КВАЗИОПТИКА
И. РАДУНСКАЯ
Что есть свет! Потоки корпускул, как полагал Ньютон! Или волны в мировом эфире, как возражал ему Гюйгенс!
Можно сказать, что из вековой борьбы этих двух концепций выросла современная физика. Ибо примирившая их гипотеза квантов послужила толчком к разработке квантовой механики, а споры вокруг «мирового эфира» привели к созданию теории относительности.
Покуда две концепции соперничали в чисто теоретической плоскости, каждая из них давно и надежно утвердилась в своей области практических приложений, не посягая на ничейную граничную зону.
Бурное развитие лазерной техники, освоение миллиметрового, и субмиллиметрового диапазона радиоволн, разработка новых оптических линий вызвали появление новых расчетных методов, названных квазиоптическими. Квазиоптика явилась своеобразным компромиссом между оптикой волн и оптикой лучей, стала властительницей «пограничной полосы»
Квази. - часть сложных слов, означающая «якобы», «мнимый», «ненастоящий», например, «квазиученый, квазиспециалист»
Физик, введший в употребление термин «квазиоптика», не знал латыни, и не удосужился заглянуть в энциклопедию, откуда выписано определение столь непривлекательного смысла приставки «квази»
В действительности квазиоптика - самая настоящая оптика, которой оказалось недостаточно ее традиционных владений, на шкале электромагнитных волн * области видимого света, и она присоединила к ним все, вплоть до диапазона сантиметровых радиоволн. Но, проявив себя столь агрессивной по отношению к соседям, квазиоптика не распространяет своих притязаний на всю многоэтажную конструкцию, выросшую на фундаменте, заложенном Декартом, Ньютоном, Гюйгенсом, и Френелем. Она не интересуется ни фундаментальными проблемами природы спектров, ни блистательным спектральным анализом, ни таинственными процессами поглощения и рассеяния, ни сложными, и запутанными взаимоотношениями оптики с другими областями науки.
Квазиоптика поставила перед собой, казалось, неразрешимую задачу примирить вечно враждующих антиподов - оптику волн и оптику лучей, волновую оптику, и геометрическую оптику *. Впрочем, можно согласиться и с противоположной точкой зрения квазиоптика родилась от союза геометрической оптики с волновой.
ЛУЧИ И ВОЛНЫ
Геометрическая оптика в своем названии выражает замечательную способность математики, в частности геометрии, выражать закономерности явлений, отвлекаясь от их конкретной физической сущности.
Великий геометр древности Евклид мог пользоваться законом отражения света, не зная ничего о природе света. Он видел свет, и тени. Знал, что маленькое отверстие в ставне выделяет из всей массы света узкий луч. Мог убедиться в том, что этот луч отражается от пластинки металла или поверхности воды под тем же углом, под которым он падает. Этого хватило на века.
Снеллиус и Декарт через полторы тысячи лет установили закон преломления света. Вопрос о том, почему свет преломляется так, а не иначе, волновал самых крупных физиков. Ньютон ожесточенно спорил с Гуком, и Гюйгенсом, много позже Био спорил с Френелем, Лоренц с Максвеллом.
Но математикам до этого не было никакого дела. В их руках было два закона. Почему они таковы, что лежит в их основе, несущественно для математиков. Важно, что закон отражения и закон преломления отображают свойства природы, верно описывают, какой-то круг взаимодействий света, и вещества. Исходя из них, математики построили методы, позволяющие извлечь все следствия из этих законов, рассчитывать линзы для очков и телескопов, создавать микроскопы, и волшебные фонари.
Величайшие математики Гамильтон, Гаусс и многие другие вложили свой вклад в создание, и развитие геометрической оптики. В наш век, век узкой специализации, появились специалисты по расчету оптических приборов, основным орудием которых ста ла геометрическая оптика. По существу, они являются математиками. Из всей физики им нужен только закон дисперсии, описывающий зависимость показателя преломления от частоты. Чем вызвана эта зависимость, для них несущественно. Такова природа, рассуждают они, занятые своей работой. Но, завершая расчет телескопа или микроскопа, проектировщики вынуждены прибегнуть к волновой теории для того, чтобы оценить качество своего прибора.
Ибо они знают, что явление дифракции, лежащее за пределами геометрической оптики, ограничивает размеры мельчайших деталей, которые еще можно различить при помощи микроскопа, и определяет условия, при которых большой телескоп обнаружит две близкие звезды там, где меньший изображает их, как одну светящуюся точку.
РАССВЕТ
Оглядываясь назад с высоты сегодняшней науки, можно проследить истоки союза геометрической, и волновой оптики очень далеко и отнести рождение квазиоптики к первой половине прошлого века.
Более того, на заре волновой оптики великий Гюйгенс, еще не придя к представлению о свете, как о периодических волнах, уже рисовал картину волновых фронтов, и таким путем не только получил законы отражения и преломления, но строил форму поверхностей зеркал, и линз. При этом он пользовался циркулем и линейкой, так, что оптику Гюйгенса следовало бы назвать «геометрической оптикой», а не волновой. Но обычай сильнее логики.
Волновая теория света в принципе, способна справиться с расчетами любых оптических приборов. Однако во многих случаях необходимые вычисления оказываются чрезвычайно сложными, и очень громоздкими. Могучая волновая оптика требует от ученого огромных усилий там, где примитивная геометрическая оптика указывает простой и короткий путь.
Математики не могли оставить без внимания эту странную ситуацию. Им удалось выяснить, в чем здесь дело. Оказывается, в случаях, когда размеры оптических приборов - размеры линз или зеркал, призм или диафрагм -, и расстояния между ними много больше длины световых волн, когда дифракцией, интерференцией, и прочими волновыми явлениями можно пренебречь, как бы пренебрегая при этом длиной световой волны, и полагая ее равной нулю, законы геометрической оптики являются простым математическим следствием волновых уравнений. Только более сложные проблемы, о которых уже упоминалось выше, - вопрос о минимальном расстоянии, на котором изображения двух близких точек не сливаются в одну, и некоторые другие - требуют проведения точных вычислений на основе волновой теории.
С тех пор в оптике, и ее многочисленных применениях возник отчетливый рубеж. По одну его сторону располагаются задачи, доступные геометрической оптике, решать которые волновыми методами столь же нелепо, как излагать стихами поваренную книгу. По другую его сторону находятся более сложные проблемы, требующие применения всего арсенала современной оптики. Всякая попытка недоучек перенести методы геометрической оптики за эту границу, в область, где пренебрегать волновыми свойствами света нельзя, приводит к нелепостям, к кажущимся парадоксам, при помощи которых молодые преподаватели любят смущать юных студенток.
Имеется, однако, приграничная полоса. В нее с трудом проникают приверженцы крайностей. Это зона компромисса.
РЯДОМ С ГРАНИЦЕЙ
Длины волн, применяемых современной радиотехникой, лежат в чрезвычайно широких пределах и занимают немалую часть шкалы радиоволн. В системах радионавигации, и для передачи сигналов точного времени иногда применяются радиоволны длиной в десятки километров.
Радиолокация почти монопольно завладела сантиметровыми и миллиметровыми волнами. Длины этих радиоволн настолько меньше расстояний между приемником, и передатчиком или между радиолокатором и целью, что невольно возникал соблазн применить здесь законы геометрической оптики. Однако поперечные сечения металлических труб, применяемых для канализации этих волн, волноводов *, и даже размеры антенн в этом диапазоне все еще соизмеримы с длиной волны, и поэтому волновая природа проявляет себя в полной мере. Лишь простейшие оценки могут быть выполнены здесь на основе геометрического подхода.
Переход к миллиметровым, и субмиллиметровым волнам привел к перелому. Трудности изготовления волноводов малого сечения и большое поглощение энергии радиоволн в их стенках заставили инженеров перейти к применению волноводов большого сечения, поперечные размеры которых во много раз превышают длины передаваемых по ним радиоволн. Здесь было естественно прибегнуть к зеркалам, диафрагмам, и призмам, до тех пор бывшим достоянием оптики. «Волновые» расчеты становились слишком громоздкими. Но применить методы геометрической оптики здесь все же невозможно. Они приводят к недопустимо большим погрешностям, ибо чисто волновые явления дифракции и интерференции играют тут весьма существенную роль.
Чтобы преодолеть этот тупик, радиоспециалистам пришлось разработать методы расчета, приспособленные к тому, чтобы при расчете таких исконно оптических деталей, как зеркала, и линзы, сразу, но по возможности просто, в форме малой, но подлежащей учету добавки, учитывать влияние дифракции на их краях. С этой целью теоретики применили весь арсенал уравнений волновой оптики, модифицировав его путем применения методов, которые математики называют асимптотическими. Это один из мощных путей получения приближенных расчетных формул, основанных на разумном учете, каких-либо масштабных характеристик задачи. В данном случае такой характеристикой явилось отношение размеров аппаратуры к длине волны.
Словно подражая оптикам, радиоспециалисты создали для своих нужд линзы из веществ, не пропускающих света, но прозрачных для радиоволн, зеркала, покрашенные черным лаком для защиты их поверхности от коррозии, и другие аналогичные детали. Детали оптические, и одновременно неоптические. Радиоспециалисты назвали их квазиоптическими, почти оптическими. Это отвечало сути дела и не содержало ни осуждения, ни иронии, с которой обычно употребляют приставку «квази».
Так возникли квазиоптические методы, приспособленные для решения задач, возникающих на границе областей, неподвластных геометрической, и волновой оптике, где первая приводит к недопустимым ошибкам, а вторая требует слишком громоздких вычислений.
ЛАЗЕРЫ
В каждом лазере есть такая деталь - резонатор *, два плоских, тщательно отполированных зеркала, между которыми и рождается волшебный луч. Зеркала применялись в лазерах от самых первых образцов - их создатели полагались на авторитет Таунса, и Прохорова, предложивших применить в оптическом квантовом генераторе (так часто называют лазер) оптический резонатор из двух плоских зеркал.
Однако с развитием лазерной техники, когда потребовалось понять процесс работы лазера, эмпирический подход оказался недостаточным и понадобилось изучить особенности оптических резонаторов,
Но, хотя размеры резонаторов на много порядков превосходят длины световых волн, методы геометрической оптики к ним неприменимы. А методы волновой оптики приводят к расчетам, посильным лишь электронным машинам.
Американские исследователи А. Фокс, и Т. Ли взялись за исследование оптического резонатора.
Процесс самовозбуждения лазера состоит в том, что случайно возникшая в нем слабая волна постепенно усиливается активным веществом, находящимся внутри резонатора, во время многочисленных пробегов сквозь это вещество от одного зеркала к другому, и обратно.
Фокс и Ли задались целью проследить за тем, что происходит со световой волной, бегающей между зеркалами. Для упрощения задачи они отказались на первой стадии исследования от рассмотрения роли активной среды лазера, и считали зеркала идеальными, то есть отражающими свет без потерь. Но даже, и тогда они приходили к сложным интегральным уравнениям, не допускавшим точного, «формульного» решения.
Живи Фокс и Ли во времена Френеля, это было бы тупиком. Но шло шестое десятилетие нашего века, и они обратились к помощи вычислительной машины. Машине было предложено несколько вариантов задачи - плоские зеркала в виде круглых дисков или в виде узких полос. Машина 1ВМ-704 шаг за шагом проследила за тем, как видоизменяется волна произвольной формы, случайно возникшая внутри резонатора по мере увеличения числа пробегов от зеркала к зеркалу. Машина показала, что через несколько сот таких прохождений форма волны практически перестает изменяться. Какова бы ни была начальная форма волны, резонатор выделяет из нес лишь часть, параллельную зеркалам. Все остальное уходит через открытую боковую поверхность, и теряется в окружающем пространстве. Это, и был ответ.
Далее машина уточнила, что оптический резонатор выделяет из всего мыслимого разнообразия волн лишь определенный набор волн, соответствующий частотам, характерным для данного резонатора. Машина выдала свой отчет в виде численных таблиц, и графиков.
Но ученые мирятся с такими ответами только за неимением более удобных решений, имеющих вид известных математических функций. Ученый всегда предпочтет лаконичный, и четкий язык формул рою чисел, и орнаменту графиков. Ученые привыкли к функциям в результате трехвековой тренировки, передаваемой от учителя к ученику, от поколения к поколению. Не удивительно, что они стремились найти, и для этой задачи решение, выраженное через известные функции.
Первыми получили такое решение Дж. Бойд и Дж. Гордон. Они обнаружили, что для одного частного случая - для вогнутых зеркал, фокусы которых совпадают, - принцип Гюйгенса* приводит к интегральному уравнению, решение которого известно.
Им повезло, но счастливая находка оказалась единственной. Нужно было искать новый подход к задаче.
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ПОДХОД
Существенный сдвиг в теорию лазерных резонаторов внес профессор Лев Альбертович Вайнштейн, ныне член-корреспондент Академии наук СССР, один из крупнейших специалистов в области математической физики.
Вайнштейн начал свою научную работу под руководством академика М. А. Леонтовича, и от него воспринял передовые традиции советской физической школы, созданной академиками Л. И. Мандельштамом, и Н. Д. Папалекси. Для формирования научного стиля молодого теоретика было очень важно то, что он многие годы, с начала своей научной работы, трудился в радиотехническом институте, основанном академиком А. И. Бергом, и приобрел в нем вкус к решению конкретных задач, вытекающих из потребностей практики. Работая в тесном контакте с выдающимся физиком-теоретиком академиком В. А. Фоком, с инженерами, и физиками-экспериментаторами, Вайнштейн стремился, и научился приводить свои результаты к виду, доступному для практиков, и удобному для проведения конкретных расчетов.
К началу лазерной эры Вайнштейн уже выдвинулся в ряды ведущих специалистов в области теории волноводов, и резонаторов, в области электродинамики сверхвысоких частот. Многие квазиоптические методы, предназначенные для исследований в сантиметровом, и миллиметровом диапазоне радиоволн, созданы им или получены на основе его результатов.
Работа, ставшая темой докторской диссертации Вайнштейна, стала важной вехой в развитии теории волноводов. Ему впервые удалось решить задачу об отражении электромагнитной волны от открытого конца волновода. В то время эта задача казалась интересной только узкому кругу специалистов.
О волноводах, и резонаторах нам, студентам радиотехнического факультета, в начале пятидесятых годов преподаватели рассказывали, как о самом важном достижении предшествующих лет. И мало кто из оканчивающих рисковал брать темой дипломных проектов расчет этих сложных, непривычных узлов радиоаппаратуры.
Издательства не решились взяться за выпуск работы Вайнштейна, считая, что она не разойдется, и боясь понести убытки. Лишь созданное незадолго до того по инициативе А. И. Берга издательство «Советское радио» пошло на риск, согласившись издать ее небольшим тиражом при том условии, что автор отказывается от гонорара. Книга исчезла из магазинов, как цветы в день Восьмого марта.
Дело было, конечно, не в новизне самого явления. Процесс отражения волны от открытого конца волновода в принципе не отличается от отражения света, выходящего из стенки аквариума в воздух. И здесь, и там играет роль лишь скачкообразное изменение свойств среды, в которой бежит волна. Подобный процесс возникает, и при движении звуковых волн в трубах. Особенно подробно все это, применительно к органным трубам, еще в прошлом веке изучил знаменитый Рэлей. Но его задача была много проще. Ведь звук - это волны сжатия, и разрежения, продольные волны *. Кроме того, длина звуковых волн много больше диаметра органных труб, в которых они возбуждаются. А радиоволны, как, и свет, и все другие электромагнитные волны, являются поперечными *. Изучая их, необходимо учитывать их поляризацию. В результате при решении той же задачи обычно приходится иметь дело со втрое большим числом уравнений.
Трудности сильно возрастают, и потому, что длина радиоволн, с которыми имел дело Вайнштейн, близка к ширине волновода. В результате он не имел права пренебрегать ролью дифракции радиоволн при их выходе из конца волновода. Для того, чтобы справиться со всеми осложнениями, нужен особый подход. Этот подход, и был разработан Вайнштейном. И его значение выходило далеко за пределы конкретной задачи об открытом конце волновода, для решения которой он был создан. Решения этих проблем позволили перейти от квазиоптических задач радиотехники к исследованию сложных проблем, возникавших в оптических резонаторах, размеры которых весьма велики по сравнению с длиной световых волн.
Вайнштейн назвал их открытыми резонаторами, подчеркивая этим, что основное отличие заключено не в размерах, а в том, что электромагнитное поле удерживается в этих резонаторах, несмотря на то, что зеркальные торцевые стенки резонатора составляют лишь малую часть поверхности, внутри которой замкнута энергия поля. Это принципиальное отличие сразу бросается в глаза специалисту в области сантиметровых радиоволн, привыкшему иметь дело с резонаторами в виде замкнутых металлических полостей. Для связи с внешним миром в стенках таких резонаторов могли оставаться лишь малые отверстия или узкие щели. Иначе качество резонатора катастрофически ухудшалось.
Как это ни парадоксально, открытые оптические резонаторы связаны с внешним миром отнюдь не через свои открытые стенки. Наоборот, открытые стенки являются непреодолимой преградой для тех электромагнитных волн, которые возбуждаются в резонаторе. Для связи с внешним пространством одно из зеркал обычно делается полупрозрачным.
Удивительная способность незримой, «воображаемой» границы открытого резонатора удерживать электромагнитные волны весьма близка тому, что заставляет эти волны отражаться от открытого конца волновода. Общность столь велика, что Вайнштейн смог достаточно подробно рассмотреть свойства оптического резонатора, представив его зеркала кусками стенок очень короткого волновода, лишенного второй пары стенок. Оказалось, что существует целый класс волн, практически полностью отражающихся от обоих концов этого удивительного волновода, и образующих между его «стенками» - зеркалами - систему стоячих волн. Такие стоячие волны, по существу, совпадают с теми, которые электронная машина 1ВМ-704 отобрала при решении задачи Фокса, и Ли.
ПОД ЗЕМЛЕЙ
Открытые линии передач пришли в оптику из техники сантиметровых радиоволн.
Многим знакомы антенны радиорелейных линий связи, установленные на высоких мачтах. Между ними пролегают десятки километров. Поэтому от одной до другой доходит лишь малая часть переданной энергии. Приемная антенна передает поступивший сигнал в усилитель, а передающая антенна направляет его дальше. Так, огромными шагами радиосигналы уходят на тысячи километров. Иногда, например, при переходе через горы, когда уход за усилительной аппаратурой затруднен, и сложно обеспечивать ее электроэнергией, применяют пассивные ретрансляторы. Это просто пара радиозеркал, установленных так, что радиоволны, приходящие к ретранслятору, отражаются ими дальше в нужном направлении.
Зеркальные радиолинии интенсивно изучались в Институте радиотехники, и электроники Академии наук СССР под руководством профессора Бориса Захаровича Каценеленбаума. Здесь же получены существенные результаты по разработке зеркальных оптических линий связи. Эти линии обладают целым рядом преимуществ по сравнению с цепочками линз - линзовыми линиями связи, разрабатываемыми с этой же целью за рубежом.
Все размеры оптических, линий связи поперечные размеры зеркал или линз и, конечно, расстояния между ними - много больше длины световых волн. Казалось, здесь исконное царство геометрической оптики. Конечно, в общих чертах это несомненно. Но при применении, и исследовании таких линии существенную роль играют потери передаваемой энергии, возникающие на краях зеркал, и линз из-за явлений дифракции. Учесть их в рамках геометрической оптики невозможно. Но строгая волновая теория приводит, и в этих случаях к столь сложным, и громоздким уравнениям, что решать их даже при помощи вычислительных машин оказывается неразумным. Здесь естественно применять квазиоптические методы, позволяющие достаточно просто, и точно изучать явления дифракции в длинных волновых пучках.
Оптические линии связи встречаются с трудностью, не играющей существенной роли для радиорелейных линий. Ведь световые волны сильно поглощаются туманом, дождем или снегопадом, почти не сказывающимися на распространении радиоволн. Поэтому оптические линии приходится заключать в трубы для защиты от неблагоприятного влияния погоды, а трубы - закапывать в землю для предохранения от повреждений. Л при этом возникают новые трудности трубы, зеркала или линзы деформируются, и обеспечить необходимую точность не так-то легко; ведь, говоря языком геометрической оптики, лучи света должны быть очень точно направлены от одного элемента линии к другому, от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Линия, лежащая в земле, труднодоступна, и обслуживать ее нелегко. Впрочем, здесь на помощь приходит автоматика. Однако, и автомат не следует перегружать излишне сложными задачами.
Выбор между зеркалами, и линзами (причем в пользу зеркал) определен в настоящее время именно этими, чисто практическими соображениями устойчивости оптической линии при неблагоприятных внешних воздействиях. Каценеленбаум и его сотрудники показали, что, комбинируя зеркала наподобие обычных перископов, можно сделать эти перископические блоки гораздо менее чувствительными к случайным внешним воздействиям, чем обычные зеркала или линзы.
СНОВА ЛАЗЕР
А. М. Прохоров и его давнишний сотрудник А. И. Барчуков со свойственной им способностью находить скрытые возможности в теориях, и экспериментах применили зеркальную линию в своем новом лазере. Этот лазер, использующий углекислый газ, работает в инфракрасном диапазоне на волне около 10 микрон. Такие лазеры способны генерировать большие мощности, но при этом их длина зачастую превышает сотню метров. Для экономии места их обычно «складывали» в виде ломаной линии из отдельных отрезков, так, что резонатор лазера содержал большое количество зеркал. Это ухудшало качество резонатора, сильно затрудняло его юстировку, и делало ее чувствительной к толчкам, и другим внешним воздействиям.
Прохоров, и Барчуков решили заменить в своем лазере резонатор оптической линией. Чтобы добиться этого, достаточно убрать крайние зеркала, придававшие прежним конструкциям свойства резонатора. Конечно, при этом лазер терял способность генерировать. Он превращался из оптического квантового генератора в оптический квантовый усилитель, который наращивает энергию входящей в него волны по мере ее прохождения вдоль усилителя от одного зеркала квазиоптической линии к другому. Но, перестраивая свой лазер, именно этого, и добивались Прохоров, и Барчуков. Они направили в этот усилитель излучение сравнительно маломощного, но высококачественного лазера того же типа. Его длина составляла всего около трех метров. Он очень надежен, и устойчив. Длинный усилитель, воспринявший все преимущества квазиоптической линии перед резонатором, тоже оказался весьма надежным, и удобным. Он отличается от простой квазиоптической зеркальной линии только тем, что между ее зеркалами помещены трубки с углекислым газом, возбуждаемым электрическим разрядом. (В них-то, и происходит усиление - передача энергии от молекул СО2 электромагнитной волне.) Благодаря этой остроумной находке Прохоров, и Барчуков сумели «уложить» свой огромный лазер на «этажерке», легко помещающейся в одной из самых маленьких комнат их лаборатории.
НА НИЧЬЕЙ ЗЕМЛЕ
Оригинальное применение квазиоптических методов разработала Наталья Александровна Ирисова в лаборатории, руководимой Прохоровым. Она поставила перед собой задачу создать приборы, и методы, позволяющие вести исследования в почти не освоенных диапазонах миллиметровых, и субмиллиметровых радиоволн.
В этом диапазоне измерительные методы классической радиотехники полностью теряют силу просто из-за того, что размеры волномеров, измерительных линий, и других приборов, и деталей, необходимых для проведения измерений, становятся чрезмерно малыми. Столь малыми, что их очень трудно изготовить, и настроить с необходимой точностью.
Точность сверхминиатюрных объемных резонаторов становится недопустимо малой. Одним словом, попытка ограничиться простым изменением размеров при сохранении общих принципов не приводит ни к чему хорошему.
Именно здесь, в диапазоне, лежащем между царством оптиков, и государством радистов, естественно развивать квазиоптические методы, создавать радиотехнические аналоги оптических приборов.
Однако то, что уже было сделано для диапазона сантиметровых волн, здесь не годилось. Не существовало подходящих прозрачных материалов для изготовления хороших линз. Не из чего было создать полупрозрачные зеркала для интерферометров. Все приходилось начинать сначала.
Основным элементом большинства приборов Ирисовой стали сеточки, образованные тончайшими металлическими проволочками *. Они столь тонки, что рамки, на которых они натянуты, кажутся пустыми.
Эти сеточки прозрачны для света потому, что между проволочками толщиной всего в несколько десятков микрон оставлены такие же промежутки. Эти промежутки прозрачны, и для радиоволн, с которыми работает Ирисова, прозрачны для тех волн, которые поляризованы поперек проволочек. Стоит повернуть сеточку на четверть оборота, и она будет отражать эти волны так же хорошо, как если бы она была сделана из сплошного металла.
Если же сеточка повернута так, что проволочки идут в некотором промежуточном положении, она частично отразит, а частично пропустит падающую на нее волну. Так простая сеточка работает в качестве управляемого делителя мощности.
Взяв две параллельные сеточки, Ирисова создала резонатор, субмиллиметровый аналог оптического интерферометра Фабри-Перо *, позволяющий удобно, и точно измерять длину падающих на него волн.
Здесь не место описывать все придуманные, и осуществленные ею, и ее сотрудниками квазиоптические детали. На их основе под ее руководством был создан спектроскоп, параметры которого существенно превосходят характеристики всех известных отечественных, и зарубежных приборов, построенных на основе традиционных деталей.
Ирисова и ее сотрудники не только творцы этих замечательных приборов, но, и первые их потребители. Они уже применяют свои приборы в исследовательских целях, и получили много новых интересных данных о свойствах различных веществ в осваиваемом ими диапазоне. Диапазоне, куда они проникают со стороны радиоволн, и где они все чаще встречают лазеры.
Квазиоптические методы лишь недавно проявили свою мощь в видимом, и инфракрасном диапазоне световых волн. Квазиоптические детали, и устройства все шире применяются в диапазоне миллиметровых, и субмиллиметровых радиоволн. Квазиоптика приобрела широкие права гражданства, и приставка «квази» ни в коей мере не способна умалить приносимую ею пользу.
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. Человечество освоило огромный диапазон электромагнитных волн. Для целей радионавигации применяются, и «сверхдлинные» и короткие волны, для радиовещания - длинные, средние, и короткие, для телевидения - метровые и дециметровые. Радиолокация применяет волны длиной от сантиметров до миллиметров. Инфракрасные волны позволяют приборам «видеть» в темноте, и сквозь туман. Ультрафиолетовые применяются в медицине и химии. Дальше идут лучи Рентгена, и гамма-лучи, проникающие через тела, непрозрачные для света. Мало освоены лишь субмиллиметровые волны, лежащие между владениями радио и оптики, и очень жесткие гамма-лучи. Пока это вотчины ученых.
Границы всех перечисленных диапазонов шкалы весьма условны. Диапазоны дробятся на части по примеру области радиоволн (при этом в оптике слову «короткий» соответствует «жесткий», слову «длинный» - «мягкий»), перекрываются (как в случае рентгеновских лучей), переименовываются (так, самые короткие из ультракоротких волн все чаще зовутся «микроволнами»).
ОПТИКА ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ВОЛНОВАЯ. Наблюдая тонкий пучок света, проникающий через отверстие в шторе в затемненную комнату, Ньютон не мог удержаться от соблазна признать этот световой луч траекторией особых частиц - световых корпускул, излучаемых светящимся телом во все стороны, и разлетающихся строго по прямым линиям. Не правда ли, просто, и лежит на поверхности? Сразу становится ясным, как строить изображение в оптической системе достаточно знать лишь законы отражения и преломления света. Ньютон рассуждает так «Прозрачные вещества действуют на лучи света на расстоянии, отражая, и загибая их. Если преломление происходит благодаря притяжению лучей, синусы падения должны находиться в данном отношении к синусам отражения»
ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА. У Гюйгенса, современника Ньютона, был свой, отличный от ньютоновского, взгляд на природу света. Вся Вселенная, по мысли Гюйгенса, пронизана особым веществом - эфиром. Светящееся тело вызывает возбуждение волны в эфире, подобно тому, как камень, брошенный в воду, вызывает круги на поверхности.
Каждая точна эфира, до которой дошло возбуждение, становится источником волны; она складывается с предыдущими волнами, и таким образом возбуждение передается дальше. Это утверждение, и называется «принципом Гюйгенса»
С помощью своего подхода Гюйгенс дал совершенно другое объяснение закону преломления света:
АВ - часть границы раздела двух сред, на которую под углом падает фронт световой волны. Каждая точка отрезка АВ. по принципу Гюйгенса, становится источником новых волн. Какое положение займет фронт суммарной волны, излученной точками плоскости АВ спустя некоторое время, за которое волна пройдет путь СВ? Из точки А волна распространится на расстояние AN, несколько меньшее, чем ВС, - ведь скорость волны в нижней среде меньше, чем в верхней. Волновой фронт займет положение NB. Из рассмотрения треугольников АВС и ABN сразу получаем отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей, с которыми е той, и другой распространяется свет, а оно равно отношению показателей преломления, характеризующих обе среды. Таким образом, мы получили закон преломления света.
Теория Гюйгенса оказалась чрезвычайно плодотворной для оптики. Например, с ее помощью удалось объяснить дифракцию (понимаемое в широком смысле, это слово означает любые отклонения волновых движений от законов геометрической оптики). Здесь волновые представления незаменимы.
Спор Гюйгенса и Ньютона разрешило время. Понадобились усилия многих крупнейших ученых, чтобы, во-первых, догадаться, что свет - это электромагнитные колебания определенного диапазона длин волн; во-вторых, чтобы опровергнуть существование эфира; и, наконец, в-третьих, чтобы соединить волновую, и корпускулярную точки зрения в гипотезе о фотонах.
ДИФРАКЦИЯ ВОЛН. В узком смысле под этим термином понимают огибание волнами встречных препятствий, отклонения света от прямолинейных путей.
Термин «дифракция» неизбежно всплывает в разговоре, когда пытаешься объяснить смысл слова «полутень». Структуру ее наглядно демонстрирует приложенная фотография и в области «тени», и в области «света», там, где они граничат, видны чередующиеся темные и светлые дифракционные полосы. (Теневая картина получена от винта, весьма удаленного от экрана.)
Впрочем, дифракцию можно наблюдать, и без специальных приспособлений. Посмотрите сквозь ресницы на малый удаленный источник света - светлое пятно дробится в своеобразный узор; сеть ресниц играет роль дифракционном решетки.
Дифракция кладет предел разрешающей способности оптических приборов. Взгляните на рисунок изображение точечного источника, полученное с помощью линзы, благодаря дифракции имеет вид не точки, а размытого светлого пятна, точнее, системы светлых и темных концентрических колец. Нетрудно понять, что существует предельно малое угловое расстояние, преступая которое мы сливаем изображение двух точек в неразделимое на взгляд скопление светлых пятен (это угловое расстояние называют разрешающей силой линзы или оптической системы). А поскольку всякий рассматриваемый предмет можно разбить на совокупность светлых, и темных точек, то существует предельная мелкость деталей, различимых с помощью данного оптического устройства.
Масштабы дифракционных эффектов определяются соотношением между размерами оптической системы и длиной волны. Учет этих соотношений необходим всегда, когда есть стремление пренебречь дифракцией.
ВОЛНОВОД. Под этим словом понимают любой полый канал, предназначенный для передачи электромагнитной энергии на расстояние. Стенки такого канала, как правило, металлические.
Что же побудило технику предпочесть эти непростые устройства традиционным проводам, и кабелям? Волновод, особенно предназначенный для сверхвысоких частот, отличается от кабеля малыми потерями энергии - они объясняются лишь расходами на джоулево тепло, излучение энергии в пространство отсутствует - при взаимодействии электромагнитной волны с внутренней стенкой волновода ее дальнейшему проникновению в материал препятствует так называемый поверхностный эффект - свойство переменных токов концентрироваться у поверхности проводника.
Само упоминание об этом эффекте намекает на существенную трудность при устройстве волноводов их внутренние поверхности должны быть тщательно обработаны, и защищены от деформаций.
Выход из положения указывают оптические линии. Здесь световые волны передаются от линзы к линзе, от зеркала к зеркалу. Для монтажа зеркал, и линз можно использовать дешевые цементные или керамические трубы. При разумном построении оптической системы внутренние стенки труб не принимают никакого участия в передаче волны.
Сходным образом - с применением специальных линз, и зеркал - устраиваются, и волноводы для передачи сантиметровых, и миллиметровых радиоволн.
АСИМПТОТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ упоминались в рассуждении о расчетах, когда приходится учитывать влияние малого, но существенного фактора. В определенном предельном случае им можно пренебречь; так, при расчетах достаточно больших оптических систем можно пренебречь дифракцией света, и прочими его волновыми свойствами. считая длину световой волны пренебрежимо малой - как бы полагая ее равной нулю. Если же пренебрежение приводит к результатам, сильно отличающимся от данных опыта, можно поправить дело, учитывая влияние волновой природы в виде малой добавки к прежнему решению, а затем, если нужно, вводить дальнейшие добавки, убывающие в степенном порядке; учитывать проявление волновой природы света не везде, а на, каких-то малых (но опять-таки весьма существенных для процесса!) участках, и т. п.
В этом рассуждении можно найти немало аналогий с описанием приложенного графика. Чем дальше вдоль оси абсцисс, тем теснее график (жирная сплошная линия) приближается к горизонтальной прямой - асимптоте (у = 1); при значительном удалении график можно заменить асимптотой, пренебречь расхождением между кривой, и прямой. Если же расхождением пренебречь нельзя, не нарушая установленной точности, его можно учесть в упрощенной форме - так, на чертеже правая ветвь графика может быть заменена гиперболой (пунктир). Если же, и эта точность неудовлетворительна, в первое приближение можно вносить дальнейшие поправки, по порядку величины убывающие, как члены геометрической прогрессии. Сложнее положение в левой части графика, где функция уже не мыслится, как «постоянная плюс малая добавка» там, где она стремится к бесконечности. Впрочем, как видно, и тут ее можно приблизить более простой функцией, заменить «главной частью» (штрих-пунктир).
Подобный подход, когда сложное математическое описание явления заменяется «главной частью», более простой по форме, и допускающей последовательные уточнения, и называется асимптотическим.
Так, гидродинамики пренебрегают вязкостью реальной жидкости и, построив решение для абсолютно невязкой, идеальной текучей среды, уточняют его, учитывая проявление вязкости близ стенок каналов, и обтекаемых тел, в так называемом пограничном слое. Положение осложняется, если вязкость формирует всю картину течения в целом, - например, при зарождении вихрей. Но, и здесь удается выделить «главную часть», моделируемую сходным течением идеальной жидкости.
Так, специалисты по теории упругости заменяют реальные тонкие пластины мембранами, не имеющими толщины. Разумеется, в природе нет двумерных мембран без толщины, как нет, и световых волн с длиной волны, равной нулю. Но такое «абсурдное» сведение к пределу является мощным приемом при построении математических теорий, которые ведут ученого от нереальных абстракций к расчетным методам, имеющим весьма реальный практический смысл.
ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР является одной из основных деталей оптического квантового генератора (как часто называют лазер). Он представляет собой два зеркала, между которыми помещается активное вещество - источник излучения.
Процесс самовозбуждения лазера состоит в том, что случайно возникшая в нем слабая волна постепенно усиливается активным веществом во время многочисленных пробегов сквозь это вещество от одного зеркала к другому, и обратно.
Взгляните на рисунок искусственный кристалл рубина, изображенный на ней - это активная среда, в которой образуется луч рубинового лазера, а зеркалами служат слои металла, напыленные на полированные торцевые грани кристалла.
«ПОПЕРЕЧНЫЕ» - этим определением снабжают электромагнитные волны. Они представляют собой возмущения электромагнитного поля, или, если говорить подробнее, взаимно связанные, и распространяющиеся в пространстве со скоростью света изменения электрического, и магнитного полей. Векторы напряженности этих полей перпендикулярны друг другу, и вместе перпендикулярны тому направлению, в котором распространяется волна, - иными словами, их колебания происходят в плоскостях, «поперечных» этому направлению. Пробный заряд, приспособленный для регистрации нарастаний, и спадов электрического поля волны, сдвигался бы в направлении вектора электрического поля - в направлении поляризации волны, поперечном ее распространению. Оттого электромагнитную волну, и называют поперечной.
ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ (примером которых в нашем рассказе служили звуковые волны, волны сжатия, и разрежения) характеризуются сдвигами частиц среды, на которые воздействует волна, в направлении, параллельном ее распространению.
ЗЕРКАЛО ИЗ ПРОВОЛОЧЕК. Прежде чем описывать его, разберем, как происходит отражение света от поверхности обычного зеркала.
Электрическое поле электромагнитной световой волны проникает сквозь слой стекла (диэлектрика) в металл отражающего покрытия; поле возбуждает электроны металла, и те излучают «свою» электромагнитную волну. Таким образом, отражение света происходит за счет «переизлучения» падающей волны отражающим материалом зеркала.
Подобным образом можно объяснить отражение электромагнитных волн от сеточек Ирисовой. Если волна, падающая на сеточку, поляризована так, что плоскость колебания электрического вектора параллельна направлению проволочен, то это электрическое поле «наводит» в проволочке ток, а последний, в свою очередь, служит источником электромагнитной волны.
Эта волна в области за сеточкой складывается с падающей так, что гасит ее, а в области перед сеточкой образует отраженную волну.
Если же плоскость колебаний электрического вектора перпендикулярна направлению проволочен, то тон в проволочках не возбуждается (ему «некуда течь» вдоль поля), и падающая волна проходит свободно.
ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО в своей существенной части представляет две стеклянные пластинки с идеально отполированными посеребренными, и строго параллельными друг другу внутренними стенками. Извне на прибор падает широкий расходящийся пучок света. Ход одного из лучей показан на рисунке. Попав в пространство между пластинками, луч испытывает многократные отражения, и при каждом отражении частично выходит наружу (отполированные посеребренные пластинки «работают» как полупроницаемые зеркала). Вышедшие лучи, интерферируя друг с другом, собираются линзой, и образуют кольчатую интерференционную картину, характер которой зависит от соотношения между длиной волны падающего света, и расстоянием между пластинками.
Прибор позволяет с большой точностью разделять (как говорят, «разрешать») отдельные длины волн в падающем пучке, ведь свет каждой длины волны создает свою систему интерференционных колец в определенном месте экрана, так, что усложнение концентрической структуры говорит о не монохроматичности пучка.
Читайте в любое время
