История лазера. Научное издание
Шрифт:
Геофизика
Геофизики используют спутники, способные отражать свет РІ обратном направлении (СЃ уголковыми отражателями) для измерения движений земной РєРѕСЂС‹. Путем измерения времени, которое требуется лазерному импульсу, чтобы дойти РґРѕ спутника Рё вернуться обратно, можно измерить СЃ очень высокой точностью расстояние между лазером Рё спутником. Если спутник находится РЅР° стационарной орбите, так что его расстояние РґРѕ Земли РЅРµ изменяется, то этот метод позволяет измерить малые перемещения места, РЅР° котором установлен лазер. Рто позволяет измерять дрейф континентов.
Континенты плавают РїРѕ расплавленному внутреннему слою Земли, как плиты земной РєРѕСЂС‹. Рти плиты сталкиваются РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј, вызывая землетрясения, появление островов Рё извержения
С помощью такой же методики можно прослеживать, как Земля вращается вокруг оси и изменяет свою форму.
Лазер и Луна
Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет, посланный с Земли[16]. Группа астрономов Ликской Обсерватории в Калифорнии послала на Луну мощный пучок рубинового лазера, что позволило измерить расстояние ЗемляЛуна с точностью, намного превышающей точность обычных астрономических наблюдений.
Лазерный альтиметр был использован в проекте MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), чтобы получить трехмерное глобальное изображение Марса.
Гравитационные волны
Р’ 1919 Рі. Рйнштейн предсказал, что движущиеся массы РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ гравитационные волны, распространяющиеся СЃРѕ скоростью света. Рљ сожалению, амплитуда такого гравитационного излучения, испускаемого любым источником, созданным РІ лаборатории, слишком мала, Рё гравитационные волны нельзя обнаружить. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, астрофизические явления, которые РјРѕРіСѓС‚ вовлекать огромные массы СЃ релятивистскими скоростями, РјРѕРіСѓС‚ произвести гравитационное излучение, которое поддается измерению. Косвенные доказательства наличия существования гравитационных волн были найдены, Рё Р·Р° это Алан Рассел Хале (Рі. СЂ. 1950) Рё Жозеф Хутон Тейлор (Рі. СЂ. 1941) получили РІ 1993 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физике. Однако прямые, определенные доказательства РІСЃРµ еще отсутствуют. Гравитационные волны возникают РѕС‚ ускоренных масс СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, РІРѕ РјРЅРѕРіРѕРј подобным испусканию электромагнитных волн ускоренными зарядами. РћРЅРё воздействуют РЅР° массы, растягивая РёС… РІ РѕРґРЅРѕРј направлении Рё сжимая РІ РґСЂСѓРіРѕРј, 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 1012. 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 СЃРїРѕСЃРѕР± детектировать гравитационные волны заключается РІ измерении времени, которое требуется свету для прохождения между РґРІСѓРјСЏ зеркалами, которые располагаются РЅР° РґРІСѓС… тяжелых маятниках. РћРЅРё РјРѕРіСѓС‚ колебаться РїРѕРґ действием гравитационной волны. Ртот метод включает сравнение времен прохождения
Р РёСЃ. 66. Рнтерферометр, предназначенный для обнаружения гравитационных волн, включает четыре зеркала S1, S2, S3, S4, укрепленных РЅР° тяжелых маятниках, изолированных РѕС‚ внешних (земных) воздействий. Рти зеркала обеспечивают распространение лазерного света РІ РґРІСѓС… взаимно перпендикулярных направлениях, РїРѕ путям S1S2 Рё S3S4. Лазерный пучок расщепляется РЅР° РґРІРµ части СЃ помощью полупрозрачного зеркала Sp Рё после пробегов РјРЅРѕРіРѕ раз между парами зеркал попадает РЅР° приемник D. Если РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ гравитационная волна, то РѕРЅР° действует РЅР° маятники, изменяя длины путей РІ плечах интерферометра СЃ противоположным знаком. Рти изменения, составляющие малую часть длины волны лазера, РјРѕРіСѓС‚ изменить условия интерференции, которая регистрируется приемником. Тем самым будет зарегистрировано действие гравитационной волны РЅР° массы маятников
Рнтерферометры такого типа были построены РІ разных частях РјРёСЂР°. Вебер уже РІ 1970-С… РіРі. понимал, что лазерный интерферометр может быть более чувствительным, чем РїРѕРґС…РѕРґ, основанный РЅР° использовании цилиндра. Рдея лазерного интерферометра для обнаружения гравитационных волн была независимо выдвинута СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёРјРё учеными Рњ. Герштейном Рё Р’. Пустовойтом РёР· РњРѕСЃРєРѕРІСЃРєРѕРіРѕ университета Рё Р . Вайсом РёР· MIT (РЎРЁРђ). Первый интерферометр был построен РІ 1978 Рі., Р° РІ 1983 Рі интерферометр длиной 40 Рј был установлен РІ Калифорнийском технологическом институте. Подобные же интерферометры существуют РІ настоящее время РІ Рталии, Германии Рё РЇРїРѕРЅРёРё. Недавно было спроектировано даже более мощное устройство СЃ интерферометром длиной 4 РєРј, помещаемого РІ туннель для защиты распространения света. Две установки СЃ такими интерферометрами были реализованы РІ Хэнфорде (штат Вашингтон) Рё РІ Ливингстоне (штат Луизиана). Рти интерферометры обозначаются как LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). РћРЅРё обладают чувствительностью РІ РѕРґРЅСѓ часть РЅР° 1015, которую можно увеличить РІ 100 раз. Работы РїРѕ этому проекту продолжаются СЃ августа 2002 Рі.
Р’ Рталии такое исследование очень активно. Р’ рамках итало-французского проекта VIRGO был построен интерферометр длиной 3 РєРј вблизи РџРёР·С‹. РћРЅ был официально открыт РІ июле 2003 Рі. Астрофизические аспекты LIGO Рё VIRGO заключаются РІ том, что СЃРѕ временем РѕРЅРё СЃРјРѕРіСѓС‚ обнаружить гравитационные волны, производимые сильно релятивистскими событиями, такими, как столкновениями РґРІСѓС… черных дыр, поскольку РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ никаких определенных сигналов РЅРµ 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
РЎ помощью специальных методик можно создать импульсные лазеры, испускающие импульсы излучения, длительность которых всего лишь несколько единиц 1015 СЃ (фемтосекунд). Рти времена столь коротки, что РёС… можно сравнить СЃ временами обращения электрона РІРѕРєСЂСѓРі атомного СЏРґСЂР°. РЎ такими импульсами можно исследовать химические, биологические, физические явления Рё РґСЂ. Продолжительность этих импульсов соответствует длинам распространения света, РїРѕСЂСЏРґРєР° размеров некоторых молекул. Рспользуя такие импульсы, РіСЂСѓРїРїР° С…РёРјРёРєРѕРІ, например, изучила свойства фотохроматических стекол[17].