Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

В поле зрения трубы будут наблюдаться круговые кольца, соответствующие интерференции в воздушном слое (толщина которого равна разности расстояний зеркал от места расщепления лучей) первичных лучей, образующих конус. Перемещение одного из зеркал (например, зеркала М₂ в положение, показанное пунктиром) на четверть длины волны будет соответствовать переходу от максимума к минимуму, т. е. вызовет смещение картины на полкольца. Это может быть отчетливо отмечено наблюдателем. Таким образом, в фиолетовых лучах чувствительность интерферометра больше чем 100 нм.

Появление на сцене лазеров произвело революцию в технике интерферометрии.

Дело заключается в следующем. Время излучения атома равно 10^-8—10^-9 с. Единичный акт излучения состоит в испускании цуга волн. Поскольку время излучения столь мало, то, несмотря на большую скорость света, цуг очень короткий. Когда мы расщепляем луч на части, то интерферировать могут только две части одного и того же цуга волн. Это значит, что один отрезок синусоиды должен существенно перекрыться с другим отрезком. Но для этого, разумеется, необходимо, чтобы разность хода между расщепившимися частями луча была значительно меньше длины цуга.

Максимальная разность хода между лучами, при которой может наблюдаться интерференция, носит название когерентной длины. Для света это доли миллиметра.

Но смотрите, сколь разительно меняется ситуация при лазерном излучении. Лазер непрерывного действия создает фотоны стимулированного излучения, отправляющиеся в путешествие в одной и той же фазе. Или, говоря на волновом языке, цуги волн, исходящие из равных атомов, накладываются друг на друга, создавая как бы единую волну. Когерентная длина практически становится неограниченной и во всяком случае измеряется метрами и километрами (идеал, как всегда, недостижим; но я не стану останавливаться на различных факторах, влияющих на когерентную длину).

Пользуясь лазерным светом, можно строить интерферометры, позволяющие решать задачи, которые ранее считались неосуществимыми. Так, скажем, при обычном источнике света зеркало интерферометра Майкельсона можно смещать лишь на величины порядка миллиметра. Если же световой луч создается лазером, то путь луча, падающего на зеркало М₁, может быть равен нескольким сантиметрам, а луча, отраженного от М

₂,— десяткам метров.

Интерферометры для контроля сферичности линз могут быть изготовлены с одной-единственной поверхностью сравнения, в то время как, используя обычный свет, с изменением радиуса испытываемой линзы приходилось менять и эталон сравнения (так как нельзя было работать с большими разностями хода). Мы уже не говорим о том, что интерференционные картины стали несравненно ярче, а поэтому анализируются легко и более точно.

Возможность обходиться без компенсации оптического пути одного из лучей позволяет изготовлять интерферометры совершенно нового типа. Становится возможным следить за смещениями плотин, геологическим дрейфом, колебаниями земной коры. Отражая лазерный свет от объектов, находящихся на большом расстоянии, и заставляя его интерферировать с исходным, можно производить точные измерения скорости движения таких объектов.

ЛАЗЕРНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Устройство, создающее лазерный луч, конечно, можно назвать прибором, поскольку оно применяется для анализа, контроля, наблюдений. Однако, в отличие от других оптических приборов, несравненно большее значение лазер имеет в промышленности. Использование лазеров настолько всеобъемлюще, что мы будем к нему неоднократно возвращаться. В этом параграфе мы остановимся на применениях лазера для обработки материалов. Если не нужна большая мощность, то можно воспользоваться компактным неодимовым лазером. Сердцем этого лазера является, как уже говорилось, стекло, легированное неодимом. Стеклянный стержень имеет длину 50 мм и диаметр 4 мм. Вспышка света, производящего накачку, дается ксеноновои лампой. Для того чтобы избежать потерь световой энергии, лампа и стержень заключены в цилиндрическую камеру, которая охлаждается водой.

Для разнообразных применений этого или подобного инструмента важны следующие его свойства: возможность локализации энергии на исключительно малой площади, возможность точной дозировки порции энергии, возможность подачи энергии без применения каких-либо проводов дли контактов.

Характерно применение лазера в часовой промышленности. Всем хорошо известно, что часы изготовляются на «камнях». Возможно, читатель и не знает, для чего нужны в часах маленькие рубины, но что их количество определяет качество часов — ему, конечно, известно. В рубиновых шайбах надо буравить отверстия. Без помощи лазера эта операция занимала несколько минут для каждого камня. Теперь процесс полностью автоматизирован и занимает доли секунды. Если учесть, что число камней, нужных промышленности, измеряется многими миллионами в год, то значение этого использования инструмента становится совершенно очевидным.