, а объяснение найдется».
Вот как объяснил своим коллегам возникновение гигантского импульса в лазере удачливый Хеллворс:
«Для генерации лазера необходимо одновременное наличие двух факторов — активное вещество должно быть возбуждено, а резонатор должен обеспечивать достаточно сильную обратную связь, чтобы при доступном уровне возбуждения был достигнут порог самовозбуждения. Радиолюбитель увидит в этом много общего с условием самовозбуждения обычного лампового генератора. Возбужденный активный стержень, подобно радиолампе, поставляет в генератор энергию. Зеркала, образующие оптический резонатор, подобно катушке обратной связи, заставляют электромагнитные волны многократно циркулировать в системе, причем каждый замкнутый цикл сопровождается усилением, увеличением энергии волны.
В случае лазера, имея в виду энергию электромагнитной волны, удобнее говорить о числе фотонов, пролетающих через сечение активного стержня. Если условие самовозбуждения выполнено, то с каждым пролетом через стержень происходит лавинообразное увеличение числа фотонов. Очень важно, что скорость развития этой лавины не остается постоянной, а все возрастает по мере увеличения числа фотонов. Еще Эйнштейн определил это такими словами: вероятность испускания фотона под влиянием световой волны пропорциональна плотности энергии в этой волне. Но, пользуясь терминологией радиоинженеров, можно, говоря о качестве оптического резонатора, оценить его понятием добротности. Хороший резонатор имеет большую добротность, плохой резонатор — малую добротность. Если резонатор образован двумя хорошими зеркалами, его добротность велика. Закройте одно из зеркал, и резонатор перестанет существовать, его добротность упадет до нуля, обратная связь в лазере прекратится. Генерация не возникнет.
— Итак, —
В отличие от только что описанного режима свободной генерации в режиме управления добротностью активное вещество запасает в себе большую энергию. В момент включения полной добротности резонатора порог самовозбуждения оказывается превзойденным в несколько раз. При этом лавина самовозбуждения развивается так быстро и так интенсивно, что в одном-единственном импульсе высвечивается практически вся энергия, запасенная в веществе. Его возбуждение срабатывается не до порогового значения, а практически до нуля. Вещество разом освобождает всю энергию, запасенную им в процессе накачки. Вот и все. Я изложил вам условия игры. Игры в гигантский импульс».
Ученые многих стран включились в нее. После пионерской работы Хеллворса они начали совершенствовать методы генерации гигантских импульсов. Работа шла в двух направлениях: одно — совершенствование методов управления добротностью и второе — разработка материалов и конструкций, способных запасать большую энергию, поступающую от ламп накачки.
Было предложено и испытано множество различных методов управления добротностью. Жизнеспособными оказались три. Только они могли совместить быстродействие, надежность и малую величину потерь энергии в самой системе управления.
Теперь уже трудно сказать, кто предложил наиболее простую и достаточно эффективную систему с вращающейся призмой. То была изящная и легко выполнимая конструкция. В ней стеклянная призма, две грани которой перпендикулярны и равны друг другу, заменяет собой одно из зеркал. Призма вращается при помощи маленького моторчика со скоростью нескольких десятков тысяч оборотов в минуту. Генерация возникает после включения ламп накачки в тот момент, когда передняя грань призмы в первый раз станет перпендикулярно оси резонатора. Обычно поджог ламп накачки осуществляется автоматически и связан с
