Создание лазеров прежде всего повлияло на развитие самой физики. Даже такая, казалось бы, уже полностью сформировавшаяся ее область, как оптика, буквально пережила второе рождение.

Нелинейная оптика. Под действием мощного светового пучка, распространяющегося в прозрачной среде, оптические свойства этой среды начинают изменяться, а это изменение влияет (в свою очередь) на поведение самого светового пучка. Круг таких, как принято говорить, нелинейных явлений очень широк, и их исследо­вание составляет новое направление в оптике, которое называется нелинейной оптикой.

За счет нелинейных явлений при распространении светового пучка в среде может появиться электромагнитное излучение на других частотах или же звуковые волны с очень большой частотой (1010 гц) и малой длиной волны, сравнимой с длиной световой волны, так называемый гиперзвук. Интенсивный световой пучок способен самопроизвольно изменять свою форму в среде, сжимаясь или расширяясь из-за изменения свойств среды.

В отличие от слабого излучения, которое поглощается в атомах и молекулах одиночными квантами, мощное лазерное излучение может поглощаться сразу несколькими квантами. Подобные много­квантовые процессы являются объектом исследования в нелинейной спектроскопии и дают ценную инфорчацию о строении вещества; такую информацию нельзя получить в рамках традиционной (ли­нейной) спектроскопии.

Действие лазерного излучения на вещество. При попадании мощного лазерного излучения на поглощающую поверхность про­исходит локальный взрыв, и вещество мишени испаряется или даже превращается в плазму. Сфокусированное лазерное излучение мгно­венно испаряет любое вещество. Использование подобных свойств лазеров открывает совершенно новые возможности в технологии обработки самых различных материалов. Например, получение отверстий в алмазе при помощи лазера осуществляется в десятки раз быстрее, чем обычными способами. Лазерный «нож» совместно о электронно-вычислительной машиной уже используется для автоматического раскроя тканей, а с помощью лазерного «сверла» можно получить отверстие произвольной формы в любом материале.

В коротких импульсах излучения лазерная мощность может достигать огромных значений, превышающих мощность всех электро­станций земного шара. При фокусировке такого излучения его ин­тенсивность, т. е. мощность, приходящаяся на единицу площади, становится просто фантастической. Величина соответствующего электромагнитного поля уже сравнивается с внутриатомными поля­ми, которые удерживают электроны вблизи атомных ядер. Излуче­ние подобной интенсивности мгновенно «сдувает» электроны с ато­мов и превращает вещество в высокотемпературную плазму, со­стоящую из электронов и ионов.

Возможность получения огромных интенсивностей тесно свя­зана с другими замечательными свойствами лазерного излучения— когерентностью и малой угловой расходимостью. В самом деле, если лазерное излучение способно разрушить любое вещество, то почему же не разрушается та активная среда, где это излучение возникает? Ведь получаемые от лазеров интенсивности намного превосходят те значения, при которых активная среда разрушается и теряет свои лазерные свойства. Дело в том, что максимальные зна­чения интенсивности излучения достигаются вне активной среды.

С помощью линз и зеркал лазерное излучение может быть скон­центрировано в очень малых областях пространства, размеры кото­рых для полностью когерентного излучения сравнимы с длиной волны этого излучения (для видимого света это примерно 10~4 см). При фокусировке излучения его интенсивность существенно увели­чивается, причем различие между когерентным и некогерентным излучением здесь проявляется особенно резко. Если, например, в данную область пространства приходит излучение от тысячи оди­наковых некогерентных источников (это могут быть различные области поперечного сечения одного и того же некогерентного пуч­ка), то результирующая интенсивность будет в тысячу раз больше первоначальной интенсивности, в то время как для когерентных источников (т. е. для когерентного пучка) суммарная интенсивность возрастет в миллион раз.

Лазеры и термоядерная проблема. Такие свойства лазерного излучения представляют особый интерес в связи с проблемой полу­чения управляемой термоядерной реакции. Реакция деления тяже­лых ядер (уран, плутоний и др.) уже давно используется человече­ством в мирных целях — первая советская атомная электростанция была построена в 1954 г. Между тем ядерная реакция другого типа — реакция синтеза легких элементов (изотопы водорода и др.), в которой также выделяется большое количество энергии, все еще остается неуправляемой, и соответствующая энергия может быть получена только в форме термоядерного взрыва.

Для осуществления этой реакции надо сблизить ядра легких элементов почти вплотную, преодолев при этом могучие силы ку- лоновского отталкивания одноименных электрических зарядов 

 

ядер. Такое сближение происходит при столкновении ядер в плаз­ме, нагретой до очень высокой температуры — сто миллионов гра­дусов (отсюда и название термоядерной реакции).

 

До настоящего времени необходимые условия для термоядерной реакции удавалось создавать лишь при атомном взрыве, т. е. «за­жигалкой» для этой реакции могла быть только атомная бомба. Это практически исключает возможность широкого применения термоядерной реакции, поскольку энерговыделение при взрыве атомной бомбы пока не может быть уменьшено до контролируемых величин.

 

Лазерное излучение может обеспечить необходимые условия для начала термоядерной реакции в более приемлемой форме, чем взрыв атомной бомбы. Уже сейчас в лабораторных условиях заре­гистрировано возникновение термоядерной реакции при воздействии мощного лазерного излучения на твердую мишень из дейтерида лития (соединение лития с тяжелым изотопом водорода). На этом пути, однако, еще имеются нерешенные вопросы, которые активно исследуются в настоящее время.

 

Измерение смещений и скоростей с помощью лазеров. Высокая когерентность и острая угловая направленность лазерного излуче­ния используются не только для получения рекордных интенсивно­стей в фокусе линзы. Эти свойства лазерного излучения открывают широкие перспективы для применений интерференционных оптиче­ских методов в самых различных областях науки и техники.

 

В лабораторных условиях интерференционный метод уже давно использовался для измерения небольших перемещений с высокой точностью. При сложении двух когерентных световых пучков ре­зультирующая интерференционная картина (например, система чередующихся светлых и темных полос) зависит от относительной фазы этих пучков. Если изменяется расстояние, проходимое одним из пучков, то меняется и его фаза, что приводит к смещению ин­терференционных полос, которое легко регистрируется.

 

Когерентное лазерное излучение позволяет применять интерфе­ренционный метод измерения в широком диапазоне расстояний и с большой точностью. Таким способом, например, могут быть заре­гистрированы малые деформации земной коры, предшествующие землетрясениям, что очень важно для изучения и своевременного предсказания этих грозных явлений природы.

 

Острая угловая направленность лазерного излучения дает воз­можность применять метод оптической локации в космическом диа­пазоне и обеспечивает при этом гораздо большую точность, чем обычная радиолокация. Измеренное таким способом расстояние до Луны известно сейчас с точностью до пятнадцати сантиметров, и это еще не предел. С помощью оптического треугольника Земля— Луна—Земля можно наблюдать также движения земных полюсов или дрейфовые смещения континентов.

Лазерные интерферометры уже сейчас широко используются в микроэлектронике при изготовлении сложных интегральных схем, в точном машиностроении и при­боростроении. С помощью мо­нохроматического лазерного лу­ча можно измерять скорости движущихся объектов, посколь­ку частота света изменяется при отражении его от движу­щихся предметов (эффект Доп­плера). Подобный способ оказал­ся самым удобным при измере­нии скорости горячей прокатки в металлургии.

Интерференционный метод оказывается эффективным не только при измерении линейных скоростей и смещений. С помощью так называемого кольцевого лазера (рис. 6.6) могут быть зафиксиро­ваны с большой точностью угол поворота и скорость вращения. В кольцевом лазере оптический резонатор состоит из нескольких зеркал (более двух), так что свет распространяется по замкнутому кольцевому пути, а не по одной линии, как в обычном лазере с дву­мя зеркалами.

 

 

Если кольцевой лазер неподвижен, то две волны, циркулирую­щие по кольцу в разные стороны, имеют одинаковую частоту. При вращении лазера вокруг оси, перпендикулярной плоскости лазер­ного контура, частоты этих волн изменяются из-за эффекта Допплера, возникают «биения», которые позволяют судить о скорости враще­ния и угле поворота системы. Кольцевые лазеры используются в лазерных гироскопах, по своим возможностям они превосходят не только обычные механические гироскопы, использующие инерцион­ные свойства вращающегося волчка, но и другие типы гироскопов, работающих на основе иных физических принципов.

Лазеры и голография. Одним из самых, пожалуй, интересных примеров использования когерентных свойств лазерного излучения является голография. Голография — это совершенно новый способ фотографии и восстановления изображения с помощью когерентно­го света, предложенный Д. Габором еще в 1947 г. Однако практиче­ская реализация этого способа стала возможной только после соз­дания лазеров.

В обычной фотографии на фотопластинке фиксируется действи­тельное изображение освещенного или светящегося собственным светом предмета, которое получается с помощью линзы или другого аналогичного оптического устройства. Изображение это двумерное, плоское. Некоторое ощущение объемности исходного объекта можно получить с помощью стереопары — двух почти одинаковых фотогра­фий объекта, снятых с несколько отличающихся позиций и рассмат­риваемых порознь каждым глазом. Однако такой метод и его раз­личные вариации все равно не в состоянии воспроизвести трехмер­ную картину реального объекта.


Рис. 6.7. Схема регистрации и воспроизведения изображения в голографи

 

 

Свет, который воспринимается человеком при рассматривании фотографии, слишком сильно отличается от того излучения, которое приходит непосредственно от реального предмета. С этим отличием в конечном итоге и связана разница в восприятии трехмерного объ­екта и его двумерного изображения на фотографии.

 

В голографии осуществляется восстановление того самого света, который исходил от реального трехмерного объекта.

Голографическое изображение создает полную иллюзию при­сутствия исходного объекта в некоторой области пространства. При изменении своей  позиции наблюдатель замечает параллакс, т. е. относительное смещение заднего и переднего плана изображения. Если какой-нибудь предмет на переднем плане закрывает собой деталь заднего плана, то, посмотрев на голографическое изображе­ние немного сбоку, можно будет увидеть эту деталь. Переводя взгляд на удаленные детали изображения, наблюдатель должен перефокусировать свои глаза. Короче говоря, невозможно отличить восприятие голографического изображения от восприятия реаль­ных объектов.

Фотографирование и воспроизведение изображения в гологра­фии осуществляется следующим образом.

Когерентное лазерное излучение освещает фотографируемые объекты, рассеянный свет от которых падает непосредственно на фотопластинку (рис. 6.7). Одновременно на эту же пластинку пада­ет так называемый опорный пучок — часть лазерного излуче­ния, идущая прямо от исходного пучка, минуя фотографируемые объекты.

При сложении опорного пучка и света, рассеянного от объ­ектов, возникает интерференционная картина, состоящая из при­чудливого чередования темных и светлых областей, которая и фиксируется на фотопластинке. Это изображение называется голо­граммой.

Несмотря на то что голограмма не имеет никакого внешнего сходства с фотографируемыми объектами, запечатленная на ней информация гораздо богаче той, которая передается при обычном способе фотографирования с помощью фотоаппарата.

На фотографии, снятой обычным способом, зафиксирована лишь интенсивность светового излучения, образующего действительное изображение в фокальной плоскости линзы, поскольку фотопла­стинка не реагирует непосредственно на фазу световых волн. Интер­ференционная картина чувствительна к фазовым соотношениям па­дающих волн, что и проявляется в определенном расположении областей с большей и меньшей интенсивностью суммарного излу­чения, т. е. фазовые соотношения становятся «видимыми» и могут быть зарегистрированы фотопластинкой. Поэтому на голограмме зашифрована не только интенсивность, но и фаза световых волн, рассеянных от объектов, т. е. полная характеристика этих волн. Именно это обстоятельство и делает возможным восстановление рассеянных волн с помощью голограммы.

При освещении голограммы одним только опорным пучком ла­зерный свет рассеивается на интерференционной картине, запечат­ленной на голограмме. Возникает две системы отклоненных свето­вых волн. Одна из них в точности повторяет рассеянные волны, расходящиеся от исходных объектов. Разумеется, самих этих объ­ектов уже нет, а рассеянные волны исходят теперь от голограммы. При этом объекты кажутся расположенными за голограммой — их видно через освещенную голограмму, как через окно. Такое изображение принято называть мнимым, поскольку оно кажется расположенным на продолжении реальных лучей, идущих от голо­граммы к наблюдателю. Напомним, что обычное зеркало также дает мнимое изображение, которое расположено «за зеркалом».

 

Другая система волн, рассеянных на голограмме, дает действи­тельное изображение исходных объектов, аналогичное тому, кото­рое получается вблизи фокальной плоскости фотообъектива, ког­да он наведен на реальные предметы. Если в то место, где схо­дится рассеянная голограммой система волн, поместить фотопла­стинку, то на ней получится обычная фотография исходных объ­ектов.

 

Восстановление волнового фронта рассеянных лучей происходит независимо от того, является голограмма негативом или позити­вом — в обоих случаях изображение получается одинаковым. Это объясняется тем, что рассеяние опорного пучка на голограмме, вос­станавливающее первоначальные волны, исходящие от объектов, определяется только относительной интенсивностью и взаимным расположением светлых и темных областей, а эти характеристики не меняются при замене негатива позитивом. Более того, пластинка, на которой запечатлена голограмма, может быть резко контрастной, а восстановленное изображение будет обладать полной гаммой полутонов.

 

Другое замечательное свойство голограммы состоит в том, что в каждой ее малой части заключена информация обо всех сфотогра­фированных предметах, т. е. по части голограммы можно восстано­вить все изображение целиком, только качество его будет несколько ухудшенным. Это свойство радикально отличает голограмму от фотографии, где утрата какой-либо части негатива или отпечатка приводит к полной потери информации о соответствующей части изображения. Такая связь голограммы и изображения напоминает соотношение между апертурой (отверстием) объектива фотоаппара­та и изображением на пленке: если закрыть часть объектива (на­пример, диафрагмой), то изображение на пленке сохранится цели­ком, хотя качество его изменится.

Исключительная информационная емкость голограммы и ее слабая чувствительность к дефектам фотопластинки особенно важ­ны для техники записи и обработки большого количества информа­ции. В ближайшее время лазерная обработка информации может стать одним из основных процессов в запоминающих устройствах вычислительных машин. Лазерная голография сейчас быстро раз­вивается, приходя на смену обычной фотографии во многих областях науки и техники. Большой вклад в это развитие внесли работы советского ученого Ю. Н. Денисюка.

 

Применение лазерной голографии в недалеком будущем произ­ведет настоящую революцию в телевидении. Вместо обычного дву­мерного изображения на экранах телевизоров будет воспроизво­диться трехмерное, объемное изображение, неотличимое при зри­тельном восприятии от оригинала. Экран телевизора станет «окном в мир» почти в буквальном смысле этого слова. Такие же захва­тывающие перспективы открывает голография и перед кино.

 

Лазеры и передача информации. Большие частоты лазерного излучения могут быть широко использованы для техники связи, поскольку оптический диапазон обладает намного большей пропу­скной способностью, чем радиодиапазон. Например, скорость пе­редачи информации с помощью светового излучения в десятки тысяч раз превышает возможности сантиметрового диапазона. По одному и тому же лазерному лучу могут одновременно передаваться мил­лиарды телефонных разговоров или десятки миллионов телеви­зионных программ, и они не будут мешать друг другу.

 

Малая расходимость и значительная интенсивность лазерного луча дают возможность быстро передавать большие количества ин­формации на космические расстояния. Лазерная связь незаменима при исследованиях далекого космоса. В земных условиях лазер­ную связь можно осуществлять не только по воздуху, но и по свето­проводу (прозрачному гибкому кабелю), что позволит избавиться от атмосферных и иных помех.

 

Для успешного освоения оптического диапазона в технике связи необходимо решить еще немало научно-технических проблем, одной из которых является разработка эффективных способов модуляции светового излучения. Эти проблемы в настоящее время интенсивно исследуются, и уже сейчас работает несколько стационарных эк­спериментальных линий телефонной лазерной связи.

 

Лазеры и измерение времени. Кроме рассмотренных выше, имеет­ся еще одна особенность излучения квантовых генераторов, кото­рая также делает их «рекордсменами» в соответствующей области — это очень высокая стабильность частоты генерируемого излучения. Получение относительной стабильности частоты в 10”12 уже перестало быть проблемой, и это еще не предел. Часы, имеющие такую точность хода, позволяют наблюдать в обычных земных ус­ловиях эффект замедления времени для движущихся тел, предска­занный теорией относительности Эйнштейна.

 

Подобные измерения были проделаны в конце 1971 г. американ­скими учеными, которые с этой целью облетели вокруг Земли на обычном рейсовом самолете. За несколько десятков часов этого кругосветного путешествия удалось зарегистрировать разницу между показаниями путешествующих и покоящихся часов, кото­рая в несколько раз меньше одной миллионной доли секунды и хорошо согласуется с теорией относительности.

 

|
Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top