История лазера. Научное издание
Шрифт:
Большинство пионерских работ РїРѕ адаптивной оптике были выполнены американскими военными РІ 1970-С… Рё 1980-С… РіРі. РћРЅРё были заинтересованы РІ применениях, связанных СЃ распространением лазерных пучков РІ атмосфере, для лучшего определения положений спутников Рё для лучшего управления полетом ракет. Рти исследования были строго засекречены. Первая система адаптивной оптики была РІ 1982 Рі. установлена (Рё РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ работает) Военно-Воздушными Силами РЅР° Гавайях.
В астрономии экспериментальные системы адаптивной оптики начали развиваться с начала 1980-х гг., когда большинство военных работ было все
Рис. 65 показывает общую схему телескопа, в котором используется адаптивная оптика. Датчик волнового фронта фиксирует волновой фронт приходящей волны для того, чтобы измерить величины нужных локальных деформаций. Система обработки информации превращает ее в сигнал, который сразу же можно использовать для коррекции волнового фронта.
Рис. 65. Схема системы адаптивной оптики. Свет, направляющийся в телескоп, сперва попадает на подвижное зеркало M1, которое корректирует наклон волнового фронта. Затем оставшиеся аберрации исправляются деформируемым зеркалом М2, и исправленная волна направляется на приемник С. Часть света собирается наклонными зеркалами S1 и S2 для получения сигналов, нужных для управления зеркалами M1 и M2
Коррекция, РІ реальном времени, должна произвести искажение, равное Рё противоположное РїРѕ знаку тому, которое вызывается атмосферой. Рта операция должна быть повторяемой СЃ той же быстротой, СЃ какой РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ изменения РІ атмосфере, типично между 10 Рё 1000 раз РІ секунду. Р’ реальной системе такая коррекция делается СЃ помощью деформируемого зеркала, представляющего СЃРѕР±РѕР№ тонкую мембрану, форма которой контролируется набором пьезоэлектрических толкателей, прикрепленной Рє задней стороне.
Рнформация РѕР± искажении волнового фронта можно получить РѕС‚ самого объекта (цели), если РѕРЅ является точечным источником (звезда) Рё достаточно СЏСЂРѕРє ярче звезды шестой величины (самая слабая звезда, различимая невооруженным глазом). Однако РјРЅРѕРіРёРµ объекты, интересные для астрономов, РЅРµ являются точечными источниками, Р° представляют СЃРѕР±РѕР№ протяженные объекты (такие, как планеты или туманности), более чем РІ тысячи раз слабея звезды шестой величины. Р’ этих случаях можно использовать ближайшую звезду, чтобы определить опорный волновой фронт, РЅРѕ свет должен проходить через тот же участок атмосферы, через который РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ свет РѕС‚ изучаемого объекта. Рто означает, что такая опорная звезда должна быть внутри угла около 2 угловых секунд. Рто соответствует очень малой части неба, РІ которой трудно найти достаточно СЏСЂРєСѓСЋ звезду. Таким образом, остается единственная
Здесь лазер вступает РІ действие. Такой искусственный источник получается путем освещения мощным лазером некоторой области РІ верхних слоях атмосферы, РіРґРµ имеются вещества, которые РїСЂРё освещении РёС… СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ переизлучить свет. Натрий, который присутствует РІ достаточной концентрации РІ атмосфере между 80 Рё 100 РєРј, можно использовать СЃ этой целью. Для возбуждения натрия (D-линия) используется лазер СЃ длиной волны 5890 Рђ. Системы СЃ такими опорными звездами были, например, построены РІ обсерваториях РІ Альбукерке (РќСЊСЋ Мексика, РЎРЁРђ), РІ Калар Альто (Рспания), Рё РІ Ликской обсерватории (Калифорния, РЎРЁРђ).
Р’СЃРєРѕСЂРµ астрономы СЃРјРѕРіСѓС‚ измерять диаметры звезд ярче, чем десятой величины; наблюдать пятна РЅР° РёС… поверхности Рё измерять изменения РІ положении, позволяющих судить Рѕ наличии планет РІРѕРєСЂСѓРі РёС…. Огромный достигнутый прогресс позволяет нам верить, что удастся также увидеть планеты вблизи удаленных звезд. Рти планеты нужно увидеть РЅР° фоне рассеянного света самой звезды, РІРѕРєСЂСѓРі которой РѕРЅРё вращаются (различие РІ яркостях 109). РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, РІ исследованиях РїРѕ РїРѕРёСЃРєСѓ планет можно использовать саму звезду РІ качестве РѕРїРѕСЂРЅРѕРіРѕ источника. Следующее поколение наземных телескопов даст возможность обнаружить планеты, вращающиеся РІРѕРєСЂСѓРі некоторых РёР· ближайших Рє нам звезд.
Спектроскопия
Если РјС‹ теперь обратимся Рє более фундаментальным применениям, нам следует упомянуть спектроскопию. РљРѕРіРґР° были изобретены лазеры РЅР° красителях Рё стало очевидным, что РёС… длины волн можно широко изменять РІ некотором заданном диапазоне, сразу же было осознано, что РѕРЅРё являются идеальными источниками для спектроскопии. Рти лазеры обеспечили новые СѓСЂРѕРІРЅРё чувствительности Рё разрешения. Взрыв использования лазеров РІ спектроскопии произошел РІ 1970-С… РіРі. Например, лазер может испарить мельчайшее количество вещества исследуемого образца, обеспечивая исключительно прецизионный микроанализ. Р СЏРґ очень квалифицированных исследователей использовали лазеры для спектроскопии; среди РЅРёС… Шавлов, который РІ 1981 Рі. получил Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° разработку лазерной спектроскопии.
Спустя некоторое время было показано, что можно обнаруживать, контролировать и манипулировать отдельными атомами. В одном из экспериментов одиночный атом цезия был зарегистрирован и идентифицирован из сосуда, содержащего 1018 других атомов. Атомы с помощью лазеров можно охладить до температур, которые выше абсолютного нуля лишь на одну миллионную градуса. С помощью ультракоротких импульсов лазерного излучения можно изучить детали событий, происходящие при химических реакциях молекул, с точность до времени, с которым электрон обращается вокруг атомного ядра. В 1997 г. Нобелевскую премию по физике получили К. Коен-Таннуджи, С. Чу и В.Д. Филипс за их вклад в разработку методов охлаждения и захвата атомов в ловушки с использованием лазеров, отмечая их мастерство в использовании спектроскопических методов для достижения их результатов.