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

передачи на большие расстояния световой

энергии.

В 1961 г. сорок девять ведущих американ­ ских специалистов по радиоэлектронике за­ явили, что важнейшими исследованиями они считают работы по квантовой электронике, поскольку не исключена возможность исполь­ зования со временем лазеров для уничтоже­ ния межконтинентальных ракет. В зарубеж­ ной печати широко рекламировалась амери­ канская программа работ над новым оружием. Правда, затем высказывались сомнения в ре­ альности создания лазерного оружия.

По оценкам зарубежных специалистов, если удастся создать лазер с выходной энер­ гией в 10!1дж. то такое устройство будет экви­ валентно термоядерному оружию. Лазерный луч распространяется в земных масштабах практически прямолинейно и мгновенно. Это облегчает его наведение на цель и может обеспечить ее поражение сразу же после об­ наружения. Для уменьшения рассеяния луча в атмосфере предлагается размещать лазеры в горах, на спутниках и даже на Лупе.

А пока такие колоссальные мощности не достигнуты, американская воешцнна пытается использовать уже имеющиеся квантовые гене­ раторы света. Разрабатываются устройства для временного ослепления живой силы про­ тивника и поджога легко воспламеняющихся предметов. Оказывается, лазер с выходной энергией в 50 дж поджигает сухое дерево на расстоянии в 1,8 км. Напомним, кстати, что от неодимового лазера получена энергия в 5000 дж в одном импульсе.

72

Советских ученых так же, как и всех миролюби­ вых людей на Земле, ин­ тересует прежде всего во­ прос о возможности мир­ ного применения дости­ жений квантовой электро­ ники на благо человека.

Уникальный измери­ тель. Каждый из нас не раз наблюдал многоцвет­ ную окраску тонких мас­ ляных пленок на поверх­ ности воды и стекла,

радужное переливание

цветов мыльных пузырей. Эта цветная картина объясняется сложением воли, отраженных от верх­ ней п нижней границ пленки.

В тех местах, где греб­ ни обеих волн совпадают, получается усиление, а там, где гребень одной волны встречается с впа­ диной другой, — ослабле­ ние, г. е. свет гасится све­ том (см. рисунок). Так как белый свет имеет сложный состав, то в од-

Взапмпое усиление и гашение волн

73

них местах усиливается красный свет, в дру­ гих — синий, а в третьих — зеленый. В резуль­ тате получается цветная картина. Если пленки освещать светом определенной длины волны, то можно увидеть систему светлых и темных полос (интерференционные полосы).

Но что общего между мыльной пленкой и точными измерениями? Оказывается, что фор­ ма и расположение интерференционных полос зависят от свойств пленки. Получающаяся интерференционная картина очень чувстви­ тельна даже к самым незначительным измене­ ниям пути, проходимого излучением внутри пленки, т. е. к изменению толщины пленки и ее однородности. Это позволяет по изменению интерференционной картины контролировать толщину пленки и других образцов с точ­ ностью до долей длины световой волны, про­ верять параллельность и плоскостность их границ, устанавливать однородность об­ разцов.

Однако устойчивую интерференционную картину можно получить только при сложении когерентных, согласованных между собой све­ товых пучков. Чем больше размеры предмета, который необходимо измерить, тем выше должна быть степень когерентности. До появ­ ления лазеров таким способом могли быть измерены длины не более 30 см.

Высокая когерентность лазерных лучей позволяет во много сотен раз увеличить этот предел. ЕстьИ еще одно важное преимущество у лазерного луча: для повышения точности измерений источник света должен быть как можно более монохроматичным. Высокую мо-

74

ж>х|юМсТП1чпость от обычных источнпкоп света получить очень трудно. При этом чем «чище» луч, чем выше степень его монохроматичности, тем ниже сто яркость. Интерференционная картина становится плохо различимой.

Высокая монохроматичность лазеров от­ крывает новые перспективы перед техникой точных измерений.

Уже сейчас наша промышленность вы­ пускает специальные лазерные интерферомет­ рические установки для точного измерения длин, показателей преломления п контроля однородности деталей. Наличие лазера в этих установках позволяет осуществить высокоточ­ ные измерения и контроль как малых, так п гигантских конструкций. Высокая точность требуется, например, при строительстве син­ хрофазотронов, космических кораблей, радио­ телескопов и других сооружений.

Как известно, частота излучения света или звука, испускаемого движущимися телами, за­ висит от направления и величины их скорости. При приближении тела частота увеличивается, а при удалении — уменьшается. Это гак назы­ ваемый эффект Допплера. Он используется для измерения скоростей движения различных тел и потоков. Такое измерение основано па опре­ делении изменения частоты собственного излу­ чения движущегося тола либо излучения, отра­ женного от движущегося предмета. Ясно, что

75

маломощного гелий-неонового лазера. Отра­ женный свет попадает в анализатор, в кото­ ром производится сравнение его частоты с частотой прямого луча. При заданном угле падения допплеровский сдвиг частоты прямо пропорционален скорости движения предмета. Таким методом можно измерять скорости воздушного и водяного потоков, а также плаз­ менных струй.

Оптический метод измерения, использую­ щий лазерное излучение, свободен от одной принципиальной трудности. Любой другой способ требует внесения в поток какого-нибудь измерительного устройства, которое искажает поток именно в том месте, где проводятся измерения. Измерители, использующие опти­ ческие квантовые генераторы, позволяют из.че рять скорости в широком диапазоне от не­ скольких сантиметров до сотен метров в се­ кунду. Теоретически скорость может быть определена с точностью до 0,001%. На опыте уже достигнута вполне удовлетворительная точность порядка 0,1%. До сих пор на прокат­ ных станах, где будет установлен прибор, ско­ рость движения листа определялась с точ­ ностью до 20%.

Высокая направленность лазерного излу­ чения используется в настоящее время для юстировки систем и центрирования труб, при прокладке шахт и бурении скважин. Красный луч гелпй-неоиового лазера служил «отвесом» при строительстве самой высокой в мире Останкинской телевизионной башни в Москве.

От магнитной стрелки к лазеру. Сколько раз маленькая магнитная стрелка приходила

76

на помощь человеку. Ком­ пас — неизменный спутник путешественника, геолога, туриста. Но есть свои недо­ статки и у магнитного указа­ теля: он «боится» магнитных бурь и аномалий, а также близко расположенных же­ лезных предметов. Кроме то­ го, магнитная стрелка ориен­ тируется не по географиче­ скому, а по магнитному ме­ ридиану. Поэтому уже дав­ но па самолетах, кораблях и подводных лодках, а так­ же па ракетах и других кос­ мических аппаратах, везде, где нужен точный указатель направления, используют не магнитный, а гироскопиче­ ский компас, важнейшей частью которого служит ги­ роскоп. попросту говоря, волчок. Основное свойство гирокомпаса — стремление сохранить направление осп своего вращения. Это свой­ ство используют цирковые жонглеры, которые обя ¡а- тельно придают вращение

Лазерный отнес

77

бросаемым предметам. Вращающиеся вокруг своих осей снаряд и пуля также более устой­ чивы в полете. Да и наша земля — хороший пример волчка, который постоянно сохраняет направление оси вращения в пространстве (смена времен года — наглядное тому доказа­ тельство) .

Вращающийся волчок, направленный вдоль географического меридиана, указывает моря­ кам и летчикам правильное направление, ле­ жит в основе работы автопилота и авторуле­ вого. Чувствительность таких приборов высо­ ка, и они неплохо справляются со своими обязанностями. Однако наличие в гироком­ пасах частей, вращающихся с большой ско­ ростью, затрудняет их эксплуатацию, услож­ няет их устройство и снижает точность, требует уникальных подшипников и сверхточной ба­ лансировки. В настоящее время балансировка и обработка подшипников механических гиро­ скопов доведены фактически до предела, одна­ ко требования к точности навигационных при­ боров продолжают расти.

И вот на помощь приходит лазер. Пред­ ставим себе треугольник, по сторонам которого расположены трубки гелий-неонового лазера, а в вершинах поставлены зеркала иод углом 30° к его сторонам. В таком треуголь­ нике благодаря зеркалам распространяется одновременно два луча: один — по часовой стрелке, другой — против. В современных гиролазера.' чаше всего обходятся одной труб­ кой (см. рис. па етр. 79). Но это не изменяет существа дела. Пока система неподвижна, оба луча полностью симметричны и приходят в

78

приемник одинаковыми. Если система, с кото­ рой связан гиролазер, начинает поворачивать­ ся, то зеркала, расположенные в вершинах, будут двигаться навстречу одному лучу и удаляться от другого луча. Это приводит

4

к различному допплеровскому изменению ча­ стоты обоих лучей. Благодаря высокой моно­ хроматичности лазерного излучения может быть обнаружено даже небольшое изменение его частоты. По изменению частоты нетрудно определить скорость и направление поворота всей системы. Гпролазер позволяет обнаружи­ вать скорость вращения, в сотни раз меньшую, чем обычный гироскоп.

79

Чувствительность лазерного гироскопа тем выше, чем короче длина волны генерируемого излучения. Если в первых конструкциях ис­ пользовалось инфракрасное излучение гелпйнеонового лазера с длиной волны 1,15 мкм, то в последних — красный свет этого же ла­ зера с длиной волны 0,63 мкм. Усовершенство­ вание лазерных гироскопов значительно повы­ сило их стабильность и чувствительность. В последнее время созданы лазерные гироско­ пы, которые способны обнаруживать очень ма­ лые угловые смещения порядка 0,001 град/час.

Лазерные стандарты. Метр и секунда. Эти слова вызывают у нас представление о линей­ ке и часах. Как много их самых различных видов и конструкций. Какие же из них глав­ ные, наиболее правильные и точные? И линей­ ки, и часы проверяются по эталонам длины и времени (частоты). Еще в конце XVIII века французские ученые попытались связать эта­ лон длины с определенной долей земного ме­ ридиана. Был изготовлен металлический обра­ зец, расстояние между штрихами на котором равнялось одной сорокамиллнопной доле па­ рижского меридиана. Но техника измерений совершенствовалась, и довольно скоро выясни лось, что длина меридиана, проходящего через Париж, не равна сорока миллионам метров. Тогда решили отказаться от связи с меридиа­ ном н считать метром расстояния между штри­ хами на эталоне.

В конце прошлого века возникла идея свя­ зать единицу длины с длиной световой волны. Первоначально в качестве эталона длины была принята длина красной линии кадмия,

80

а в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла за эталон длины оран­ жевую линию криптона.

Подобным образом обстоит дело и с еди­ ницей времени. Использовавшаяся до сих пор единица времени секунда—определенная доля года, основана на астрономических измере­ ниях, точность которых в настоящее время оказывается недостаточной. Поэтому возни­ кает необходимость установления нового эта­ лона времени.

Квантовые генераторы открывают новые возможности в создании эталонов длины и времени. Высокая монохроматичность лазеров делает их очень удобными устройствами для хранения единицы длины и времени. Уже сей­ час когерентное излучение микроволнового диапазона молекулярных квантовых генерато­ ров (мазеров) используется в сверхточных ча­ сах. Погрешность их работы составляет не более 1 сек за 300 лет.

Другие применения. Весьма заманчива,

хотя и не очень близка, перспектива примене­ ния полупроводниковых лазерных диодов в со­ здании световых вычислительных машин. По­ вышение быстродействия современных элек­ тронных вычислительных машин наталкивает­ ся на серьезные трудности принципиального характера. Одной из них являются емкости и индуктивности в соединительных цепях логи­ ческих элементов. Замена электрических сиг­ налов на световые позволит увеличить ско­ рость работы вычислительных машин до не­ скольких миллиардов операций в секунду, что в тысячи раз больше, чем у существующих.