50 лет квантовой электроники и школа Р.В.Хохлова--С.А.Ахманова
в Московском университете
Формирование научной школы Рэма Викторовича Хохлова и Сергея Александровича Ахманова по когерентной и нелинейной оптике неразрывно связано с началом и развитием исследований по квантовой электроники в России. Более того, общепризнанно, что Р.В. Хохлов и С.А. Ахманов входят в немногочисленный круг основоположников современной нелинейной оптики. Более чем сорокалетняя история развития этой науки показала, что генерация гармоник и смешение частот, эффекты самовоздействия световых волн далеко не исчерпывают перечень возможных нелинейных эффектов: Мир нелинейных явлений намного богаче, многообразнее и гораздо интереснее, чем "линейный" мир.
К настоящему времени нелинейная оптика стала все проникающей наукой. Нелинейные оптические явления стали методической и приборной базой для исследования и диагностики в самых разных областях физической науки и техники, в биологии, химии и даже в минералогии. Принципиально новые возможности нелинейная оптика предоставила для спектроскопических исследований вещества.
Исследования по нелинейной оптике в МГУ начались в 1961 году. Руководили этими исследованиями тогда еще молодые сотрудники физического факультета, а впоследствии выдающиеся профессора Московского университета - Рем Викторович Хохлов и Сергей Александрович Ахманов. Их фундаментальный вклад в развитие этой области физики признан во всем мире, отмечен Ломоносовской и Ленинской премиями. Ими написана первая в мире монография "Проблемы нелинейной оптики", вышедшая в1964 и во многом не утратившая своего значения и в наши дни.
Надо сказать, что истоки нелинейной оптики относятся к "долазерным" временам. Так еще в 1926 г. Сергей Иванович Вавилов и Вадим Леонидович Левшин, работая на физическом факультете МГУ, обнаружили насыщение поглощения света в урановых стеклах. Несколько позже была зарегистрирована небольшая нелинейность деполяризации люминесценции и индуцированный излучением дихроизм поглощения. Работы Вавилова в области нелинейной оптики носили пионерский характер, однако были начаты в те годы, когда физика располагала очень скромными экспериментальными возможностями. Тем более ценными представляются результаты, полученные в те далекие годы. Важную роль Вавилова в появлении и последующем становлении нелинейной оптики неоднократно подчеркивал Рем Викторович Хохлов. С.И. Вавилову принадлежит и термин нелинейная оптика.
Многие соображения и идеи об ограниченности линейной оптики и необходимости исследования нелинейных эффектов содержатся в монографии С.И. Вавилова "Микроструктура света", отмеченной Сталинской премией первой степени. С.И. Вавилов 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. должна наблюдаться в общем случае зависимость от световой мощности, т.е. нарушение суперпозиции и в других оптических свойствах среды - в двойном лучепреломлении, дихроизме, вращательной способности и т.д."".
Однако в то время эти идеи и предсказания имели лишь теоретическое значение, поскольку для наблюдения эффектов требовались источники мощного светового излучения, которые тогда отсутствовали.
Сразу же после создания лазеров (1960 г.) буквально хлынула лавина новых нелинейно-оптических результатов. Здесь особо следует отметить работы Физического института АН СССР, Института физики Белоруссии, Государственного оптического института. В Московском университете теоретические и экспериментальные исследования по нелинейной оптике начались в 1961 году.
Отметим, что уже в 1962 г. Р.В. Хохловым и С.А. Ахмановым впервые в мире была выдвинута идея и предложены конкретные схемы параметрических генераторов и усилителей света. Яркие результаты по теории нелинейных взаимодействий электромагнитных волн и постановка ряда пионерских экспериментов по нелинейному преобразованию частоты лазерного излучения во 2-ю, 3-ю, 4-ю и даже 5-ю гармоники с рекордной для того времени эффективностью принесли лаборатории нелинейной оптики МГУ широкое признание во всем мире.
Тематика теоретических и экспериментальных работ лаборатории быстро расширялась, расширялся и круг вовлеченных в эти исследования сотрудников, аспирантов и студентов физического факультета МГУ. Логическим следствием этого развития явилась организация в 1965 г. на этой базе кафедры волновых процессов. Ее возглавил профессор Р.В.Хохлов. Без преувеличения можно сказать, что под его руководством кафедра стала одним из ведущих мировых центров исследований по нелинейной оптике, нелинейной акустике, по лазерной физике и нелинейной спектроскопии, центром подготовки специалистов высокой квалификации в этих новых направлениях науки.
Невозможно переоценить и ту роль, которую сыграли Р.В.Хохлов и С.А.Ахманов
для развития исследований по нелинейной оптике и лазерной физике в нашей стране.
Как правило, все новые значительные идеи, возникшие будь то в академическом
институте Москвы, в Новосибирске или в Киеве, проходили в те годы апробацию
на знаменитом семинаре кафедры волновых процессов, которым неизменно руководил
Р.В.Хохлов. В начале 1970-х годов большую популярность завоевал также семинар
по нестационарным явлениям, руководимый С.А.Ахмановым.
 Р.В.Хохлов,
К.Н.Драбович, А.И. Ковригин, С.А.Ахманов
обсуждают совместные исследования.
В 1974 г. профессор С.А.Ахманов стал заведующим кафедрой общей физики для механико-математического
факультета, перейдя с кафедры волновых процессов вместе с группой научных сотрудников
и преподавателей. С этого времени началось обновление и расширение круга научных
исследований, проводимых на этой кафедре.
Большое место заняли исследования по нелинейной оптике, лазерной физике, по использованию лазеров в биофизике и т.д. Обе кафедры - волновых процессов и общей физики для мехмата - были тесно связаны близостью профессиональных научных интересов сотрудников, общими производственно-техническими мощностями и даже "родственными связями", поскольку значительная часть сотрудников обеих кафедр была воспитанниками уже сформировавшейся научной школы Хохлова-Ахманова. В 1977 г. возникла необходимость реорганизации этих двух кафедр. Она была вызвана трагической смертью (в результате альпинистской катастрофы) в августе 1977 г. Р.В. Хохлова. Профессор С.А.Ахманов в 1978 г. возглавил объединенную кафедру общей физики и волновых процессов и заведовал ею до своей кончины в 1991. Кафедра стала одной из самых больших на физическом факультете МГУ.
Небольшая группа ученых бывшей кафедры волновых процессов образовала новую кафедру радиофизического отделения - кафедру квантовой радиофизики (ныне кафедра квантовой электроники) во главе с академиком Леонидом Вениаминовичем Келдышем, который по приглашению Хохлова преподавал на кафедре волновых процессов еще с конца 60-х годов. Сейчас обе эти кафедры размещаются в Корпусе нелинейной оптики Московского университета, построенном в 1980 г. по замыслу Р.В. Хохлова. Отметим, что строительство этого Корпуса в большой мере дело рук (в прямом смысле) учеников Р.В. Хохлова и С.А. Ахманова. Корпус стал бы ярким примером долгостроя восьмидесятых годов, если бы не доктора и кандидаты наук, студенты и аспиранты, более чем на два года фактически оставившие занятие наукой, ставшие профессиональными строителями и достроившие корпус. В нем они продолжили свои научные исследования. Старшее поколение, работающее в МГУ, хорошо помнит это время и относится к корпусу нелинейной оптики как к своему второму дому.
По инициативе С.А.Ахманова в 1989 г. был организован Международный учебно-научный лазерный центр МГУ. В своей научной и педагогической работе МЛЦ тесно связан с кафедрой общей физики и волновых процессов. По существу, это объединение является уникальным средоточием исследовательской и педагогической деятельности ученых Московского университета в "лазерных" разделах современной физики, в том числе и в нелинейной оптике.
 Во
время официального визита президента Словацкой Республики
господина Р.Шустера в МЛЦ МГУ (2001 г.) Слева направо автор статьи, Р.Шустер,
ректор МГУ В.А.Садовничий, доцент С.А.Магницкий.
После смерти С.А.Ахманова в 1992-98 гг. заведующим кафедрой общей физики и
волновых процессов был его ученик профессор Николай Иванович Коротеев, выдающийся
специалист по нелинейной спектроскопии и физике воздействия интенсивного светового
излучения на вещество, много сделавший для вовлечения кафедры в эффективное
международное научное сотрудничество. Все эти организационные преобразования,
в конечном счете, послужили сохранению и укреплению позиций научной школы Хохлова-Ахманова.
Некоторые научные результаты этой школы по нелинейной оптике и в смежных областях
уже упоминались выше. На самом деле их неизмеримо больше.
Перечисление существенных результатов, полученных участниками школы только за последние годы, заняло бы слишком много места. Поэтому в первую очередь остановимся на достижениях, которые, по общему признанию, во многом определили облик нелинейной и когерентной оптики в целом и отражают суть и характер научной деятельности школы.
Математической базой современной волновой линейной и нелинейной оптики (за исключением оптики предельно коротких импульсов) является метод медленно меняющихся амплитуд, предложенный Р.В. Хохловым в 1959-1961 гг.
Рем Викторович четко выделил два предельных случая теории нелинейных волн: нелинейные волны в средах с сильной дисперсией и нелинейные волны в недиспергирующей среде. Адекватно этим двум случаям он предложил два метода упрощения уравнений в частных производных, описывающих распространение волн в нелинейных средах. Для сильно диспергирующих сред им был развит метод медленно меняющихся амплитуд. Хохлов впервые развил теорию генерации второй гармоники в волновых системах, указав на возможность полной перекачки энергии в гармонику в условиях фазового синхронизма. Метод медленно меняющихся амплитуд получил дальнейшее развитие в работах Р.В. Хохлова, С.А. Ахманова и их учеников, среди которых в первую очередь следует упомянуть профессора Анатолия Петровича Сухорукова. Полученные в этих работах уравнения, учитывающие дифракцию взаимодействующих пучков, составляют основу нелинейной квазиоптики диспергирующих анизотропных сред. Отметим, что этот метод теперь широко применяется и в ряде других областей физики, в том числе при анализе волновых процессов в плазме.
Параметрическое усиление и генерация световых волн, идея которых была предложена Р.В. Хохловым и С.А. Ахмановым в 1962 г., послужили основой для многочисленных теоретических и экспериментальных разработок. Первый в нашей стране параметрический генератор света заработал в 1965 г. В его создание определяющий вклад, помимо авторов идеи, внес их ученик и друг Александр Иванович Ковригин (1936-1996 гг.). Первый в мире параметрический генератор, излучающий импульсы с пикосекундной длительностью, был создан на кафедре волновых процессов в 1968 г. В реализацию этого проекта существенный вклад внес Альгис Пискарскас, ученик С.А.Ахманова и А.И. Ковригина, ныне профессор Вильнюсского университета. Подчеркнем, что с созданием параметрических генераторов в распоряжении исследователей появился уникальный прибор, позволяющий получать плавно перестраиваемое по частоте световое излучение с длительностью импульсов от нескольких наносекунд до пикосекунд и фемтосекунд.
Сергеем Александровичем были заложены основы статистической нелинейной оптики, предметом которой является исследование нелинейных взаимодействий с учетом статистических свойств светового излучения, а также взаимодействий волн, протекающих в средах со случайными изменениями параметров. Большой вклад в развитие этого направления внес ученик С.А. Ахманова ? Анатолий Степанович Чиркин, ныне профессор кафедры общей физики и волновых процессов. Результаты первого этапа развития этой науки изложены в книге "Статистические явления в нелинейной оптике", написанной С.А. Ахмановым и А.С.Чиркиным в 1971 г. Некоторые фундаментальные результаты вошли даже в учебники для студентов.
Отдельно следует отметить начатое С.А. Ахмановим активное применение идей и методов нелинейной оптики в лазерной спектроскопии и диагностике вещества. С.А. Ахмановым вместе с учениками разработан приципиально новый метод спектроскопии - спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света, сокращенно КАРС. Она основана на исследовании процессов четырехволнового смешения в условиях, когда две волны накачки порождают волну возбуждения в среде на разностной или суммарной частоте, на которой затем рассеивается пробная волна. В результате возникает сигнальное излучение на смешанной частоте. Имеется несколько вариантов этого метода: амплитудный, поляризационный, с временным разрешением. В настоящее время каждый из них широко используется для исследования спектров возбуждения в самых различных средах, для спектрального анализа веществ и диагностики различных процессов, включая и технологические. Основные принципы этого вида спектроскопии и научные результаты, полученные на первом этапе ее развития, изложены в монографии С.А. Ахманова и Н.И. Коротеева "Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света", изданной в 1981 г.
Большой вклад в разработку различных вариантов спектроскопии многоволнового смешения внесли профессор Давид Николаевич Клышко, профессор Н.И. Коротеев, ученик С.А. Ахманова профессор Владимир Григорьевич Тункин, а также профессора Александр Николаевич Пенин и Виктор Владимирович Фадеев. Именно последним были начаты в 1974 году исследования по лазерной спектроскопии природных вол и лазерной спектроскопии природных органических комплексов.
 Лазерный
стенд в совместной лаборатории
кафедры общей физики и волновых процессов
и МЛЦ (фото С.Савкина)
Следует также отметить достижения школы Ахманова - Хохлова, по сути, открывшие
новые направления в нелинейной оптике и лазерной физике. Среди них открытие
Д.Н. Клышко, В.В. Фадеевым и др. с приоритетом от ноября 1965 года явления спонтанного
трех- и четырехфотонного параметрического рассеяния света в твердом теле. Теоретические
и экспериментальные исследования оптических полей, генерируемых при спонтанном
параметрическом рассеянии света, проводятся на кафедре квантовой электроники
МГУ вот уже более пятнадцати лет.
Предсказанное Сергеем Александрович Ахмановым и Вячеславом Ивановичем Жариковым явление нелинейной оптической активности стимулировало последовательное развитие нелинейной поляризационной оптики у нас в стране и за рубежом. Проведенные в МГУ теоретические и экспериментальные исследования дают возможность в настоящее время со всей определенностью утверждать, что эффекты поляризационного самовоздействия и взаимодействия волн - тонкие, но широко распространенные эффекты. А широко используемое в теоретических расчетах приближение неизменности поляризации волны в процессе распространения является малооправданным и представляет лишь первый шаг на пути последовательного описания нелинейных оптических явлений.
В конце шестидесятых годов Хохлов инициировал цикл исследований, связанных с резонансным селективным воздействием мощного лазерного излучения на вещество. Эти работы сыграли большую роль в становлении лазерной фотохимии и фотобиологии. Хохлова увлекла идея возможности создания инверсии за счет прямого преобразования энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, в энергию когерентного излучения, минуя другие формы, т.е. за счет энергопередачи от "горячих" молекул к "холодным". При его активной поддержке эти исследования начали развиваться в Институте механики и на химическом факультете МГУ, где в 1988 году была организована кафедра лазерной химии.
По инициативе Ахманова Виктором Трифоновичем Платоненко, Вячеславом Михайловичем Гордиенко, Владиславом Яковлевичем Панченко и их учениками были исследованы нелинейные процессы при колебательно-поступательной релаксации и межмолекулярном колебательном энергообмене в газе сильно возбужденных молекул. В середине восьмидесятых годов в МГУ под руководством Ахманова и Гордиенко была впервые осуществлена генерация и усиление субпикосекундных импульсов ультра-фиолетового диапазона излучения с помощью эксимерных лазеров. Созданная лазерная система была нацелена на проблему взаимодействия сверхсильных световых полей с веществом.
Сергеем Александровичем Ахмановым были инициированы в МГУ работы по применению лазеров в военной технике. Многие выпускники, ученики Р.В.Хохлова и С.А.Ахманова связали свою жизнь с исследованиями в этой области. Среди них профессор -В.Г.Дмитриев. Активным и плодотворным было в те годы сотрудничество с НПО "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха. Сам Митрофан Федорович неоднократно приезжал в МГУ для обсуждения планов совместных работ.Как уже указывалось, работы Школы не только высоко оценены мировой научной общественностью, но и отмечены целым рядом высоких наград. Ленинские премии получили Рем Викторович Хохлов, Сергей Александрович Ахманов "За исследование нелинейных когерентных взаимодействий в оптике", Анатолий Петрович Сухоруков с соавторами "За открытие и исследование эффектов самофокусировки волновых пучков". Следует добавить, что Государственной премией СССР за работы по прикладной нелинейной оптике были также отмечены доцент Э.С.Воронин, соратник Р.В.Хохлова и С.А.Ахманова, крупный специалист по параметрическому взаимодействию световых волн, доцент В.С.Соломатин, автор многочисленных работ по нелинейному преобразованию частоты лазерного излучения. Государственную премию СССР за открытие и исследование явления параметрического рассеяния света и его применение в спектроскопии и метрологии получили Давид Николаевич Клышко, Александр Николаевич Пенин, Виктор Владимирович Фадеев.
За цикл работ "Высокоэффективные нелинейные преобразователи частоты в кристаллах и создание перестраиваемых источников когерентного оптического излучения" государственную премию СССР получили Анатолий Петрович Сухоруков и Александр Иванович Ковригин. Многие ученики Хохлова впоследствии отошли от когерентной и нелинейной оптики, поменяв тематику научных исследований. Темами отдельных статей могут быть рассказы о разработке физических основ нелинейной акустики и ее приложений, а также об исследовании динамики интенсивных шумовых волн и нелинейных структур в средах без дисперсии, отмеченные государственными премиями СССР и Российской Федерации.
Удостоенный Государственной премии Российской Федерации цикл работ "Электронные и атомные процессы на поверхности твердых тел" (профессора О.А.Акципетров, В.И.Панов, П.К.Кашкаров) содержит большой раздел, посвященный нелинейной оптике поверхности металлов и полупроводников. В него вошли результаты проведенных в МГУ экспериментальных исследований процессов генерации оптических гармоник, а также исследования нелинейности и нелокальности электронного отклика полупроводниковых и металлических наночастиц и планарных наноструктур.
В свое время целый ряд воспитанников школы Хохлова-Ахманова был отмечен премиями Ленинского комсомола. Шесть из них в настоящее время работают в МГУ. Это - профессор А.В. Андреев, ученик Р.В. Хохлова, автор ряда пионерских работ по рентгеновской оптике, крупный специалист по когерентным и кооперативным процессам в оптике и физике сильных световых полей, автор нескольких монографий; профессор А.М. Желтиков и доцент А.Б.Федотов, ученики Н.И. Коротеева, специалисты по нелинейной лазерной спектроскопии, оптике пространственно-периодических сред и фотонных кристаллов; доцент В.Н. Задков, ученик Н.И. Коротеева, специалист по взаимодействию лазерного излучения с атомами и молекулами, по квантовой оптике и квантовой теории информации; профессор МЛЦ А.А. Карабутов, ученик Хохлова и Руденко, ведущий специалист в области нелинейной и лазерной акустики; доцент С.А.Шленов, специалист по оптике атмосферы, ученик В.П.Кандидова; Целый ряд воспитанников школы Хохлова-Ахманова были отмечены Ломоносовской премией ? высшей премией МГУ за научную работу. Кроме ранее упомянутых, лауреатами этой премии являются: профессор В.И.Емельянов, крупный специалист по когерентным и кооперативным явлениям и по воздействию лазерного излучения на твердые тела, автор нескольких монографий; профессор В.П.Кандидов, автор ряда мощных вычислительных методов, специалист по распространению электромагнитных волн в нелинейных неоднородных средах.
 Участники
высшей лазерной школы для молодых ученых 1997 г.
(слева Н.И.Коротеев, в центре почетный профессор МГУ, лауреат
Нобелевской премии Н.Бломберген) (фото С.Савкина)
О безусловном признании научных заслуг и достижений школы Хохлова-Ахманова
свидетельствует и то обстоятельство, что ее участников регулярно приглашают
в программные комитеты самых престижных международных конференций. Более того,
организация и проведение ряда таких конференций является делом Школы. Так с
1965 года кафедра волновых процессов, затем кафедра общей физики и волновых
процессов, а с 1990 года и МЛЦ МГУ, всегда являлись базой для организации и
проведения Международных конференций по когерентной и нелинейной оптике (ICONO)
- основных профессиональных форумов по фундаментальной лазерной физике и нелинейной
оптике на Евроазиатском континенте. Признанными лидерами этих конференций всегда
были Р.В.Хохлов и С.А.Ахманов. Последняя, 17-я Конференция из этого ряда состоялась
в 2001 г. в г. Минске (Беларусь). Ее главными организаторами были кафедра общей
физики и волновых процессов, МЛЦ МГУ и институт физики Национальной академии
наук Беларуси. Отметим, что в этих конференциях принимают порядка 700 ученых
из ведущих исследовательских центров мира. Следующая - 18-я конференция состоится
в мае следующего года в Санкт-Петербурге.
В 2002 году впервые в Москве прошла IQEC-2002 - наиболее значительная Международная конференция по лазерной физике и нелинейной оптике. Это случилось впервые за почти сорокалетнюю историю проведения этих форумов. И снова одними из главных организаторов явились участники школы Хохлова-Ахманова. Чтобы оценить масштаб работы, приведем лишь две цифры: в конференции IQEC2002, сопутствовавших ей конференциях по применению лазеров и конференции молодых ученых приняло участие свыше 1200 человек из 40 стран мира. Кафедра и МЛЦ также являются базовыми для проведения регулярных, возникших по инициативе С.А.Ахманова, Международных конференций по применению лазеров в науках о жизни (LALS) и целого ряда других международных симпозиумов и семинаров.
Объем статьи не позволяет подробно рассказать о научных результатах, полученных работающими в МГУ учеными, относящимися к научной школе Ахманова-Хохлова. Их научная активность весьма высока: ежегодно ими публикуется около 150 научных работ, из которых более половины - это статьи в престижных реферируемых журналах.
Научная школа Московского университета по когерентной и нелинейной оптике, созданная академиком Хохловым и развитая профессором Ахмановым - поистине национальное достояние России, одна из жемчужин физического факультета МГУ. В условиях продолжающегося глубокого кризиса науки и образования у нас в стране, задача сохранения этой и других уникальных научных школ является основной для коллектива Московского университета.
Заведующий кафедрой
общей физики и волновых процессов
профессор В.А. Макаров
|
Виртуальный тур и фильмы о факультете
Вестник МГУ. Серия 3.
связаться с нами