Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 30 (всего у книги 31 страниц)

Спектроскопия

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

Спустя некоторое время было показано, что можно обнаруживать, контролировать и манипулировать отдельными атомами. В одном из экспериментов одиночный атом цезия был зарегистрирован и идентифицирован из сосуда, содержащего 10 ¹⁸других атомов. Атомы с помощью лазеров можно охладить до температур, которые выше абсолютного нуля лишь на одну миллионную градуса. С помощью ультракоротких импульсов лазерного излучения можно изучить детали событий, происходящие при химических реакциях молекул, с точность до времени, с которым электрон обращается вокруг атомного ядра. В 1997 г. Нобелевскую премию по физике получили К. Коен-Таннуджи, С. Чу и В.Д. Филипс за их вклад в разработку методов охлаждения и захвата атомов в ловушки с использованием лазеров, отмечая их мастерство в использовании спектроскопических методов для достижения их результатов.

Геофизика

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

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

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

Лазер и Луна

Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет, посланный с Земли [16]16
  До этого уголковый отражатель был установлен на Луне с помощью советского «Лунохода-1». – Прим. пер.


[Закрыть]. Группа астрономов Ликской Обсерватории в Калифорнии послала на Луну мощный пучок рубинового лазера, что позволило измерить расстояние Земля—Луна с точностью, намного превышающей точность обычных астрономических наблюдений.

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

Гравитационные волны

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

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

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

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

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

Интерферометры такого типа были построены в разных частях мира. Вебер уже в 1970-х гг. понимал, что лазерный интерферометр может быть более чувствительным, чем подход, основанный на использовании цилиндра. Идея лазерного интерферометра для обнаружения гравитационных волн была независимо выдвинута российскими учеными М. Герштейном и В. Пустовойтом из Московского университета и Р. Вайсом из MIT (США). Первый интерферометр был построен в 1978 г., а в 1983 г интерферометр длиной 40 м был установлен в Калифорнийском технологическом институте. Подобные же интерферометры существуют в настоящее время в Италии, Германии и Японии. Недавно было спроектировано даже более мощное устройство с интерферометром длиной 4 км, помещаемого в туннель для защиты распространения света. Две установки с такими интерферометрами были реализованы в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана). Эти интерферометры обозначаются как LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Они обладают чувствительностью в одну часть на 10 ¹⁵, которую можно увеличить в 100 раз. Работы по этому проекту продолжаются с августа 2002 г.

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

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

Лазеры ультракоротких импульсов

С помощью специальных методик можно создать импульсные лазеры, испускающие импульсы излучения, длительность которых всего лишь несколько единиц 10 ^—15с (фемтосекунд). Эти времена столь коротки, что их можно сравнить с временами обращения электрона вокруг атомного ядра. С такими импульсами можно исследовать химические, биологические, физические явления и др. Продолжительность этих импульсов соответствует длинам распространения света, порядка размеров некоторых молекул. Используя такие импульсы, группа химиков, например, изучила свойства фотохроматических стекол [17]17
  Лазеры фемтосекундных импульсов позволяют не только изучать быстрые химические реакции, но и управлять выходом продуктов реакции. Это называют квантовым, или когерентным, управлением химических реакций, или фемтохимией. За работы в этой области американский ученый египетского происхождения А. Зевайл получил Нобелевскую премию по химии. – Прим. пер.


[Закрыть].

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

Нелинейная оптика

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

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

Наблюдения, что интенсивный свет может вызывать изменения, которые сами воздействуют на свет, первоначально возникли как проблема пропускания мощных лазерных пучков через оптические материалы. В зависимости от свойств материала, свет может либо самофокусироваться [18]18
  Изменение показателя преломления среды под действием интенсивной элекромагнитной волны было установлено в 1962 г. Г.А. Аскарьянм. Он и ввел термин «самофокусировка». – Прим. пер.


[Закрыть], либо самодефокусироваться. В первом случае это может привести к разрушению материала, во втором случае это приводит к порче самого пучка. Позднее эти свойства были использованы в устройствах информатики, для создания переключателей света, ответвителей, и для обработки информации. Нелинейный отклик материала может быть очень быстрым, часто порядка пикосекунды.

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

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

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

Квантовая криптография

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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