Шел 1994 год. Трудное время для науки и промышленности в российской провинции. Профессиональные работы в нашей лаборатории были заморожены, уникальное по тем временам оборудование простаивало, и коллектив НПП «Параллакс» серьезно призадумался – Что делать? Молодым сотрудникам лаборатории ничего лучшего не пришло в голову, как заняться подготовкой выпускников ярославских школ к поступлению в ВУЗы. Выбор будущей профессии инженера или ученого для мальчишек и девчонок, не нюхавших что это такое, все равно, что игра в рулетку. Повезет – не повезет. Работая над школьными научно-исследовательскими проектами, ребята начинали получать представление о студенческой жизни, инженерных профессиях и своих возможностях в разных областях научно-исследовательской деятельности. Прошел год, и мы поняли, что занятия с детьми не только позволили выжить нашему коллективу, но и весело проводить время с «научными сотрудниками школьного возраста».
Хочется отметить высококвалифицированную помощь методиста детского объединения «Параллакс» Евгения Назаровского. Педагог от Бога – он учил нас, технарей, этому удивительно трудному, но бесконечно благодарному делу – педагогике. Затем молодое педагогическое объединение отпочковалось от научно-исследовательского, и начало жить самостоятельной полнокровной жизнью. Кроме научно- технического творчества школьников, появились новые направления внешкольной педагогической работы: - «психология» - Женя Назаровский - «информатика»- Гриша Каган - «дизайн и техническое конструирование» - Любовь Собянина - «риторика и журналистика» - Ира Бархатова - «операторское мастерство и компьютерная анимация» - Александр Акилов
Неоценимую помощь и поддержку экспериментальный педагогический коллектив получил от доцента кафедры физики педагогического института им К.Д Ушинского, кандидата физико-математических наук Галины Васильевны Жусь и профессора Ярославского государственного университета, доктора физико-математических наук Алексеева Вадима Петровича.
Так к чему все это?- спросите вы. А к тому, что этот материал, был рожден в славные времена занятий со школьниками. Прошу считать всех перечисленных выше педагогов моими соавторами.
Для того чтобы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример – голограмму точки.
Запись голограммы точечного объекта
Рассеянная точечным объектом сферическая (см. рис. «Запись») и плоская референтная волна попадают на фоточувствительный слой, в котором записывается картина интерференции сходящихся лучей.
Распределение света на фотопластинке фиксируется в виде системы темных и прозрачных концентрических колец, очень похожих на зонную пластинку Френеля
Расстояние между соседними интерференционными кольцами (d) равно:
d = λ /2*sin (Θ/2)
где: λ – длина записывающей волны; Θ – угол между интерферирующими лучами.
Интерференционную картину, записанную на фотопластинке, можно назвать голограммой. Если рассматривать маленькие участки этой голограммы, например в точках (1) или (2), то можно с уверенностью назвать их элементарными дифракционными решетками.
При освещении миниатюрных элементов голограммы монохромной световой волной, подобной референтной, возникает множество новых волновых фронтов – порядков дифракции. Углы дифракции при этом, окажутся такими же, какими были углы схождения лучей во время записи интерференционной картины.
Восстановление голографического изображения
Θ = ψ; где (ψ1) и (ψ2) – углы дифракции в точках (1) и (2).
Два симметричных дифракционных порядка в точках (1) и (2) формируют действительное и мнимое изображения точки (Об). Если продолжить направления дифракционных порядков, возникших в точках (1) и (2) нашей голограммы до их пересечения, то получим координаты мнимого и действительного изображений точки (Об). Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна (см. рисунок «Восстановление»), создает мнимое изображение точки (Аi) и наблюдатель видит это изображение за голограммой. Вторая сходящаяся сферическая волна создает действительное изображение точки (Аd), которое расположено перед голограммой.
Результат сложения интерференционных картин от множества точек материального тела будет обладать всеми вышеперечисленными свойствами. Голограмму протяженного объекта можно рассматривать как суперпозицию (сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, который предложил в 1947 году Деннис Габор.
Основные определения
Оптическое изображение – картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали. Основой зрительного восприятия предмета является его оптическое изображение, спроецированное на сетчатку глаза.
Действительное изображение (оптическое) – создается сходящимися пучками лучей в точках их пересечения. Если в плоскости пересечения лучей поместить экран (фотопленку, регистрирующую среду любого типа), то можно на нем наблюдать сфокусированное оптическое действительное изображение.
Мнимое изображение (оптическое), формируется лучами, которые при выходе из оптической системы расходятся, но их можно мысленно продолжить в противоположную сторону и они соберутся в точках пересечения. Совокупность таких точек называют мнимым изображением, так как оно способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу), преобразующей его в действительное изображение. Особенностью изображений объекта, формируемых с помощью голограммы, является то, что действительное изображение объекта является псевдоскопическим, а мнимое – ортоскопическим.
Псевдоскопическое изображение объекта – изображение, в котором наблюдатель видит вместо выпуклостей – вогнутости, и наоборот. Действительное изображение объекта, сформированное голограммой, является псевдоскопическим.
Объектная (предметная) волна – одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, в которой содержится информация, предназначенная для воспроизведения или преобразования. Обычно объектная волна формируется излучением, прошедшим через объект, либо отраженным от него.
Опорная (референтная) волна – одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, которая обычно используется для восстановления объектной волны. Как правило, опорная волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, например, плоскую или сферическую.
Удивительные объемные изображения, полученные Лейтом и Упатниексом в начале 1960–х годов, после появления лазеров побудили многие исследовательские группы заняться голографией. Наряду с поисками путей усовершенствования, так называемых, «изобразительных голограмм», значительные усилия исследователей были направлены на использование голографии в науке и технике. Возникли надежды, что голография может стать «новым технологическим методом», который позволит решить самые разные проблемы. В нашей стране, как и во всем мире, голография начинает бурно развиваться благодаря фундаментальным работам Денниса Габора и Юрия Денисюка.
Важную роль для отечественной науки в этом процессе сыграло создание в 1966 году в Государственном оптическом институте (ГОИ, Ленинград) лаборатории голографии. В начале 70-х годов здесь сформировался сплоченный коллектив активных и творческих сотрудников, развивавший исследования в целом спектре научных и прикладных направлений.
Семинар лаборатории голографии. Слева направо: Э.Г. Земцова, Д.И. Стаселько, Н.А. Савостьяненко, Ю.Н. Денисюк, Д.А. Загорская, И.Н. Давыдова, А.Г. Смирнов
Ниже мы приводим перечень наиболее интересных разработок, выполненных сотрудниками лаборатории под руководством Ю. Н. Денисюка:
Ирина Николаевна Давыдова разработала теорию наблюдения сквозь неоднородные среды и методы записи композиционных голограмм;
Аркадий Григорьевич Смирнов создал оригинальную систему многокадрового киноголографирования быстропротекающих процессов и вместе с Дмитрием Ивановичем Стаселько стоял у истоков записи голографических портретов;
Виктор Иванович Локшин успешно занимался голографическими методами кодирования информации;
Михаил Михайлович Пархоменко развил основы акустической голографии;
Вадим Валерьевич Смирнов – разработал отражательные голографические навигационные экраны, располагающиеся перед лобовым стеклом летательных аппаратов;
Дина Александровна Загорская со своей группой разрабатывала голографические эмульсии и изготавливала фотопластинки, на которых Элла Георгиевна Земцова записывала уникальные изобразительные голограммы;
Ива Рувимовна Протас и Юлия Александровна Кракау разработали и внедрили в производство первые отечественные фотоматериалы для голографии (фотопластинки Микрат ВР, ЛОИ-2 и ЛОИ-3) ;
Юрий Евгеньевич Усанов создаёт свой знаменитый проявитель ГП-2 для обработки отражательных голограмм, которым пользуются во всём мире до сих пор. А в дальнейшем создаёт совместно с М. К. Шевцовым микропустотный метод получения высокоэффективных отражательных голограмм Денисюка, в том числе и цветных;
Цветные голограммы, полученные «микропустотным» методом
Юрий Алексеевич Ананьев, Владимир Георгиевич Сидорович и Дмитрий Иванович Стаселько сыграли заметную роль в разработке теории и практики динамической голографии в инерционных средах, а также в развитии работ по динамическому обращению волновых полей лазерных пучков;
Алексей Фёдорович Корнев, Василий Петрович Покровский и Владимир Константинович Ступников разработали уникальные по многим характеристикам компактные конструкции импульсных лазеров для изобразительной голографии и голографической интерферометрии с использованием адаптивной оптики;
Оптическая схема импульсного лазера с адаптивной оптикой
Под руководством Михаила Константиновича Шевцова был разработан ряд уникальных мобильных голографических установок для импульсной и цветной голографии.
Импульсная мобильная установка «ГРИФ» на выставке голограмм (фото справа). Настройка схемы голографической камеры "ZZZiclope" Греческого института голографии Афины (Н.Зеврос, М. Шевцов, А. Саракинос и директор института А. Лембессис) и её внешний вид (фото слева).
В ряде научных институтов и даже на крупных предприятиях Советского Союза были созданы исследовательские группы в области оптической, акустической и микроволновой голографии:
В 1966 году молодые сотрудники ФТИ им. А.Ф. Иоффе Юрий Исаевич и Галя Всеволодовна Островские выполнили в лаборатории, руководимой Александром Натановичем Зайделем, свои пионерские работы по голографической диагностике плазмы;
В Ленинградском институте ядерной физики Борис Ганьевич Турухано создает первые отечественные цветные голограммы и системы дисковой памяти, голографические сверхточные (разрешение до 0,01 мкм) измерительные линейки длиной в 1 метр и сверхчувствительные угловые датчики для точного машиностроения;
Б. Г. Турухано с голографической линейкой и его первая цветная голограмма с автографом Э. Лейта
В Казани под руководством К.С. Мустафина возникла целая школа оптиков нового направления – голографической и дифракционной оптики для контроля качества крупногабаритных оптических изделий, внедренной в производство на Казанском оптико-механическом заводе;
Голографический оптический элемент для контроля крупногабаритной оптики
В Москве под руководством Веры Моисеевны Гинзбург во ВНИИОФИ были заложены основы отечественного голографического приборостроения;
В НИКФИ благодаря экспериментальному искусству Геннадия Александровича Соболева и Олега Борисовича Серова на уникальных фотопластинках Николая Ивановича Кириллова ПЭ-1 и ПЭ-2 были изготовлены необычайно эффектные отражательные «голограммы Денисюка», стимулировавшие живой интерес к художественной голографии во всем мире;
Светлана Борисовна Соболева, Юрий Николаевич Денисюк и Геннадий Александрович Соболев в голографической лаборатории, фото справа - голограмма бюста Ивана Грозного
Мастер художественной голографии Валерий Александрович Ванин в подмосковном «Платане» организовал серийное производство голографической сувенирной продукции и разработал ряд уникальных голографических технологий;
Голографическая продукция студии В. Ванина
Шермазан Дмитриевич Какичашвили – непревзойденный экспериментатор, выдающийся ученый и изобретатель открыл возможность регистрации трехмерных голограмм на поляризационно-чувствительных средах и создал уникальный метод записи цилиндрических голограмм, обеспечивающих круговой обзор голографируемых объектов;
Александр Анатольевич Акилов на Ярославском заводе Дизельной аппаратуры с помощью импульсной голографической техники исследовал динамику впрыска топлива, разработал оригинальную установку копирования импульсных голограмм УГ-03.
Испытания голографической установки копирования УГ - 03
Сотрудник ВНИИОФИ, Николай Георгиевич Власов – автор многих оригинальных идей, лежащих на стыке голографии, интерферометрии и дифракционной оптики внес большой вклад в развитие отечественных голографических технологий;
Наконец, на стыке 60-х и 70-х годов разгорелась заря динамической голографии, первопроходцами которой в нашей стране были белорусские физики Евгений Васильевич Ивакин, Александр Сергеевич Рубанов и Борис Иванович Степанов, открывшие явление четырехволнового динамического обращения волновых полей.
Сергей Георгиевич Одулов, Анатолий Иванович Хижняк и Владимир Борисович Марков под руководством Марата Самуиловича Соскина, вместе с теоретиками Валентином Львовичем Винецким и Николаем Васильевичем Кухтаревым заложили основы динамической голографии в полупроводниковых средах.
Продолжать список научных и технологических достижений в области отечественной голографии можно было еще долго. Но вернемся к разговору о том, какие бывают голограммы.
С появлением лазеров ранние опыты Д. Габора и Ю. Денисюка можно было повторить с большим эффектом. Результат не заставил себя долго ждать. И вот наступил день, когда фотография, как самый реалистический способ регистрации изображений, побледнела перед новым открытием.
Эммет Лейт (12.03.1927 – 23.12.2005)
Юрис Упатниекс (07.05.1936)
В 1962 году на одной из фотовыставок ученые Эммет Лейт и Юрис Упатниекс в присущей американцам манере устроили сенсацию. Они показали трехмерное изображение шахматной доски, записанное на плоской фотопластинке. Это была первая внеосевая голограмма. Но качество ее способно было потрясти видевших всякое.
Так называемая длина когерентности лазеров в отличие от ртутной лампы в опытах Денниса Габора уже составляла не миллиметры, а десятки сантиметров, что позволило разделить направления падения на фотопластинку интерферирующих лучей: опорного источника и волнового фронта, отраженного от объекта и записывать очень глубокие сцены. При рассматривании голограмм Лейта – Упатниекса восстанавливающий источник в этом случае не попадает в поле зрения наблюдателя.
Оптическая схема записи голограммы Лейта - Упатниекса
Голографический стол с оптической схемой записи голограммы Лейта и Упатниекса:
Одна из первых голограмм «Игрушечный паровозик» изготовлена Лейтом и Упатниексом в марте 1964 года
Наблюдать трехмерную сцену голограммы Лейта и Упатниекса за куском прозрачного стекла (имейте в виду, что голограмма для большей ее яркости отбеливалась), было сверх границ традиционного сознания. Люди пытались нащупать фантом, изображение которого ничем не отличалось от материального оригинала. Мало того, изображение, восстановленное с голограммы светом лазера, можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только положение объекта относительно фотопластинки, но и сам тип голограммы.
Свойства голограмм
Голографическое изображение отличается от фотографии не только своей объемностью, но и еще несколькими важными свойствами:
При записи голограммы на её поверхность падает свет, отражённый от всех точек объекта, которые, по принципу Гюйгенса, становятся точечными источниками света. Поэтому даже маленький кусочек голограммы может дать изображение целой сцены, причём, чем дальше объект расположен от плоскости голограммы при записи, тем от большего количества точек свет попадёт на ВСЮ голограмму и тем более целостным будет изображение объекта.
Позитив и негатив голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма.
Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения (геометрический коэффициент увеличения (kг), однако при этом возникают искажения изображения, причём тем значительнее, чем больше коэффициент kг. Если запись ведется излучением длиной волны λ1, а восстановление – λ2 > λ1, то изображение станет больше в k = λ2/ λ1 раз (волновой коэффициент увеличения (kв)). Полное увеличение равно произведению обоих коэффициентов; например, для рентгеновского микроскопа (λ 1 = 10–2 мкм, λ 2 = 0,5 мкм) с kг = 200 полное увеличение k = 106. Следует помнить, что при линейном изменении поперечного масштаба изображения, глубина сцены изменяется по квадратичному закону, поэтому и в этом случае возникают искажения изображения. Например, запись портрета с помощью рубинового лазера (глубокий красный цвет, λ1=694 нм), а копирование с помощью гелий-неонового лазера (λ2 = 633 нм) приведёт к уменьшению изображения лица в плоскости голограммы в 1, 1 раза, а всей головы в глубину в 1, 2.
Если на одну пластинку записать голограмму в сходящихся пучках (по схеме Лейта), используя разные длины волн, то все они могут быть считаны при помощи тех же лазеров, причём каждый лазер восстановит без искажения « только свою» голограмму, а остальные с соответствующими изменениями масштаба. Это приведет к тому, что зритель увидит неискаженные и искаженные изображения одновременно. Хаос в восстановленном изображении разрушит впечатление реального пространства. Такая же голограмма, но записанная во встречных пучках (по схеме Денисюка), восстановит одно, масштабно не искаженное, многоцветное изображение при освещении белым светом.
Полноцветная голограмма Денисюка, изготовленная Владимиром Кузнецовым г. Новосибирск 2015г. на высокоразрешающем фотоматериале «Ultimate 08». Запись голограммы осуществлялась с помощью трех лазеров, излучающих в красной, зелёной и синей области спектра.
Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера, и даже вручную. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.
Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.
Голограммы обладают ассоциативными свойствами. С помощью голограмм можно распознавать и сравнивать самые разные изображения, подобно тому, как это делает наш мозг. Попробуем рассмотреть это удивительное свойство голограммы на максимально упрощенном примере. В действительности все выглядит гораздо сложнее, но здесь мы должны уяснить лишь принцип, не вдаваясь в технические сложности эксперимента.
Существует еще много удивительных свойств так называемых динамических голограмм в оптически активных средах, но об этом мы расскажем чуть позже.
Слово «ЛАЗЕР» является аббревиатурой английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – «Усиление света в результате вынужденного излучения».
Лазер излучает когерентный (строго согласованный в пространстве и времени), монохроматичный и поляризованный луч. Принцип действия лазера можно описать только с помощью теории квантовой механики, но он достаточно прост и для популярного объяснения.
Чтобы понять, как работает лазер, обратимся к физике.
Свет – это электромагнитная волна. В отличие от звуковых, электромагнитные волны поперечные и имеют более сложную структуру. Они представляют собой синхронные гармонические колебания магнитного и электрического полей в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны со скоростью света (С).
У электромагнитной, как и у любой волны, есть количественные характеристики, такие, как амплитуда, частота, фаза и направление распространения. Поэтому физики привыкли описывать световую волну с помощью уравнений в векторной форме. Важно знать, что электромагнитные волны являются поперечными и имеют одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний магнитной H и электрической E составляющих. Волны сохраняют ориентацию колебаний на всем пути распространения до момента взаимодействия с веществом. Так что, можно назвать еще один параметр электромагнитных волн – ориентацию плоскости поляризации. Теорию электромагнитных волн досконально разработал Джеймс Максвелл.
Исследуя спектры излучения нагретых тел, Макс Планк придумал формулу, которая идеально описывала это явление. Согласно этой формуле электромагнитное излучение обладало свойствами необычной частицы, у которой минимальная энергия равнялась произведению некоторой константы – постоянной Планка (h) на частоту электромагнитного колебания (ν).
Свет в теории Планка одновременно является и волной, и частицей с энергией кратной некоторому числу – постоянной Планка (h). Мельчайшую и неделимую частицу излучения ученые назвали квантом. Учитывая вышеприведенную формулу, можно сказать, что энергия красного кванта меньше зеленого, а зеленого меньше синего и так далее.
Ученые основательно призадумались. Что же тогда представляет собой свет? Частица или волна? Кто прав? Ньютон или Френель? Оказывается, правы все. Вот такая получается история.
Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает возможность возбуждения внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает исключительной монохроматичностью. Чтобы понять, в чем же скрыта суть этого явления, рассмотрим в упрощенной форме процесс взаимодействия кванта света с веществом.
Электромагнитная частица может взаимодействовать с электронными оболочками атомов вещества, переводя электроны на более высокий энергетический уровень, а атомы в возбужденное состояние.
В возбужденном квантами состоянии атомы могут оставаться, по меркам микромира, достаточно долго. В течение этого времени индуцирующие кванты «накачки» способны перевести в возбужденное состояние значительное количество атомов вещества.
Но что случится, если с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, встретится квант, который имеет энергию точно такую же, как и энергия возбуждения электрона?
В этом случае сработает чудесный спусковой механизм, и атом покинут уже два кванта–близнеца, удаляющиеся в том же направлении. Электроны при этом с возбужденных уровней вернутся в исходное, устойчивое состояние. Таким образом, поток света увеличит свою энергию в два раза при сохранении частоты, поляризации и фазы.
И так может происходить многократно на пути распространяющейся лавины частиц, что равносильно усилению мощности излучения пропорционально количеству встретившихся на их пути возбужденных атомов.
В 1939 году Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения в среде, в которой можно создать возрастающее количество возбужденных электронов.
1955–й год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого являлся аммиак.
1957–й год. Американские ученые Чарльз Таунс и Артур Шавлов начинают разработку принципов лазера.
1958–й год. Александр Прохоров использует для создания лазера резонатор Фабри–Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.
Принципиально конструкция лазера, как и все гениальное, предельно проста. Между двумя строго параллельными зеркалами располагается оптическиактивная среда, в которой с помощью лампы накачки или иного способа подвода энергии происходит накопление возбужденных атомов.
Любой лазер состоит из рабочего тела, в котором происходит усиление излучения. Рабочими телами лазеров служат самые разнообразные вещества – твердые тела, жидкости и газы.
Для успешной работы лазера атомы рабочего вещества должны иметь особые, метастабильные энергетические электронные уровни (Е2), изображенные на рисунке
Лазер «накачивают» ярким светом лампы или другого лазера, электрическим током, электронным пучком или химической реакцией. С помощью энергетической накачки электроны в веществе лазера перебрасываются с основного энергетического уровня (Е3) на более высокий и неустойчивый (Е1). Если энергия электрона вернется обратно в основное состояние, никакого эффекта не получится. Поэтому в активном веществе лазеров, чуть ниже верхнего уровня, должен находиться еще один, так называемый, «метастабильный» (Е2) или «долгоживущий», на котором электроны задерживаются на короткое время. Во время действия накачки в лазере образуется инверсия населенностей, при которой электронов на метастабильном уровне накапливается больше, чем на основном.
В возбужденном состоянии атомы не могут находиться бесконечно долго. Спустя некоторое время избыточная энергия сбрасывается в виде излучения кванта с нормированной энергией (и если вспомнить формулу Планка, частотой).
Порожденные самопроизвольным переизлучением, кванты разлетаются в разных направлениях. Для того, чтобы создать лазер, нужна среда, работающая в режиме положительной обратной связи. В качестве положительной обратной связи в усиливающей свет среде ученые стали использовать интерферометр Фабри – Перо, который представляет собой два параллельных плоских зеркала с очень высоким коэффициентом отражения. Это устройство имеет еще одно название – «резонатор».
В таком резонаторе из огромного множества рожденных в результате усиления квантов всегда найдется хотя бы один, который будет двигаться вдоль оси резонатора (параллельно оси установленных зеркал). Такой квант имеет перед остальными огромное преимущество. Многократно отражаясь от параллельно установленных зеркал, он встретит на своем пути максимальное количество атомов активного вещества, находящихся в возбужденном состоянии. Представьте себе, какую лавину своих «клонов» этот единственный квант увлечет за собой, многократно пролетая от одного зеркала до другого!
Одно из зеркал резонатора полупрозрачно. Это означает, что некоторая часть квантов все – таки вырывается из плена зеркального резонатора. Таким образом, из нашего замечательного устройства, называемого лазером, выходит узкий параллельный пучок квантов–близнецов. У каждого из них одна и та же частота, фаза и ориентация плоскости поляризации. Ни один другой источник света не может сравниться с лазером упорядоченностью испускаемого излучения.
А.М. Прохоров, Ч. Таунс и Н.Г. Басов (слева направо), 1965 год
В 1960 году американский физик Теодор Мейман, сотрудник фирмы "Хьюз Эйркрафт", сконструировал на основе работ Басова, Прохорова и Таунса первый лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм).
Вскоре Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали конструкцию лазера. В принципе, все понятно и просто, но на самом деле лазеры – это продукты высоких технологий. Николай Басов в 1962 году предложил идею лазера на основе полупроводникового кристалла, а американцы Джаван, Беннет и Гарриот разработали газовый лазер. С появлением лазеров голография начала стремительно развиваться в самых неожиданных направлениях.
Свойства лазерного луча
Свет лазеров обладает исключительной монохроматичностью. Применяя дополнительные устройства для предотвращения одновременной генерации лазером нескольких частот, можно достичь длины когерентности в сотни метров, а ширины спектра излучения в несколько килогерц.
Фронт лазерного луча имеет форму, близкую к идеальной плоскости. Поэтому угловая расходимость луча лазера составляет сотые доли градуса.
С помощью фокусирующей линзы, лазерный луч можно собрать в пятно очень малого диаметра и получить исключительно высокую плотность энергии. Распределение интенсивности излучения в сечении лазерного луча стремится к закону Гаусса. Это обстоятельство определяет его геометрию в зоне фокусировки.
d = 4λf/πА, где d – диаметр идеального гауссова пучка в фокусе линзы; λ – длина волны излучения лазера; А – размер пучка на входе линзы; f – фокус линзы
Вблизи фокальной плоскости линзы пучок света имеет форму «перетяжки» с плоским фронтом в зоне фокуса. Чем короче фокус линзы (f) и больше диаметр лазерного пучка (A), тем будет меньше пятно фокусировки (d).
Благодаря перечисленным свойствам, существует возможность создания высоких плотностей излучения лазеров, которая используется для быстрого разогрева вещества, охлаждения или ускорения заряженных частиц. Луч лазера режет и сваривает тугоплавкие материалы, с его помощью измеряют расстояния, скорости и ускорения объектов, размеры и концентрации частиц в жидкостях и газах. Для лазеров инженеры нашли очень много полезных применений.
Новое поколение лазеров
Чуть более полувека прошло с тех пор, как появились первые твердотельные и газовые лазеры. Все это время наука не стояла на месте и сделала множество открытий в области полупроводниковых материалов, нелинейных оптических сред и искусственных кристаллов. В результате проведенного широкого фронта исследований было разработано новое поколение лазерных диодов и, так называемых, DPSS лазеров.
Аббревиатура DPSS ( diode-pumped solid-state laser) , означает – твердотельный лазер с диодной накачкой.
Накачка лазерного кристалла излучением лазерного диода позволяет получить высокую эффективность генерации и качество излучения при относительной простоте и компактности конструкции. Преимущество лазеров с диодной накачкой связано с тем, что излучение лазерных диодов спектрально хорошо согласуется с полосами поглощения активаторных ионов с метастабильными уровнями в генерирующем кристалле. Эффективность накачки при этом превышает 80%, а тепловая нагрузка сокращается до минимума.
DPSS лазеры при высокой мощности когерентного излучения компактны и очень экономичны
DPSS лазеры могут излучать в очень широком диапазоне частот
Простейший DPSS лазер устроен следующим образом:
Когерентное излучение лазерного диода с длиной волны 808 нм фокусируется в кристалле Nd:YVO4 и возбуждает в нем вынужденное излучение с длиной волны 1064 нм. Затем нелинейный кристалл КТР преобразует инфракрасный луч в зеленый с длиной волны 532 нм. Далее излучение коллимационными линзами преобразуется в узкий пучок. IR фильтр отделяет зеленый луч от достаточно мощного инфракрасного, который еще присутствует после преобразования в кристалле КТР.
Для получения одночастотной генерации излучения с большой длиной когерентности DPSS лазеры имеют более сложную конструкцию с внешними резонаторами и устройствами селекции мод
