Марио Бертолотти - История лазера

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—14 часть, 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 S1, S2, S3, S4, укрепленных на тяжелых маятниках, изолированных от внешних (земных) воздействий. Эти зеркала обеспечивают распространение лазерного света в двух взаимно перпендикулярных направлениях, по путям S1S2 и S3S4. 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 1015, 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—15 с (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].

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], 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.