В 1898 г. г. Уэллс вообразил в своей книге «Война миров» захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, и прожигать сталь, как если бы она была бумагой. Подобным оружием пользовались персонажи карикатур, мультфильмов и комиксов перед и после Второй мировой войны. Это рождало мечты военных об оружии будущего. В настоящее время пучки лазеров высокой мощности делают это реальным.

Как только был создан первый лазер, сочинители стали использовать его вместо старомодных лучей смерти для своих персонажей, и таблоиды развлекали ужасными выдумками о возможных разработках лазерных пушек и других выдуманных орудиях. Артур Шавлов демонстрировал на конференциях возможности, предоставляемые рубиновым лазером, с помощью пистолета с маленьким рубиновым лазером внутри его, излучение которого взрывало маленький голубой воздушный шарик. Собирая примеры фантазий прессы, он прибил на двери своего кабинета в Стэнфордском университете вырезку со словами «невероятный лазер», под которой написал «если интересуетесь правдоподобным лазером, заходите».

Свет лазера отличается от света обычных источников света примерно так же, как музыкальный звук отличается от шума. Более того, пучок лазера может распространяться на километры, лишь слегка увеличиваясь в диаметре. Так, когда в 1969 г. пучок рубинового лазера был послан на Луну, чтобы отразиться от системы отражателей, установленной Армстронгом, пучок на Луне имел диаметр лишь 9 км.

Еще одна особенность лазеров — их огромная яркость. Когда мы греемся на солнце в полдень летнего дня, солнечный свет, падающий на наш палец, имеет мощность около десятой доли Вт. Свет от лазера можно сконцентрировать в точку на нашем пальце, при этом мощность может достигать 109 Вт!

Эти свойства, а также огромное число типов лазеров привело к многочисленным применениям в самых различных областях, причем их число увеличивается. Эта ситуация сильно отличается от того, что было сразу же после изобретения лазера. Тогда еще не было никаких применений, и люди говорили, что лазер был блестящим решением проблемы, которая еще не существует (решение, ждущее проблемы).

В настоящее время существует множество типов лазеров, от огромных, величиной с футбольное поле, до миниатюрных величиной с булавочную головку. Свет, который они испускают, простирается по спектру от невидимого инфракрасного диапазона до ультрафиолета и даже рентгена, через видимый свет всех цветов радуги. Некоторые из длин волн можно плавно перестраивать. Интенсивность может изменяться на много порядков.

Некоторые лазеры испускают импульсы с длительностью до фемтосекунды (10—15 с), а другие могут испускать пучки в течение десятилетий. Подобно лучам Уэллса, некоторые лазеры позволяют сфокусировать их свет в яркую точку так, что концентрация энергии в ней оказывается достаточной для испарения стали или любых других материалов. Другие испускают энергию, которой не хватит, чтобы сварить яйцо. Интенсивность сфокусированного мощного лазерного излучения может превышать ту, что получается при ядерном взрыве (разумеется, за очень короткий (фемтосекунды) интервал времени).

Немного найдется научных достижений, которые так возбудили бы воображение ученых и инженеров, как лазер. Лазер дал возможность экспериментально исследовать оптически нагреваемую плазму, причем с помощью мощного лазерного излучения можно получить контролируемую термоядерную реакцию. Возникло новое научное направление — нелинейная оптика. Она включает такие явления, как генерация оптических гармоник, т.е. новых лазерных длин волн, параметрическое усиление и генерация, позволяющая плавно перестраивать длину волны лазерного излучения, фотонное эхо, самоиндуцированная прозрачность, самофокусировка лазерного пучка. С помощью лазеров производятся точнейшие измерения дистанций вплоть до Луны, фиксируется скорость дрейфа континентов. В спектроскопии реализуется исключительно высокое разрешение. Это позволяет определить значение фундаментальных физических констант со значительно большей точностью. Стала возможной генерация ультракоротких оптических импульсов. С их помощью изучаются сверхбыстрые явления в атомах, молекулах, в газах, жидкостях и твердых телах.

Лазеры также входят в повседневную жизнь. Они используются в принтерах и в проигрывателях компакт-дисков и позволяют получать высококачественные изображения и звук. В криминалистике с помощью лазеров фиксируют отпечатки пальцев, оставленные много лет назад. Голограммы дают трехмерное изображение. Лазерные эффекты используются для спецэффектов в кино, на рок-концертах и других подобных мероприятиях.

В самом начале было мало возможностей для коммерческой деятельности в области лазеров, за исключением продажи деталей и компонентов, нужных для изготовления лазеров и их последующего развития. Компании, которые хотели действовать в этой области, вынуждены были проводить свои собственные прикладные исследования с целью получения контрактов, в особенности от военных. Выражение «лазер — это решение в поиске проблемы» было обычным в то время. Затем лазерные технологии вошли в фазу разработок, в которой были найдены применения. Многие компании на этой фазе не хотели или не решались включиться в технологию, применения которой были туманны, и устранились из этой области. Однако, с другой стороны, многие предприниматели удвоили усилия, стараясь найти применения и коммерческие перспективы. В настоящее время лазерная технология прорвалась. Можно указать много применений, где лазеры при меньшей стоимости обеспечивают лучшую эффективность, чем старые технологии. Сегодня имеется рынок лазерной продукции в области телекоммуникаций, в области обработки и сохранения информации, в типографском деле, в области обработки материалов, в медицине и др. В будущем ожидается ещё большее расширение рынка. Для неспециалиста ясны преимущества лазерных технологий в таких областях, как видео- и аудиодиски, лазерные принтеры, система штрих-кодов на товарах, волоконно-оптическая связь и некоторые медицинские процедуры лечения с помощью лазеров.

Новые слова описывают использование света в его различных применениях. Электроника — термин, обычно употребляемый для характеристик электронов и применений с их участием. Этот термин используется с 1910 г. Когда был открыт мазер, т.е. электронное устройство, для которого было необходимо знание квантовой механики, был придуман термин «квантовая электроника». Этот термин был затем распространен на все устройства электроники, для которых требовалось понимание квантовой механики, например, транзисторы. «Оптоэлектроника» — термин сравнительно недавнего происхождения (впервые он был введен в 1955 г., даже до изобретения лазера), он относится к явлениям и устройствам, работа которых происходит при совместном действии электроники и оптики. Многие современные устройства, использующие лазеры, являются типичными оптоэлектронными устройствами, и сам лазер можно отнести к оптоэлектронному устройству. Для более специфического описания применений в устройствах с использованием фотонов, особенно в области передачи информации, с 1952 г. стали использовать термин «фотоника», означающий, по аналогии с термином «электроника», применение или получение фотонов в устройствах для передачи информации, а также в ряде явлений. К таким явлениям относятся: получение направленного пучка фотонов (света), его отклонение, модуляция и усиление, оптическая обработка изображений, регистрация и запись световых сигналов. Как можно заметить, нет резких границ между этими терминами, и часто они используются взаимозаменяемым образом. Со временем может прийти более точное определение каждого термина.

В 1984 г. глобальный рынок лазеров превышал более чем два миллиона евро в коммерческой области в добавок к одному миллиону в военных целях. А в 1994 г. общий объем продаж лазеров составил 1 млрд. евро. В течение этой эскалации успехов и применений не обошлось без забавных недоразумений. Например, в 1970-х гг. дин работник американской таможни решил, что лазеры безопасны, и могут без ограничений импортироваться и экспортироваться, но это не относится к лазерным пучкам!

Здесь мы хотим упомянуть о некоторых огромных возможностях лазеров, описав некоторые из применений, имеющих большой интерес, как с исторической, так и с современной точек зрения.

 

Лазер для военных целей

Даже до того, как были созданы первые лазеры, они уже вызвали определенный интерес военных из-за принципиальной возможности ряда применений. Было понятно, что высокая направленность лазерного пучка может обеспечить секретность передачи информации, которая получается путем модуляции его интенсивности. Кроме того, возможность фокусирования и формирования пучка позволяет снизить потери при распространении, т.е. избежать недостатка, присущего радиоволнам. Тогда казалось, что лазер сможет обеспечить уникальный способ коммуникаций или даже передачи энергии. Однако первые же эксперименты, выполненные, как только появились лазеры, показали, что атмосфера Земли оказывает вредное влияние на распространение света, он поглощается или рассеивается. Если идет дождь или снег, а также в тумане, распространение невозможно. Но даже при ясной погоде распространение существенно ухудшается. Например, интенсивность не остается постоянной во времени, а начинает беспорядочно флуктуировать из-за явления, которое известно как турбулентность атмосферы. Это хорошо известно астрономам, которые наблюдают, что изображения звезд флуктуируют во времени (они называют этот эффект сцинтилляциями). Однако такого ограничения можно избежать в вакууме, например, между спутниками или на Луне, а также существенно ослабить его при сравнительно коротких дистанциях.

Прекрасный способ распространения световых сигналов без существенных потерь был получен при использовании оптических волокон. Этот способ заменяет распространение электрических сигналов по проводам или радиоволнами. С помощью специальных стеклянных волокон удается быстро передавать большие объемы информации между континентами. Характеристики волоконно-оптической связи лучше, чем радиосвязь и связь по проводам. Сами волокна весят меньше и дешевле, чем медная проволока.

Военные также держали в голове и другие применения, например радар. Радар на оптической частоте может в принципе улучшить точность и «разглядеть» детали мишени, что невозможно даже при использовании миллиметровых радиоволн. Также возможно измерять скорость мишени. С другой стороны, возмущающие эффекты атмосферы на пучки оптических радаров можно использовать для измерений свойств самой атмосферы (такой прибор называется лидаром), таких, как концентрация озона, загрязнения и турбулентности, информация о которых очень важна для авиасообщений.

Первым военным применением новой лазерной технологии стали дальномеры. Они появились в середине 1960-х гг. Короткий импульс лазерного излучения (около 10—30 нс) посылается на цель, и измеряется интервал времени между посылкой и приходом отраженного сигнала. Так как импульс распространяется со скоростью света, это позволяет определить величину дистанции.

С помощью лазеров можно управлять снарядами. В 1965 г. специализированное издание сообщило об испытаниях ручного лазерного устройства для наведения снаряда на цель. Вскоре были описаны эксперименты, в которых лазер использовался для подсветки целей малого размера и точного наведения сверхзвуковых ракетных снарядов. Первые системы лазерного наведения на цель были использованы в 1972 г. в конце вьетнамской войны. «Умные» бомбы, наводимые лазерами, явились предвестниками появление оружия с очень точным наведением. Это стало поворотным пунктом технологий вооружения, так как новые системы наведения увеличивали вероятность поражения цели по сравнению с обычным бомбометанием. Во время войны в Персидском заливе и в Сербско-Боснийской войне такое оружие с лазерным наведением было обычным. В 1968 г. в США ВМС начали исследования возможности использования лазеров большой мощности и в 1978 г. добились успеха, сумев сбить ракету. Затем Армия изучала возможность использования лазеров для того, чтобы выводить из строя вражеские системы наблюдения и даже ослеплять солдат. Администрация Рейгана ввела в действие программу антиракетной обороны, основанной на использовании лазеров, известной под названием «Стратегическая Оборонная Инициатива» (СОИ). Эта программа была объявлена Рейганом 23 марта 1983 г. в его знаменитой речи «Звездные войны». По этой программе должны были появиться лазерные системы, способные зафиксировать атаку вражескими баллистическими ракетами и уничтожить их. Эта программа встретила значительную критику, и в конце концов было мало сделано для ее осуществления. Администрация Клинтона пересмотрела оборонную стратегию, введя в действие организацию, занимающуюся проблемами обороны с помощью ракет (Ballistic Missile Defence Organization), с менее амбициозными целями, но с большей надеждой на успех.

Большинство оборонных систем спроектировано с целью уничтожения боеголовок ракет, прежде чем они достигнут цели. Уже разработаны такие системы, которые перехватывают ракеты на конечной траектории, после вхождения в атмосферу. Другие системы будут стараться перехватить ракету вне атмосферы или даже на начальном участке траектории, сразу же после запуска.

Как только баллистическая ракета запускается, включаются следующие действия системы обороны. Прежде всего, инфракрасные датчики, установленные на спутниках, находящихся на геостационарных орбитах, обнаруживают струю горячего газа ракеты, когда она минует облака. Спутник посылает сигнал тревоги военному командованию о том, что произошел запуск, с указаниями области, куда направлена ракета. Эта информация используется, чтобы направить датчики системы обороны в нужные координаты для сопровождения. Эти датчики прослеживают цель, определяют боеголовку и передают данные перехватчику. Обычно такими датчиками являются радары, установленные на Земле, но в будущем вместе с ними будут задействованы спутники на низких орбитах, оборудованные инфракрасными датчиками. На основе этих данных запускается перехватчик, который летит в место, координаты которого рассчитаны на основе полученных данных. Затем от перехватчика отделяется заряд для уничтожения, который использует свою систему наведения в центр мишени.

Этот сложный танец, который мы изложили в простой форме. Его хореография должна включать крайне изощренные боевые системы с исключительно быстрыми временами срабатывания. Полное время полета ракеты «Скад» с радиусом действия 300 км составляет не более 4 мин. Ракеты с большим радиусом действия остаются в полете не более 15 мин.

Одним из возможных сценариев работы системы является уничтожение баллистической ракеты на стадии ее запуска. Преимуществом является то, что двигатели на старте выпускают огромное количество раскаленного газа, испускающего интенсивное ИК-излучение. Это позволяет легко обнаружить запускаемую ракету. Однако необходимо располагаться достаточно близко от ракеты, чтобы перехватить ее, поскольку двигатели работают лишь несколько минут. В этот короткий период времени система обороны должна установить и определить факт запуска, провести расчет траектории и затем перехватить цель.

Пентагон разработал систему, способную осуществить это, а именно, лазер самолетного базирования военно-воздушных сил (Air Force's Airborne Laser). Это химический лазер (COIL — химический кислород-йодный лазер), который устанавливается на самолете Боинг-747. Эта система способна перехватывать ракеты на взлете на расстоянии несколько сотен километров. Интерес к использованию лазерного излучения для непосредственного уничтожения связан с огромным значением скорости света, т.е. достаточно без всякого упреждения направить лазерный пучок на цель. Лазер поражает ракету при наведении и фокусировании на нее пучка. В результате металл нагревается вплоть до разрушения. Каждый металл имеет свою характерную точку разрушения: 460°С для стали и 182°С для алюминия. Существуют, по крайней мере, два возможных способа уничтожения ракеты. Первый способ — для ракет, имеющих баки с жидким горючим. Прожигание сравнительно тонкой оболочки бака приводит к катастрофическим последствиям. Второй способ связан с сильным нагревом воздуха в непосредственной близости от ракеты. Когда это достигается, на ракету начинают действовать аэродинамические и инерциальные силы, которые изгибают ее (рис. 63).

Рис. 63. Левая часть рисунка показывает, как лазерный пучок повреждает бак жидкостной ракеты (верху), или деформирует корпус ракеты (внизу). В результате или повреждается бак и ракета разваливается (вверху), или повреждается ракета (внизу) и сбивается с курса

На борту самолета будут три главные лазерные системы. Первая, которая создает смертельный для ракеты пучок, является лазером непрерывного действия. Две другие являются импульсными лазерами. Один из них служит для наведения на цель, а другой — для формирования главного пучка с учетом состояния атмосферы (см. далее раздел, посвященный адаптивной оптике). Очевидно, что главной частью системы является лазер поражения цели. Им является химический кислород-йодный лазер, который размещается в задней части самолета. Он производит непрерывный лазерный пучок ИК-излучения на длине волны 1,315 мкм с мощностью несколько мегаватт (существенно большей, чем достигалось лазерами этого типа до недавнего времени). В этом лазере возбужденные атомы йода получаются при многократных столкновениях с возбужденными молекулами кислорода (т.н. «синглетный кислород»), которые получаются в результате химической реакции (реакция хлора со щелочным раствором перекиси водорода). Эта система разрабатывается с 1997 г. и подвергалась некоторой критике.

 

Солнечные лазеры

Сразу же после открытия лазера стали мечтать о прямом преобразовании белого, некогерентного солнечного света в монохроматическое, когерентное излучение лазера. Это позволило бы, например, существенно уменьшить вес лазерной системы, располагаемой на спутнике, поскольку все функции системы накачки могли бы выполняться Солнцем. Эти мечты вскоре были реализованы, и в 1966 г. были созданы лазеры с солнечной накачкой. Однако их эффективность была довольно низкой, типично порядка 1%, т.е. лишь сотая доля собранного солнечного излучения преобразовывалась в лазерный свет. Позднее, были разработаны весьма совершенные способы концентрации солнечного света, немыслимые прежде. В результате получалась концентрация 72 Вт/мм2, что превышает интенсивность света на самой поверхности Солнца (63 Вт/мм2). С такими значениями интенсивности света накачки можно создать лазеры с улучшенными параметрами. Эффективность уже превзошла 6%.

 

Оптические волокна и лазерная связь

Со времен античности свет использовался для передачи сообщений. В Китае, Египте, и в Греции использовали днем дым, а ночь огонь для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической связи мы можем вспомнить осаду Трои. В своей трагедии «Агамемнон», Эсхил дает детальное описание цепочки сигнальных огней на вершинах гор Ида, Антос. Масисто, Египланто и Аракнея, а также на утесах Лемно и Кифара, для передачи в Арго весть о захвате Трои ахейцами.

В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.

На Капри до сих пор можно видеть руины античного «Фаро» (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.

В Северной Америке одна из первых оптических систем связи была установлена около 300 лет назад в колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек в Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило ряд позиций для сигнальных огней во многих деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. В этой цепи, которая начиналась с Иль Верте, на расстоянии около 200 км от Квебека ниже по течению, было не менее 13 пунктов. С начала 1700-х гг. в каждой из этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать за сигналом, посылаемым из деревни ниже по течению, и передавать его далее. С помощью такой системы сообщение о британской атаке в 1759 г. достигло Квебека прежде, чем было слишком поздно.

В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (1847—1922) получил патент на «фотофон» устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:

«Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов ...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить».

Изобретение лазера стимулировало возросший интерес к оптической связи. Однако, вскоре было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки с газовыми линзами и диэлектрические волноводы, но все они были оставлены в конце 1960-х гг., когда были разработаны оптические волокна с малыми потерями.

Понимание, что тонкие стеклянные волокна могут проводить свет за счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной с XIX в. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) и использованной в инструментах и для освещения. Однако в 1960-х гг. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. В то время типичным значением ослабления был один децибел на метр, означающим, что после прохода 1 м пропущенная мощность уменьшается до 80%. Поэтому было возможным лишь распространение по волокну длиной несколько десятков метров, и единственным применением была медицина, например эндоскопы. В 1966 г. Чарльз Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, в которой показали, что если в плавленом кварце тщательно устранить примеси, а волокно окружить оболочкой с меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления до -20 дБ/км. Это означает, что при прохождении длины 1 км мощность пучка ослабляется до одной сотой входной мощности. Хотя это и очень малое значение, оно приемлемо для ряда применений.

Как часто бывает в таких ситуациях, в Великобритании, Японии и США начались интенсивные усилия с целью получить волокна с улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут в 1970 г. Е. П. Капроном, Дональдом Кеком и Робертом Майером их Компании Корнинг Глас. Они изготовили волокна, которые имели потери 20 дБ/км на длине волны 6328 А° (длина волны He-Ne-лазера). В том же году И. Хаяши с сотрудниками сообщили о лазерном диоде, работающем при комнатной температуре.

В 1971 г. И. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой связи в AT&T Bell Laboratories (Холмдел, Нью-Джерси, США), и ему было поручено разработать системы с высокой скоростью передачи информации. Его начальники У. Даниельсон и Р. Компфнер перевели часть персонала в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы «не спускать глаз» с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.

Итак, предварительный эксперимент был сделан в середине 1976 г. в Атланте с оптическими волоконными кабелями, помещаемыми в трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел к созданию системы, которая связала две телефонные станции в Чикаго. На основе этих первых результатов, осенью 1977 г., в Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. В 1983 г. связь была установлена между Вашингтоном и Бостоном, хотя это и было связано с многими трудностями. Эта система связи работала со скоростью передачи 90 Мбит/с. В ней использовалось многомодовое волокно на длине волны 825 нм.

Между тем NTTC (японская телеграфная и телефонная компания) сумела вытягивать волокна с потерями лишь 0,5 дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,5 мкм, а Линкольновская лаборатория в MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного диода, способного непрерывно работать в диапазоне между 1,0 и 1,7 мкм при комнатной температуре. Использование волокон с малыми потерями на 1,3 мкм позволило создать более совершенные системы. Были построены системы с пропусканием 400 Мбит/с в Японии и 560 Мбит/с в Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. В США было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая все еще использует медный провод, является связь между домом и телефонной станцией. Эта «последняя миля», как ее стали называть, также становится объектом волоконной связи.

Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен в действие в 1858 г. Почти сто лет спустя, в 1956 г., был проложен первый телефонный кабель, получивший название ТАТ-1. В 1988 г. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей на оптических волокнах (их стали называть ТАТ-8). Они работают на длине волны 1,3 мкм и связывают Европу, Северную Америку и Восточную часть Тихого океана. В 1991 г. началось установление второго поколения волоконно-оптической связи, ТАТ-9, которая работает на 1,3 мкм и связывает США и Канаду с Великобританией, Францией и Испанией. Другая линия работает между США и Канадой и Японией.

В мире имеется ряд других волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией и Японией покрывает 27 300 км в Атлантическом океане, Средиземном море, Красном море, Индийском океане, в Тихом океане, и имеет 120 000 промежуточных усилителей на пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 г. использовал 36 преобразователей, а первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.

Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.

Однако имеется одно достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Это возможность непосредственно усиливать оптические сигналы в волокне, т.е. без необходимости сперва извлекать их из волокон. Путем добавления в материал волокна примесей подходящих элементов, например эрбия, и возбуждения их с помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между двумя уровнями эрбия с переходом, который точно соответствует 1,5 мкм. В результате можно получить усиление импульса света на этой длине волны при его распространении через волокно. Кусок такого активного волокна помещается между двумя концами волокон, через которые распространяется сигнал. С помощью оптического ответвителя в этот кусок направляется и излучение накачки. На выходе остаток излучения накачки выходит наружу, а усиленный сигнал продолжает распространение в волокне. С помощью такого подхода можно исключить промежуточные электронные усилители. В старых системах электронных усилителей свет выходил из волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался и преобразовывался в свет, который продолжал распространяться в следующей секции волокна.

 

Компакт-диски

Одним из самых популярных применений лазеров является их использование в системах записи и воспроизведения компакт-дисков (CD), которые ныне полностью заменили старомодные виниловые диски. Технология оптических дисков берет свое начало в исследовательских лабораториях фирмы Филипс (Нидерланды) в 1969 г. Параллельно исследования в этой области проводились фирмой Сони (Япония). После соглашения обе эти фирмы стали сотрудничать, и в 1982 г. компакт-диски вышли на рынок. В этой системе звуковая информация сначала записывается и преобразуется в серию импульсов, которые представляют первоначальный сигнал (т.е. сигнал оцифровывается). Затем эти импульсы переносятся на поверхность стеклянного диска с помощью сложной техники, использующей лазер, испускающий ультрафиолет. Этот лазер «записывает» последовательность импульсов в виде отверстий на поверхности диска. Каждое отверстие имеет микроскопические размеры с шириной около тысячной миллиметра (0,5 мкм) и глубиной 1000 А°. Таким образом, можно зарегистрировать большой объем информации на очень малой площади диска. Эту предварительную запись используют для изготовления матрицы, с помощью которой изготавливаются пластиковые копии для продажи. Для «считывания» записанной информации диск вращается, и считывание получается с использованием света GaAlAs-диодов, работающих на длине волны 780 нм. Свет диода направляется на диск и отражается той частью поверхности, где нет отверстий, а сами отверстия не отражают свет. Отраженный свет регистрируется подходящим приемником. Сигналы декодируются электроникой с преобразованием в звук (рис. 64). В настоящее время получают лучшие результаты с диодами, работающими в сине-зеленой области спектра. Уменьшение длины волны позволяет уменьшить размеры отверстий и тем самым записать большую информацию на той же площади диска.

Рис. 64. Схема системы считывания с оптического диска. Свет, излучаемый лазерным диодом, формируется в пучок, который направляется на диск с записанной информацией. Та же оптическая система собирает отраженный свет и посылает его на приемник

Разумеется, реальная система значительно сложнее, чем описано. Используются весьма искусные оптические системы, которые обеспечивают, что лазерный свет всегда нужным образом фокусируется на диск (положение фокуса изменяется не более 0,5 мкм), а диск вращается с постоянной скоростью. На диске также закодированы сигналы номеров содержания диска, продолжительность выбранного трека и всей записи. Эти сигналы служат для выбора желаемого куска информации на диске без необходимости прослушивать всю запись. Принципиальным преимуществом является то, что диск записывается и считывается световым пучком, без какого-либо механического контакта. Поэтому исключаются все царапины и повреждения, характерные для старых пластинок. Более того, можно записывать информацию с избытком, поэтому малые царапины и следы от пальцев часто не сказываются на работе. Разумеется, если грязь и пыль накапливается на диске, он может выйти из строя.

Оптические диски позволяют вообще сохранять огромное количество данных. Наиболее важным применением оптических дисков является т.н. CD-ROM (компакт-диск только для считывания памяти), которые обычны в компьютерах.

 

Медицинские применения

Применение в медицине — одно из интереснейших использований лазеров. Лазеры начинают широко использоваться в биологических исследованиях и в медицинской практике. Большинство применений основано на стандартном коммерчески доступном оборудовании.

Одним из первых применений лазеров стала офтальмология. Фотокоагуляция с потерей зрения, которая может произойти при наблюдении затмения, известна с античных времен. Платон предостерегал людей никогда не смотреть прямо на затмение, так как это могло привести к ослеплению. Это было забыто людьми, наблюдающими взрыв первой атомной бомбы, некоторых из которых были ослеплены вспышкой. В 1950-х гг., до появления лазера, коагуляторы сетчатки глаза использовали свет от ксеноновых дуговых ламп. Действие этого света на сетчатку было таким же, как и действие солнечного света. Одним из первых применений было восстановление отслоенной сетчатки. Врачи использовали ксеноновую лампу для выжигания, которое позволяло возвратить на место отслоенную сетчатку глаза. Естественным было использование лазера для улучшения этой процедуры, и это оказалось успешным!

Фотокоагуляция заключается в следующем. Лазерный свет превращается в тепло с возрастанием температуры приблизительно до 65°. Это повышение температуры приводит к денатурации белка с образованием коагулянта. Таким же способом можно также устранить ненормальные кровеносные сосуды, кисты, опухоли и другие ненормальности в глазу. Это может также обеспечить слипание отслоенной ретины и сосудистой оболочки.

Главной причиной потери зрения людей в возрасте от 20 до 64 лет является болезнь сосудов, в частности диабетная ретинопатия. Причиной потери зрения также является дегенерация роговицы, которая получается или при снижении эффективности сосудистой оболочки, или при чрезмерном увеличении кровеносных сосудов в центре ретины. Во многих случаях коагуляция этих сосудов может стабилизировать эти проблемы.

Одним из пионеров в области лазерной офтальмологии был американец Френсис Эсперанс (Francis L'Esperance Jr.), который работал в Институте глаза (Нью-Йорк, США). После экспериментов с рубиновым лазером он решил, что лазер, генерирующий сине-зеленое излучение, значительно лучше. Поскольку вскоре после рубинового лазера появился аргоновый лазер, работающий как раз на этих длинах волн, то он решил приобрести его. Он узнал, что Компания Raytheon изготовила такой лазер с выходной мощностью 10 Вт для американского правительства, который предполагалось использовать для военных целей. Это было огромное чудовище длиной более 3,5 м! После изготовления этого лазера он стал не нужен правительству и Эсперанс получил его. Лазер был застрахован, и его должны были доставить в лабораторию на девятом этаже. Лазер был слишком велик и не помещался в лифте. Поэтому был нанят лучший такелажник Нью-Йорка, который не ронял ничего в своей жизни. Лазер поднимался из окна. Большая толпа собралась наблюдать подъем. Лазер подняли почти до пятого этажа, но затем «трах, трах», что-то оборвалось, и весь ящик рухнул на землю. Люди были испуганы. Можно было подумать, что кто-нибудь из семьи Эсперанс умер: люди плакали и выражали свое сочувствие.

Френсис отправил разбитый ящик обратно компании и, к удивлению, лазер был работоспособен. Но, разумеется, компания отказалась от гарантии и предложила изготовить другой. К счастью, страховка была выплачена, и Эсперанс смог заказать новый лазер. Спустя некоторое время Raytheon предоставила ему лазер меньшего размера. С ним начались лабораторные эксперименты, которые показали превосходство аргонового лазера над рубиновым лазером.

Первое испытание состоялось 14 февраля 1968 г. Была предпринята попытка устранить бельмо на зрачке у молодой девушки. Операция оказалась успешной, и у девушки полностью восстановилось зрение. В настоящее время аргоновый лазер является стандартным инструментом в офтальмологии. Лазер используется для лечения глаукомы и для коррекции зрения с помощью изменения кривизны роговицы, путем аккуратного испарения тонкого слоя роговицы.

Еще одно применение — устранение камней мочевого пузыря. Обычно камни представляют собой некоторое органическое образование, окружаемое кристаллической субстанцией разной природы (фосфат кальция, мочевая кислота и др.). При проходе камня из почки в мочеиспускательный канал возникают сильные колики. Кроме удаления камней традиционными хирургическими методами были разработаны альтернативные методы, такие, как фармакологическое растворение и эндоскопическая хирургия. Дробление камней бескровным способом является очень прогрессивным. Обычно используют ультразвук или гидравлические волны, производимые электрическим разрядом вблизи расположения камня. С появлением лазера в 1968 г. стал применяться лазерный метод. Лазерный свет, направляемый на камень с помощью оптического волокна, испаряет и разрушает его. После дробления фрагменты выходят наружу естественным путем.

Существуют и другие применения лазеров в медицине, например, в хирургии, причем с помощью оптических волокон операция может выполняться в трудно доступных местах. Лазеры также применяются во многих терапевтических процедурах и для диагностики.

Быстрое развитие лазеров ультракоротких импульсов и выпуск на рынок образцов таких лазеров на рынок способствовали быстрому внедрению их в биомедицинскую сферу. В частности, в области лазерной хирургии излучение в виде ультракоротких импульсов позволяет производить более точные разрезы с существенно меньшими повреждениями окружающих тканей. Такие лазеры также с успехом используются в офтальмологии.

Здесь мы должны остановиться. Хотя говорилось далеко не обо всем, но даже то, что изложено, позволяет понять фундаментальную важность использования лазеров в медицине.

 

Технические применения

Способность сконцентрировать лазерный свет в очень малой области позволяет производить с высокой скоростью и точностью такие технологические операции, как резка, прожигание отверстий, сварка, закалка и др. При этом можно работать с самыми различными материалами, такими, как металлы, керамика, пластмассы, дерево и др. Возможность точно контролировать выполнение таких операций с помощью компьютера делает их совместимыми с роботами, т.е. полностью автоматизировать их.

Лазерные технологии нашли применения в автомобильной и авиационной промышленности. Использование лазеров для резки, сварки и закалки в производстве автомобилей позволяет существенно повысить их характеристики и снизить стоимость изготовления.

Лазерный пучок можно направить с высокой точностью в заданное место, не вызывая никаких вредных воздействий на окружающий материал. При этом можно достигать трудно доступные места. С помощью лазеров можно производить закалку более эффективно, чем с помощью обычных печей. В то время, как печь должна функционировать круглые сутки, для работы всего лишь в течение нескольких часов, лазер дает энергию только тогда, когда требуется. Автомобильная промышленность была первой, где использовались лазеры для термической обработки распределительных валов, цилиндров и клапанов. При обработке поверхностей лазерным излучением материал подвергается структурным изменениям, и становится прочнее и менее подверженным коррозии.

Лазерная резка используется не только с металлами, но также в текстильной промышленности, например для раскройки материалов, кожи, бумаги или дерева. Электронная промышленность является одной из главных областей применения лазеров. Они с успехом используются в производстве микросхем. С их помощью производится изготовление и очистка печатных схем, пайка элементов и ремонт быстродействующих микросхем путем прецизионного устранения нежелательных соединений в схеме.

Интересным примером является резка алмаза. Иногда требуется разрезать алмаз в направлениях, не связанных с его кристаллическими ориентациями. Обычно алмаз при механической обработке раскалывается по определенным направлениям (плоскости спаянности). Лазер позволяет обойти это ограничение.

Наконец, можно сказать и об использовании лазерных роботов в качестве инструментов или датчиков.

 

Измерительные системы

Свет используется для измерений во многих случаях. Это системы различных интерферометров, позволяющие измерять малые перемещения, контроль поверхности, с высокой точностью порядка длины волны света.

Область оптических, бесконтактных, измерительных систем очень широка. Она простирается от исследовательских лабораторий до промышленных предприятий. Поэтому имеется большая заинтересованность в разработках и распространении таких систем. Они используются для измерений размеров предметов или их перемещения, для измерения и контроля вибраций, измерения скорости и для контроля состояния поверхности. Для этого удобно использовать лазерные диоды, свет которых можно коллимировать и фокусировать на исследуемый объект.

Система бесконтактного оптического измерения обычно включает три принципиальные части: измерительная головка, система электроники, система регистрации и обработки информации. Принципиальным преимуществом бесконтактных измерений является полное отсутствие воздействия на объект и высокая скорость измерений, которая в некоторых случаях может превышать 25 000 измерений в секунду.

Обычно профиль линии на некоторой механической поверхности измеряют путем проведения вдоль этой линии некоторого щупа, который касается поверхности, и измерения его смещений. Таким щупом обычно служит алмазная игла, зона контакта которой имеет диаметр несколько мкм. Вертикальные перемещения иглы, следующие за нерегулярностями поверхности, измеряют, и это представляет рельеф поверхности (шероховатость). Такие инструменты улучшались в течение ряда лет, и в настоящее время они обычны в измерительных лабораториях. Эквивалентный оптический инструмент использует вместо алмазной иглы хорошо коллимированный пучок лазерного диода, который фокусируется объективом на поверхность. Отраженный свет собирается тем же объективом. Этот отраженный свет несет информацию о шероховатости поверхности. Когда система правильно настроена и сбалансирована и точка фокуса находится точно на поверхности, тогда отраженный свет формируется после объектива в хорошо коллимированный пучок. Если поверхность ближе к объективу, тогда пятно на поверхности уже не является пятном совершенной фокусировки, и после объектива формируется расходящийся пучок. Наоборот, в случае, если поверхность находится за точкой фокуса, при отражении получается сходящийся пучок. Существуют оптические устройства, позволяющие точно измерить степень сходимости или расходимости пучка. Соответствующим образом система вырабатывает сигнал ошибки для управления сервомеханизмом (обратная связь), который поддерживает точное фокусирование на поверхность. Знание перемещений сервомеханизма при движении пучка вдоль поверхности дает измерение рельефа. Аналогичная система используется в системах компакт-дисков. Поэтому в ней исключаются влияния нерегулярности поверхности и системы вращения диска.

Оптический профилометр позволяет измерять смещения с точностью до нескольких ангстрем, без прямого контакта с любой механической частью. Как было сказано, этот принцип важен для устройств компакт-дисков. Но он также важен в тех случаях, когда нужно избежать повреждения поверхности, в частности для нежных, хрупких поверхностей, например, резиновых и пластиковых пленок, биологических тканей, полупроводников. Еще одним преимуществом является то, что измерительная часть не изнашивается. Благодаря малому размеру светового пятна получается высокая разрешающая способность и скорость измерения в любом направлении.

Совершенно другим применением является лазерный гироскоп, способный измерять очень малые вращения. Первые такие гироскопы были сделаны в 1963 г. и стали развиваться с 1965 г. Принцип действия был установлен французским физиком Саньяком (1869—1928), который в 1913 г. отметил, что пучки света, распространяющиеся в противоположных направлениях по замкнутому кольцу, можно использовать для измерения вращения этого кольца. В самом деле, если точка, из которой пучки начинают свое распространение, движется по кольцу, то эти пучки должны проходить разные пути вдоль кольца до точки возврата. Этот факт легко установить с помощью интерферометра. В 1965 г. были построены лазерные гироскопы, способные обнаружить скорость вращения менее 5° за час. Подобные гироскопы и другие более совершенные версии их были установлены на самолетах Боинг 757 и 767. Такие гироскопы являются необходимой частью систем наведения.

 

Оптические считыватели информации в торговле

В настоящее время в каждом супермаркете и в большинстве магазинов используется система чтения универсального кода. Лазерная система читает код, записанный на товарах в виде системы линий (штрих-код). Преимущества этой системы в ускорении контроля цен и уменьшения ошибок при расчетах очевидны. Лазерный свет направляется на картину символов, последовательности параллельных линий, черных и белых разной толщины. Он частично отражается, и его интенсивность оказывается промоделированной этой последовательностью линий. Отраженный свет собирается той же системой, что и излучает свет, и из этой модуляции получается информация о виде товара и его цене, которая выводится на дисплей кассового аппарата.

 

Применения в строительстве

Очень часто лазер используется для проверки прямизны зданий. Способность лазерного пучка, по своей природе, распространяться прямолинейно сразу же дает такую возможность. Трудность была лишь в том, чтобы иметь достаточно компактный лазер, работающий в непрерывном режиме в видимом диапазоне. Таким лазером стал красный He-Ne-лазер. В конце 1960-х гг. системы с этим лазером использовались при прокладке туннеля в Сан-Франциско. После этого одна из фирм, производящая He-Ne-лазеры, желая привлечь покупателей к новой технике, стала окрашивать свои изделия в яркий желтый цвет, так что они стали выглядеть как обычное оборудование, применяемое в строительстве.

Подобные лазерные системы стали применяться в топографических измерениях, для прокладки дренажных труб и выравнивания их наклона, труб, используемых в сельском хозяйстве для орошений. Такие лазеры также используются при прокладке дорог. С их помощью направляются тяжелые машины, подготавливающие грунт и укладывающие покрытие дороги. Точность при ручном контроле не превышает 2 см, а при автоматическом контроле может быть доведена до 5 мм. Искривления могут быть аккуратно проконтролированы по вертикали и по горизонтали.

 

Атмосфера

Лазеры позволяют изучать атмосферу. Устройство, используемое для этого, называется лидаром. В лидаре, также как и в радаре, регистрируется и измеряется свет, рассеянный в обратном направлении молекулами или частицами (аэрозолями, каплями воды и др.) в атмосфере. В простейшей системе регистрируется свет, пришедший обратно, и по нему идентифицируется наличие в атмосфере водяных капель, облаков, частиц дыма и др. Таким способом можно получить профили изменения концентраций по высоте, а также изменения их во времени. При использовании лидара, работающего на двух разных длинах волн, можно также обнаружить и измерить концентрацию определенного газа. Одна длина волны подбирается для полосы поглощения этого газа, а другая располагается в области прозрачности. Разумеется, в этом случае возвращенные сигналы будут различными (непоглощенный сигнал будет сильнее). По разности сигналов можно обнаружить искомый газ и измерить его концентрацию. Такие лидары называются DIAL (лидар с разностным поглощением). Они были установлены в некоторых городах для измерения загрязняющих примесей, таких, как пестициды, дым (смог), и газов SO2, O3, NO2, NO, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями.

Загрязнение атмосферы городов имеет типичные источники. Ими обычно являются выхлопные газы, а также выбросы предприятий и результат сжигания отходов. Контроль и идентификация всех этих загрязнений необходимо для понимания их происхождения и для принятия мер по их уменьшению.

В Европе были проведены мероприятия по измерению городских загрязнений. В Лионе (Франция) лидар типа DIAL был установлен вблизи кафедрального собора для измерений NO, выделяемого автомобильным движением в центре города. Наибольшая концентрация была обнаружена в старой части города, где движение медленней, а вентиляция улиц затруднена. Эти результаты указали, что в этой части города следует установить пешеходную зону. В Штутгарте (Германия), который окружен несколькими холмами, при некоторых условиях наблюдается скапливание воздуха, загрязненного автомобильным движением (главным образом в результате NO), на высоте 450 м. В Берлине выбросы SO2 оказались сильнее в восточной части города из-за низкого качества угля, который используется для отопления, а в районе Александрплатц концентрация оказалась ниже, поскольку ее сдувает юго-восточный ветер. Концентрация SO2 является существенной причиной кислотных дождей. Она появляется при смоге, в результате обогрева домов, выбросами автомобилей и тепловых электростанций. Это было измерено в Лейпциге. Было показано, что главная проблема — автомобили и обогрев домов.

Такие измерения показали, что топографические и метеорологические условия часто играют более важную роль, чем интенсивность выделения загрязнений: в узких улицах с медленным движением загрязнение сильнее, чем в широких, проветриваемых магистралях даже с интенсивным движением.

Летом 1994 г. в Афинах Европейским Сообществом была проведена кампания для выявления фотохимических и метеорологических процессов, которые ответственны за летние туманы в этой области. Была установлена существенная роль химических реакций между NO, образующимся при автомобильном движении, и NO2 и озоном.

Важным применением лидаров является измерение концентрации озона (O3) в стратосфере над Антарктикой и Арктикой. Знание концентрации и распределения озона в атмосфере имеет важное значение как для проблемы загрязнений, так и для химических процессов в тропосфере. Концентрация озона влияет на климат из-за экранирования ультрафиолетового солнечного излучения и термических и химических равновесий в стратосфере. Дело в том, что озон, присутствующий в верхних слоях атмосферы, поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, которое имеет вредное биологическое действие, тем самым слой озона защищает поверхность Земли от чрезмерного воздействия вредного ультрафиолета. Хорошо известно, что в течение последних нескольких лет наблюдалось постоянное уменьшение толщины озонового слоя над полюсами (т.н. «озоновая дыра»). Эта дыра получается в результате химических реакций с некоторыми летучими продуктами, связанными с индустрией (например, газ фреон, используемый в холодильниках, или в аэрозольных баллончиках). Вертикальное распределение озона, которое определяет развитие «дыры» в пространстве и во времени, было измерено с помощью лидаров.

Лидар может быть использован для измерений скорости ветра, что необходимо для метеорологии и разработок моделей климата, а также для измерения скорости аэрозолей, дыма и пр. В этом случае используется эффект Доплера, заключающийся в малых изменениях частоты света, испускаемого движущимися телами, или отраженного от них. Измеряя эти изменения частоты отраженного (рассеянного в обратном направлении) света тем или иным способом, можно получить информацию о скорости. Соответствующий инструмент называется доплеровским лидаром.

С помощью лидара можно изучать конвекционные явления в облаках. Облака отражают и переизлучают инфракрасное излучение, несущее тепло. Они важны для нагрева и охлаждения атмосферы, но никто не знает, как описать их влияние. Можно также изучать водяные пары, которые играют роль в образовании ураганов. Путем измерения изменений в спектрах молекул кислорода получается информация об атмосферном давлении и температуре.

Аналогичные методики можно использовать и для морских измерений, например для измерений количеств хлорофилла и фитопланктона. Важность таких измерений очевидна, так как фитопланктон поставляет около двух третей поступающего в атмосферу кислорода. Загрязнения воды разлившейся с кораблей нефтью и другие загрязнения, а также температуру воды и ее соленость также можно измерять.

Можно также изучать явления сгорания. Целью исследовательских программ в этой области является разработка диагностических методик контроля процессов сгорания в промышленных предприятиях. Можно измерять температуру, концентрацию и скорость различных газов, а также размеры частиц дыма.

Для всех этих измерений используются лазеры самых разных типов, в зависимости от определенного применения: рубиновые, неодимовые, на красителях, диодные и др. Их стоимость может изменяться в широких пределах, они могут быть как стационарными, так и портативными, для установки на различные транспортные средства.

 

Адаптивная оптика

Мы теперь опишем несколько применений, которые, на первый взгляд, могут показаться из научной фантастики. Одно из них — т.н. адаптивная оптика.

Адаптивная оптика улучшает качество изображения в больших телескопах путем компенсации искажений, вызываемых атмосферой, т.е. искажений световых пучков при их прохождении через атмосферу. Такие искажения можно легко видеть, если, например, в жаркий день наблюдать пейзаж при заходящем солнце. Изображение кажется дрожащим (марево). Адаптивная оптика компенсирует эти искажения, и поэтому ее иногда называют «методикой, которая останавливает мерцание звезд». Это определение может вызвать возмущенную реакцию: «Но это ужасно, и должно быть запрещено!»

Давайте посмотрим, что получается на самом деле. Звезды расположены настолько далеко от Земли, что их свет приходит к нам в виде плоских волн (плоский волновой фронт). В теории телескоп снабжен совершенной оптикой, которая концентрирует свет в маленький, яркий кружок, размеры которого ограничены лишь явлениями дифракции, т.е. действием диаметра главного объектива или зеркала на падающую на него волну. Две близкие звезды можно видеть отчетливо раздельными, если угол, под которым они видны в телескоп, больше минимального значения угла, при котором оба ярких пятна, каждый из которых производится звездой, сливаются в одно пятно. Этот минимальный угол называется угловым разрешением. Лорд Рэлей дал критерий, определяющий эту величину. Угловое разрешение телескопа порядка угловых секунд определяется постоянством времени волнового фронта для волны, преобразуемой входной апертурой телескопа. Так космический телескоп «Хаббл» на орбите вокруг Земли имеет диаметр телескопа 2,4 м, и угловое разрешение, близкое к 0,05 угловых секунд. На Земле такой же 2,4 м телескоп имеет угловое разрешение в 20 раз хуже из-за искажений в атмосфере.

Телескопы строятся с большими апертурами, т.е. с зеркалами большого диаметра (до нескольких метров), с поверхностью, обработанной с высокой точностью (до долей длины волны). Гигантские собиратели света дают возможность обнаруживать и изучать свойства очень слабых (удаленных) объектов, именно из-за того, что их огромные входные апертуры могли собрать слабый свет, испускаемый объектом. Более того, телескопы с высоким разрешением позволяют разглядеть больше деталей наблюдаемых объектов. К сожалению, малые флуктуации температуры атмосферы вызывают флуктуации коэффициента преломления воздуха. Это, в свою очередь, приводит к тому, что разные части первоначального волнового фронта проходят несколько различные пути, и изображение в телескопе, соответственно, размывается. О таких аберрациях мы уже говорили. Изображение диска звезды, получаемого с помощью телескопа с диаметром 4 м, установленного на земле типично в 40 раз больше того оптимального размера, который должен был бы получаться согласно теории дифракции. Технически это обозначается, как когерентный диаметр атмосферы, и его значение обычно составляет 10—20 см. Тот факт, что фотоны от далекого объекта разбрасываются по пятну в 40 раз большего, чем дифракционный предел, означает, что интенсивность изображения в 402 раз меньше. Поэтому даже хотя большие телескопы с апертурой, большей, чем когерентный диаметр атмосферы, могут собрать больше фотонов, это ничего не дает в смысле увеличения разрешения. Критики могут интерпретировать этот факт как то, что величайшие телескопы мира имеют чрезмерную стоимость.

Исаак Ньютон писал в 1730 г. в своей книге Opticks:

«Если Теорию изготовления Телескопов можно было бы продолжить к Практике, то даже и в этом случае были бы некоторые Пределы, которые нельзя перейти при изготовлении Телескопов. Воздух, через который мы смотрим на Звезды, находится в состоянии вечного Дрожания; как мы можем видеть дрожащее движение Теней, отбрасываемых высокими Башнями, и мерцанием Звезд. Но эти Звезды не мерцают, когда их наблюдают через Телескопы с большими апертурами. Лучи Света, которые попадают на разные части апертуры, дрожат сами по себе, с разным и иногда противоположным действием. Они падают в одно и то же время на разные места сетчатки глаза, и их дрожащие Движения слишком быстры и смешиваются, а не воспринимаются раздельно. И все эти освещаемые Точки создают одну широкую яркую Точку, составленную из этих многих дрожащих Точек, спутано и неразличимо смешанных друг с другом за счет очень коротких и быстрых Дрожаний. Из-за этого Звезда кажется более широкой, чем на самом деле, и совсем без дрожания. Длинные Телескопы могут сделать объект более ярким и большим, в отличие от того, что могут сделать короткие телескопы, но и они не могут устранить размытия Лучей, которые вызываются Дрожанием в Атмосфере. Единственным Средством является прозрачный и спокойный Воздух, такой, который, пожалуй, может быть найден на вершинах высочайших Гор, выше высочайших Облаков».

Очевидно, что необходимы какие-нибудь системы, чтобы исправить эффекты возмущения атмосферой, известные со времен Ньютона. Такой системой является адаптивная оптика. Исторически можно сослаться на первый пример использования адаптивной оптики Архимедом в 215 г. до н. э. для уничтожения римского флота. Когда римский флот приблизился к Сиракузам, солдаты, выстроенные в линию, смогли сфокусировать на корабли солнечный свет, используя свои щиты в качестве зеркал. Таким способом сотни пучков солнечного света направлялись на малую область корабля. Интенсивность была достаточной, чтобы поджечь его. Таким образом, как гласит легенда, удалось предотвратить атаку вражеским флотом. Эта оригинальная идея вошла в легенду как «сжигающее зеркало» Архимеда.

В 1953 г. Бабкок, который в то время был директором астрономической обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии, предложил использовать деформируемые оптические элементы, управляемые датчиками волнового фронта, для компенсации искажений изображений в телескопе, которые вызываются атмосферой. Это, по-видимому, самое первое научное предложение использовать адаптивную оптику.

Большинство пионерских работ по адаптивной оптике были выполнены американскими военными в 1970-х и 1980-х гг. Они были заинтересованы в применениях, связанных с распространением лазерных пучков в атмосфере, для лучшего определения положений спутников и для лучшего управления полетом ракет. Эти исследования были строго засекречены. Первая система адаптивной оптики была в 1982 г. установлена (и до сих пор работает) Военно-Воздушными Силами на Гавайях.

В астрономии экспериментальные системы адаптивной оптики начали развиваться с начала 1980-х гг., когда большинство военных работ было все еще засекречено. Две исследовательские программы, одна, включающая астрономов, и другая, относящаяся к военным, развивались параллельно, без взаимного обмена информацией. Первоначально был скептицизм относительно полезности этой техники, и было трудно получить финансирование. В 1991 г. ситуация изменилась. Большинство материалов было рассекречено, и телескопы стали давать более четкие изображения в результате адаптивной оптики. С тех пор военные и академические работники действовали сообща.

Рис. 65 показывает общую схему телескопа, в котором используется адаптивная оптика. Датчик волнового фронта фиксирует волновой фронт приходящей волны для того, чтобы измерить величины нужных локальных деформаций. Система обработки информации превращает ее в сигнал, который сразу же можно использовать для коррекции волнового фронта.

Рис. 65. Схема системы адаптивной оптики. Свет, направляющийся в телескоп, сперва попадает на подвижное зеркало M 1 , которое корректирует наклон волнового фронта. Затем оставшиеся аберрации исправляются деформируемым зеркалом М 2 , и исправленная волна направляется на приемник С. Часть света собирается наклонными зеркалами S 1 и S 2 для получения сигналов, нужных для управления зеркалами M 1 и M 2

Коррекция, в реальном времени, должна произвести искажение, равное и противоположное по знаку тому, которое вызывается атмосферой. Эта операция должна быть повторяемой с той же быстротой, с какой происходят изменения в атмосфере, типично между 10 и 1000 раз в секунду. В реальной системе такая коррекция делается с помощью деформируемого зеркала, представляющего собой тонкую мембрану, форма которой контролируется набором пьезоэлектрических толкателей, прикрепленной к задней стороне.

Информация об искажении волнового фронта можно получить от самого объекта (цели), если он является точечным источником (звезда) и достаточно ярок — ярче звезды шестой величины (самая слабая звезда, различимая невооруженным глазом). Однако многие объекты, интересные для астрономов, не являются точечными источниками, а представляют собой протяженные объекты (такие, как планеты или туманности), более чем в тысячи раз слабея звезды шестой величины. В этих случаях можно использовать ближайшую звезду, чтобы определить опорный волновой фронт, но свет должен проходить через тот же участок атмосферы, через который проходит свет от изучаемого объекта. Это означает, что такая опорная звезда должна быть внутри угла около 2 угловых секунд. Это соответствует очень малой части неба, в которой трудно найти достаточно яркую звезду. Таким образом, остается единственная альтернатива: искусственно создать путеводную звезду (маяк), ярче шестой величины.

Здесь лазер вступает в действие. Такой искусственный источник получается путем освещения мощным лазером некоторой области в верхних слоях атмосферы, где имеются вещества, которые при освещении их способны переизлучить свет. Натрий, который присутствует в достаточной концентрации в атмосфере между 80 и 100 км, можно использовать с этой целью. Для возбуждения натрия (D-линия) используется лазер с длиной волны 5890 А. Системы с такими опорными звездами были, например, построены в обсерваториях в Альбукерке (Нью Мексика, США), в Калар Альто (Испания), и в Ликской обсерватории (Калифорния, США).

Вскоре астрономы смогут измерять диаметры звезд ярче, чем десятой величины; наблюдать пятна на их поверхности и измерять изменения в положении, позволяющих судить о наличии планет вокруг их. Огромный достигнутый прогресс позволяет нам верить, что удастся также увидеть планеты вблизи удаленных звезд. Эти планеты нужно увидеть на фоне рассеянного света самой звезды, вокруг которой они вращаются (различие в яркостях 109). С другой стороны, в исследованиях по поиску планет можно использовать саму звезду в качестве опорного источника. Следующее поколение наземных телескопов даст возможность обнаружить планеты, вращающиеся вокруг некоторых из ближайших к нам звезд.

 

Спектроскопия

Если мы теперь обратимся к более фундаментальным применениям, нам следует упомянуть спектроскопию. Когда были изобретены лазеры на красителях и стало очевидным, что их длины волн можно широко изменять в некотором заданном диапазоне, сразу же было осознано, что они являются идеальными источниками для спектроскопии. Эти лазеры обеспечили новые уровни чувствительности и разрешения. Взрыв использования лазеров в спектроскопии произошел в 1970-х гг. Например, лазер может испарить мельчайшее количество вещества исследуемого образца, обеспечивая исключительно прецизионный микроанализ. Ряд очень квалифицированных исследователей использовали лазеры для спектроскопии; среди них Шавлов, который в 1981 г. получил Нобелевскую премию по физике за разработку лазерной спектроскопии.

Спустя некоторое время было показано, что можно обнаруживать, контролировать и манипулировать отдельными атомами. В одном из экспериментов одиночный атом цезия был зарегистрирован и идентифицирован из сосуда, содержащего 1018 других атомов. Атомы с помощью лазеров можно охладить до температур, которые выше абсолютного нуля лишь на одну миллионную градуса. С помощью ультракоротких импульсов лазерного излучения можно изучить детали событий, происходящие при химических реакциях молекул, с точность до времени, с которым электрон обращается вокруг атомного ядра. В 1997 г. Нобелевскую премию по физике получили К. Коен-Таннуджи, С. Чу и В.Д. Филипс за их вклад в разработку методов охлаждения и захвата атомов в ловушки с использованием лазеров, отмечая их мастерство в использовании спектроскопических методов для достижения их результатов.

 

Геофизика

Геофизики используют спутники, способные отражать свет в обратном направлении (с уголковыми отражателями) для измерения движений земной коры. Путем измерения времени, которое требуется лазерному импульсу, чтобы дойти до спутника и вернуться обратно, можно измерить с очень высокой точностью расстояние между лазером и спутником. Если спутник находится на стационарной орбите, так что его расстояние до Земли не изменяется, то этот метод позволяет измерить малые перемещения места, на котором установлен лазер. Это позволяет измерять дрейф континентов.

Континенты плавают по расплавленному внутреннему слою Земли, как плиты земной коры. Эти плиты сталкиваются друг с другом, вызывая землетрясения, появление островов и извержения вулканов. Поэтому измерения дрейфа континента имеют огромную важность. Спутниковая программа LAGEOS (лазерный геодинамический спутник) дала в 1970-е гг. доказательства дрейфа континентов. В настоящее время эти измерения продолжаются со вторым спутником такого типа. Например, были выполнены измерения вдоль линии разлома в Калифорнии. С помощью измерения таких малых перемещений делаются попытки предсказать землетрясение, прежде чем оно случится.

С помощью такой же методики можно прослеживать, как Земля вращается вокруг оси и изменяет свою форму.

 

Лазер и Луна

Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет, посланный с Земли. Группа астрономов Ликской Обсерватории в Калифорнии послала на Луну мощный пучок рубинового лазера, что позволило измерить расстояние Земля—Луна с точностью, намного превышающей точность обычных астрономических наблюдений.

Лазерный альтиметр был использован в проекте MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), чтобы получить трехмерное глобальное изображение Марса.

 

Гравитационные волны

В 1919 г. Эйнштейн предсказал, что движущиеся массы производят гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. К сожалению, амплитуда такого гравитационного излучения, испускаемого любым источником, созданным в лаборатории, слишком мала, и гравитационные волны нельзя обнаружить. С другой стороны, астрофизические явления, которые могут вовлекать огромные массы с релятивистскими скоростями, могут произвести гравитационное излучение, которое поддается измерению. Косвенные доказательства наличия существования гравитационных волн были найдены, и за это Алан Рассел Хале (г. р. 1950) и Жозеф Хутон Тейлор (г. р. 1941) получили в 1993 г. Нобелевскую премию по физике. Однако прямые, определенные доказательства все еще отсутствуют. Гравитационные волны возникают от ускоренных масс способом, во многом подобным испусканию электромагнитных волн ускоренными зарядами. Они воздействуют на массы, растягивая их в одном направлении и сжимая в другом, перпендикулярном, направлении.

Когда гравитационная волна проходит, она может привести массу в колебательное движение, вверх-вниз, подобно океанским волнам. Чтобы обнаружить гравитационные волны, необходимо измерить такое движение.

В принципе смещения, производимые гравитационной волной, можно было бы измерить с помощью большого цилиндра, изолированного от внешних воздействий. Он резонировал бы механически на частоту гравитационной волны. Чувствительные датчики преобразуют эти колебания в сигналы, которые можно измерить. Первый детектор на основе резонансного цилиндра был сконструирован в конце 1950-х гг. Джозефом Вебером, о котором мы уже говорили, когда обсуждали мазер. Вебер изготовил алюминиевый цилиндр весом несколько тонн, который резонировал на частоте около 1 кГц. Он объявил, что получил положительные результаты, но никто не подтвердил их. Затем другие детекторы подобного типа были построены в ряде институтов во всем мире. Лучшие из этих устройств способны зафиксировать смещение на уровне 10—12. Но это все же оказалось недостаточным, чтобы обнаружить гравитационные волны, если только они не возникают достаточно близко и в результате крайне сильных астрономических событий.

Альтернативный способ детектировать гравитационные волны заключается в измерении времени, которое требуется свету для прохождения между двумя зеркалами, которые располагаются на двух тяжелых маятниках. Они могут колебаться под действием гравитационной волны. Этот метод включает сравнение времен прохождения двух лазерных пучков, которые распространяются под прямыми углами в интерферометре Майкельсона (подобно тому, как он использовался для измерений скорости света в двух, взаимно перпендикулярных направлениях). Гравитационная волна должна сжимать один путь, делая его короче и растягивать другой, делая его длиннее. Рис. 66 показывает возможную схему. Эксперименты начались в 1970-х гг. Если интерферометр имеет длину плеча 4 км, типичная гравитационная волна изменит его длину, менее чем на 10—14 часть, что составляет одну тысячную размера атомного ядра. В интерферометре свет проходит много раз между неподвижным зеркалом и зеркалом, подверженном смещению. В результате разница в длинах суммируется многократно.

Рис. 66. Интерферометр, предназначенный для обнаружения гравитационных волн, включает четыре зеркала S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , укрепленных на тяжелых маятниках, изолированных от внешних (земных) воздействий. Эти зеркала обеспечивают распространение лазерного света в двух взаимно перпендикулярных направлениях, по путям S 1 S 2 и S 3 S 4 . Лазерный пучок расщепляется на две части с помощью полупрозрачного зеркала Sp и после пробегов много раз между парами зеркал попадает на приемник D. Если приходит гравитационная волна, то она действует на маятники, изменяя длины путей в плечах интерферометра с противоположным знаком. Эти изменения, составляющие малую часть длины волны лазера, могут изменить условия интерференции, которая регистрируется приемником. Тем самым будет зарегистрировано действие гравитационной волны на массы маятников

Интерферометры такого типа были построены в разных частях мира. Вебер уже в 1970-х гг. понимал, что лазерный интерферометр может быть более чувствительным, чем подход, основанный на использовании цилиндра. Идея лазерного интерферометра для обнаружения гравитационных волн была независимо выдвинута российскими учеными М. Герштейном и В. Пустовойтом из Московского университета и Р. Вайсом из MIT (США). Первый интерферометр был построен в 1978 г., а в 1983 г интерферометр длиной 40 м был установлен в Калифорнийском технологическом институте. Подобные же интерферометры существуют в настоящее время в Италии, Германии и Японии. Недавно было спроектировано даже более мощное устройство с интерферометром длиной 4 км, помещаемого в туннель для защиты распространения света. Две установки с такими интерферометрами были реализованы в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана). Эти интерферометры обозначаются как LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Они обладают чувствительностью в одну часть на 1015, которую можно увеличить в 100 раз. Работы по этому проекту продолжаются с августа 2002 г.

В Италии такое исследование очень активно. В рамках итало-французского проекта VIRGO был построен интерферометр длиной 3 км вблизи Пизы. Он был официально открыт в июле 2003 г. Астрофизические аспекты LIGO и VIRGO заключаются в том, что со временем они смогут обнаружить гравитационные волны, производимые сильно релятивистскими событиями, такими, как столкновениями двух черных дыр, поскольку до сих пор никаких определенных сигналов не было зафиксировано.

Германские и Британские физики построили устройство вблизи Ганновера длиной 600 м, названное GEO 600, а меньшее устройство длиной 30 м (ТАМА детектор) установлено вблизи Токио.

 

Лазеры ультракоротких импульсов

С помощью специальных методик можно создать импульсные лазеры, испускающие импульсы излучения, длительность которых всего лишь несколько единиц 10—15 с (фемтосекунд). Эти времена столь коротки, что их можно сравнить с временами обращения электрона вокруг атомного ядра. С такими импульсами можно исследовать химические, биологические, физические явления и др. Продолжительность этих импульсов соответствует длинам распространения света, порядка размеров некоторых молекул. Используя такие импульсы, группа химиков, например, изучила свойства фотохроматических стекол.

Эти материалы знакомы тем, кто пользуется солнечными очками с изменением своего пропускания в зависимости от интенсивности солнечного света. Эта группа показала, что изменения в пропускании происходят за счет модификации структур молекул, причем эти модификации происходят за времена нескольких пикосекунд. Ультракороткие лазерные импульсы также находят применения в промышленности при лазерной обработке металлов.

 

Нелинейная оптика

До появления лазеров, прозрачные оптические материалы рассматривались, по существу, как пассивные объекты, не влияющие на проходящий через них свет. Высокая мощность лазерных пучков, впервые, позволила наблюдать, что присутствие света само по себе может влиять на среду. Интенсивный свет может, например, изменить показатель преломления среды или ее поглощение. Когда это происходит, свет сам испытывает это изменение, так, что уже конечный результат больше не является независимым от интенсивности света, но имеет сложную зависимость от нее. В таких случаях говорят о нелинейной оптике.

Нелинейный отклик материала может преобразовать лазерный свет в новые цвета. Эта возможность крайне важна в практическом отношении, так как хотя даже существует множество лазеров, любой лазер обычно генерирует только одну или несколько близко расположенных частот, и немногие типы лазеров коммерчески доступны. Поэтому потребность иметь новые длины волн и изменять их вызывает усиленный интерес к возможностям, которые, в этом отношении, открывает нелинейная оптика.

Наблюдения, что интенсивный свет может вызывать изменения, которые сами воздействуют на свет, первоначально возникли как проблема пропускания мощных лазерных пучков через оптические материалы. В зависимости от свойств материала, свет может либо самофокусироваться, либо самодефокусироваться. В первом случае это может привести к разрушению материала, во втором случае это приводит к порче самого пучка. Позднее эти свойства были использованы в устройствах информатики, для создания переключателей света, ответвителей, и для обработки информации. Нелинейный отклик материала может быть очень быстрым, часто порядка пикосекунды.

Изменение показателя преломления, индуцированное светом, может само служить для получения особых световых импульсов, называемых солитонами. В оптических волокнах солитоны представляют импульсы света, которые остаются сами собой с неизменной длительностью, вопреки явлению дисперсии, которое обычно уширяет длительность импульса. Импульс света получается из сложения лучей разного цвета, которые из-за дисперсии распространяются с разными скоростями, так что при прохождении некоторого расстояния импульс уширяется. Если импульс достаточно яркий, то наведенная нелинейность в точности компенсирует этот эффект, и импульс может распространяться в волокне на тысячи километров без изменения своего временного профиля (формы импульса).

Существует солитон другого вида, т.н. пространственный солитон, в котором нелинейность в точности компенсирует эффект дисперсии, который вызывает поперечное увеличение диаметра пучка светового импульса при его распространении. Такой пространственный солитон может проходить большие расстояния без изменения своих пространственных размеров.

Свойства солитонов и их взаимодействие делает такие импульсы пригодными, в частности, для создания таких устройств, как световые переключатели, ответвители; их, тем самым, можно использовать для передачи в оптических волокнах. В будущем солитоны могут составить основные элементы оптических компьютеров.

 

Квантовая криптография

Теперь мы рассмотрим одно из наиболее курьезных и интригующих применений лазеров, квантовой оптики и квантовой механики: т. н. квантовую криптографию. Это одно из фантастических применений, которое стало возможным благодаря лазерам и законам квантовой механики.

Квантовая криптография является новым методом засекречивания передачи информации. В отличие от обычных методов криптографии, в квантовой криптографии зашифровка передаваемой информации осуществляется благодаря законам физики. Криптография имеет долгую и замечательную историю в военном деле и в дипломатии, со времен античной Греции. В настоящее время секретность информации становится очень важной и для коммерческой деятельности. В добавок к практическим возможным применениям, квантовая криптография иллюстрирует несколько интересных аспектов квантовой оптики, включая роль принципа неопределенности Гейзенберга в оптических измерениях и двухфотонной интерферометрии.

Первые методы криптографии использовали секретный код (ключ) для зашифровки послания перед его отправкой и для расшифровки при получении. Секретность этих методов часто оказывается под угрозой из-за похищения кода, или анализа, который приводит к расшифровке кода, или ошибок, т.е. всего, что ломает код. Самые современные методы не используют секретный код, а основаны на математических изощренных методах, с помощью которых раскрытие содержания послания представляет результат поиска всех возможных комбинаций, чтобы найти правильную. В любом случае секретность этих методов может быть взломана неожиданными успехами математических технологий расшифровки или увеличения быстродействия компьютеров.

Квантовая криптография использует секретный ключ для кодирования и декодирования информации, которая передается по открытым каналам, но сам ключ не передается обычным способом. Один из методов квантовой криптографии устанавливает идентичные ключи в двух разных местах без передачи какой-либо информации. Хотя это может показаться невозможным с точки зрения классической физики, это становится возможным благодаря нелокальным свойствам двухфотонного интерферометра. В другом методе, с другой стороны, ключ посылается в форме одиночных фотонов, а принцип неопределенности квантовой механики обеспечивает невозможность несанкционированного перехвата информации.

Все методы квантовой криптографии основаны на принципе, что в квантовой механике любое измерение возмущает систему непредсказуемым образом. Объяснить в деталях, как это удивительное применение работает, не легко. Мы ограничимся представлением некоторых идей случая, в котором используется т.н. метод двухфотонной интерферометрии.

Рассмотрим рис. 67. Два человека, Алиса и Боб, находятся на большом расстоянии друг от друга, и имеют два одинаковых интерферометра, в которых используются два полностью отражающих и два частично отражающих зеркала, как показано на рис. 67. Один фотон, который приходит на один из двух интерферометров, например на левый, имеет, согласно квантовой механике, две возможности: либо прямо распространяться от S’1 до S’2 либо, следуя путем S’1, S’2, S’3, S’4. Если эти два пути очень отличаются друг от друга, то интерференция не происходит, и поэтому в первом случае фотон идет в направлении 24, в то время как во втором он идет в направлении 2В. То же самое происходит и для фотона, который попадает на другой интерферометр. Возможные результаты A и B обозначены, как 1A и 1B для правого интерферометра, и 2A и 2B для левого интерферометра, чтобы различать их.

Рис. 67. Метод двухфотонной интерферометрии. Два интерферометра I 1 и I 2 включают четыре зеркала S 4 , S 3 , S’ 4 , S’ 3 (полностью отражаемых) и четыре зеркала S 1 , S 2 , S’ 1 , S’ 2 (полупрозрачных). Выходы 1А и 2А представляют, например, бит 0, тогда как выходы 1В и 2B представляют бит 1

Теперь главный момент! Одной из возможностей нелинейной оптики является получение новых цветов света, которые получаются из-за того, что в нелинейном материале два фотона, имеющие некоторые частоты, т.е. некоторые энергии, сливаются в один фотон, энергия которого является суммой двух фотонов, и поэтому его частота является суммой двух частот. Если оба фотона имеют одну и ту же частоту, тогда новый фотон имеет удвоенную частоту. Это явление известно как генерация второй гармоники. Если два фотона имеют разные частоты, тогда говорят о параметрическом эффекте. Также возможно получить другой, обратный, процесс, в котором фотон при нелинейном взаимодействии распадается на два фотона, каждый из которых, имеет частоту, в точности равной половине частоты первоначального фотона. Этот процесс называют даун-конверсией. Законы этого процесса гарантируют, что оба фотона испускаются в одно и то же время, несмотря даже на то, что квантовая механика (принцип неопределенности) не допускает знание точного момента, когда они испускаются, так как их энергии точно известны.

Теперь предположим, что источник, который испускает эти фотоны, размещается посередине между двумя наблюдателями. Процесс может проходить так, что один фотон посылается на правый интерферометр, а другой на левый. Если приемники, справа и слева, отрегулированы так, чтобы давать сигнал только тогда, когда на них поступает фотон, тогда условие, что два фотона испущены одновременно, означает, что если фотон зарегистрирован в 1A, то другой должен быть зарегистрирован в 2А, и наоборот, если он зарегистрирован в 1B, то второй должен быть зарегистрирован в 2В. Алиса и Боб не обменивались никакими сигналами, но если Алиса зарегистрировала фотон в 1A, то она знает, что Боб также зарегистрировал фотон в 2A. Таким образом, оба наблюдателя имеют один и тот же сигнал, без обмена информацией. Если теперь фотон, зарегистрированный в A, представляет информацию бита «0», а фотон, зарегистрированный в B, представляет бит «1», то наблюдая случайную последовательность фотонов, испускаемых источником, оба наблюдателя получают одну и ту же случайную последовательность знаков 0 и 1, которая заключает в себе секретный код, которым передается и читается послание. Никакой информации не посылается между Алисой и Бобом, чтобы установить этот секретный код, поскольку выход с интерферометра не определен до тех пор, пока не сделано измерение.

На этом этапе квантовая механика требует, что если правый интерферометр измеряет фотон через 1A, то левый интерферометр должен зарегистрировать его через 1А. Если кто-нибудь захочет вставить свои фотоны в линию передачи от источника к одному из интерферометров, то очевидно, что вставленный фотон не будет зарегистрирован ни одним из интерферометров, так как отсутствует совпадение сигналов. Такой фотон просто не влияет на секретный код, установленный двумя наблюдателями.

Системы криптографии, такие, как только что описанная, или основанные на экспериментах другого вида, были экспериментально продемонстрированы и выглядят весьма обещающими.

 

Захват атомов

В 1997 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Стивену Чу (г. р. 1948) из Стэнфордского университета (США), Клоду Коен-Тануджи (г. р. 1933) из Коллеж де Франс и Эколь Нормаль Супериор  (Франция) и Вильяму Филлипсу из Национального Института Стандартов и Технологии (США) за разработку методов охлаждения и захват в ловушки атомов с помощью лазеров. В захвате атомов в ловушку и их охлаждение с помощью лазеров участвуют два разных процесса, которые, однако, связаны. Поскольку ловушки для нейтральных атомов обычно обладают малой глубиной, нужно охладить атомы до температуры ниже 1 К, а уж потом думать, как их захватить в ловушку. Охлаждение атомного газа с помощью лазеров было предложено в 1975 г. Теодором Хэншем и Артуром Шавловым из Стенфордского университета (США). В тот же год Дэвид Вайнланд и Ганс Демелт из университета штата Вашингтон (Сиетл, США) предложили аналогичную схему охлаждения ионов. За работу с ионами Демелт (г. р. 1922) и Вольфанг Поль (1913—1993) из Боннского университета (ФРГ) разделили Нобелевскую премию по физике за 1989 г. («за разработку методики ловушек ионов») с Н. Рамси.

Принцип охлаждения с помощью лазера основан на передаче импульса фотона атому. Атом при поглощении фотона получает толчок в направлении, в котором летел фотон. При последующем излучении фотона, атом испытывает отдачу. Если испускание спонтанно, тогда направления испускания фотонов хаотичны. Серия поглощений и последующих излучений передает импульс атому в направление лазерного пучка, в то время как отдача усредняется до нуля. В результате атом, который двигается навстречу лазерному пучку, замедляется, подобно велосипедисту, катящемуся против ветра.

В 1960-х гг. Филлипс со своими сотрудниками использовал этот принцип для замедления пучка атомов натрия, а в 1985 г. они захватили охлажденный таким способом пучок с помощью магнитного поля.

В 1985 г. Чу со своими сотрудниками добился успеха в охлаждении атомного газа, используя шесть лазерных пучков, сформированных в пары с противоположными направлениями и при ортогональном расположении этих пар. В такой конфигурации каждый атом двигался в произвольном направлении, замедляя скорость своего движения.

Тремя годами позднее Коен-Тануджи открыл способ охлаждать атомы до температур, невозможными с помощью этих простых методов, используя процессы квантовой интерференции в лазерных пучках, распространяющихся навстречу друг другу. В 1995 г. он сумел охладить газ из атомов гелия до фантастически низкой температуры, только на 4 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.

Методики охлаждения и захвата нейтральных атомов позволили продемонстрировать конденсацию Бозе—Эйнштейна и открыли возможность создания часов с невообразимой точностью хода, сверхпрецизионные методы измерения гравитации и др.

 

Конденсация Бозе-Эйнштейна

Несомненно, одним из наиболее впечатляемых результатов современной физики было полученное в 1995 г. экспериментальное доказательство конденсации Бозе—Эйнштейна. В 1924 г. Эйнштейн предсказал существование особого состояния материи, в котором все атомы с определенными свойствами, т.н. бозоны (со спинами, кратными h), могут оставаться с совершенно одинаковыми квантовыми свойствами. В 1995 г. В 1995 г. Эрик Корнел (г. р. 1962) из Национального Института стандартов и технологий и Карл Виман (г. р. 1951) из университета Колорадо сумели охладить с помощью лазерного пучка атомы рубидия и захватить их в магнитную ловушку. Затем было произведено дополнительное охлаждение с помощью метода, называемого испарительным охлаждением, действующим так же, как охлаждается чашка чая, т.е. позволяя улетучиваться более горячим атомам.

Когда достигается очень низкая температура, атомы в новом состоянии начинают двигаться вместе с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении, вместо того, чтобы двигаться произвольно, как это имеет место для обычного газа. Атомы теряют свою индивидуальность и теперь становятся одиночной коллективной единицей. Их организованная конфигурация приводит к необычным свойствам. Конденсация Бозе—Эйнштейна получалась в облаке атомов рубидия-87, которые охлаждались до ~ 170 нК. Самый полный образец содержал около 2000 атомов, которые в течение более, чем 15 сек находились в одиночном квантовом состоянии. Вольфганг Кеттерль (г. р. 1957) и его группа из MIT (США) сумели получить конденсат натрия-23, содержащий в сто раз больше атомов. Корнел, Кеттерль и Виман получили в 2001 г. Нобелевскую премию по физике «за достижение конденсации Бозе-Эйнштейна в разряженных газах и за пионерские, фундаментальные изучения свойств этого конденсата». С помощью конденсата Бозе-Эйнштейна возможно изучить некоторые аспекты квантовой механики и, может быть, лучше понять явление сверхпроводимости (свойство некоторых материалов совершенно терять электрическое сопротивление). Происхождение Вселенной, также связывают в некоторых теориях с конденсацией Бозе-Эйнштейна.

Поведение таких сконденсированных атомов по сравнению с обычными атомами, напоминает отличия лазерного свет от света обычной лампы. В лазерном свете все фотоны в фазе — свойство, которое делает лазерные пучки мощными и способными быть сфокусированными в очень малое пятно. Подобным же образом, атомы в конденсате Бозе—Эйнштейна все находятся в фазе, и физики работают над тем, чтобы они вели себя так, чтобы быть «атомным лазером». Такой пучок атомов допускает манипуляции и измерения в удивительно малых масштабах. В атомном лазере все атомы могут двигаться как один. Такие атомные лазеры можно было бы использовать для помещения атомов на подложку с экстраординарной точностью, заменяя обычную фотолитографию. Можно было бы построить и атомный интерферометр, который, поскольку длины волн атомов (волны де Бройля) много меньше световых, мог бы производить измерения с большей точностью по сравнению с лазерным интерферометром. Это позволило бы создать более точные атомные часы, получить и изучить нелинейные взаимодействия, подобные оптическим, и т.д.

Мы могли бы представить много других применений и будущих перспектив лазеров, но надеемся, что и то, о чем говорилось, вполне достаточно, чтобы понять замечательные возможности лазерных устройств в современном обществе.