Редко найдется человек, не слышавший слова "лазер". Но не чаще встретишь и того, кто сможет доходчиво объяснить его принцип работы. Со времен первых экспериментов по усилению света при помощи вынужденного излучения (Нобелевская премия по физике 1964 Басову, Прохорову и Таунсу) эти устройства прочно вошли в наш с вами обиход (лазерные указки, лазерные приводы для записи и проигрывания дисков, лазерные принтеры, сканирующий лазер на кассе в магазине и так далее). У кого-то (например, у меня) лазер является активным инструментом для проведения исследований.
Зачем химику лазер? Действительно, лазер, ассоциируемый со световым мечом персонажа "Звездных войн", с трудом вписывается в стереотипный портрет ученого-химика в прожженном халате, с пробиркой чего-то зеленого и дымящегося в руках. Есть химики, которым интересно создавать новые молекулы в буквальном смысле и познавать законы реакционной способности вещества из опыта, изобретать теорию и методологию эмпирического. А есть такие, которых можно сравнить с оператором-документалистом: им хочется подсмотреть и заснять образование химических связей, превращение солнечной энергии в электрическую или как изменяет свою конформацию пигмент родопсин в наших глазах в самые первые моменты взаимодействия сетчатки со светом. Явления этой второй группы происходят в очень короткие промежутки времени - за десятые и сотые доли триллионной доли секунды или еще быстрее.
Приблизительная единица измерения в один "Не Успел Моргнуть Глазом" (1/3 – 1/5 секунды) придется кстати к описанию реакции боксера или пилота Формулы-1. Такие явления можно зафиксировать при помощи фотокамеры с механическим затвором, которая будет "видеть" явление в 10-100 раз быстрее, чем глаз. В нашем химическом примере быстроту происходящих явлений будет более уместно соизмерять с периодом вращения электрона вокруг протона в атоме водорода (1/3·10-15 секунды, для классического атома). Чтобы наблюдать его с подобающим временным разрешением потребуется другой подход. Подход этот в настоящее время один -- использовать ультракороткие импульсы света, создаваемые при помощи лазера. Концептуально понять это можно на простом примере. Представьте себе, что вы сидите в темной комнате, напротив стены, по которой из точки А в точку Б быстро перебегают тараканы, один за другим. Свет в комнате включается и гаснет с определенной частотой (если его включить совсем, то тараканы испугаются, и не будут выбегать вообще), а ваша задача - определить по какому конкретному пути перемещаются тараканы. Ясно, что чем выше частота цикла вкл/выкл света, тем точнее будет определен маршрут насекомого. Вот так и с электронами, только вспышки нужны очень-очень-очень быстрые.
На такое длинное вступление к рецензии вдохновила меня сама книга, о которой я собрался написать – "Фемтосекундные импульсы: введение в новую область лазерной физики", написанная П.Г. Крюковым и вышедшая в 2008 году в издательстве ФИЗМАТЛИТ. Эта небольшая (двести страниц) монография посвящена довольно детальному обзору физики и применений лазеров ультракоротких импульсов. Книга состоит из одиннадцати глав, которые можно разделить на три группы: Главы 1-3, исторический обзор эволюции понятий о свете, достигших своей кульминации в изобретении мазера и лазера. В дружелюбном и увлекательном для читателя стиле автор повествует о самых первых попытках измерить продолжительность времени свечения и скорости света, о драматическом развитии волновой теории и многом другом. Детально и понятно объяснено как работает мазер, предшественник лазера. И, естественно, главный герой всей затеи – сам лазер, которому посвящена третья глава. Характерная черта всей книги, которая проявляется уже вначале, это наличие фактических данных (значения длин волн излучения, энергий, продолжительностей и проч.) и простых расчетов на их основе. Такое чередование конкретных примеров, иллюстрирующих ту или иную идею, идет только на пользу, потому как показывает читателю как самому быстро проводить оценки в уме.
Главы 4-9 посвящены получению, усилению и измерению коротких импульсов света. Чтобы максимизировать удовольствие и пользу от этих глав, читателю необходимо иметь базовые физические знания – представления о явлениях дисперсии и дифракции, интерференции, желательно Фурье-преобразованиях (хотя бы в общем виде) и быть знакомым с понятиями из электроники. Одним словом, это более техническая часть. Некоторые идеи (пассивная синхронизация мод, чирпование, нелинейные эффекты) могут потребовать привлечения дополнительных ресурсов для внесения ясности (Википедии хватит точно). Мне эти главы понравились тем, что в них дается физическая картина того как это все (получение - усиление - измерение) работает, но без навешивания интенсивного математического груза. Именно этой общей картиной эта книга и будет особенно полезна студентам или аспирантам, проходящим формальный курс лазерной физики (как было в моем случае).
Главы 10-11 посвящены применению фемтосекундных лазеров и затрагивают (иногда лишь упоминанием) практически все основные применения в физике и химии. Здесь наиболее удачными, на мой взгляд, послужили разделы посвященные получению аттосекундных (аттосекунда = 1·10-18 секунд) импульсов и прецизионной метрологии (где идет речь о частотных гребенках, "frequency combs").
"Фемтосекундные импульсы" это книга одновременно научно-популярная (по наглядности и стилю изложения) и рассчитанная на специалиста (некоторые идеи требуют специальных знаний). Фемтосекундные лазеры становятся настольными с неимоверной скоростью и находят все большее и большее применение в изучении новых материалов и нанотехнологиях (изрядная доля всей физики нанополупроводников получена спектроскопическими методами). Поэтому ознакомление с этой книгой будет полезно самому широкому кругу читателей.
P.S. Пишите в комментариях, какие книжки по физике лазеров вы нашли полезными, интересными или просто понятными.
