Свет — мое призвание

Основоположник нелинейной оптики

Последней большой работой С. И. Вавилова была монография «Микроструктура света», которую он закончил на даче в поселке Мозжинка под Звенигородом в августе 1950 года. Издательство Академии наук СССР выпустило ее в серии «Итоги и проблемы современной науки» в рекордно короткие сроки — она вышла в конце декабря того же года. Сергей Иванович еще успел порадоваться ее появлению. Книга была напечатана тиражом пять тысяч экземпляров, ее сразу раскупили, и вскоре она стала библиографической редкостью. Ее издание было повторено в 1952 году во втором томе Собрания сочинений С. И. Вавилова.

В этой небольшой книге подведен итог тридцатилетней научной деятельности самого С. И. Вавилова и созданной им научной школы, с единой точки зрения рассмотрены такие, казалось бы, далекие друг от друга проблемы, как квантовые флуктуации света, интерференционные явления и свойства поглощающей среды. «Микроструктура света» — яркое свидетельство того, насколько глубоки и целеустремленны были многолетние исследования Вавилова, как неуклонно он шел к выяснению природы световых явлений.

Работа над монографией принесла Сергею Ивановичу большое удовлетворение. Он писал: «Только что окончил книгу «Микроструктура света», в которой объединил и по-новому пересмотрел многие мои работы и моих коллег. Это полезно для людей и для себя: выделяется главное, выдержавшее проверку временем. Получалась принципиальная и вместе с тем простая, легко читаемая книга, в ней исправлены многие прежние ошибки».

Вавилов показал, что законы обычной оптики, которую можно назвать макроскопической, справедливы далеко не всегда. Если переходить к исследованию предельно малых световых потоков и источников света, а также процессов, развивающихся в предельно малые промежутки времени, то начинают проявляться качественно новые закономерности. Новое направление в оптике, отражающее эти закономерности, Вавилов назвал микрооптикой.

В предисловии к своей книге он писал: «Макрооптика — оптика значительных световых мощностей, длительных времен наблюдения, больших размеров источников излучения. За макрооптикой скрывается микрооптика, отличающаяся от первой в некоторых отношениях так же, как молекулярная теория вещества отличается от термодинамического учения о нем». Новая работа не только подводила итог многолетним исследованиям научной школы С. И. Вавилова, но и содержала обширную программу на будущее.

Одно из центральных мест в монографии занимает рассмотрение причин возникновения оптических эффектов, нелинейным образом зависящих от интенсивности света. В частности, проанализированы причины, вызывающие нарушение линейности при поглощении света веществом. Сергей Иванович пришел к выводу, что отступления от линейности широко распространены в природе и принадлежат к числу основных принципов оптики, и ввел термин «нелинейная оптика», в наши дни получившей столь широкое распространение.

Сергей Иванович писал: «Нелинейность в поглощающей среде должна наблюдаться не только в отношении абсорбции. Последняя связана с дисперсией, поэтому скорость распространения света в среде, вообще говоря, также должна зависеть от световой мощности. По той же причине в общем случае должна наблюдаться зависимость от световой мощности, т. е. нарушение суперпозиции в других оптических свойствах среды — двойном преломлении, дихроизме, вращательной способности и т. п. С «нелинейной оптикой» среды постоянно приходится иметь дело астрофизику при теоретическом рассмотрении условий внутри звезд. Вследствие колоссальной плотности световой энергии внутри звезд при температурах, измеряемых многими миллионами градусов, поглощение и скорость распространения света во внутризвездном веществе должны чрезвычайно резко зависеть от световой мощности. Тем не менее... с большими нарушениями суперпозиции и нелинейностями оптик встречаемся и в скромных лабораторных условиях, в особенности при изучении фосфоресцирующих сред. Однако физика настолько свыклась с линейностью обыденной оптики, что до сих пор нет даже формального строго математического аппарата для решения реальных «нелинейных» оптических задач».

Работы С. И. Вавилова по нелинейной оптике были начаты, когда физика располагала еще очень скромными экспериментальными возможностями. Тем более ценными представляются сегодня результаты, полученные в те далекие годы. Академик Рем Викторович Хохлов писал: «Хорошо известно, что С. И. Вавилов — родоначальник нелинейной оптики. Его работа в этой области началась задолго до создания лазеров. Первый нелинейный эффект был обнаружен С. И. Вавиловым и В. Л. Левшиным в 1926 году и заключался в насыщении поглощения света в урановых стеклах. В дальнейшем С. И. Вавиловым была выработана обширная программа исследования нелинейных оптических явлений. К глубокому сожалению, смерть помешала ему ее выполнить».

Прошло около сорока лет с тех пор, как Сергей Иванович написал «Микроструктуру света». Время полностью подтвердило его удивительную научную прозорливость. Еще при жизни Вавилова начали интенсивно развиваться исследования в области нелинейной теории колебаний, основные идеи которой были затем распространены и на область оптических частот.

Бурный прогресс нелинейной оптики начался с созданием лазеров — новых мощных источников когерентного светового излучения. Под его воздействием в газах, жидкостях и твердых телах начинают проявляться нелинейные эффекты. Лазеры нашли широкое применение в науке и в народном хозяйстве. Нелинейная оптика превратилась в одно из наиболее перспективных направлений физики, в область, где успешно трудятся крупные коллективы ученых.

С. И. Вавилов не дожил десяти лет до создания лазеров. Однако он вплотную подошел к пониманию возможности изготовления источников когерентного излучения. В своей монографии он писал: «Исключена ли возможность получения когерентного света в течение достаточно длительного времени от двух разных частиц вещества, находящихся на расстоянии, измеряемом несколькими диаметрами частиц? По-видимому, нет. Если две (или больше) такие частицы находятся одновременно в возбужденном состоянии, длящемся очень значительное время по сравнению с периодом световых колебаний, то между ними неизбежно возникает взаимодействие, или (в квантовой интерпретации) обменные силы... Вследствие этого излучение обоих частиц должно стать когерентным, связанным по фазе. Экспериментально для этого требуются очень сильное возбуждение... и люминесцирующая среда, дающая молекулярное «спонтанное» свечение большой длительности...»

В 1965 году была созвана 1-я Всесоюзная конференция по нелинейной оптике. С тех пор такие конференции стали регулярными. Они неизменно привлекают широкий круг ученых. Количество докладов из них стало столь велико, что не оставляет достаточно времени на проведение дискуссий.

В 1970 году в научном центре Сибирского отделения Академии наук СССР — Академгородке под Новосибирском — собралась первая конференция по нелинейной оптике с ограниченным кругом участников. Она была задумана как кворум ведущих ученых в этой области, который должен обсудить наиболее актуальные проблемы. Р. В. Хохлов предложил назвать эти конференции вавиловскими. Вавиловские конференции стали традиционными — их регулярно созывают в Академгородке, и они проходят с неизменным успехом.

Монография С. И. Вавилова «Микроструктура света» по праву считается классической. В 1952 году он был посмертно, в четвертый раз, удостоен звания лауреата Государственной премии СССР «за выдающиеся научные работы в области физических наук, научные труды «Микроструктура света» и «Глаз и Солнце».