книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров

кунды. Луч направляется на предмет, расстоя­ ние до которого необходимо измерить. Часть прямого и отраженный лучи попадают в приемник через промежуток времени, пропор­ циональный расстоянию до цели. Отраженный луч опаздывает на время, необходимое для прохождения этого расстояния туда и об­ ратно.

В земных условиях дальность действия оп­ тических дальномеров составляет 10—15 км, точность измерения до ±1 ж. В космических условиях дальность действия будет измерять­ ся тысячами и миллионами километров. Как уже упоминалось, советские ученые надежно приняли сигналы лазера, отраженные от Луны, и уточнили расстояние до нашего естественного спутника.

В приборах для локации и сопровождения цели применяются газовые лазеры непрерыв­ ного действия. Расстояние до предмета и его скорость определяются из анализа частоты и фазы отраженного луча.

Разработаны бортовые системы, дающие возможность производить слепую посадку са­ молета в сложных метеорологических усло­ виях.

Объемная фотография. Если вы впервые увидите эту фотопластинку, то немало удиви­ тесь, узнав, что на ней запечатлена шахмат­ ная доска с фигурами. Совокупность пятен, штрихов, окружностей, розеток и ни малей­ шего намека на шахматную доску. Но удивле­ ние будет еще большим, если вы взглянете на эту пластинку в лучах лазера. Пластинка как бы исчезает, а на ее месте возникает окошко,

54

через которое видна в натуральную ве­ личину шахматная доска с расставленными на ней фигурами. Эффект будет настолько силь­ ным, что избавиться от впечатления реально существующего предмета невозможно.

Перемещая голову вправо, влево или вверх, вниз, легко заметить, что фигуры пере­ мещаются относительно друг друга. Если одна фигура закрывает другую, то, изменив точку наблюдения, ее можно все-таки рассмотреть. Передние предметы можно изучать до неко­ торой степени с разных сторон.

Пластинка действительно удивительная, но это еще не все. Сделаем на ней несколько ца­ рапин, частично снимем эмульсию. Изображе­ ние почти не изменится, все его детали сохра­ нятся. Более того, разобьем ее на несколько частей. И какую бы часть мы не взяли, даже самую малую, она опять-таки дает изображе­ ние всей шахматной доски. Правда, яркость и четкость предмета значительно изменяются в зависимости от размера рассматриваемого осколка пластинки.

Легко догадаться, что здесь мы имеем дело не с обычной фотопластинкой, а с чем-то прин­ ципиально новым и не известным ранее в фото­ графии. Это — голограмма. О голографии, одном из великих достижений XX века, и пойдет речь в дальнейшем.

За многие годы своего развития фотогра­ фия достигла огромных успехов. Но как бы ни были велики ее достижения, какими бы совер­ шенными ни становились фотоаппараты и фо­ томатериалы, физические принципы фотогра­ фирования за все эти годы оставались практи­

55

чески неизменными. Любой самый современный фотоаппарат решает ту же задачу, что и самая элементарная камера-обскура (темный ящик с маленьким отверстием вместо объектива): он дает плоское, двухмерное изображение трехмерных объектов, которое закрепляется на фотопленке и фотобумаге.

Вместе с тем в 1947 г. английским физи­ ком Дэнисом Габором было сделано откры­ тие, которое заложило принципиально новые основы фиксирования изображения предметов на фотопластинке с помощью голограмм. Для получения голограмм необходимы источники когерентного света. Поскольку в те годы было трудно создать такие источники, изобретение Габора некоторое время считалось малопри­ менимым и не привлекло внимания широких кругов ученых.

Однако с появлением квантовых генерато­ ров света, особенно газовых лазеров, служа­ щих интенсивными источниками когерентного света, интерес к открытию Габора сильно возрос, и за короткое время голография до­ стигла значительных успехов.

Что же представляет собой голограмма? Как ее получить?

Прежде всего само слово «голограмма» состоит из двух частей: «голо», что означает в переводе с греческого «весь», «целый», и «грамма» — «знак», «запись». Следовательно, в буквальном переводе это запись всей, пол­ ной информации, содержащейся в световой волне. В полноте информации и заключается одно из коренных отличий голограммы от обычных фотографий.

56

Монохроматический свет можно сравнить с волнами на спокойной поверхности воды, в которую брошен камень. Движение любой точки водной поверхности характеризуется двумя величинами: амплитудой, или высотой гребня волны над уровнем спокойной поверх­ ности, и фазой, указывающей, на каком участке пути своего колебательного движения нахо­ дится точка: движется ли вниз, вверх или же достигла гребня.

Амплитуда световой волны однозначно свя­ зана с ее энергией. Оказывается, что фотохи­ мические реакции на пластинке чувствительны только к амплитуде (энергии) волны, а фаза никак не фиксируется. Поэтому при обычном фотографировании почернение на фотопла­ стинке определяется исключительно интенсив­ ностью света. Вариации интенсивности, кото­ рые создаются оптической системой, дают в конечном счете образ фотографируемого объ­

екта.

Чтобы зафиксировать фазы волн при полу­ чении голограмм, используется явление интер­ ференции. Бросьте в воду одновременно два камня, и от обеих точек падения побегут круги. Через некоторое время круги встретятся и бу­ дут налагаться друг на друга. Взаимодейст­ вие двух и большего числа волн и называется их интерференцией. При голографировании предмета рассеянные им световые волны ин­ терферируют с пучком света, идущим непо­ средственно от когерентного источника и на­ зываемым опорным лучом.

Происходит это так (см. цветную вклей­ ку V ). Луч света от непрерывно действующего

57

газового лазера (1) проходит через систему, расширяющую его поперечное сечение (2). На пути широкого пучка света (3) ставится голо­ графируемый объект (4) и зеркало (5). Отра­ женный от зеркала свет в качестве опорного луча (7) попадает на фотопластинку (<$). Сле­ довательно, пластинка освещается как рассе­ янным (6), так и опорным лучами. Перед пла­ стинкой нет никаких фокусирующих устройств, так что на любой участок ее поверхности па­ дает излучение от всего объекта и, наоборот, любая точка объекта посылает рассеянные лу­ чи на всю пластинку.

Опорный и рассеянный лучи интерфери­ руют между собой, причем, если колебания происходят в фазе, суммарная амплитуда увеличивается, если в противофазе — ослабля­ ется. Голограмма является по существу фото­ графией интерференционной картины свето­ вых волн.

Для получения голограмм в отличие от обычных фотографий, во-первых, не нужны никакие оптические системы, создающие изо­ бражение объекта, во-вторых, необходим ис­ точник когерентного, монохроматического све­ та, в-третьих, нужен опорный луч, создавае­ мый обычно путем разделения первоначально­ го излучения на два луча.

В голограмме запечатлена вся информация об амплитудах и фазах прошедшего света. Световые волны, распространяющиеся с огром­ ной скоростью, как бы остановились, замерли. Чтобы оживить их, достаточно осветить голо­ грамму однородным пучком когерентного света. Те волны, которые выйдут из голограм­

58

мы, будут в точности совпадать с волнами, рассеянными объектом.

Глядя на пластинку, мы увидим объемное мнимое изображение объекта, фокусируя про­ шедший свет, получим его действительное изображение. Все происходит так, как будто это не голограмма, а реальный предмет. Ни глазом, ни каким-либо из существующих при­ боров невозможно отличить восстановленные голограммой волны от волн, исходивших от объекта. Более того, в настоящее время не указаны даже принципиальные возможности для такого различия. Получается, как в сказке:

они продолжают свой путь как ни в чем не бывало, как будто и не было никакой оста­ новки.

Характерно, что контрастность изображе­ ния совершенно не зависит от контрастности фотопластинки, и нет негативных голограмм. Можно, конечно, переснять голограмму с од­ ной пластинки на другую, при этом черное станет белым и наоборот, но обе пластинки будут восстанавливать одно и то же изобра­ жение.

Где и как может быть использована голо­ графия? Нельзя ли создать объемное кино и телевидение?

В настоящее время голография еще не вы­ шла за пределы научных лабораторий. Голо­ графирование связано с получением четких и устойчивых интерференционных картин, что всегда было и остается весьма тонким и слож-

59

ным делом, требующим высокого профессио­ нального мастерства экспериментатора. Чтобы получить хорошие результаты, при экспониро­ вании в течение нескольких минут обе части установки должны жестко крепиться на тяже­ лых массивных подставках и быть неподвиж­ ными.

Однако не следует забывать, что гологра­ фия делает сейчас только первые шаги и мно­ гие трудности будут успешно преодолены при ее дальнейшем развитии. Так, например, с по­ явлением более мощных лазеров сокращается время экспозиции, а следовательно, и снижа­ ются требования к неподвижности объекта и частей установки. Недавно установлено, что на пластинках с толстым слоем эмульсии могу-' быть получены цветные голограммы.

Уже отмечалось, что голография содержит более богатую информацию об объекте, чем обычная фотография.. Следует добавить, что на одной и той же фотопластинке могут быть получены сотни различных голограмм. Для этого при последовательном голографирова­ нии пластинка ставится под разными углами и, кроме того, может освещаться светом раз­ личной длины волны. То пли иное изображе­ ние восстанавливается независимо от других при заданных условиях освещения пластинки. Это ценнейшее свойство голограммы будет

космоса.

С помощью голограмм легко получить сильно увеличенное изображение предмета, т. с. их молено использовать вместо мнкроско-

60

па, что значительно расширяет возможности исследования объектов, не видимых глазом. При этом голограмма может быть снята в рентгеновских лучах с недоступной сейчас степенью разрешения, а изображение воспро­ изведено в видимом свете.

Если при голографировании между объек­ том и фотопластинкой поместить матовое стекло, то с полученной голограммы воспро­ изводится матовое стекло или же его поверх­ ность. Однако если на месте его действитель­ ного изображения опять поместить то же стекло, то возникает четкое и ясное изображе­ ние самого объекта. Следовательно, содержа­ щаяся на голограмме информация может быть, как никогда ранее, надежно засекречена. Без стекла, при котором получалась голограмма,

еерасшифровка невозможна.

Зарубежная популярная печать полна со­

общений о том, что человечество стоит в пред­ дверии века объемного телевидения. Специа­ листы считают объемное кино и телевидение вполне реальным, но пессимистически отно­ сятся к срокам их осуществления. В част­ ности, автор открытия голограммы Д. Габор заявил недавно, что объемное телевидение по­ лучит распространение лишь в следующем столетии.

Тем не менее первые голограммные фильмы уже сняты. Один из таких фильмов состоит из 60 кадров, а его демонстрация длится 3 се­ кунды. В течение этого времени зритель видит объемное изображение вращающегося шара.

Дальнейшее развитие лазерной техники, использование лазерных лучей вместо радио-

61

волн для передачи информации, несомненно,

будет способствовать широкому внедрению го­ лографии в различные отрасли науки и тех­ ники и приблизит день объемного кино и теле­ видения.

Лазер на заводе. Возможность фокусиров­ ки излучения лазеров и получения высоких концентраций световой энергии в малых объемах сразу же была использована для про­ мышленной обработки материалов: сверления, резания, сваривания. Работы в этом направ­ лении уже вышли из фазы поиска и лабора­ торных исследований. В нашей стране и за рубежом выпускаются установки промышлен­ ного типа, в которых используются лазеры.

Установки для сверления малых отверстий и микросварки обычно состоят из трех частей: блока питания, пульта управления и лазерной головки. Блок питания обеспечивает накопле­ ние необходимого количества электрической энергии в конденсаторах. В лазерной головке расположен оптический квантовый генератор и микроскоп. Оптические оси обоих приборов совмещены, поэтому лазерный луч фокусиру­ ется в центре поля зрения микроскопа. С пуль­ та управления регулируется зарядка конден­ саторов и их разряд через лампы вспышки. Деталь, в которой необходимо сделать отвер­ стие, закрепляется в держателе под объекти­ вом микроскопа. Перекрестие шкалы наводит­ ся на заданную точку детали. Нажимают кнопку, и вспышка света сигнализирует о на­ чале и конце операции. Отверстие готово!

Таким путем можно получить круглые от­ верстия диаметром до 0,005 мм в любом мате­

62

риале, вклю чая самые прочные, такие, как

рубин и алмаз. Зарубежные фирмы уже сей­ час используют лазеры при массовом изготов­ лении алмазных фильер, предназначенных для протягивания проволоки, а также при изготов­ лении прядильных машин. Отверстия, сделан­ ные лазером в проволоках толщиной с челове­ ческий волос, можно увидеть только под микроскопом.

В отечественной сварочной установке СУ-1 используется рубиновый лазер, дающий свето­ вые импульсы длительностью в 5 мсек и энер­ гией в 1 дж. Этой энергии достаточно, чтобы сварить такие тугоплавкие металлы, как титан и сталь, золото и кремний, золото и германий. Лазерные аппараты позволяют сваривать ме­ таллы с резко различными температурами плавления, как например алюминий с ни­ келем.

В последние годы широкое распростране­ ние в радиотехнике получили печатные схемы. При изготовлении таких схем возникает необ­ ходимость проводить очень тонкие операции по свариванию деталей схем и удалению в от­ дельных участках металлического покрытия с диэлектрической подложки. Пользуясь ла­ зерной сварочной установкой, это можно вы­ полнить наилучшим образом. Она позволяет не только строго дозировать количество уда­ ляемого покрытия в нужном месте, но и про­ изводить удаление путем пропускания луча через прозрачную подложку. Аналогичным способом проводится сварка деталей, находя­ щихся внутри закрытых прозрачных сосудов. До появления лазеров этого нельзя было

63