Можно без преувеличения сказать, что с созданием телескопа и микроскопа в XVII веке связано и рождение новой научной дисциплины - оптики. А развитие оптики повлекло за собой совершенствование технологии изготовления линз и призм. Стеклом занялись многие ученые в разных странах. Казалось, что о стекле мы уже знаем все. И вдруг явление оптического пробоя в стеклах. Открытие данного явления, результат нашего знакомства с одним из важнейших открытий второй половины XX века  лазером.

Хотя с момента создания первого лазера прошло в общем-то совсем немного времени, он уже чрезвычайно прочно вошел в арсенал современной техники и используется в самых разных областях. Здесь и лазерная дефектоскопия, и обработка материалов, когда лазерный луч прожигает крохотное отверстие в металле, и упрочнение деталей. При помощи лазеров осуществляется локация, они помогают маркшейдерам и строителям, которые используют лазерный луч как отвес или им меряют отклонение от горизонтали. Вообще-то с помощью лазера можно даже делать надписи внутри прозрачного кристалла. Наконец, лазер прочно завоевал себе позиции в медицине, в первую очередь в офтальмологии.

Но, пожалуй, главное не это. В эпоху энергетического кризиса особое значение приобретает управляемый термояд. И как один из перспективных вариантов решения этой злободневной проблемы - лазерный термояд, основанный на том, что атом сжимается мощными лазерными пучками. В этом случае исключительное значение приобретает увеличение мощности лазеров. Речь идет о создании лазеров с гигантским импульсом порядка 107 секунды и короче, обладающих одновременно большой мощностью. Раньше в технике вопрос о создании подобных лазеров не ставился.

Но едва они появились, как ученые столкнулись с загадочным обстоятельством. Неожиданно элементы оптической системы и сам рубиновый стержень, почему-то стали выходить из строя. Напомним, что простейший лазер состоит из яркой лампы для оптической накачки, рубинового стержня, который рождает лазерный луч, и двух зеркал, образующих резонатор колебаний. Современные лазеры содержат множество сложных устройств для фокусировки и поворота луча линзы и призмы. А также оптические элементы, служащие для умножения частоты, прозрачные кристаллы.

Как известно, от фундаментальных научных работ не требуют экономического эффекта. Более того, сами ученые затрудняются указать область применения их открытий. Так, великий Фарадей, показывавший свою лабораторию премьер-министру Англии Гладстону, на вопрос последнего, какое практическое значение имеет открытие электромагнитной индукции, пожав плечами, ответил: «Вы можете обложить ее налогом». Сегодня же невозможно представить себе развитие техники, не использующее открытие Фарадея.

И тем не менее, говоря о цене оптических элементов лазера, которые выходят из строя, сразу вспоминается крылатое выражение: самое практичное  это хорошая теория. Действительно, решение проблемы оптического пробоя, а именно так был назван загадочный выход из строя оптических элементов лазера, имеет большое практическое и, следовательно, экономическое значение для науки и народного хозяйства.

Как внешне проявляется явление пробоя? Вроде бы лазер работает нормально. Но вот на выходе неожиданно теряется фокусировка. Оказывается, что на одном из элементов внутри или на поверхности неожиданно возникает крохотная точка, еле видимая простым глазом. А иногда ее невооруженным глазом и не увидеть. Её размер может быть около микрона. Иногда перестает генерировать сам лазер, значит в теле рубинового стержня возник пробой. Внешне пробой, если его можно различить простым глазом, это крохотная буль- бочка, возникшая в стержне. А если в линзе, то это непрозрачная точечка, похожая на крохотный пузырек в стекле. Оптический пробой стал серьезным препятствием на пути создания лазеров. Тем более что развитие лазерной техники потребовало создания синтетических кристаллов на основе стекла как более дешевого материала. Если раньше кристалл граната с добавкой ниодима стоил десятки тысяч рублей, то теперь их с успехом заменили лазеры из ниодимового стекла  значительно более дешевые.

Но опять-таки стекло подвержено оптическому пробою.

Поэтому начиная с 2001 года группа молодых ученых в различных научно-исследовательских институтах начала работать над решением этой проблемы. Необходимо было разобраться в механизме разрушения, возникающего в стекле, и на этой основе дать соответствующие рекомендации конструкторам и технологам, создающим лазерную технику. Были проведены десятки тысяч сложных измерений в процессе экспериментов. По ходу дела пришлось конструировать специальные лазеры и необходимую научную аппаратуру.

В результате исследований выяснилось, что причина оптического пробоя — наличие инородных микровключений в стекле. Так, кристаллы лазера выращиваются в тиглях из... платины. А использование этого драгоценного металла, отличающегося минимальной химической активностью, вызвано необходимостью создать абсолютно стерильную атмосферу, в которой выращивался кристалл. Однако мельчайшие частицы платины размером во много раз меньше микрона тем не менее попадают в стекло. Что же происходит тогда с линзой? Когда луч большой мощности попадает на нее, то из-за того, что она непрозрачная, частица начинает поглощать лучистую энергию. При этом лучистая энергия переходит в тепловую. В соответствии с законом теплообмена частица начинает передавать тепло в окружающую ее зону.

Но может возникнуть ситуация, когда теплоотвод не поспевает за нагревом, вот тут-то начинается своеобразный тепловой взрыв. Можно провести аналогию с порохом. Когда порох горит на воздухе в свободном обмене, взрыва не происходит, потому что есть свободный отвод энергии. Но когда этот же процесс возникает в замкнутом объеме и энергию отводить некуда, накопившаяся энергия прокладывает себе дорогу силой взрыва.

Чем температура в зоне микровключения выше, тем больше поглощение этой лучистой энергии. А чем больше поглощение, тем выше температура. Возникает лавинообразный процесс — взрыв. При тепловом взрыве выделяющаяся энергия, кроме того, может изменять окружающую частицу структуры стекла: оно станет непрозрачным. Теперь очаг увеличился. Лучистая энергия, попадая в него, производит все новые и новые взрывы, все увеличивая и увеличивая непрозрачную зону. В ней начинают возникать пузырьки и микротрещины, уже различимые невооруженным глазом. В конце концов стекло попросту может разрушиться.

Таков механизм оптического пробоя. Найдя его, ученые стали ставить эксперименты с целью изучить влияние лазерных лучей различной мощности на типы стекол, применяемых в лазерной технике, содержащие всевозможные включения. Ведь достаточно, чтобы к 100 миллионам атомов в среднем примешался один только атом инородного включения, как возникает опасность пробоя.

Конечно, один атом примеси сам по себе не опасен, но он образует опасные конгломераты, которые в дальнейшем поглощают лучистую энергию, вызывая оптический пробой стекла.

Наконец были выявлены включения, наиболее опасные для пробоя. В итоге ученые смогли дать рекомендации по созданию новых типов стекол, обладающих во много раз большей оптической стойкостью, чем обычные.

Однако, помимо решения важной прикладной задачи, были проведены и фундаментальные исследования. Была изучена проблема порогов. Оказалось, что для всякого прозрачного оптического материала существует свой предельный теоретический порог разрушения под воздействием лазерного излучения. А это обстоятельство чрезвычайно важно при конструировании лазеров, особенно большой мощности.

Сегодня трудно предсказать, когда появится лазерный термояд. Но когда он появится, надо помнить, что в решении этой проблемы века есть и вклад ученых .