АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

Нелинейная оптика — это жизнь


С.Г. Гречин

Мои воспоминания относятся к последним 20 годам жизни Валентина Георгиевича. Насколько я понимаю, таким же ярким и плодотворным, как вся его жизнь в науке. Мое изложение относится не к сути полученных нами результатов (они все опубликованы), а к тому, как мы к этому шли вместе с Валентином Георгиевичем и другими соавторами. Зачастую интересен не только сам результат, но и как авторы к нему приходят.

Моя первая встреча с Валентином Георгиевичем состоялась в январе 1980 г. на конференции «Оптика лазеров». Именно встретиться, так как мне, тогда студенту, было невозможно подойти к нему — он всегда был окружен большим числом участников конференции, каждый из которых имел множество вопросов к нему. Валентин Георгиевич к тому времени имел большое число опубликованных работ и был признанным лидером в нелинейной оптике. Причем как в теории, так и в экспериментальной части работ. Опыт его работы начальником отделения в НИИ «Полюс», которое занималось разработкой лазеров с преобразованием частоты, был очень ценным, давал большой материал. Одна из проблем того времени состояла в том, что отсутствовали монографии для специалистов-прикладников. А из существующих монографий и научных публикаций не всегда можно было четко представить всю физику процессов и возможность реализации процессов, которые необходимы для решения практических задач. Ну и, понятно, всегда было много вопросов. В то время одной из возможностей личной встречи были конференции. Попасть к нему на предприятие было очень сложно, почти невозможно.

В.Г.Дмитриев и С.Г.Гречин. 2006 г.
В.Г.Дмитриев и С.Г.Гречин. 2006 г.

Никому не отказывал Валентин Георгиевич в ответах на конференциях. Общение всегда шло очень оперативно: вопрос — ответ. Он быстро понимал суть вопроса, даже когда спрашивающий еще не успел закончить его формулировать. Стиль изложения его ответов был таков, что все быстро вставало на свои места. Здесь сказывалась отработанная методика преподавания в МФТИ. Было видно, что это делает он с большим удовольствием — делиться своими знаниями. Почти всегда это сопровождалось шутками. И никогда не было никакого высокомерия.

Возможно, именно встречи на конференциях и множество вопросов, связанных с физикой процессов и особенностями создания аппаратуры с нелинейно-оптическими преобразователями частоты, подтолкнули его к написанию монографии, которая могла стать не только изданием с последовательным рассмотрением всех основных особенностей процессов, определяющих методы решения задач проектирования, но и учебным пособием. Эта работа была блестяще выполнена совместно Л.В.Тарасовым, который являлся хорошим методистом и к тому времени снискал к себе большое уважение за опубликованные монографии по квантовой электронике. Их совместная книга стала настольной для большого числа специалистов, аспирантов и студентов. Она два раза издавалась. И до сих пор остается одной из основных. Успех этой монографии в СССР привел к тому, что она была переведена на французский язык и опубликована в 1987 г.

Монографии В.Г.Дмитриева по проблемам нелинейной оптики   Монографии В.Г.Дмитриева по проблемам нелинейной оптики
Монографии В.Г.Дмитриева по проблемам нелинейной оптики

Безусловно, замечательным изданием стал справочник по нелинейным кристаллам, подготовленный совместно с Д.Никогосяном и Г.Гурзадяном. Первоначально появилось издание в России в 1991 г. Всего 158 страниц, данные на 46 кристаллов. Очень быстро все было раскуплено. Уже в этом издании была определена структура, которая необходима пользователям — теоретический раздел, параметры кристаллов и данные о полученных результатах с их использованием. Это именно то, что необходимо разработчикам. Ничего подобного в мире на тот момент не было. Актуальность была столь высока, что издательство Springer приняло решение о публикации этого справочника большим тиражом. Это было уже значительно переработанное издание объемом 412 стр. Этот справочник выдержал три издания. В настоящее время это настольная книга практически для всех специалистов во всем мире.

Справочники по нелинейно-оптическим кристаллам, написанные с участием В.Г.Дмитриева   Справочники по нелинейно-оптическим кристаллам, написанные с участием В.Г.Дмитриева
Справочники по нелинейно-оптическим кристаллам, написанные с участием В.Г.Дмитриева

Вторая моя встреча с Валентином Георгиевичем состоялась при защите мною диссертации в 1989 г. Сложность была в том, что в ходе работы у меня не было ни одного консультанта по вопросам нелинейной оптики. В моей работе был решён ряд задач по генерации второй гармоники, но нужен был специалист, который дал бы объективную оценку всем моим усилиям. То есть нужна была важная «обратная связь». Я попросил у своего руководителя Рождествина В.Н., чтобы он попросил Валентина Георгиевича стать оппонентом, которого он знал лично. При всей загруженности Валентина Георгиевича, как только он услышал, что в работе есть глава по нелинейной оптике, он сразу согласился. На семинаре в НИИ «Полюс» я сделал доклад, и было видно, с каким интересом, вниманием и уважением он относится ко всем вопросам моей работы. Он умел выделять самое главное, и именно эти вопросы и перспективы представил на самой защите. После этого наступил не очень интересный период в жизни страны, и мы более двух лет не встречались с Валентином Георгиевичем.

Нелинейность процессов преобразования частоты заставляла искать решения численными методами. В 70-х и 80-х годах мы это делали на предприятии на больших ЭВМ типа ЕС, БЭСМ и др. В конце 80-х — начале 90-х годов появились персональные компьютеры. Тогда появилась идея разработать программу, которая содержит базу данных с параметрами кристаллов и позволяет проводить решения различных задач анализа свойств кристаллов и собственно процессов преобразования. Мы прикладники, и в конечном итоге ставилась задача создания рабочего инструмента для разработчиков.

В 1991 г. мы встретились с Валентином Георгиевичем на одной из выставок. Он хорошо запомнил меня, мы разговорились, и я высказал эту идею создания программы. Надо было видеть, как загорелись у него глаза. Можно было понять, так как каждый сотрудник предприятия и аспирант для решения этих задач писали свое программное обеспечение. Тратилось много времени на разработку их практически по одним и тем же вопросам сотрудниками из разных организаций. Как правило, в большинстве своем это были частные задачи, и эти программы были доступны только самим авторам. А здесь можно замахнуться на решение задачи в общем виде и сделать их доступными широкому кругу пользователей. Несколько лет ушло на разработку программы.

Если на начальном этапе своего развития нелинейная оптика базировалась на исследовании и анализе свойств одноосных кристаллов, то с 80-х годов начали широко использоваться двухосные кристаллы. Хотя элементы описания их свойств были опубликованы в различных статьях, но надо было разработать обобщенную модель. Это позволяло решать задачу комплексного анализа и определять все функциональные возможности кристаллов. В ходе работы появлялось много вопросов. Я звонил Валентину Георгиевичу и уже на следующий день приезжал в НИИ «Полюс», где мы разбирались с ними. Надо было видеть, какое удовольствие он получал при этом. Мы часто общались с ним по телефону, и иногда общение уходило за полночь. При этом была особенность в общениях. До 22:00 его жена, Наталья Николаевна, созванивалась со своими студентами, решала текущие вопросы, а после этого нам предоставлялась возможность для обсуждений и решения наших вопросов. Всегда поражала глубина знаний и стиль его мышления.

Пакет программ (LID-FC) был разработан, полностью отлажен, подготовлена документация на русском и английском языках. В настоящее время он используется в 14 странах мира. Объем проделанной работы можно охарактеризовать одним простым показателем — распечатанный текст программы по объему был более 1000 страниц. База данных содержала данные по всем основным параметрам для всех известных тогда кристаллов.

Но в ходе разработки стали получаться принципиально новые результаты. Одним из первых было уточнение диаграммы направлений фазового синхронизма для двухосных кристаллов. Первая работа по этому вопросу М.В.Хобдена для случая генерации второй гармоники была опубликована в 1964 г. В нелинейной оптике это как таблица Менделеева в химии. Но в то время практически не было двухосных кристаллов, и М.В.Хобден сделал не совсем корректные допущения в силу отсутствия точных данных. Решая задачу в наиболее общем виде, мы смогли представить полную диаграмму направлений фазового синхронизма для всех наиболее общих случаев. Большим подспорьем здесь был пакет программ LID-FC.

Но наиболее яркой в нашей совместной работе была разработка вопросов, некритичных по температуре взаимодействий. Это также было связано с разработкой программы. В ходе отладки в пакете программ LID-FC раздела вычисления температурной ширины синхронизма для одного из частных случаев возникала ошибка деления на ноль. Неоднократно проверялся текст программы, но здесь все было правильно. Получалось, что разность температурных производных для показателей преломления взаимодействующих волн становилась равной нулю. Причем все это было получено для генерации второй гармоники на длине волны 1,0642 мкм в широко используемом кристалле КТР. Вот тогда и встал вопрос с физической точки зрения — в чем суть этого, возможно ли такое принципиально, как это трактовать и определить, можно ли проверить экспериментально. Объяснение дали простое: это некритичный по температуре синхронизм. Тот случай, когда при генерации второй гармоники равны не только значения показателей преломления, но и их температурные производные. Аналогично тому, как это реализовывалось по длине волны (некритичный по длине волны) и угловым отклонениям (некритичный по углу) излучения от направления фазового синхронизма. С этими двумя параметрами было все понятно, они были определены в самом начале формирования теории нелинейно-оптического преобразования, по ним есть простое объяснение и наглядно показано существование некритичных процессов. Но у нас получалось по температуре. Об этом не было ни одной публикации. Как правило, в экспериментах допустимый диапазон изменения температуры при нелинейно-оптическом преобразовании частоты составлял единицы — десятки градусов. А некритичный по температуре режим предположительно позволит получить значительно большую величину температурной ширины. Сколько — мы не знали. Для ее вычисления необходимы данные о температурных производных для показателей преломления более высокого порядка, а их никто не измерял, так как не предполагалось существование такого режима. И не было отработанных методик. Нужна была постановка эксперимента измерения температурной ширины. Без такого подтверждения все звучит не очень убедительно.

В России на тот момент мы не могли найти место, где можно поставить и провести эксперимент (в середине 90-х годов экономическая ситуация этого не позволяла). Но в тот период мне часто приходилось бывать в Германии в разных университетах и фирмах. Я рассказывал об этой новой возможности. Но на меня смотрели как на ненормального. Ни один из корифеев нелинейной оптики в Америке и Европе об этом ничего не опубликовал, а этот, из России, утверждает, что можно. Ну, совсем эти русские дошли до точки.

Выход был найден в МГУ им. М.В.Ломоносова. В.И.Прялкин и В.А.Дьяков сказали: «А что? Давай попробуем». Я рассчитал предполагаемое направление для кристалла КТР для случая генерации второй гармоники. У них началась работа. Шла подготовка, отработка эксперимента. Необходимость исключения гистерезиса приводила к тому, что один эксперимент проводился в течение всего дня. И вот как-то утром раздается звонок В.И.Прялкина: «Ну, что, приезжай, посмотришь». Ни слова о результатах. Я приехал, увидел и обомлел. Только при нагреве кристалла была получена температурная ширина 210 °С. Такого в мире никто не получал. В области отрицательных температур не смогли измерить, так как не было соответствующего оборудования. Уже через 2 часа я был у Валентина Георгиевича в НИИ «Полюс». Помню его нескрываемую радость из-за полученных результатов. Это был успех, когда после нескольких лет рассуждений удалось получить важное экспериментальное подтверждение. Теория теорией, а без экспериментального подтверждения это только слова, предположение.

Здесь нельзя не отметить одну особенность с публикацией этого результата. Мы послали письмо в Optics Letters. Но там работу отклонили, сославшись на плохой английский. Мы послали в Optics Communications. Но там рецензент написал, что этого не может быть. Отметил, что необходимо дать ссылки на аналогичные работы. Но ничего подобного на тот момент не было. С тех пор мы публиковали свои работы в основном только в «Квантовой электронике». Это было в целом правильное решение. Нужно поднимать рейтинг наших журналов. Пусть читают.

Было интересно обобщить это все и дать простую и наглядную трактовку. Тогда и родилась идея ввести понятие некритичных по температуре взаимодействий. То есть таких направлений, в которых в общем случае разность температурных производных для волновых векторов равна нулю. Все это не зависит от того, есть или нет фазовый синхронизм. А то направление, где пересекаются конуса фазового синхронизма и некритичных по температуре взаимодействий, было определено как направление некритичного по температуре фазового синхронизма. Важным моментом являлось то, что легко показать существование этого режима в достаточно большом диапазоне длин волн. Этот вопрос мы неоднократно обсуждали с Валентином Георгиевичем.

Но здесь необходимо отметить одну особенность некоторых публикаций других авторов. В некоторых из них получали большие значения температурной ширины синхронизма. Но называли его нечувствительным, что обычно предполагает малость значений температурных производных для взаимодействующих волн, чего в нашем случае не было. Температурные производные не малы, могут иметь достаточно большие значения, но численно равны между собой. При этом в тех работах не было никакого теоретического рассмотрения и объяснения полученных результатов. Долгое время в мире не хотели признавать этот результат и наши трактовки, не было ссылок на наши работы.

Этот же подход позволил дать общее описание для некритичного по длине волны синхронизма, для которого приводились данные только для некоторых срезов кристаллов на фиксированных длинах волн излучения. Наиболее общее определение спектральных свойств кристаллов позволило показать, что этот режим существует в достаточно большом диапазоне длин волн. Как и при решении других задач, большим подспорьем здесь был пакет программ LID-FC.

Встал вопрос: это одно направление или можно в других направлениях, на других длинах волн получить аналогичный процесс некритичного по температуре синхронизма? Это возможно только в кристалле КТР или в других тоже? Это возможно только при генерации второй гармоники или при любом другом процессе преобразования? Проработали этот вопрос, обсчитали случай генерации третьей гармоники в кристалле LBO. Результат — возможно. И в эксперименте В.И.Прялкин это убедительно показал: да, возможно. Нельзя не отметить, что В.И.Прялкину не только приходилось совместно с нами решать вопросы теории, на нем лежало решение всех вопросов экспериментальной проверки. Дальше встал вопрос: а это возможно только для задач преобразования частоты или для других процессов также реализуемо? Первое, что проверили и теоретически, и экспериментально, — это двулучепреломление. Экспериментально подтвердилось все полностью. Тогда и пришло полное понимание и было сформулировано простое и лаконичное определение: для всех процессов, эффективность которых определяется разностью волновых векторов, в двухосных кристаллах возможна реализация некритичного по температуре процесса. И в достаточно широком диапазоне длин волн.

Здесь получился важный вывод с точки зрения практических применений. Все смотрели на конечную по температуре ширину синхронизма как неизбежное ограничение, с которым невозможно бороться и надо только технически обеспечивать стабильный по температуре режим. При некритичном по температуре процессе, во-первых, можно снять требование к температурной стабилизации и отказаться от термостатов, имея возможность работать в широком диапазоне температур без уменьшения эффективности преобразования. Второе, что немаловажно: это открывает возможность преобразования частоты при высоком уровне средней мощности излучения. Тепловое самовоздействие происходит всегда в любой среде, так как коэффициент поглощения их конечен. Наводимые в кристалле тепловые неоднородности из-за расстройки фазового синхронизма приводят к значительному уменьшению эффективности преобразования. А в предложенном режиме все эти проблемы снимаются.

Были и другие совместные исследования с Валентином Георгиевичем. Один раз предположили (со словами «А почему это нельзя?»), что существует возможность в нелинейных кристаллах с регулярной доменной структурой получить одновременно несколько процессов преобразования. Сказано — сделано. Проанализировали, обсчитали и показали, что можно. Были предложены одновременная генерация второй и третьей гармоник, а также второй и четвертой. Но экспериментальные исследования для проверки всех этих результатов мы, к сожалению, поставить не могли.

Отдельно хочется сказать о его подходе к методам решения задач. Неординарной является задача формирования пучков излучения при преобразовании частоты с учетом всех действующих механизмов. К моменту зарождения нелинейной оптики на мехмате МГУ им. М.В.Ломоносова были хорошо разработаны сеточные методы решения системы связанных нелинейных уравнений, и многие использовали их в своих работах. Но они имели и свои ограничения. Видя это, Валентин Георгиевич искал наиболее полные и точные методы решений. В совместной работе с С.М.Копыловым ими было предложено использовать спектральные методы для решения этих задач. Этот подход получился очень плодотворным. Также независимо и мы прорабатывали этот метод решений уравнений. Общность взглядов по этому вопросу позволила нам развить аналогичный метод решения и для задач преобразования частоты импульсов фемтосекундной длительности, вопрос о которых был актуален в 90-х годах. В этом случае в полном объеме учитывались все необходимые свойства кристаллов. Это нашло потом свое воплощение в некоторых работах аспирантов МГУ им. М.В.Ломоносова.

В нашей совместной работе Валентин Георгиевич был точкой опоры. Все появляющиеся мысли, идеи было интересно и необходимо проверять в общении с ним. Он всегда умел выделять главное, если есть, увидеть противоречия, сформулировать обобщения. Как цель жизни — подниматься на вершину знаний все выше и выше. Оптимизм его во многом заражал. И это при том, что тематика его текущих работ была далека от нелинейной оптики.

В.Г.Савельев, В.Г.Дмитриев и С.Г.Гречин на выставке «Фотоника»
В.Г.Савельев, В.Г.Дмитриев и С.Г.Гречин на выставке «Фотоника»

Валентин Георгиевич был очень отзывчивым человеком и всегда приходил на помощь в непростых ситуациях и в трудные моменты. Так уж получилось, что в 2005 году во время первых заморозков я поскользнулся, упал и сломал ногу. После этого традиционно — гипс и больница. А в момент выписки все, кто мог меня забрать и довезти домой, были в разъездах. Как раз в это время позвонил Валентин Георгиевич. Был общий разговор, чтобы поддержать меня. Но когда я сказал об этой неприятности, он мне ответил, что сейчас приедет. И, быстро завершив все вопросы на работе, уже через час забрал меня из больницы и привез домой. Такое отношение забыть нельзя. Это его черта — помочь ближнему.

Отличительной особенностью Валентина Георгиевича было умение прощать. Это действительно качество очень сильных людей. Он никогда не говорил о тех проблемах, конфликтах, которые были раньше. Никогда плохо не отзывался о людях. А если и вспоминал что-то, то с улыбкой. Даже когда в пылу полемик кто-то допускал нелицеприятное высказывание, он никогда не проявлял такой же ответной реакции. Он умел сохранять спокойствие в любой ситуации. И всегда находил рациональный выход из любой ситуации.

Я никогда не был учеником Валентина Георгиевича в традиционном понимании этого слова. Не был ни его студентом, ни аспирантом. Но за 20 лет общения с такими людьми, как он, учишься многому. И не столько по вопросам нашей совместной работы, это, безусловно, есть, сколько чисто человеческим, душевным качествам, отношению к людям, взглядам на жизнь. Его отличали честь, порядочность, тактичность, уважение к другим — многое из того, что дает нам наша православная культура. В этом смысле все, кто с ним общался, учились у него многому. С его стороны никогда не было ни пошлостей, ни чего-то неприличного. Он этого не допускал. Но он любил здоровый юмор, хорошую шутку, хороший анекдот. И в памяти остается его улыбка, улыбка доброго человека.

Нелинейная оптика для Валентина Георгиевича была если не всем, то очень многим. Для него она была одушевлённой. С большим интересом и любовью он относился к ней до последнего дня. И когда смотришь на список работ, то хорошо видно, что он был одним из пионеров этого направления с момента его зарождения. Валентин Георгиевич по различным вопросам нелинейной оптики с самого начала своей научной работы вел записи в тетрадях. С особыми ощущениями читаешь его последние записи с комментариями, где он сейчас находится. Поистине, для него научная работа, и в частном случае нелинейная оптика, — это жизнь.

Фрагмент последней рабочей тетради В.Г.Дмитриева
Фрагмент последней рабочей тетради В.Г.Дмитриева.
Он продолжал работать над проблемами нелинейной оптики даже в больнице в июле 2011 г.
Заголовок последней публичной лекции В.Г.Дмитриева
Заголовок последней публичной лекции В.Г.Дмитриева

Перефразируя слова Василия Андреевича Жуковского, хочется сказать о Валентине Георгиевиче: «Не говори с тоской — он был, но с благодарностью — был он».

Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus