История лазера. Научное издание
Шрифт:
С помощью лидара можно изучать конвекционные явления в облаках. Облака отражают и переизлучают инфракрасное излучение, несущее тепло. Они важны для нагрева и охлаждения атмосферы, но никто не знает, как описать их влияние. Можно также изучать водяные пары, которые играют роль в образовании ураганов. Путем измерения изменений в спектрах молекул кислорода получается информация об атмосферном давлении и температуре.
Аналогичные методики можно использовать и для морских измерений, например для измерений количеств хлорофилла и фитопланктона. Важность таких измерений очевидна, так как фитопланктон поставляет около двух третей поступающего в атмосферу кислорода. Загрязнения
Можно также изучать явления сгорания. Целью исследовательских программ в этой области является разработка диагностических методик контроля процессов сгорания в промышленных предприятиях. Можно измерять температуру, концентрацию и скорость различных газов, а также размеры частиц дыма.
Для всех этих измерений используются лазеры самых разных типов, РІ зависимости РѕС‚ определенного применения: рубиновые, неодимовые, РЅР° красителях, диодные Рё РґСЂ. РС… стоимость может изменяться РІ широких пределах, РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ быть как стационарными, так Рё портативными, для установки РЅР° различные транспортные средства.
Адаптивная оптика
Мы теперь опишем несколько применений, которые, на первый взгляд, могут показаться из научной фантастики. Одно из них т.н. адаптивная оптика.
Адаптивная оптика улучшает качество изображения РІ больших телескопах путем компенсации искажений, вызываемых атмосферой, С‚.Рµ. искажений световых пучков РїСЂРё РёС… прохождении через атмосферу. Такие искажения можно легко видеть, если, например, РІ жаркий день наблюдать пейзаж РїСЂРё заходящем солнце. Рзображение кажется дрожащим (марево). Адаптивная оптика компенсирует эти искажения, Рё поэтому ее РёРЅРѕРіРґР° называют методикой, которая останавливает мерцание звезд. Рто определение может вызвать возмущенную реакцию: РќРѕ это ужасно, Рё должно быть запрещено!
Давайте посмотрим, что получается РЅР° самом деле. Звезды расположены настолько далеко РѕС‚ Земли, что РёС… свет РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ Рє нам РІ РІРёРґРµ плоских волн (плоский волновой фронт). Р’ теории телескоп снабжен совершенной оптикой, которая концентрирует свет РІ маленький, СЏСЂРєРёР№ кружок, размеры которого ограничены лишь явлениями дифракции, С‚.Рµ. действием диаметра главного объектива или зеркала РЅР° падающую РЅР° него волну. Две близкие звезды можно видеть отчетливо раздельными, если СѓРіРѕР», РїРѕРґ которым РѕРЅРё РІРёРґРЅС‹ РІ телескоп, больше минимального значения угла, РїСЂРё котором РѕР±Р° СЏСЂРєРёС… пятна, каждый РёР· которых производится звездой, сливаются РІ РѕРґРЅРѕ пятно. Ртот минимальный СѓРіРѕР» называется угловым разрешением. Лорд Рэлей дал критерий, определяющий эту величину. Угловое разрешение телескопа РїРѕСЂСЏРґРєР° угловых секунд определяется постоянством времени волнового фронта для волны, преобразуемой РІС…РѕРґРЅРѕР№ апертурой телескопа. Так космический телескоп Хаббл РЅР° орбите РІРѕРєСЂСѓРі Земли имеет диаметр телескопа 2,4 Рј, Рё угловое разрешение, близкое Рє 0,05 угловых секунд. РќР° Земле такой же 2,4 Рј телескоп имеет угловое разрешение РІ 20 раз хуже РёР·-Р·Р° искажений РІ атмосфере.
Телескопы строятся с большими апертурами, т.е. с зеркалами большого диаметра (до нескольких метров), с поверхностью, обработанной с высокой точностью (до долей длины волны). Гигантские собиратели света дают возможность обнаруживать и изучать свойства очень слабых (удаленных) объектов, именно из-за того, что их огромные входные апертуры могли собрать слабый свет, испускаемый объектом. Более того, телескопы с высоким разрешением позволяют разглядеть больше деталей наблюдаемых объектов. К сожалению, малые флуктуации температуры атмосферы вызывают флуктуации
Рсаак Ньютон писал РІ 1730 Рі. РІ своей РєРЅРёРіРµ Opticks:
Если Теорию изготовления Телескопов можно было Р±С‹ продолжить Рє Практике, то даже Рё РІ этом случае были Р±С‹ некоторые Пределы, которые нельзя перейти РїСЂРё изготовлении Телескопов. Р’РѕР·РґСѓС…, через который РјС‹ смотрим РЅР° Звезды, находится РІ состоянии вечного Дрожания; как РјС‹ можем видеть дрожащее движение Теней, отбрасываемых высокими Башнями, Рё мерцанием Звезд. РќРѕ эти Звезды РЅРµ мерцают, РєРѕРіРґР° РёС… наблюдают через Телескопы СЃ большими апертурами. Лучи Света, которые попадают РЅР° разные части апертуры, дрожат сами РїРѕ себе, СЃ разным Рё РёРЅРѕРіРґР° противоположным действием. РћРЅРё падают РІ РѕРґРЅРѕ Рё то же время РЅР° разные места сетчатки глаза, Рё РёС… дрожащие Движения слишком быстры Рё смешиваются, Р° РЅРµ воспринимаются раздельно. Р РІСЃРµ эти освещаемые Точки создают РѕРґРЅСѓ широкую СЏСЂРєСѓСЋ Точку, составленную РёР· этих РјРЅРѕРіРёС… дрожащих Точек, спутано Рё неразличимо смешанных РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј Р·Р° счет очень коротких Рё быстрых Дрожаний. РР·-Р·Р° этого Звезда кажется более широкой, чем РЅР° самом деле, Рё совсем без дрожания. Длинные Телескопы РјРѕРіСѓС‚ сделать объект более СЏСЂРєРёРј Рё большим, РІ отличие РѕС‚ того, что РјРѕРіСѓС‚ сделать короткие телескопы, РЅРѕ Рё РѕРЅРё РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ устранить размытия Лучей, которые вызываются Дрожанием РІ Атмосфере. Единственным Средством является прозрачный Рё спокойный Р’РѕР·РґСѓС…, такой, который, пожалуй, может быть найден РЅР° вершинах высочайших Гор, выше высочайших Облаков.
Очевидно, что необходимы какие-РЅРёР±СѓРґСЊ системы, чтобы исправить эффекты возмущения атмосферой, известные СЃРѕ времен Ньютона. Такой системой является адаптивная оптика. Рсторически можно сослаться РЅР° первый пример использования адаптивной оптики Архимедом РІ 215 Рі. РґРѕ РЅ. СЌ. для уничтожения СЂРёРјСЃРєРѕРіРѕ флота. РљРѕРіРґР° СЂРёРјСЃРєРёР№ флот приблизился Рє Сиракузам, солдаты, выстроенные РІ линию, смогли сфокусировать РЅР° корабли солнечный свет, используя СЃРІРѕРё щиты РІ качестве зеркал. Таким СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј сотни пучков солнечного света направлялись РЅР° малую область корабля. Рнтенсивность была достаточной, чтобы поджечь его. Таким образом, как гласит легенда, удалось предотвратить атаку вражеским флотом. Рта оригинальная идея вошла РІ легенду как сжигающее зеркало Архимеда.
Р’ 1953 Рі. Бабкок, который РІ то время был директором астрономической обсерватории Маунт Вилсон РІ Калифорнии, предложил использовать деформируемые оптические элементы, управляемые датчиками волнового фронта, для компенсации искажений изображений РІ телескопе, которые вызываются атмосферой. Рто, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, самое первое научное предложение использовать адаптивную оптику.