|
| |||
Реферат: ЛазерыСодержание
1.1 Индуцированное излучение 3 1.3.1 Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность. 7 1.3.2 Гигантский импульс 9 Глава II. Практическое использование оптических квантовых генераторов. 2.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике 16 2.2.1 Лазер в офтальмологии 19 Глава III. Голография. 22 3.1 Возникновение голографии. 22 Заключение 27
Введение Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем
надежного и мощного помощника, свободно проникающего в темницы,
разрушающего любые преграды, способного защитить от любого врага. К
всемогущему лучу обращались и многие писатели-фантасты. Всемирно известны
романы “Война миров” Г. Уэллса и “Гиперболоид инженера Гарина” А. Толстого. Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися
достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и
с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время
были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств,
предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. ГЛАВА I. Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света. 1.1 Индуцированное излучение Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора — оптического квантового генератора или лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики. В основу лазеров было положено явление индуцированного излучения,
существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Характерная особенность этого излучения заключается в том, что
испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с
последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. 1 ( 2 Рис. 1. Схема возникновения индуцированного излучения (угол ( сильно преувеличен) Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Квантовые усилители и генераторы света, в основу которых положено
описанное явление, работают по схеме, схематично изображенной на рис.1.
Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия: hv=E2-E1, где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии, E2 - энергия высшего энергетического уровня, E1 - энергия низшего энергетического уровня. а б в
Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой [pic], где v - частота волны, Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней, h - длина волны. эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. Это показано на рисунке 2(в).[6]
Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.3(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что а б Рис 3. Взаимодействие волн а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные волны (сложение амплитуд волн) разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн (рис. 3(б)). Тогда источники волн можно назвать когерентными. Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна Е = Е1 + Е2 I = E2. I = I1 + I2 + I12, где I1 - интенсивность света первого пучка, I2 - интенсивность света второго пучка. Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно I12 = 2 (E1 * E2). С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.[7] Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом
расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что
на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. 1.3.1 Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность. Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер. [7] Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с.) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал (=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности. Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса. Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности. Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10-7 —10-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту. Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией
добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности.[4]
Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности. Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10-8 с., а максимальная мощность 108 Вт.[8]
Разнообразие лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие
лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами
работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида
алюминия Аl2O3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси
оксид хрома Сr2Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr+3. Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких
энергетических уровня Е1 и Е1’ , при переходе с которых на основной уровень
излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет
при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных
переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще
работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра
поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется
оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой
интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до
нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа
при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера
обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Рис 4. Рубиновый лазер (в плоскости сечения) Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.[2] Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности. Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной. При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным
ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются
метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен
квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы
накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с
невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. С02-лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие
молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и
вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает
излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области
спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать
частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам N2 CO2 (001)
9,6 мкм (100) (020) (010) Рис. 5. Схема энергетических уровней в CO2-лазере Возбужденное состояние молекулы азота N2 является метастабильным и
отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1, что весьма близко к
энергетическому уровню (001) молекулы CO2 (рис. 5). Ввиду метастабильности
возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов
накапливается. При столкновении N2 с CO2 происходит резонансная передача
энергии возбуждения от N2 к CO2. Вследствие этого возникает инверсия
заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO2. Обычно для
уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни,
что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В
типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота При работе CO2 - лазера происходит распад молекул CO2 на СО и О,
благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а
углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СО + О ® CO2. Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO2, N2, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO2-лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов. Проточный СО2-лазер. Важной модификацией является проточный СО2-лазер,
в котором смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается через резонатор. Безызлучательные переходы 2 Лазер 1,06 мкм 1
Неодимовый лазер. На рис. 6 показана схема так называемого неодимового
лазера. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не
металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима
беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка
производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, помеченный цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм. Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень «не работает». Энергия выделяется в виде некогерентного излучения. Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-
лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и
возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды
расположены параллельно оси резонатора, для. получения больших значений
напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно
небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность
работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO2 и N2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме. Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10-11—10-12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров, Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации
создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и
зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря
дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной
длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Глава II. Практическое использование оптических квантовых генераторов. 2.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление
отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление
не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его
пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия. Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди,
бронзы, вольфрама и других металлов. При изготовлении проволок применяют
технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень
малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в
материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых
сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего
протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры). Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг. Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Лазеры с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой. Например, пусть требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длины волны. Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10-3 см-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу. Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого
расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. В настоящее время в мире существует несколько десятков лазерных локационных систем. Многие из них уже имеют космическое значение. Они осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева. Погрешность измерения при использовании данной системы составляет 40 см. Проведение таких исследований организуется для того, чтобы поточнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени, например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную важность. Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны. Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабые стороны. Большой интерес представляют последние разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качеством изображения. Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения.[1]
В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного
скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций
определяют следующие свойства: Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.[8]
В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине -
лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением
отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы
от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 - 0,1 Дж, длительность порядка Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте,
выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая
ретинопатия и злокачественная опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно
лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано
и используется три метода: 2.3 Лазерные технологии - средство записи и обработки информации В настоящее время лазерные технологии активно используются как средство
записи и обработки больших объёмов информации. И здесь следует отметить
появление принципиально нового вида носителя информации - компакт-диска. Сам диск (в иностранной литературе - CD-ROM) представляет собой
пластину круглой формы, на одной стороне которого нанесена маркировка
диска. Другая же сторона является рабочей и на первый взгляд она абсолютно
гладкая. Однако, это не так, так как если бы это было так, то ни о каком
сохранении информации не могло бы идти и речи. Внутри специального
устройства рабочая поверхность диска как бы сканируется лазерным лучом
небольшой мощности (как правило 0,14 мВт при длине волны 790 нм.). При
таком сканировании определяется, что находится внутри пятна лазерного луча Запись таких дисков производится также при помощи лазеров, но здесь речь идёт о гораздо большей мощности лазера. Благодаря тому, что выжигание питов на поверхности диска производится при помощи лазера, можно достичь очень большой плотности записи информации, так как диаметр лазерного луча, а следовательно и пита очень мал. Другое направление в сохранении информации - голография - метод, позволяющий сохранить информацию о внешнем виде любого объёмного тела с очень высокой точностью.[1] Глава III. Голография.
Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта на каком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка). Однако информация, содержащаяся в фотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновой фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью отсутствует информация о фазах волн. Голография позволяет устранить этот недостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентична первоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методом полной записи волны. Для того, чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию. Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М.
Говоря о процессе создания голографического изображения, необходимо
выделить этапы голографирования: Для осуществления этих этапов на практике существует несколько способов. Наиболее распространенные из них - метод плоской волны и метод встречных пучков. Запись голограммы с помощью плоской волны. 2 2 2 4 1 3 4 П МИ ДИ а б Рис. 7. Схема записи голограммы методом плоской волны
а - запись голограммы (1 - объект наблюдения; 2- волновой фронт (плоская
волна); 3 - зеркало; 4 - фотопластинка); б - восстановление изображения (П Стандартная интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле, которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения, необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным в пространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве, будет обладать этими свойствами. Если добавить к исследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты, например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной), то на всём пространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарное распределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то есть стационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать на фотопластинке. Принципиальная схема установки для голографирования по данному методу приведена на рис.7(а) Восстановление голограммы, записанной методом плоской волны. Для того, чтобы восстановить голографическое изображение, уже записанное на голограмму, последнюю необходимо осветить тем же лучом лазера, который был использован при записи. Восстановление проводится по приведенной выше схеме (рис. 7(б)) Изображение объекта формируется в результате дифракции света на неоднородных почернениях голограммы. В направлении 1-1 распространяется волновое поле, формирующее без помощи объектива действительное изображение объекта (ДИ). В направлении 2-2 восстанавливается волновое поле, рассеянное объектом. Это поле соответствует мнимому изображению объекта (МИ) Световой пучок 3-3 и немного расходящийся пучок 4-4 не несут информации об объекте наблюдения, и, следовательно, не участвуют в восстановлении голографического изображения. Голографирование методом встречных световых пучков. В 1962 году советским ученым Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений, являющийся развитием практически уже тогда не применявшегося способа цветной голографии Липпмана. Голографиравание по методу встречных световых пучков проходит по схеме,
изображенной на рис. 8 Объект наблюдения 1 освещается сквозь фотопластинку На голографии по методу встречных световых пучков основана цветная голография. Чтобы уяснить принцип действия цветной голографии нужно напомнить, в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображение цветным, а не черно-белым. 4 2 3 1 Рис. 8. Голографирование по методу Денисюка Опыты по физиологии зрения показали, что человек видит изображение цветным или более менее близким к натуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах, например, в синем, красном и зеленом. Совмещение этих цветов осуществляется при самой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественных репродукций используется 10 - 15 красочная печать) Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта, необходимо сам объект осветить при записи голограммы одновременно или последовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих по длинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсии образуется три системы стоячих волн и, соответственно, три системы пространственных решеток с различным распределением почернения. Каждая из этих систем будет формировать изображение объекта в своем спектральном участке белого цвета, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому в отраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получится цветное изображение объекта, как результат суперпозиции трех участков спектра, что соответствует минимальным физиологическим требованиям зрения человека. Голографирование по методу Денисюка широко используется для получения высококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальных произведений искусства.[4] 3.3 Применение голографии. Как уже было указано, первоначальная задача голографии заключалась в получении объёмного изображения. С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла возможность создания объёмных цветных фотографий. На этой базе исследуются пути реализации голографического кино, телевидения и т. д. Один из методов прикладной голографии, именуемый голографической интерферометрией, нашел очень широкое распространение. Суть метода в следующем. На одну фотопластинку последовательно регистрируются две интерференционные картины, соответствующие двум разным, но мало отличающимся состояниям объекта, например, при деформации. При просвечивании такой “двойной” голограммы образуются, очевидно, два изображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что и объект в двух его состояниях. Восстановленные волны, формирующие эти два изображения, когерентны, интерферируют, и на новом изображении наблюдаются интерференционные полосы, которые и характеризуют изменение состояния объекта. В другом варианте голограмма изготавливается для какого-то
определенного состояния объекта. При просвечивании ее объект не удаляется и
производится его повторное освещение, как на первом этапе голографирования. Описанный способ применяется для исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательного движения и вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п. На рис.9 приведена фотография изображения шарикового подшипника, сжатого в патроне токарного станка. Интерференционная картина наглядно свидетельствует о различии деформаций при двух значениях силы сжатия, о чем говорят два положения стрелки тензометра (левая часть рисунка), зарегистрированные во время экспозиций. напряжений в теле, крутильные моменты, распределение температур и т. д. Голография может применяться для обеспечения точности обработки деталей. Интересно применение голографии в качестве носителя информации. Часто
необходимо получить объемное изображение предмета, которого еще не
существует, и следовательно, нельзя получить голограмму такого предмета
оптическими методами. В этом случае голограмма рассчитывается на ЭВМ Особенности голограмм как носителей информации делают весьма перспективными разработки по созданию голографической памяти, которая характеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.[3] Заключение Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу
действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых
различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле,
физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный
луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях
использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Мы уже начали привыкать, что “лазер все может”. Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазера иногда сменяются некоторым охлаждением к нему. Все это, однако, не может замаскировать основной факт - с изобретением лазера человечество получило в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный инструмент для повседневной, производственной и научной деятельности. С годами этот инструмент будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров. Список литературы
|
|