Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 82
Текст из файла (страница 82)
В классической оптике, при низкой интенсивности света, световые волны накладываются друг на друга без какого бы то ни было взаимного влияния. В нелинейной оптике этот принцип уже не действует, что дает множество совершенно новых, порой просто поразительных феноменов. Световые волны способны изменять свою частоту или окраску (см. здесь также п.19 2 и далее) и активно обмениваться энергией, что открывает интересные перспективы их технического применения. Оптические переключатели, подобно электронным транзисторам, дали толчок к разработке оптической схемотехники нового типа.
Соответствующие оптические процессоры и компьютеры дополняют и совершенствуют электронные системы. В рамках «интегральной оптики» разрабатываются необходимые для этой цели технологии. Многие научные труды в области лазерных технологий и формирующихся на их основе новых отраслей науки неоднократно удостаивалось почетных Нобелевских премий: «Разработка мазеров и лазеров» (1964), «Голография» (1971), «Нелинейная оптика, лазерная спектроскопия» (1981), «Прецизионная лазерная спектроскопия» (2005).
23.6. Голография и интерферометрия Голография есть способ записи и восстановления полей световых волн, получения объемных и цветных изображений. Отраженное освещенным предметом или рассеянное поле световой волны (объектная волна) накладывается на опорную волну и сохраняется в светочувствительном слое. В отличие от фотографии, в результате интерференции с опорной волной записывается, наряду с амплитудой, также и фаза объектной волны. Голограмма обычно не имеет сходства с объектом.
Но из нее при подходящем освещении может быть восстановлена объектная волна, в результате чего получается объемное цветное изображение объекта. На рис. 23.12а представлена схема получения голограммы. Для математического описания голографического процесса напряженность электрического поля объектной и опорной волн записывается в виде уравнения (14.15). Амплитуды на- '1~394 р гу.
Об р р р р пряженности поля Е' к(х, у, 2) и фазы Фс я (х, у, 2) могут составить комплексные амплитуды объектной и опорной волн 6 (х, у, 2), Я (х, у, 2): 6=(Его/2) ехр 2я)Фс, Я=(.Еоя/2) ехр 2гпФ (23. 2) Интенсивность на фотопластинке выражена через )6 (х, у, О) + Я (х, у, О)!г. Эта интенсивность экспонирует фотопластинку и после процесса проявления дает амплитудное пропускание г (х, у), примерно пропорциональное интенсивности и времени экспозиции: Е (х у) -~ 6 + Яр =~ 6)г +) Я)г + 6Я* + 6ьЯ (23.3) Здесь 6* и Я* обозначают сопряженно-комплексные амплитуды напряженности поля. Амплитуда и фаза объектной волны хранятся в интерференционном звене 6 (х, у, О) Я'(х, у, О) либо в звене О*К. Итак, экспонированная и проявленная фотопластинка и есть голограмма.
(б) (а) ло ртуальиое бражение бъект Рис. 23.12. Принцип голографии, (а) Схема получения голограммы. (б) Восстановление голограммы г Фотопластинка т г Наблюдатель Когда голограмма освещается восстанавливающей волной, которая в самом простом случае идентична опорной волне Я (рис. 23.12б), то сразу за голограммой образуется напряженность светового поля: Рг(х )) Р (~ О~г Ь) Р)г) г Ц Ща 4 Олог (23.4) Если интенсивность |Я~г опорной волны в плоскости голограммы постоянна, то слагаемое 6) Я~г в уравнении (23.4) описывает напряженность светового поля, соответствующее объектной волне 6 (х, у, О). Отсюда восстановленная волна распространяется, как объектная волна 6 (х, у, 2), в пространство за голограммой.
(Если распределение поля волны в плоскости известно, то на этом основании определяется волна во всем пространстве). Остальные слагаемые в уравнении (23.4) также вызывают волны за голограммой, которые, однако, проходят в других направлениях, чем восстановленная объектная волна.
Наблюдатель, смотрящий в восстановленную объектную волну не может различить, что перед ним: первоначальная или восстановленная волна. Он видит обьемное виртуальное изображение объекта. Выше были описаны амплитудные голограммы, у которых информация сохранена в светлых и темных интерференционных полосах. Такие голограммы поглощают свет и обладают малой светосилой. Поэтому с применением фотографического отбеливания создаются фазовые голограммы, у которых перепады яркостей преобразуются в колебания показателя преломления.
23.6. Голография гс ияеоерферочееврия 395 Р,' Нарялу с классическими пропускающими гологралгмами согласно рис. 2З.12 в иасзояшсс время -- в основном. лля получения лечонстраиионных ~фгректов и г.п. — исиользукзгся такгке гeрагкагельныс гогюграчмы. И юбржксния зтих ~оло ~рамм могут восстанавливаться не только лазерами, но и галогенпыми лампами С фото1 рафическичи слоями получаю гся обьех1гхо-отравна~ сльныс ~ олог ран мы причем техника их и заг отовления ничем не отличается от описаннои выше лля про пускакниих голеи раич.
При необхг1ричос гп пплччегрия бпацппго ипзчнгво чгиаа (зм г гз. ов,,~ „к р, .р 23.7. Светорассеяние для измерения скорости потока 1 1 Ц'= — (й,-)г) к= — (к,-к) ксоза, 2п 2л (23.5) где сг есть угол между (Л, — Л) и к Так как скорость света очень велика по сравнению со скоростью потока т, то имеет силу ( /с,! =~ /с) ~ = 2п/Л. Тогда для сдвига частоты ф приближенно полагаем: Ы=(2уг'Л) соз аейп ф/2). (23.6) ок Детектор б( Рве. ззл4.
измерение скорости (э ффект Доплера, метод опорного пучка) путем светорассеяння рассеивающей частицей Б со скоростью ч Такой сдвиг частоты можно применять для измерения скорости в диапазоне от 10 'до 10' м/с. При методе опорного пучка происходит осуществляемое с помощью фотодетектора наложение рассеянного и нерассеянного света (рис. 23.14). При этом возникают пульсации с разностной частотой огГ, находящейся в высокочастотном диапазоне. Рассеяние света мельчайшими частицами находит самое разнообразное применение в измерительной технике.
Это может быть, например, определение числа и размера частиц пыли либо распыленных в воздухе аэрозолей. Для измерения скорости потоков газов и жидкостей анализируется рассеяние движущихся вместе с ними частиц. Эти частицы могут присутствовать в измеряемой среде в форме естественного загрязнения, либо они добавляются в нее в виде примеси специально для проведения измерений. Когда свет рассеивается под действием движущихся частиц (или в результате фазовых погрешностей), возникает эффект Доплера.
В рассеянном свете происходит сдвиг частоты, который пропорционален скорости. Допустим, частица задвижется со скоростью «(величина~ ь( = т, рис. 23. 14). При когерентном свете она облучается волновым вектором /г. Волновой вектор обращен в сторону распространения света и имеет величину~ Ц = 2п/Л (Л = длина волны). Свет рассеивается под углом ~3. Волновой вектор рассеянного света есть Л,. Разностная частота между облучаюшим и рассеянным светом составляет; 23З.Л р рбр бед 39ф 23.8. Лазеры в приборах и оборудовании Наряду с уже упомянутыми применениями в области техники связи, обработки материалов, медицины и измерительной техники лазеры — индивидуально или в актаве электронных устройств — выполняют еще множеспю других разнообразных задач.
Лазерные лучи распространяются с отличной фокусировкой и очень хорошей прямолинейностью, поэтому могут служить в качестве направленных лучей при строительстве дорог, каналов, туннелей, зданий, а также для точной центровки при создании двигателей и других механизмов. Время пробега коротких импульсов находит свое применение в геодезии для точного и удобного определения расстояний.
Другие способы в области техники измерений основаны на пространственной и временной когерентности лазеров и успешно используют эффекты поляризации, интерференции, дифракции и рассеяния. Интерференционные методы применяются в целях высокоточных измерений длины, необходимых при управлении, например, металлообрабатывающими станками. Интерференция и дифракция незаменимы при голографических испытаниях, в ходе которых исследуются с последующим графическим представлением возможные деформации и колебания деталей машин. В микроскопии тоже нашлось дело для лазера. Так, с помощью лазерного растрового микроскопа сканируют объекты и получают изображения с большой глубиной резкости.
Так называемый «оптический пинцет» позволяет осуществлять бесконтактные манипуляции разного рода. Это достигается посредством наведенного лазерного луча, который на основе светового давления на мельчайшие частицы действует по принципу оптического захвата. Результатом спектральных исследований явлений поглощения и рассеяния видимого излучения лазера стали высокочувствительные способы проведения химических анализов с целью обнаружения вредных веществ.
Это позволяет, например, находясь на расстоянии многих километров от объекта, держать под контролем выход отработавших газов электростанций и промышленных установок (рис. 23Л5). Способы спектроскопического анализа вызывают болыцой интерес и в медицине, в том числе при диагностике опухолей. Почти незаметным в повседневной жизни остается использование лазерного излучения для записи и считывания информации в электронных аппаратах. Управляемые от ПК лазерные принтеры позволяют получить печать высочайшего качества. Проигрыватели со сканированием лазерным лучом дают, по сравнению с механическими устройствами, гораздо лучшее качество воспроизведения, при этом меньше изнашиваются и позволяют пользоваться компактными носителями звукозаписи.
Устройства считывания штриховых кодов в кассах супермаркетов максимально рационализируют расчетные операции. Особенно актуальным представляется на данном этапе значение лазерного телевидения, при котором изображение не генерируется на экране электронным лучом, а проецируется цветными лазерными лучами на любую поверхность. В настоящее время для этой цели применяют еще стеклянные лазеры, лучи которых отклоняются механическим или акустическим способами. При этом получают изображения чрезвычайно высокой контрастности. Для коммерциализации предусмотрены компактные твердотельные лазеры или диодные лазерные системы. (398 Г е Об р р,р р Лазеры с оптическими системами распределения лучей и подвижными дефлекторами хорошо зарекомендовали себя в оформлении и рекламе, очень популярны на дискотеках и музыкальных представлениях.
Графики и художники-оформители, используя лазеры как удобное средство выражения, создают световые скульптуры, эффектное освещение улиц и зданий. Например, Берлинский технический университет, кампус которого разделен широкой улицей, по вечерам может быть зрительно объединен растром лазерного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
