П. П. Феофилов

С. И. ВАВИЛОВ И СОВРЕМЕННАЯ ОПТИКА*

Печатаемые в настоящем сборнике очерки Э.В.Шпольского «Выдающийся советский ученый С.И.Вавилов»*² и В.Л.Лёвшина, А.Н.Теренина и И.М.Франка «Развитие работ С.И.Вавилова в области физики» были впервые опубликованы в 1956 и 1961 гг., накануне бурных событий в оптике, связанных прежде всего с изобретением лазеров. Естественно, что авторы очерков не могли предвидеть этих событий и что установить генетическую связь новых направлений оптики с работами С.И.Вавилова можно только в ретроспективе. Зная увлеченность С.И.Вавилова общими проблемами науки, и в особенности оптики, нетрудно представить себе, с каким энтузиазмом встретил бы он новый период в развитии этой древней науки. Но мы можем только догадываться, к каким широким и принципиальным обобщениям могли бы привести его раздумья над тем новым, что появилось в оптике 60-х и 70-х годов. Ведь нельзя не заметить, что многие из новых направлений, возникших за последние 15—20 лет в оптике, теснейшим образом связаны с кругом основных научных интересов С. И. Вавилова, а в некоторых случаях непосредственно развивают его идеи.

В публикуемых очерках с достаточной подробностью рассмотрена роль С.И.Вавилова в становлении и развитии в нашей стране учения о люминесценции и ее разнообразных применениях и в создании им школы исследователей этого явления. Люминесценция привлекла С.И.Вавилова и стала основным направлением его собственных научных исследований не случайно. Это явление с исчерпывающей полнотой включает в себя всю совокупность микроскопических процессов взаимодействия излучения и вещества и преобразования энергии в оптически возбужденных системах, а именно эти процессы были наиболее близки С.И.Вавилову.

И при жизни С.И.Вавилова и в последующие годы фронт работ в области люминесценции расширялся со все возрастающей скоростью. Если, как говорил он, «до Октября физиков, химиков и инженеров, специализировавшихся в области люминесценции, в России можно было пересчитать по пальцам одной руки»¹, а в 1948 г., по его словам, уже насчитывались сотни таких специалистов, то сейчас эта армия составляет тысячи человек.

Однако популярность люминесценции в наше время определяется не только тем, что она вошла в быт миллионов люден вместе с люминесцентным освещением и экранами телевизоров, что она стала одним из основных методов изучения вещества в его различных состояниях, но и тем, что на люминесцентных явлениях основано одно из крупнейших и широко известных научных изобретений нашего времени. Идея Эйнштейна о стимуляции излучения излучением нашла свое практическое воплощение в создании устройств, генерирующих когерентное, монохроматическое и узконаправленное излучение,— мазеров и лазеров, совершивших переворот в современной оптике.

Хотя в силу зигзагов истории науки практическая реализация лазеров шла через радиодиапазон, все предпосылки для реализации и адекватного «оптического» описания совокупности лазерных явлений имелись в учении о люминесценции и в классической волновой оптике. Совершенно очевидно, что лазеры на твердых телах не могли быть созданы, если бы в результате спектроскопических и люминесцентных исследований не были установлены энергетические схемы соответствующих систем и определены вероятности переходов системы из одного электронного состояния в другое. Создатели первых твердотельных лазеров, работающих по так называемой четырехуровневой схеме прямо указывали на то, что в основу разработки этих систем были положены результаты исследования учениками С.И.Вавилова люминесценции кристаллов флюорита, активированных редкоземельными ионами и трехвалентным ураном.

В своих размышлениях об элементарных процессах излучения С.И.Вавилов очень близко подходил к проблеме получения когерентного излучения от макроскопического ансамбля частиц. За десять лет до осуществления первого лазера он писал в «Микроструктуре света»: «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 возникнет резонансное взаимодействие или (в квантовой интерпретации) обменные силы... Вследствие этого излучение обеих частиц должно стать когерентным, связанным по фазе. Экспериментально для этого требуется очень сильное возбуждение... и люминесцирующая среда, дающая молекулярное "спонтанное" свечение большой длительности (например, ураниловые соли...)»². Нетрудно видеть, что описанная ситуация близка (хотя, разумеется, и не адекватна) реализуемой в лазерах.

Проблемы взаимодействия возбужденных частиц вообще были в центре внимания С.И.Вавилова как ученого в последние годы его жизни. Разработанная им теория влияния концентрации растворенного вещества на характеристики люминесценции, базирующаяся на представлениях о резонансной миграции энергии, получила дальнейшее развитие в очень многих работах, в частности в работах его ученика М.Д.Галанина.

С особенной отчетливостью взаимодействие возбужденных частиц проявляется в так называемых кооперативных оптических явлениях, изучавшихся в конце 60-х годов учеником С.И.Вавилова П.П.Феофиловым совместно с В.В.Овсянкиным. Было, в частности, обнаружено явление суммирования энергии двух возбужденных частиц на одной из них с испусканием кванта примерно удвоенной энергии*³. Эти работы привели к созданию эффективных конверторов инфракрасного излучения в видимое без предварительного возбуждения и к развитию новых представлений о механизме явления сенсибилизации фотофизических и фотохимических процессов, в том числе очувствления (оптической сенсибилизации) фотографических материалов к длинноволновому излучению. Установленная авторами широкая распространенность кооперативных явлений открывает новые пути к изучению и таких важнейших, тем не менее далеко не ясных даже в основных звеньях явлений природы, как фотосинтез.

Создание новых высокоинтенсивных источников излучения — лазеров вызвало возникновение и быстрое развитие нового направления — нелинейной оптики, необходимость появления которой предвидел С.И.Вавилов*⁴. Еще в 20-х годах он ставил эксперименты по проверке постоянства коэффициента поглощения в случае предельно слабых и предельно сильных световых пучков, в предвоенные годы стимулировал разработку «нелинейного» абсолютного фотометра, а в 1945 г. писал о нелинейных оптических явлениях, что частные «задачи такого рода решаются не строго аналитическим путем, а при помощи очень грубых и примитивных упрощений. Иногда, и даже часто, этого достаточно, но все же давно нужно бы уметь решать эти задачи lege artis*⁵. Не следует забывать, что реальная оптика вещества, с которым мы имеем дело, в общих случаях нелинейна и ее трактовка требует "нелинейного" математического аппарата»⁴.

Таким образом, еще за 15 лет до реализации первых лазеров, когда появилась возможность широкой постановки экспериментальных исследований в области нелинейной оптики, С.И.Вавилов совершенно четко формулировал необходимость создания теоретических предпосылок таких исследований, имея в виду прежде всего задачи астрофизики. Предвидеть, что теория нелинейных оптических явлений потребуется в столь недалеком будущем для земных экспериментов, было невозможно. Неважно, что развитие нелинейной оптики пошло не только (и, может быть, не столько) по путям, о которых мог думать С.И.Вавилов. Существенна сама постановка проблемы, и здесь роль С.И.Вавилова несомненна и велика.

Сейчас нелинейные оптические явления широко используются для преобразования частоты лазерного излучения (генерация гармоник, сложение и вычитание частот и т. п.), а их исследования служат предметом многочисленных и весьма разнообразных публикаций и темами докладов на ежегодно созываемых в нашей стране конференциях по нелинейной оптике (часть этих конференций носит название Вавиловских).

Приведенные примеры показывают, что ряд важнейших направлений современной оптики, таких, как оптика взаимодействующих элементарных систем и нелинейная оптика, равно как и оптика сверхсветовых скоростей и оптика вынужденного излучения, своими корнями в большей или меньшей степени связан с кругом главных интересов С.И.Вавилова в области оптики. В некоторых случаях эти направления — прямой результат развития его идей, в других они развивались под непосредственным или косвенным влиянием этих идей. Устанавливая генетическую связь этих направлений с работами С.И.Вавилова, не следует забывать, что в его научном наследии, и в частности в «Микроструктуре света», есть еще много недостаточно внимательно прочитанных и недостаточно оцененных высказываний и замечаний, многие из которых могут в дальнейшем оказаться источником новых плодотворных идей.

ПРИМЕЧАНИЯ

* Добавление к очеркам Э.В.Шпольского и В.Л.Лёвшина, А.Н.Теренина и И.М.Франка.

*² В настоящее издание не включен.

*³ Хотя это явление естественным образом укладывается в рамки представлений о миграции энергии возбуждения (перенос на возбужденную частицу), оно не было известно в учении о люминесценции. В 1947 г. в докладе о светотехнических применениях люминесценции, говоря о работах ФИАНа по люминесцентному преобразованию инфракрасного излучения в видимое, С.И.Вавилов специально отмечал, что «такое преобразование возможно только за счет предварительного возбуждения люминофоров ультрафиолетовой или видимой радиацией»³. Errare humanum est! («Человеку свойственно ошибаться!»).

*⁴ Нелишне напомнить, что сам термин «нелинейная оптика» был введен С.И.Вавиловым.

*⁵ По всем правилам искусства (лат.).

Источник: Сергей Иванович Вавилов. Очерки и воспоминания.
3-е изд., М.: Наука, 1991, с.