Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
18.08.2014 19:40 дата обновления страницы
Вещество и энергия. Числа и фигуры
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
18.08.2014 19:40
e-mail:
icq:
613603564
Чудеса лазера
...Павел Седов посмотрел на часы: пора спешить в
студию телевстреч. Уральский скульптор Николай Петров обещал показать
свою последнюю работу. Проходим в слегка затемненную комнату. Раздается
треск газоразрядных ламп - в комнату входит Петров. Появляется стол. На
нем малахитовая ваза. Николай дает пояснения, а мы, встав полукругом, с
разных сторон рассматриваем каменное великолепие. Но вот встреча
окончилась. Прощание, щелчок тумблера, и мы снова одни...
Может быть, не так в деталях, но очень похоже, через несколько десятков
лет будут происходить встречи людей, разделенных тысячами километров
друг от друга, - объемное цветное изображение человека или любого
другого предмета мгновенно будет передаваться на любые расстояния.
Изображение ничем не отличается от действительного объекта! Не выходя из
студии, можно осмотреть Эрмитаж или Лувр, побывать на озере Байкал,
проникнуть в глубины океана.
Но какие есть основания считать, что все это осуществится в недалеком
будущем? Оказывается, есть. Ученые уже получают объемное изображение. Не
такое, как на обычных стереоснимках, когда хотя и создается иллюзия
объемности, но ничего нового не увидишь, рассматривая снимок под разными
углами зрения, а такое, когда, двигаясь вдоль экрана, зритель видит то,
что прежде загораживали другие предметы. Правда, пока это изображение не
цветное и не движущееся, да еще нужно научиться передавать его на
большие расстояния. Впрочем, сделать изображение движущимся и цветным
сравнительно просто. Передать же его - задача не из простых: потребуется
очень емкий канал связи. Ведь канал столь привычного сейчас телевидения,
рассчитанного на передачу одной программы, годится для передачи
нескольких сотен обычных радиовещательных программ. А как же передать
объемное изображение, требующее гораздо более емкого канала связи?
Оказывается, и создать объемное изображение, и перенести его на далекие
расстояния сможет лазер. Если полностью использовать его возможности, то
одним лазерным лучом можно одновременно передавать десять миллионов
телепрограмм. По одной программе на каждые 300 человек земного
населения! Вот как велики возможности лазерного луча.
Что же создает эти возможности? Монохроматичность и когерентность
лазерного луча. Вот что это такое.
Свет - электромагнитные колебания. Колебания от привычных нам источников
света: ламп накаливания, Солнца, газоразрядных ламп - носят хаотический
характер (рис. 1,а). В лазерном же луче интенсивность электромагнитной
волны меняется по <чистой синусоиде> без наложений и сбоев (рис. 1,6).
Это и означает когерентность луча.
Из школьного учебника вы знаете, что называется
периодом и частотой колебаний. У лазерного луча частота не меняется в
процессе его излучения, такой луч называется монохроматически м.
Именно эти свойства луча позволяют передавать телепрограммы, создавать
объемные изображения, концентрировать огромные мощности.
Попробуем понять, в чем особенность лазера как передатчика. Для этого
рассмотрим линию связи (рис. 2). По желобу непрерывно катятся одинаковые
шарики. Число шариков, приходящих с одного берега на другой
в единицу времени - частота их появления, постоянно.
Чтобы передать с помощью такого устройства какие-либо данные, нужно
пометить шарики, например буквами алфавита, и отправлять и принимать их
в определенном порядке. Тогда количество информации (в нашем случае
число букв), передаваемое за определенное время, будет пропорционально
частоте появления шариков из желоба.
Неискаженная синусоида подобна чистым шарикам. Зарегистрировав
синусоидальное излучение каким-либо приемником, мы узнаем, что включен
передатчик, можем установить направление его излучения. Чтобы передать
более существенные данные, на синусоиде, как и на шариках, необходимо
сделать метки. Эффективно можно <пометить> только когерентный
монохроматический луч - такой луч служит как бы чистым листом бумаги, на
котором записывается информация. Нанести <метки> можно, меняя амплитуду
или частоту колебаний (рис. 3). Тогда передаваемые данные будут
заключены в <узорах>, нанесенных на синусоиду. Чем меньше нужно времени
для передачи <узора>, тем мощнее канал связи. А это время, как видно из
рисунка 3, обратно пропорционально частоте излучения. Так что, чем выше
частота, тем большее количество информации можно передать за одно и то
же время.
Частота электромагнитных колебаний рубинового лазера - 6-1014 гц - в 10
миллионов раз превосходит частоту, на которой
ведутся в наши дни телепередачи. Поэтому один
лазерный луч и может, в принципе, транслировать миллионы телевизионных
программ и миллиарды радиовещательных передач.
Дело в том, что если скорость передачи по каналу связи велика, то можно
передать одновременно много разнородной информации.
Возвратимся опять к <шариковому> телеграфу. Пусть скорость поступления
шариков ровно вдвое превосходит скорость самого быстрого чтения. Тогда
чтец на приемном конце телеграфа не будет успевать принимать информацию.
Хорошо бы поставить еще одного чтеца, но не ясно, как им работать:
оттого что их двое, скорость чтения не повысится. Однако есть выход:
можно передавать сразу два разных сообщения, а чтобы их не путать,
сообщение № 1 писать на шариках
диаметром, например, 80 мм, а сообщение! № 2 - на
шариках диаметром 100 мм. Если! все шарики будут на приемном конце
желоба проходить над отверстием, скажем, диаметром 82 мм, то малые шары
провалятся! и попадут к чтецу № 1, а большие пройдут! его и попадут к
чтецу № 2 (рис. 4). По такому телеграфу можно было бы передавать!
одновременно и десять разных сообщений,! только потребовались бы шары
десяти разных диаметров и сепаратор шаров (который! можно назвать и
фильтром) был бы сложнее: вместо одного - девять отверстий.
А как быть с лазерным лучом? Здесь мы можем передавать сообщения на
разных! частотах: например, сообщение № 1 на частоте (шарик
диаметром 80 мм), а сообщение) № 2 на частоте /г (шарик диаметром 100
мм). Сигналы на этих частотах поступают на специальный фильтр, который
их и разделяет. А так как частота колебаний лазера очень! велика (в
секунду передается 6 1014 <шаров>), то по лазерному лучу можно
передатьпараллельно большое число программ.
Но ведь частота луча лазера неизменна,! его луч монохроматический?! Как
же передать сообщение на двух разных частотах f1 и f2?
Эти частоты нужно <нанести> (такой процесс называется модуляцией) на
основную несущую частоту колебаний лазера (рис. 5). На рисунках о и б
эти частоты наложены на основную частоту лазера раздельно, а на рисунке
в на несущую наложена сумма частот. Принятый луч должен поступить на
детектор. Детектор снимает с несущей <узор>, содержащий частоты и f2.
После детектора фильтр разделяет эти частоты. На колебания с частотами
f1 и f-2 также можно нанести <узоры>,
содержащие разные сообщения.
Вряд ли именно по такой схеме будет вестись передача многих программ по
лазерному лучу, - еще не существует способов эффективной <записи>
передаваемой информации на лазерном луче. Ученые еще не научились
полностью использовать колебания столь высокой частоты, как лазерные,
для <записи> на них передаваемых данных. Проводя аналогию с нашим
<шариковым телеграфом>, можно сказать, что поток лазерных <шариков>
настолько быстр, что из нескольких тысяч удается пометить лишь один.
Над задачей полного использования лазерного луча для передачи информации
и работает большая часть ученых, занимающихся практическими применениями
лазеров. Когда решение задачи будет найдено, реальностью станет широкое
внедрение видеотелефона с объемным изображением и многого другого, о чем
мы еще не смеем мечтать. Ведь информация - элемент, без которого
невозможен ни один процесс управления в технике, человеческом обществе,
живом организме.
Коротко об объемном изображении. Здесь главную роль играет когерентность
лазерного луча. На обычной фотопластинке отраженные световые волны
создают светлые и темные места только в зависимости от их интенсивности,
при этом фаза, в которой колебания отражаются от предмета, не играет
никакой роли. С помощью же когерентного луча можно получить голограмму -
пластинку, на которой записано с помощью совокупности светлых и темных
полос <зашифрованное> объемное изображение предмета. На такой пластинке
записана не только интенсивность света, отраженного каждой точкой
предмета, но и фаза, в которой свет отразился. Эта дополнительная
<координата> и позволяет воссоздать объемное I изображение, когда
голограмма освещается лучом газового лазера.
На рисунках 6 и 7 (стр. 132) показано, как готовят голограмму и как по
голограмме восстанавливают закодированное в ней в виде интерференционных
полос изображение. На предмет падает луч лазера. Каждая
освещенная точка предмета отражает свет на
фотопластинку. На эту же фотопластинку от зеркала попадает свет того же
лазера. Путь света от разных точек предмета до фотопластинки разный, и,
кроме того, каждая точка предмета отражает свет по-разному - светлое
место больше, а темное меньше. От зеркала до фотопластинки лучи проходят
одинаковый путь, и каждая точка зеркала отражает свет одинаково. Этот
луч эталонный. Его колебания складываются на фотопластинке с колебаниями
света, отраженного от предмета. Как показывают вычисления, эта сумма
колебаний создает на фотопластинке видимую картину распределения
световых волн, отраженных от предмета. Чтобы воспроизвести по голограмме
изображение, она освещается пучком света, исходящим из лазера. Световые
волны лазера, проходя сквозь голограмму, образуют два световых потока -
две точные копии волн, отраженных ранее от предмета, и формируют два
объемных изображения предмета - действительное и мнимое.
Если заснять кинофильм, где каждый кадр - голограмма, то получится
стереофильм необыкновенно высокого качества. Теперь нужно передать фильм
на расстояние - и вариант объемного телевидения готов. Но не только этой
цели послужит голография. С ее помощью можно хранить огромный объем
сведений. На одну пленку голограммы можно записать 150 страниц текста
книги. Оказывается, голограммы можно записывать и на кристаллах. И по
оценкам ученых, в одном кубическом сантиметре
кристалла удастся поместить сведения, для хранения
которых потребовалась бы книга в 1 млрд. страниц - толщиной более 50 км.
И все эти чудеса уже в недалеком будущем станут привычными, как и редкое
в наши дни слово - голография.
...Атомная лодка вышла в рейс, чтобы, не всплывая на поверхность, подо
льдом пересечь Северный Ледовитый океан. На подготовку затрачены годы
огромного труда. И вот в самом начале поход пришлось отменить. Отказали
приборы, ориентирующие корабль, - гирокомпасы. Гирокомпас - сложный и
капризный прибор, да и во многие устройства, движущиеся с большими
ускорениями, его нельзя устанавливать. Поэтому, как только были созданы
лазеры непрерывного излучения (газовые), сразу же возникла мысль
использовать вместо компаса световой луч! Принцип, на котором основан
световой компас, предложен еще в начале нашего века Майкельсоном,
американским
ученым, опыты которого по измерению скорости
света легли в основу теории относительности, созданной Эйнштейном.
Если два когерентных луча обегают неподвижный замкнутый контур в
противоположных направлениях, а затем падают на линзу (рис. 8), то в
фокальной плоскости линзы можно наблюдать систему светлых и темных полос
- интерференционную картину. Когда вся установка вращается, например
против часовой стрелки, луч 1-2-3-4 обойдет контур за меньшее время, чем
луч 4-3-2-1. В результате этого интерференционная картина сдвинется. По
этому сдвигу можно вычислить время А Г и угловую скорость вращения
светового контура. Но чтобы можно было заметить смещение
интерференционных полос, вызванное вращением Земли, необходим контур,
охватывающий площадь 60 мЧ Тогда за счет вращения Земли
интерференционная картина сдвинется примерно на 0,36 полосы, если длина
волны источника света 0,60 мк. Этот эффект наблюдал Майкельсон в 1921 г.
Но световой компас таких размеров не установишь даже на корабле, не
говоря о ракетах и самолетах. Поэтому идея Майкельсона не находила
практического применения до изобретения лазера. Дело в том, что для
измерения сдвига лучей по фазе нужен очень большой контур. Применяя
лазер, можно измерение сдвига фазы заменить измерением изменения частоты
света, а именно измерить разность частот колебаний лазерных лучей -
идущего по вращению контура вместе с Землей и против вращения.
Измерения частот колебаний отличаются большой точностью. Поэтому малый
контур, обегаемый лучом лазера, позволяет определить угловую скорость
вращения Земли с высокой точностью.
Если создать замкнутый контур из лазеров, то, как и раньше, свет,
движущийся по вращению контура, будет его обходить за большее время, чем
свет, идущий в противоположном направлении. Теперь контур можно
рассматривать как два вложенных один в другой лазера, чуть-чуть
отличающихся по своим размерам. Из теории лазера известно, что его
размеры, правда в небольших пределах, влияют на частоту излучения. При
этом частота колебаний луча, идущего по вращению, уменьшится, а частота
колебаний
луча, распространяющегося в противоположном
направлении, увеличится на такую же величину A W. И на фотоэлемент будет
поступать свет, интенсивность которого изменяется с частотой 2 A W.
Фотоэлемент преобразует световые колебания в электрические той же
частоты. Частота электрических колебаний легко может быть измерена с
очень высокой точностью. Существует зависимость между частотой 2if и
частотой вращения плоскости, в которой находится световой гироскоп. Так
что скорость вращения Земли может быть определена по частоте биений
света. По этим же измерениям можно ориентировать корабль. Как это
сделать, подскажет рисунок 9. Инженеры рассчитали, что такой световой
компас должен быть гораздо точнее и надежнее, чем механический
гирокомпас - важнейший элемент системы управления кораблем, ракетой,
самолетом.
Мы рассказали о трех проблемах, над которыми еще работают ученые, -
небольшой доле неисчислимых возможностей, открываемых нам лазерным
лучом. Стоит вспомнить о получении с помощью лазера концентрированных
потоков энергии, которые позволяют резать и сваривать металлы, делать
хирургические операции на сетчатке глаза, направлять в нужную сторону
химические реакции, получать высокотемпературную плазму. Уже существуют
лазеры, на которых будут создаваться быстродействующие вычислительные
машины.
Пока великое изобретение делает только первые шаги в нашу жизнь, но
недалеко то время, когда лазер станет таким же привычным, как радио,
телевидение, рентгеновская трубка. (О некоторых других возможностях
лазера см. ст. <Пути электроники>.)
В.И. Кузнецов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
