6. Через тернии к квантам

                Если вы думаете, что, поступление в аспирантуру прямиком вело к
                занятиям наукой, то немного ошибаетесь. В общем и целом – да, но
                далеко не сразу, и уж точно не на первом курсе. Потому что на
                пути к цели хоть уже и не было трёх прошлых потенциальных
                барьеров, но вязкой сопротивляющейся и замедляющей кинетической
                движение средой стали некоторые другие занятия…   
               
Аспирантура – тоже учёба, только предметов меньше. В учебном плане их было всего два: английский язык и философия. Но малое число названий с лихвой восполнялось количеством учебных часов. Философия отнимала 8 часов в неделю, английский и того больше – три занятия по две пары, всего двенадцать. С учётом некоторых обстоятельств последняя цифра напрягала весьма неслабо.

О чём речь?
Накануне экзамена по английскому нужно было назвать журнал для письменного перевода. На слуху у выпускника провинциального ВУЗа был только один – знаменитый «Physical Review». На вопрос, какую часть выбрать, «А» или «В», я пожал плечами и ответил: «Какая разница, давайте «А». А сам решил сходить в библиотеку Академии наук, хотя бы глянуть на эти журналы.

Стеллажи в читальном зале стояли, что не удивительно, по алфавиту, на первом из них выделялись не очень толстые журналы в ярко-красной обложке.
– О, «Applied Physics Letters», как интересно! – подумал новичок, отсчитал (как показалось) 2500 знаков, и сел за перевод со словарём. 
Справился за 50 минут, обрадовался и спокойно уехал домой – до экзамена была ещё неделя.

А через неделю стало грустно. Кто-нибудь знает, что такое Phys. Rev. part A?
Вот и я не думал, что это – теоретическая физика. Содержание предложенной статьи и по-русски было не понять, и как переводить, когда не знаешь смысла, а синонимов в словаре полно? К тому же объём оказался примерно на четверть больше, чем ожидалось.
В общем, «влип очкарик» основательно, и последние слова, когда лист уже забирали из рук, писал, не думая: transparent = транспарант, brilliant = бриллиант, silicon = силикон и т.п.

Спасло от провала то, что зачитывать перевод пришлось последним. Примерно к середине текста уставшие от бесед с предшественниками экзаменаторы начали переглядываться и улыбаться, затем засмеялись, а когда дело дошло до «транспарантов» – смех перешёл в гомерический хохот.
Переведя дух и вытерев слёзы, председатель комиссии спросил:
– Молодой человек, какая отметка у вас по специальности?
– Пятёрка, – ответил я с тихой гордостью и смутной надеждой.
– Хорошо, тогда переходите ко второму вопросу.

В итоге мне поставили «три пишем – два в уме», но, как выяснилось потом, вместо «начинающей» группы, в которой готовили к сдаче кандидатского минимума полтора года, зачислили в «продвинутую», полугодичную, с теми самыми шестью парами в неделю. Коллегами по группе оказались три уже работающих в академии мэнээса, и первый месяц я вообще постоянно переспрашивал, что это они так бодро обсуждают с преподавателем. Подготовка к занятиям занимала едва ли не больше времени, чем сами учебные часы: объёмы заданий были внушительными и со временем возрастали, через три месяца нужно было бегло переводить любой отрывок из заданного на неделю текста объёмом в миллион знаков. Если кто не в курсе: миллион знаков вы увидите, расстелив газеты на весь пол комнаты площадью 20 квадратных метров.

Философия напрягала меньше, да и во многом повторяла уже пройдённое в институте, но сэкономить время не удавалось: сачковать с занятий нам категорически не рекомендовали, ведь впереди – сдача кандидатского минимума.

Теперь вы понимаете, что времени на работу в лаборатории оставалось мало, и уходило оно в основном на подготовку установки для новых экспериментов. Знакомство с рубиновым лазером продолжилось на новом уровне.

Читатель, возможно, помнит разговор о светлячках, которые одновременно прыгают с полочки. А сейчас мы поговорим об атомах в кристалле.
«Полочка» (возбуждённое состояние, метастабильный уровень) у каждого атома своя, и попадает он туда, поглотив квант света – фотон от лампы накачки. Спрыгивая с «полочки», каждый атом излучает новый фотон. Двигаясь в кристалле, этот фотон взаимодействует с другими атомами, находящимися в возбуждённом состоянии, вызывая их переходы вниз, в основное состояние с испусканием новых фотонов, и этот процесс нарастает лавинообразно. Такое инициированное излучение называется вынужденным, в отличие от самопроизвольного – спонтанного, которое обусловлено коротким временем нахождения в возбуждённом состоянии.

Очевидно, что интенсивность вынужденного излучения будет тем больше, чем больший путь проходят фотоны в кристалле, а самый длинный путь – вдоль стержня. И его можно сделать многократно длиннее, используя отражение от зеркал, что мы с вами уже видели на схеме в одной из предыдущих частей.

Но очевидно и другое: лавины вынужденного излучения в такой конструкции лазера будут образовываться случайным образом в течение почти всего времени работы лампы накачки, а точнее, в течение времени, когда интенсивность её излучения позволяет забросить на «полочку» больше атомов, чем их остаётся внизу, иначе говоря – достаточна для создания так называемой инверсной заселённости.  Поскольку время вспышки лампы в большинстве случаев составляет сотни микросекунд, такого же порядка будет и длительность лазерного импульса, а образование множества лавин приведёт к тому, что в течение этого времени интенсивность излучения будет сильно изменяться.

Говорят, что такой лазер работает в режиме свободной генерации. Картина изменения интенсивности в таком режиме носит «пичковый» характер и на экране осциллографа выглядит так, как на рис. 1.
Здесь плавная кривая отображает интенсивность импульсной лампы, а хаотически расположенные на ней пички – интенсивность лазерного излучения.

Однако, такой режим в силу его хаотичности мало подходит, скажем, для исследования тонких эффектов при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, поэтому в своё время встала задача: как из многих неупорядоченных и относительно слабых пичков, растянутых во времени сделать один импульс, собрав в него всю излучаемую энергию?

Для этого нужно вспомнить, что пички свободной генерация вызываются спонтанными фотонами, распространяющимися вдоль оси между зеркалами резонатора и вызывающими вынужденное излучение возбуждённых атомов.
Значит, чтобы пичков не было, а количество возбуждённых накачкой атомов нарастало, нужно запретить фотонам гулять вдоль оси резонатора до момента, когда инверсная населённость максимальна, а потом дать отмашку «На старт!» Тогда все они соберутся в один импульс, называемый «гигантским» или моноимпульсом. Такой способ получения моноимпульса называется модуляцией добротности. 

Как это сделать?
Очевидный приём – поставить в резонаторе непрозрачную шторку с приводом, например, электромагнитом, который убирает её в нужный момент.
Однако, вспомним, что характерные времена развития генерации – около одной десятитысячной секунды, и поймём, что такая механика на это быстродействие не способна.

Более реальный «механический» способ – вращение одного из зеркал резонатора вокруг перпендикулярной оси. При этом генерация будет возникать только в момент, когда зеркала параллельны. На рис. 2 изображены два момента: первый: зеркала не параллельны - генерации нет, и второй: зеркала параллельны, есть генерация.

Вместо зеркала в реальных устройствах используют 90-градусную призму, которая не требует юстировки в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения: луч, попавший в неё, отражается обратно параллельно себе самому (рис. 3)

Но более эффективным является способ получения моноимпульса, основанный на управляемом вращении плоскости поляризации излучения.
Для этого в резонатор вводят два дополнительных элемента.
Один из них (электрооптический затвор) при подаче запирающего электрического напряжения разворачивает плоскость поляризации, а другой (поляризатор), подобно повёрнутому зеркалу на нашем рисунке выше, обеспечивает выброс излучения с развёрнутой плоскостью поляризации из резонатора, что создаёт потери (рис. 4)

При быстром сбросе напряжения с затвора потери резко уменьшаются и возникает гигантский импульс (рис.5). Длительность импульса в такой схеме значительно меньше, чем в механической, и сокращение может достигать десятков тысяч раз.

Все эти премудрости по ходу сборки моноимпульсного рубинового лазера и пришлось постигать свежеиспечённому аспиранту параллельно с изучением английского и философии. А впереди явственно вырисовывалась перспектива надеть погоны…   

Продолжение здесь:
http://stihi.ru/2021/03/02/5916