История лазера. Научное издание
Шрифт:
Важным применением лидаров является измерение концентрации РѕР·РѕРЅР° (O3) РІ стратосфере над Антарктикой Рё Арктикой. Знание концентрации Рё распределения РѕР·РѕРЅР° РІ атмосфере имеет важное значение как для проблемы загрязнений, так Рё для химических процессов РІ тропосфере. Концентрация РѕР·РѕРЅР° влияет РЅР° климат РёР·-Р·Р° экранирования ультрафиолетового солнечного излучения Рё термических Рё химических равновесий РІ стратосфере. Дело РІ том, что РѕР·РѕРЅ, присутствующий РІ верхних слоях атмосферы, поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, которое имеет вредное биологическое действие, тем самым слой РѕР·РѕРЅР° защищает поверхность Земли РѕС‚ чрезмерного воздействия вредного ультрафиолета. Хорошо известно, что РІ течение последних нескольких лет наблюдалось постоянное уменьшение толщины РѕР·РѕРЅРѕРІРѕРіРѕ слоя над полюсами (С‚.РЅ. озоновая дыра). Рта дыра получается РІ результате химических реакций СЃ некоторыми летучими продуктами, связанными СЃ индустрией (например, газ фреон, используемый РІ холодильниках, или РІ аэрозольных баллончиках). Вертикальное распределение РѕР·РѕРЅР°, которое определяет развитие дыры РІ пространстве Рё РІРѕ времени, было измерено СЃ помощью лидаров.
Лидар может быть использован для измерений скорости ветра, что необходимо для метеорологии Рё разработок моделей климата, Р° также для измерения скорости аэрозолей, дыма Рё РїСЂ. Р’ этом случае используется эффект Доплера, заключающийся РІ малых изменениях частоты света, испускаемого движущимися телами, или отраженного РѕС‚ РЅРёС…. Рзмеряя эти изменения частоты отраженного (рассеянного РІ обратном направлении) света тем или иным СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, можно получить информацию Рѕ скорости. Соответствующий инструмент называется доплеровским лидаром.
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 воды разлившейся с кораблей нефтью и другие загрязнения, а также температуру воды и ее соленость также можно измерять.
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 СЃ большими апертурами, С‚.Рµ. СЃ зеркалами большого диаметра (РґРѕ нескольких метров), СЃ поверхностью, обработанной СЃ высокой точностью (РґРѕ долей длины волны). Гигантские собиратели света дают возможность обнаруживать Рё изучать свойства очень слабых (удаленных) объектов, именно РёР·-Р·Р° того, что РёС… огромные входные апертуры могли собрать слабый свет, испускаемый объектом. Более того, телескопы СЃ высоким разрешением позволяют разглядеть больше деталей наблюдаемых объектов. Рљ сожалению, малые флуктуации температуры атмосферы вызывают флуктуации коэффициента преломления РІРѕР·РґСѓС…Р°. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє тому, что разные части первоначального волнового фронта РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ несколько различные пути, Рё изображение РІ телескопе, соответственно, размывается. Рћ таких аберрациях РјС‹ уже говорили. Рзображение РґРёСЃРєР° звезды, получаемого СЃ помощью телескопа СЃ диаметром 4 Рј, установленного РЅР° земле типично РІ 40 раз больше того оптимального размера, который должен был Р±С‹ получаться согласно теории дифракции. Технически это обозначается, как когерентный диаметр атмосферы, Рё его значение обычно составляет 1020 СЃРј. РўРѕС‚ факт, что фотоны РѕС‚ далекого объекта разбрасываются РїРѕ пятну РІ 40 раз большего, чем дифракционный предел, означает, что интенсивность изображения РІ 402 раз меньше. Поэтому даже хотя большие телескопы СЃ апертурой, большей, чем когерентный диаметр атмосферы, РјРѕРіСѓС‚ собрать больше фотонов, это ничего РЅРµ дает РІ смысле увеличения разрешения. Критики РјРѕРіСѓС‚ интерпретировать этот факт как то, что величайшие телескопы РјРёСЂР° имеют чрезмерную стоимость.
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.