Зажигая лазер в небесах: теория и эксперименты

Правда, лидарные приборы для изучения атмосферы имеют серьезный недостаток. Дело в том, что когерентное лазерное излучение может рассеиваться в обратном направлении только на кристаллической решетке (в твердых телах). А в газах этот процесс невозможен, поскольку запрещен законом сохранения импульса. Обойти это фундаментальное ограничение невозможно, поэтому лидарный мониторинг анализирует рассеянный в обратном направлении некогерентный сигнал, несущий столь малую часть энергии первоначального импульса, что этот метод плохо работает днем (а в ясную солнечную погоду может не работать вовсе), так как полезный сигнал слишком слаб на фоне шума.

Попытки обойти эти ограничения предпринимались неоднократно. Наиболее простой способ лазерного мониторинга атмосферы — создание постоянной оптической трассы, на одном конце которой будет размещен лазер, а на другом — приемник (как вариант — обычное зеркало). Но сделать такое можно не всегда. Другой вариант — схема зондирования атмосферы лидарами и радарами — предполагает, что обнаружение происходит с помощью лазера, излучение которого ионизирует воздух в присутствии определенных химических веществ, а информацию об этом процессе мы получаем посредством радарного СВЧ-излучения, отражаемого созданным плазменным зеркалом. Но и такая схема работает не слишком эффективно, поскольку «зеркало» имеет форму иглы, которая плохо «видна» с помощью радаров.

Но почему бы не создать в атмосфере вместо иглообразного «зеркала»... полноценный лазер? Идея кажется фантастикой лишь на первый взгляд. «На самом деле в определении лазера ничего не говорится ни о каких зеркалах или резонаторах, — говорит заведующий лабораторией фотоники и нелинейной спектроскопии физического факультета МГУ, руководитель группы "Передовая фотоника" Российского квантового центра Алексей Желтиков. — Лазер — это усиление света посредством вынужденного излучения (light amplification by stimulated emission of radiation). Для работы лазера нужна активная среда, в которой можно с помощью накачки создать инверсию населенностей, и если коэффициент усиления будет достаточным, можно создать лазер вообще без резонатора — в однопроходной схеме».

В 1980-х годах ученые в шведском Университете Лунда, изучая процессы горения в двигателях внутреннего сгорания, решили использовать для мониторинга быстро происходящих химических реакций лазерное излучение. К своему удивлению, они обнаружили сильный направленный паразитный сигнал в обратном направлении.

Эксперименты продолжили исследователи Принстонского университета и Техасского университета A&M в 2011 году. Используя титан-сапфировый лазер с импульсами в 100 пикосекунд с длиной волны 226 нм, ученые получили в ответ обратный когерентный лазерный сигнал с длиной волны 845 нм. Активной средой в данном случае выступал кислород, причем накачка происходила довольно экзотически: сначала молекула кислорода, поглощая сразу два фотона, диссоциировала на атомы, а затем атомы возбуждались в результате еще одного двухфотонного поглощения.

«Это былая первая демонстрация концепции "лазера на воздухе", air laser, — поясняет Алексей Желтиков. — Мы потом повторили эти эксперименты, и за счет более узкой спектральной линии в длинном 10-наносекундном импульсе добились повышения мощности обратного сигнала в 300 раз, с 1 нДж до 300 нДж. Но лазер на атомарном кислороде малоэффективен — для действительно эффективного лазера, поджигаемого на большом расстоянии, требуется использовать еще некоторые нелинейные эффекты».

«Луч от маломощного лазера постепенно расходится за счет дифракции, — говорит Алексей Желтиков. — Но достаточно мощное излучение начинает взаимодействовать с молекулами вещества, в котором происходит распространение, "раскачивая" электроны в атомах и молекулах. Поскольку распределение интенсивности излучения по сечению неравномерно — в центре пучка она больше, чем на краях, — на пути пучка создается положительная линза, и возникает так называемый эффект самофокусировки». Диаметр лазерного луча уменьшается, а интенсивность излучения возрастает до тех пор, пока оно не станет вырывать электроны из атомов и молекул. В центре пучка электронов образуется больше, чем по краям, они играют роль отрицательной линзы, как очки, компенсирующие близорукость. Образуется филамент — плазменный канал, вдоль которого распространяется лазерное излучение. В большинстве случаев филаментация вредна: плазма взаимодействует с лазерным излучением, поглощая его энергию и образуя непрозрачную среду. «Так происходит, если использовать длинный лазерный импульс: плазменный фронт бежит навстречу импульсу, поглощая его энергию, — объясняет Алексей Желтиков. — А если импульс короче одной пикосекунды, возникает интересный эффект: лазерный импульс сам прокладывает себе канал, где дифракция компенсируется самофокусировкой, и световой пучок больше не расходится. В таком филаменте могут реализовываться условия, необходимые для лазерной генерации. Это позволит получить лазер на молекулярном азоте в атмосфере, который можно поджигать на гораздо больших расстояниях, чем кислородный атмосферный лазер».

Обычный азотный лазер с длиной волны 337 нм хорошо известен, но в воздухе, кроме азота, содержится еще и кислород, который мешает созданию инверсии населенностей молекул азота. Обойти это можно, например, повысив давление или увеличив длину волны. Последний подход, по словам Алексея Желтикова, гораздо более перспективен, поскольку позволяет создать дистанционно поджигаемый лазер в атмосфере, закачать в активную среду гораздо больше энергии, значительно повысив эффективность генерации обратного сигнала: «Но пиковая мощность импульса в лазерном филаменте ограничена порогом самофокусировки, увеличивающимся пропорционально квадрату длины волны лазерного излучения. Обычно эксперименты по филаментации выполняются с помощью титан-сапфировых лазеров, генерирующих излучение с длиной волны 800 нм. На этой длине волны пиковая мощность импульса в атмосферном филаменте порядка 10 ГВт. При увеличении пиковой мощности лазерный пучок становится неустойчивым — образуется не один филамент, а много. Для решения задачи в Российском квантовом центре создан уникальный лазерный источник, способный генерировать фемтосекундные импульсы на длине волны 4 мкм с пиковой мощностью свыше 300 ГВт. В создании этой установки ключевую роль сыграло наше многолетнее сотрудничество с группой Андрюса Балтушки из Венского технологического университета. Построив такой лазер, нам удалось впервые наблюдать явление филаментации в атмосфере уже не в ближнем, а в среднем инфракрасном диапазоне, на длине волны 4 мкм. Эксперименты подтверждают, что за счет увеличения длины волны можно значительно повысить энергию лазерного импульса в филаменте, тем самым значительно увеличив эффективность лазерной генерации на молекулах азота, возбуждаемых в филаменте. То есть активная среда для атмосферного лазера у нас уже есть, причем, видимо, самая эффективная из возможных — в области еще больших длин волн атмосфера становится непрозрачна для излучения из-за поглощения углекислого газа, так что дальнейшее увеличение длины волны не приведет к большему увеличению энергии импульса в атмосферном филаменте. Остается решить последнюю проблему — обеспечив дополнительную накачку (подогрев) этой активной среды с помощью СВЧ-излучения или дополнительного лазера, получить обратный лазерный импульс прямо в атмосфере».