В ФИАНе

А.М. Прохоров и его давнишний сотрудник А.И. Барчуков со свойственной им острой способностью находить новые возможности в теориях и разработках применили зеркальную линию в своем лазере. Этот лазер, использующий углекислый газ, работает в инфракрасном диапазоне на волне около 10 микрон. Такие лазеры способны генерировать большие мощности, но их длина зачастую превышает 100 метров. Для экономии места их обычно "складывали" из отдельных отрезков, так что резонатор лазера содержал большое количество зеркал. Это ухудшало качество резонатора, сильно затрудняло его юстировку и делало его чувствительным к толчкам и другим внешним воздействиям.

Прохоров и Барчуков решили заменить резонатор оптической линией, образованной специальными зеркалами. Чтобы добиться этого, достаточно убрать крайние зеркала, придававшие прежним конструкциям свойства резонатора. Конечно, лазер терял способность генерировать. Он превращался из оптического квантового генератора в оптический квантовый усилитель.

Но именно этого и добивались Прохоров и Барчуков. Они направили в такой усилитель излучение сравнительно маломощного, но высококачественного лазера того же типа. Его длина составляла всего около трех метров. Он очень надежен и устойчив. Длинный усилитель, воспринявший все преимущества квазиоптической линии перед резонатором, оказался весьма надежным и удобным. Ведь он отличался от обычной зеркальной линии только тем, что между ее зеркалами помещены трубки с углекислым газом, возбуждаемым электрическим разрядом. Благодаря остроумной находке Прохоров и Барчуков сумели "уложить" свой огромный лазер на "этажерке", легко помещающейся в одной из самых маленьких комнат их лаборатории.

Одно из оригинальных применений квазиоптических методов разработала Наталия Александровна Ирисова в лаборатории, руководимой Прохоровым. Она поставила перед собой задачу создания метрики в почти не освоенных диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. В этих диапазонах измерительные методы классической радиотехники полностью теряют силу просто из-за того, что размеры волномеров, измерительных линий и других приборов и деталей, необходимых для реализации измерений, становятся чрезмерно малыми. Столь малыми, что их очень трудно изготовить с необходимой точностью. Но даже если они были бы изготовлены, их применение неэффективно. Требуется слишком точная настройка - юстировка, как вслед за оптиками говорят радиофизики, проникшие в эту пограничную область.

Добротность объемных сверхминиатюрных резонаторов становится недопустимо малой. Одним словом, попытка ограничиться простым изменением размеров при сохранении общих принципов не приводит ни к чему хорошему.

Именно здесь, в диапазоне, лежащем между царством оптиков и государством радистов, естественно развивать квазиоптические методы, создавать специфические аналогии оптических приборов. Однако то, что уже сделано для диапазона сантиметровых волн, здесь не годилось. Не существовало подходящих прозрачных материалов для изготовления хороших линз. Не из чего было создать полупрозрачные зеркала для интерферометров. Все приходилось начинать сначала. Основным элементом большинства приборов Ирисовой стали сеточки, образованные тончайшими металлическими проволочками. Они столь тонки, что рамки, на которых они натянуты, кажутся пустыми. Сеточки прозрачны для света потому, что между проволочками толщиной всего в несколько десятков микрон оставлены такие же промежутки. Эти промежутки прозрачны и для радиоволн, с которыми работает Ирисова, прозрачны для тех волн, которые поляризованы поперек проволочек. Стоит повернуть сеточку на четверть оборота, и она будет отражать эти волны так же хорошо, как если бы она была сделана из сплошного металла. В этом случае радиоволна возбудит в проволочках электрические токи, которые погасят падающую волну и породят идущую обратно отраженную волну.

Если же сеточка повернута так, что проволочки идут в некотором промежуточном направлении, она частично отразит, а частично пропустит падающую на нее волну. Так простая сеточка работает в качестве управляемого делителя мощности.

Взяв две параллельные сеточки, Ирисова создала резонатор, субмиллиметровый аналог оптического интерферометра Фабри - Перо, позволяющий удобно и точно мерить длину падающих на него волн. Здесь не место описывать все придуманные и осуществленные ею и ее сотрудниками квазиоптические детали. На их основе создан спектроскоп, параметры которого существенно превосходят характеристики всех известных отечественных и зарубежных приборов, построенных на основе традиционных деталей.

Ирисова и ее сотрудники не только творцы этих замечательных приборов, но и первые их потребители. Они уже применяют свои приборы в исследовательских целях и получили много новых интересных данных о свойствах различных веществ в осваиваемом ими диапазоне. Диапазоне, куда они проникают со стороны радиоволн и где они все чаще и чаще встречают лазеры.

Большинство особенностей зеркальных и линзовых линий связи, как, впрочем, и способность открытого резонатора удерживать внутри себя энергию световых волн, можно усмотреть из существования каустических поверхностей. Так называются воображаемые поверхности, отличающиеся тем, что их касаются все лучи, проходящие через пару линз или идущие от одного зеркала к другому. Такие поверхности можно заметить уже в геометрических построениях Гюйгенса и Декарта.

Если все лучи света касаются какой-либо поверхности, значит ни один из них не пересекает ее. Значит, свет не проходит сквозь поверхность, даже если она и является воображаемым геометрическим образом. Это и есть та открытая стенка открытого резонатора или открытой оптической линии, о которой столько раз говорилось выше. Но рассуждения геометрической оптики, верно описывающие ситуацию в общих чертах, не могут объяснить ни причину возникновения каустик, ни реальное распределение электромагнитного поля вблизи каустики. Волновая теория может. Она показывает, как каустики возникают в результате взаимодействия (интерференции) волн, отраженных от поверхности зеркала или прошедших сквозь линзу, и волн, дифрагировавших на ее границе.

Квазиоптические методы расчета, являющиеся сочетанием волновых и геометрических методов, позволяют проследить за этим во всех подробностях. Почувствовать, как формируется реальная незримая граница открытого резонатора. Граница, вблизи которой интенсивное поле, существующее внутри резонатора, плавно, но очень быстро убывает до нуля. То же самое происходит и вблизи незримых боковых поверхностей, ограничивающих открытые линии передачи. Квазиоптические методы лишь недавно проявили свою мощь в видимом и инфракрасном диапазоне световых волн. Квазиоптические детали и устройства все шире применяются в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Квазиоптика приобрела широкие права гражданства, и приставка "квази" ни в коей мере неспособна умалить приносимую ею пользу.

Так имя Квазимодо, ставшее среди мещан и снобов символом устрашающего уродства, вызывает в памяти вдумчивого читателя представление о душевном благородстве, о непоколебимом самопожертвовании во имя высокой любви.

Думаю, соединив латинское "квази" с французским "модо", Виктор Гюго хотел сказать, что такие характеры не типичны для его времени.

Заключение. Цепь времен

Цепь! Пожалуй, ни одно изображение не получило столь разнообразных применений. Добрых и злых, служащих насущным потребностям и мимолетным капризам. Впрочем, почти то же самое можно сказать и о веревке, о которой не принято говорить в некоторых домах. Но она же спасла жизнь не одному альпинисту. И нужно самому побывать в горах для того, чтобы понять, как через гибкую веревку смельчак, поднимающийся первым, чувствует поддержку товарища, стоящего внизу. Века и века человечество жило с оглядкой на античных мудрецов. Их творения верно служили потомкам, поддерживая их постепенное движение по путям прогресса, как кованые цепи удерживают подвесной мост. Но бывали времена, когда античные каноны превращались в злые цепи, сковывавшие мысль людей. И нужны были героические усилия, иногда и жертвы, для того, чтобы порвать эти цепи, отбросить их и через период Возрождения вырваться на простор нового времени. Войти в эпоху, жизнь которой все больше и больше определяется не деяниями одиночек, а творчеством масс. Так постепенно выковываются новые связи, сплачивающие каждого со всеми, дающие опору передовикам, уверенность отставшим, беспредельную мощь человечеству. Каждый может подтвердить сказанное множеством примеров из своего личного опыта, из рассказов бывалых людей, из уроков истории. В моем воображении связь поколений лучше всего материализуется развитием науки и техники с присущей им сменой бурных взлетов, стремительных скачков и периодов застоя.

Один из выдающихся мудрецов древности, Герон Александрийский, описал много приспособлений, использующих силу пара. И для забавы, и для открывания тяжелых врат храмов. Понадобилось семнадцать веков, чтобы возникли условия, потребовавшие привлечения пара в помощь громоздким водяным и ветряным двигателям. Не удивительно, что именно там, где потребность была особенно острой, - в промышленных районах Урала и Британских островов, - родились первые паровые машины, работавшие автоматически, без участия человека.

Паровая машина вызвала промышленную революцию. Это знает каждый. Она породила и новую область науки - термодинамику. Переход от феодальных отношений и мануфактурного производства к капитализму - несомненное следствие появления паровой машины. За сотню лет мощность паровой машины возросла от пяти лошадиных сил до двадцати тысяч, ее экономичность увеличилась почти в сто раз. Она породила гигантские паровые турбины, пароструйные насосы и паровые молоты. Ее потомки не сдают позиций перед электричеством. Они заключили союз с атомом. Ведь пока ни одна атомная электростанция не обходится без паровых турбин. И не так уж важно, что в некоторых из этих турбин работают не пары воды, а пары натрия или других веществ. Трансмиссия... Я спрашивала многих своих знакомых о значении этого слова. Большинство из них отвечали, что это техническое наименование коробки переключения скоростей автомобиля - коробки передач. Только немногие вспомнили, что в оные годы трансмиссией называлась громоздкая система передачи от двигателя к станкам и машинам. Главной частью трансмиссии был длинный вал, укрепленный под потолком цеха. Широкие кожаные ремни, сшитые в кольцо, соединяли шкивы, укрепленные на трансмиссии со шкивами, вращающими станки. Особенно толстый и широкий ремень соединял таким же образом трансмиссию с паровой машиной, а позже с большим электромотором, обслуживающим целый цех.

Но трансмиссия существовала задолго до начала века пара. Она соединяла нехитрые станки первых мануфактур с водяными двигателями. Сколько увечий и смертей вызваны ее ремнями!

Вторая промышленная революция, совершенная электричеством, привела к изгнанию трансмиссий из цехов. Паровая машина оторвала фабрику от реки. Дешевый и надежный электромотор вытеснил трансмиссию. Ее заменил индивидуальный электропривод.

Но электричество не ограничивалось одной победой! Оно внедрилось в святая святых промышленного производства. Пар давал только механическую силу. Все остальное в существенной мере оставалось старым - резцы, сверла, пилы. Электричество стремится вытеснить и их. Электрическая искра режет, сверлит и полирует. Электрический ток выделяет алюминий и другие металлы из минералов, вырабатывает удобрения и азотную кислоту из воздуха, освещает улицы и дома, охлаждает помещения и продукты.

И вот электричество породило лазер. Яркий луч лазера сразу привлек всеобщее внимание. Не века, как в случае пара, не столетие, пролегшее между элементом Гальвани и первым электромотором, немногие годы понадобились ученым и инженерам, чтобы приобщить лазер к трудовой жизни, перевести его из лаборатории в цех, на строительную площадку, на телефонную станцию, на корабль, самолет, в космос. В то время когда я писала свои первые книги о создателях квантовой электроники - "Безумные" идеи" и "Превращения гиперболоида инженера Гарина", - американские физики состязались в остроумии, давая шуточные толкования слова "мазер".

Вместо исходной фразы "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", означающей "усиление микроволн при помощи вынужденного испускания", появились такие, как "More Applied Scientists Eat Reqular" ("больше ученых-прикладников едят регулярно") или "Military Application Seem Extremely Remote" ("военные применения кажутся крайне отдаленными"), и некоторые другие. И вот последняя фраза вдруг грозно изменилась. Вместо слова "Remote" появилось "Real", которое в этом контексте означает "реально".

В некоторых зарубежных странах в ряде периодических изданий, посвященных не науке и технике, а политике и экономике, в 1970 году в различных вариантах появилось сообщение, смысл которого сводился к следующему: "На полигоне штата Невада лазерным лучом сбит самолет". Атомное ядро вышло из стен лаборатории 16 июля 1945 года и заявило о себе зловещей вспышкой на полигоне в штате Нью-Мексико. Не прошло и месяца, как по воле крайних реакционеров из состава американской правящей верхушки, без всякой военной необходимости, в угоду новой ядерной дипломатии две ядерные бомбы унесли множество жизней в Хиросиме и Нагасаки.