Лазерными пулями теперь действительно можно стрелять

Еще великий шотландец Джеймс Клерк Максвелл, создавший математическую теорию электричества и магнетизма, показал, что свет – электромагнитная волна. В каждой точке пространства, по которому проходит свет, идет беспрерывное превращение электрического и магнитного полей друг в друга – перемены в магнитном поле порождают меняющееся электрическое, а меняющееся электрическое, в свою очередь, порождает поле магнитное; получается самоподдерживающийся процесс.

Бежит эта волна со скоростью до 300 тысяч километров в секунду, а длина ее может быть какой угодно – от мельчайших долей нанометра для рентгеновских и гамма-лучей до метров и километров в радиоволновом диапазоне. Поверхность, на которой в данный момент лежат гребни всех колебаний, называется фронтом волны, а привычные для наших представлений «световые лучи» – это просто линии, перпендикулярные фронту.

Учебники по физике обычно ограничиваются рассмотрением самых простых световых волн – плоских и монохроматических. В переводе с физического языка на общечеловеческий это значит, что фронты всех волн – плоскости, так что все лучи параллельны друг другу, а колебания происходят с одной-единственной частотой (и длиной волны). Для плоских монохроматических волн решать уравнения Максвелла проще простого, потому учебники так и любят упоминать о них в главе об электромагнитной природе света.

По волнам, да по плоским

Как это часто случается с физическими моделями, плоские монохроматические волны хороши всем, кроме одного: совершенно не встречаются в природе. Хотя бы по той причине, что они должны быть бесконечно широкими в пространстве и бесконечно долгими во времени, так что и энергия этих волн будет бесконечной.

Реальные же световые потоки – сложнейшие конфигурации непонятно как меняющихся электрического и магнитного полей. К счастью, их можно представить в виде суммы многих плоских и монохроматических волн. Правильно подобрав направление лучей и длины волн (частоты), а также их взаимные фазовые сдвиги, можно описать любое свободное электромагнитное поле. В классической физике такое разложение называют Фурье-анализом; в квантовом случае можно говорить о частотах и направлениях фотонов, из которых поле состоит.

От подобных разложений не было бы много толку – какая разница, решать уравнения Максвелла для одной сложной конфигурации полей или для миллиарда простых – если бы не тот факт, что свойства многих физических сред, в которых распространяются волны, универсальны для всех волн заданной частоты. Кроме того, реально существующие генераторы электромагнитных волн – например, возбужденные атомы – рождают как раз фотоны со строго заданной частотой.

Расхождения в длину и ширину

Одной из величин, которая определяется длиной волны, является скорость света. Это только в вакууме она универсальна для всех волн и равна 300 тысяч км/с, а во всех реальных средах она меньше, да еще и зависит от частоты. Эта зависимость называется дисперсией, то есть «разбреданием» волн.

Долгое время физики думали, что дисперсия никогда не позволит создать сгустки световой энергии, которые можно было бы отправлять на большое расстояние – «световые пули», если угодно. Волна непрерывно движется, так что даже если подобрать фазы и амплитуды волн разной частоты так, чтобы они поначалу давали большую плотность энергии в какой-то точке, со временем одни волны отстанут от других, и плотность энергии упадет. Иными словами, световая пуля вытягивается со временем во все более протяженный и все менее «боеспособный» заряд.

Кроме того, любой ограниченный пучок света – хоть из карманного фонарика, хоть из лазера – со временем расходится: чтобы загнать его в конечные границы, приходится составлять его из множества лучей, сходящихся под разными углами друг к другу. Как и в случае с дисперсией, можно подогнать амплитуды и фазы соответствующих волн так, чтобы в начальный момент вся энергия оказалась внутри нужного пучка, а снаружи от него эти волны гасили друг друга. Однако дальше эти колебания все равно вылезут, размазывая световую энергию по все большему пространству. Это явление называется дифракцией. Понятно, что оно тоже не помогает созданию «световых пуль» – благодаря ему «заряды» не только вытягиваются, но и делаются все шире и шире.

Бессель, Эйри и Матьё

Однако, как выяснилось в последние годы, сделать хорошо сжатые потоки световой энергии все-таки возможно. Для этого надо просто придать им особую форму. Если поток энергии описывается квадратом так называемой функции Бесселя (нулевого порядка), то при распространении света отдельные волны все время складываются так, что общая форма светового потока не меняется. Дифракция одних волн компенсирует дифракцию других, и ширина светового пучка остается прежней.

Еще интереснее поведение пучков, распределение энергии в которых описывается с помощью так называемой функции Эйри. Здесь, несмотря на то что все отдельные лучи распространяются по прямой, их общая энергия начинает двигаться по искривленной траектории; при этом форма сгустка, как и в случае с пучком Бесселя, не меняется. «Световыми пулями», сделанными на основе пучков Эйри, можно стрелять за угол.

Идеальные пучки Бесселя и Эйри не существуют – их энергия, как и у плоской волны, бесконечна. Однако, в отличие от плоской волны, приближенные пучки Бесселя и Эйри, хотя и расплываются со временем, делают это гораздо медленнее, чем приближения к плоским волнам (например, луч лазера). Благодаря этому в последние годы пучки Бесселя и Эйри удалось получить в лабораториях, и даже приспособить под практические исследовательские нужды.

Третий известный тип нерасплывающихся волн -- пучки на основе функций Матьё -- пока на практике не реализован.

Шпаги, сабли, пули на хлысте

До сих пор физики были заняты созданием «световых пуль», которые не расширяются при своем движении, а о том, чтобы победить их удлинение в продольном направлении, речи не было. Иначе говоря, они получали, скорее, «световые шпаги» (или «световые сабли» в случае изогнутых пучков Эйри), чем «световые пули». А пули были бы очень интересны, например, для зондирования вглубь вещества или создания мощнейшего аналога конфокальной микроскопии, которую широко используют в биологии.

Лишь летом прошлого года израильские физики сообщили, что они научились управлять положением максимума плотности энергии в продольном направлении «копья» – создавать эдакие пули на сравнительно тонком хлысте. Тем не менее, их достижение использует эффекты нелинейной оптики – режима, в котором свойства среды зависят не только от частоты, но и от интенсивности света. Это требует очень больших световых энергий и явно не подходит для исследования деликатных веществ, вроде тех же живых клеток.

В последнем номере Nature Photonics опубликована статья американских ученых под руководством Энди Чонга из Корнельского университета, которым удалось создать настоящие «световые пули» с использованием методов обычной, линейной оптики. Эти пули, на деле больше похожие на веретено из отдельных колечек световой энергии, не расплываются ни вширь, ни в длину на расстояниях порядка метра. Для томографии вполне подходит.

Поженили Бесселя на Эйри

По сути, ученые «поженили» пучки Бесселя и Эйри. Функция Бесселя в их пучках борется с дифракцией, расплыванием вширь, а профиль Эйри – с дисперсией, из-за которой другие пучки со временем вытягиваются вдоль траектории движения света. Именно использование теории пучков Эйри в приложении к продольной координате и является основным отличием новой работы. До сих пор до этого, похоже, никто не додумался.

Чтобы придать «световой пуле» профиль пучка Эйри в продольном направлении, ученые пропустили лазерный импульс через специальный прибор, который разлагает свет на составляющие разных частот, заставляет луч каждой частоты пройти строго определенное дополнительное расстояние, а потом вновь сводит их вместе. Для создания пучка Эйри дополнительная задержка должна быть пропорциональна кубу частоты. На выходе из прибора ученые поставили так называемый аксикон – «коническую линзу», стеклянный конус, который способен придавать стандартному лазерному пучку форму, соответствующую функции Бесселя.

В итоге у физиков получились «световые пули» диаметром около 0,2 мм и длиной около 0,03 мм, поведение которых Чонг и его коллеги и принялись исследовать. Как оказалось, ни пять, ни десять, ни 15 сантиметров путешествия в стекле почти не изменили форму пули. Стандартный лазерный (гауссов) пучок уже на таком расстоянии имел бы ширину в 1,5 мм и длину около 0,2 мм, так что плотность энергии в нем упала бы в 250 раз. А для пучка Эйри--Бесселя она не изменилась сколько-нибудь заметно. Правда, при его создании в основной компонент «пули» вкачивается лишь 10% энергии исходного лазерного импульса.

Светом в грозовые облака

По словам авторов работы, полученные ими «световые пули» уже сейчас можно использовать в работах по нелинейной оптике. Здесь исход эксперимента очень сильно зависит от плотности энергии пучка. И если в самой энергии применение пучка Эйри--Бесселя дает 250-кратный эффект в сравнении с обычным лазерным импульсом, то в опытах по двухфотонной флуоресценции, к примеру, эффект будет сильнее уже в 60 тысяч раз. Двухфотонные процессы сейчас очень популярны, к примеру, в биологических и фармакологических исследованиях; некоторые ученые даже полагают, что эти методы позволят более эффективно удалять опухоли в живых организмах.

Сами же авторы работы не намерены останавливаться на достигнутом. Успешно «поженив» Бесселя на Эйри, они задумались о том, чтобы создать пучки, которые имеют профиль Эйри и в продольном, и в поперечном направлении. Такими «пулями» уже можно надежно стрелять за угол, не опасаясь тянущегося за ними хвоста световой энергии.

А вот это уже большое дело. Одно из реально существующих приложений пучков Эйри – это генерация «плазменных шнуров» в воздухе за счет очень высокой энергии на пути пучка. Таким шнурам пророчат большое будущее в области контроля над грозами. Пробивая грозовое облако сгустками света и создавая в нем канал ионизованного, проводящего воздуха, можно заставить грозу разрядить накопленное в ней электричество прежде, чем она сама сделает это рядом с каким-нибудь аэропортом, нарушив безопасность полетов.

Однако вряд ли стоит лезть в молнию с плазменным шнуром, который тянется вплоть до экспериментальной установки. По сути, это будет не что иное, как заземление всего грозового облака! А это, пожалуй, слишком опасно для тех, кто будет управлять процессом. Плазменные пули, которые можно отстрелить от лазера, выглядят куда предпочтительнее.