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.