Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Лазерный луч и его общие свойства изучает т. н. когерентная оптика, представляющая собой новое направление в волновой оптике, смежное с квантовой оптикой. Лазеры, помогая физикам проникать в тайны материи, привели к открытиям, заложившим основы множества других оптических дисциплин.
Из когерентной оптики выросла оптика нелинейная. Она изучает воздействие видимых электромагнитных волн и фотонов на вещество. Прежде ученые не могли с уверенностью сказать, влияет ли свет на среду, сквозь которую проходят его лучи, а если влияет, то как. В наше время нелинейная оптика дает однозначный ответ на этот вопрос. Концентрированная энергия лазера позволяет воздействовать на атомы и молекулы среды столь интенсивно, что эффект от такого воздействия заметен и может быть без особых проблем измерен.
Голография занимается созданием и воспроизведением при помощи лазеров объемных световых изображений. Трехмерные изображения необходимы для демонстрации схем, макетов, моделей, каких-либо структур, а также для научных исследований. Многие физические процессы и особенности анатомии человека исследуются в наше время на голографических картинках.
Перспективна радиооптика, которая занимает проблемами кодирования и переноса в лазерном луче информации. Впоследствии оптическая информация может быть переведена в электрические импульсы. На рубеже 1980–1990-х гг. удалось впервые заложить технические основы лазерной связи и оптического кодирования информации. Тогда же были созданы первые экспериментальные лазерные телесистемы и лазерные чипы для ЭВМ. Совмещение электронных устройств с оптическими, затронутое радиооптикой, изучает оптоэлектроника.
Исправлением искажений светового пучка, проходящего через какую-то среду (газ, жидкость), занимается адаптивная оптика. Фотоэнергетика занимается проблемами передачи энергии в световой форме. Лазерный луч концентрирует и переносит большое количество энергии. Космические энергетические станции могут использовать энергию Солнца, превращать ее в лазерные лучи и направлять на Землю, на орбитальные станции и космические корабли, а в будущем — на Луну и другие планеты.
Посредством лазерного луча можно передавать тепловую энергию на ракету, заправленную экологически чистым топливом. Масса ракеты станет от этого гораздо легче, т. к. значительное количество энергии будет непрерывно поступать с лазерных установок на космодроме. Это в будущем, а пока энергия лазера применяется при сварке и резке металлов, а также при обработке многих других материалов когерентным лучом. Возможности и перспективы применения квантовых генераторов в народном хозяйстве исследуются прикладной дисциплиной — лазерной техникой.
Лазер легко генерирует вспышки, длящиеся несколько пикосекунд, т. е. несколько миллиардных долей секунды! Такие вспышки позволяют исследовать быстро протекающие процессы во время химических и биохимических реакций. Данное направление исследований получило название пикосекундной оптики. Оно оказалось весьма перспективным при изучении химизма живой материи, реакций в тканях и клетках растений, животных и микроорганизмов.
Открытие с помощью квантовых генераторов молекулярных механизмов фотосинтеза и прочие ошеломляющие открытия способствовали появлению фотобиологии — науки, находящейся на стыке когерентной оптики, пикосекундной оптики и биологии. Посредством лазеров сегодня выполняются экспериментальные операции на вирусах и микробах, вызываются химические реакции белков и ферментов, ускоряются процессы в клетках, удаляются хромосомы и отдельные гены.
Многие фирмы и промышленные предприятия во всем мире сегодня пользуются лазерной сигнализацией. Каждому прекрасно известны подобные системы безопасности, устанавливаемые в крупных музеях. Принципиальная схема лазерной сигнализации предельно проста. Охранная система сконструирована с учетом того, что световой луч совершенно невидим. Дело в том, что свет — источник и первопричина нашего зрения — абсолютно невидим до тех пор, пока не попадет к нам в глаз, орган зрения. Если луч не направлен прямо в глаз человеку, то увидеть такой луч совершенно невозможно.
Что касается солнечных лучей в комнате, то они видны благодаря тем самым пылинкам, которые движутся в теплом потоке света. Пыли в воздухе всегда так много, что она отражает световые лучи и не дает им двигаться прямолинейно. Основной поток солнечного света проходит сквозь пространство комнаты по прямой. Однако на всем протяжении пучка лучей от него исходят отраженные витающей в воздухе пылью лучики, идущие на глазное дно наблюдателя.
Лазерный луч малой мощности настолько тонок, что он задевает крайне мало пылинок и не вызывает их свечения. Поэтому когерентный луч незаметен человеку. Квантовый генератор направляет излучение на фотоэлемент, установленный на участке электрической цепи сигнализации. Энергия фотонов преобразуется в электрическую, и цепь замыкается: через фотоэлемент течет ток. Если что-то или кто-то (грабитель) пересекает луч, то фотоэлемент перестает работать и участок цепи разрывается. Ток поступает на динамик сигнализации. Увидеть лазерный луч позволяют аэрозольные частицы, размеры которых в 1000 раз меньше размеров пылинок.
Пользователям персональных ЭВМ известны и другие примеры широкого применения лазерных технологий в повседневной жизни. Успех компакт-дисков в промышленности аудиотехники привел к тому, что сегодня СБ прослушиваются зачастую на компьютерах. Более того, в последнее время СБ еще и просматриваются, поскольку способны хранить на себе фотографические и рисованные изображения. Компакт-диски для хранения и просмотра фотографий появились в 1992 г.
С 1997 г. появились диски БУБ, обладающие емкостью, в 7 раз превосходящей емкость обыкновенных СБ! Это позволило записывать на БУБ видеофильмы и большие игры. Чтение таких дисков осуществляется посредством лазера, встроенного в компьютер. Это маломощный лазерный светодиод, который дает луч с большой конусностью и длиной волны 760 нм. Фокусировка луча осуществляется посредством системы малых линз.
Луч поступает на поверхность диска, отражается от нанесенных на нее бороздок, подобных таковым на грампластинке, и поступает на матрицу из фотоэлементов, где оптическая информация превращается в электрический сигнал, который идет на специальную большую интегральную схему. Остается заметить, что устройства СБ-ШЭМ современного типа появились около 10 лет назад.
Наконец, следует напомнить о лазерных принтерах, которые во многом превосходят все остальные типы печатных устройств. Качество печати современных лазерных принтеров приближается к фотографическому, кроме того, эти устройства издают мало шума при работе. Лазерный луч в данных устройствах принимает участие в создании матрицы изображения. Лазер меняет точечные заряды на поверхности барабана, который с их помощью притягивает к себе частицы краски, а потом переносит их на бумагу. Взаимное расположение точечных зарядов разной величины складывает картинку, которую воссоздает прилипающая к барабану краска.
За последние три года наметилась тенденция снижения цен на этот некогда очень дорогой товар, что делает лазерный принтер доступным для каждого пользователя персонального компьютера. В полиграфии применяется аналог лазерного принтера — фотонаборный аппарат. Это устройство, обладающее несравнимо более высоким качеством печати, создает изображение, воздействуя лазерным лучом на фотопластинку или фотобумагу.
Загадки зрения
Хотя оптика, о чем рассказывалось выше, давно перестала изучать исключительно зрение, одно из направлений этой науки — физиологическая оптика — по-прежнему занимается физическими аспектами световосприятия. Глаз, учитывая сложность его устройства, допустимо рассматривать в качестве миниатюрной оптической системы. Хрусталик глаза преломляет световые лучи, фокусируя их на сетчатку. Он обладает оптической силой. Зрачок глаза меняет величину в зависимости от освещенности, являющейся физической характеристикой светового потока и выражаемой в люксах.
Открытие дисперсии света
Первооткрывателем явления дисперсии света является Ньютон, а под самой дисперсией понимается разложение сложного света на простые составляющие, т. е. на спектр. Об экспериментах великого физика, в которых он посредством призмы доказывал «элементарность» монохромных (одноцветных) лучей и многокомпонентность белого света, уже говорилось в этой книге. Нужно заметить, что Ньютон не первым открыл разложение света, ученые давно обратили на это явление внимание, наблюдая за радугой, преломлением света в хрустале и т. д. Но только ему удалось объяснить сущность физического явления.
