Astronet > Dinamicheskaya golografiya i problema obrasheniya volnovogo fronta

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Dinamicheskaya golografiya i problema obrasheniya volnovogo fronta

A. S. Chircov (Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi universitet)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 1, 2001 g. Soderzhanie

Golograficheskoe obrashenie volnovogo fronta

Ideya o predstavlenii monohromaticheskoi volny v vide sovokupnosti ploskih voln pozvolyaet legko ponyat' principy, lezhashie v osnove lyubogo metoda OVF: dlya obrasheniya proizvol'noi volny dostatochno obratit' kazhduyu iz sostavlyayushih ee prostranstvennyh garmonik. V principe eto mozhno bylo by sdelat' ispol'zuya mnozhestvo obyknovennyh ploskih zerkal, kazhdoe iz kotoryh otrazhalo by tol'ko svoyu sostavlyayushuyu s perpendikulyarnym ego ploskosti volnovym vektorom. Na pervyi vzglyad opisannaya ideya kazhetsya zavedomo neosushestvimoi na praktike hotya by potomu, chto chislo prostranstvennyh garmonik beskonechno veliko. Odnako postavlennaya zadacha ne yavlyaetsya zavedomo beznadezhnoi. Mozhno pokazat', chto v rezul'tate summirovaniya takih voobrazhaemyh zerkal poluchitsya krivoe zerkalo, poverhnost' kotorogo sovpadaet s volnovym frontom obrashaemoi volny. Na praktike takoe zerkalo mozhno pytat'sya izgotovit' iz gibkoi otrazhayushei plenki, deformiruemoi pri pomoshi kakih-libo elektromehanicheskih preobrazovatelei (elektromagnitov, p'ezokeramiki i t.d.), upravlyaemyh dostatochno bystrodeistvuyushim komp'yuterom (ris. 5, a). Ishodnuyu dlya nahozhdeniya neobhodimoi formy zerkala informaciyu o sostoyanii elektromagnitnogo polya mozhno poluchat' pri pomoshi sistemy opticheskih datchikov.

Ris. 5. Metody dinamicheskogo obrasheniya volnovogo fronta: a - "chislenno-mehanicheskii" metod. Osnovu ustanovki sostavlyaet gibkoe zerkalo, deformaciei kotorogo upravlyaet bystrodeistvuyushii komp'yuter; b - golograficheskii metod OVF. Interferencionnye kartiny, voznikayushie pri slozhenii predmetnoi volny $\bar{k}$ s dvumya rasprostranyayushimisya navstrechu drug drugu opornymi volnami $\bar{q}'$ i $\bar{q}'' = - \bar{q}'$ , navodyat v nelineinoi srede s inducirovannoi prozrachnost'yu difrakcionnye reshetki; sredi voln $\bar{k}'$ (m) i $\bar{k}''$ (m), voznikayushih pri rasseyanii na reshetkah opornyh voln, imeyutsya obrashennye po otnosheniyu k predmetnoi volne; v - ispol'zovanie effekta VRMB dlya dinamicheskogo obrasheniya volnovogo fronta. $\bar{k_{1}}$ i $\bar{k_{2}}$ - fur'e-sostavlyayushie predmetnoi volny, $\chi$ - akusticheskaya volna (liniyami pokazany ee ploskosti postoyannoi fazy), $\bar{k_{1,2}}'$ i $\bar{k_{1,2}}''$ - volny, voznikayushie pri rasseyanii ishodnyh na akusticheskoi reshetke

Vmeste s tem ideya razlozheniya obrashaemoi volny na ploskie sostavlyayushie ves'ma blizka k rassmotrennym vyshe principam golografii. Eto daet osnovaniya nadeyat'sya na vozmozhnost' izyashnogo resheniya problemy OVF golograficheskimi metodami. Vnimatel'noe rassmotrenie shemy vosstanovleniya izobrazheniya ob'ekta s pomosh'yu tonkoi gologrammy (sm. ris. 3, b ) pozvolyaet legko ponyat' ideyu golograficheskogo obrasheniya volnovogo fronta. Pri osveshenii gologrammy schityvayushei volnoi, napravlennoi po otnosheniyu k opornoi v protivopolozhnuyu storonu, vsledstvie simmetrii otnositel'no ploskosti gologrammy deistvitel'noe i mnimoe izobrazheniya ob'ektov dolzhny pomenyat'sya mestami. Eto kak raz i oznachaet, chto difragirovannaya v poryadok s m = -1 volna okazhetsya obrashennoi po otnosheniyu k predmetnoi (ris. 3, v).

Sdelannoe utverzhdenie mozhno obosnovat' i drugim sposobom: schityvayushaya volna, rasprostranyayushayasya vo vstrechnom po otnosheniyu k opornoi napravlenii, formal'no mozhet rassmatrivat'sya kak ispol'zuemaya v klassicheskoi golografii schityvayushaya volna, rasprostranyayushayasya v protivopolozhnom ne prostranstvennom, a vremennom napravlenii. Deistvitel'no, lyubaya iz zamen $\bar{q} \rightarrow - \bar{q}$ ili $t \rightarrow -t$ v vyrazhenii dlya fazy volny privodyat k odinakovym rezul'tatam:

$E_{0} \cos(- \bar{q}\bar{r} - wt) = E_{0} \cos(\bar{q}\bar{r} - w(- t))$ .

(4)

Process rasseyaniya takoi volny na gologramme mozhno rassmatrivat' kak obrazovanie vosstanovlennyh voln, takzhe rasprostranyayushihsya v obratnom napravlenii vo vremeni. Pri etom uhodyashaya ot ob'ekta volna teper' budet rasprostranyat'sya v napravlenii k ob'ektu.

Podobnaya interpretaciya yavleniya OVF dopuskaet ves'ma daleko idushie obobsheniya. S etih pozicii rassmotrennyi v nachale stat'i primer fokusirovki izlucheniya na sputnike mozhno rassmatrivat' kak primer obrasheniya vo vremeni processa rasseyaniya sveta na sluchainyh fluktuaciyah, schitavshegosya s pozicii klassicheskoi termodinamiki zavedomo neobratimym. Srazu zametim, chto sushestvovanie ukazannoi vozmozhnosti vovse ne protivorechit vtoromu zakonu termodinamiki uzhe hotya by potomu, chto rassmatrivaemaya sistema ne yavlyaetsya zamknutoi: dlya vozniknoveniya ishodnoi interferencionnoi kartiny neobhodimo vzaimodeistvie iskazhennoi predmetnoi volny s vysokouporyadochennoi opornoi.

Chto zhe kasaetsya vozmozhnosti real'nogo osushestvleniya bystrogo obrasheniya volnovogo fronta, to na pervyi vzglyad rassmotrennyi golograficheskii metod kazhetsya menee perspektivnym, chem chislennyi iz-za nalichiya tradicionno dlitel'nyh processov eksponirovaniya i himicheskoi obrabotki fotoplastinok. Odnako istinnoe polozhenie del okazyvaetsya protivopolozhnym. Intensivnoe razvitie nelineinoi optiki [Blombergen N., 1966] privelo k poyavleniyu novyh podhodov, pozvolyayushih osushestvit' golograficheskoe OVF za vremena, sushestvenno men'shie dostizhimyh pri ispol'zovanii samyh bystrodeistvuyushih komp'yuterov.

Ispol'zovanie nelineinyh sred dlya OVF

Bystroe izgotovlenie i schityvanie gologrammy vozmozhny, naprimer, za schet ispol'zovaniya effekta nasysheniya poglosheniya, privodyashego k prosvetleniyu neprozrachnyh sred pri vozdeistvii na nih svetovyh potokov bol'shoi intensivnosti. Kak izvestno, processy vzaimodeistviya izlucheniya s veshestvom luchshe opisyvayutsya ne volnovoi, a korpuskulyarnoi model'yu sveta. V ee ramkah svet rassmatrivaetsya kak sovokupnost' chastic - fotonov. Ih vzaimodeistviya s elektronami atomov mogut privodit' kak k poglosheniyu, tak i k izlucheniyu novogo fotona. Pri pogloshenii fotona atom perehodit v sostoyanie s bol'shei energiei, pri izluchenii - s men'shei. V obychnyh usloviyah (otsutstvie inversii) veroyatnost' naiti atom v zadannom energeticheskom sostoyanii tem men'she, chem vyshe energiya etogo sostoyaniya. Eto vedet k tomu, chto processy poglosheniya preobladayut nad izlucheniem - v veshestve svet oslabevaet. V sil'nyh svetovyh potokah processy poglosheniya proishodyat stol' chasto, chto koncentraciya vozbuzhdennyh atomov sushestvenno vozrastaet. Kak tol'ko ona stanovitsya ravnoi koncentracii atomov v nizhnem energeticheskom sostoyanii, veroyatnosti poglosheniya i izlucheniya novogo fotona vyravnivayutsya - veshestvo stanovitsya prozrachnym.

Process nasysheniya poglosheniya sveta razvivaetsya ochen' bystro (za vremena, men'shie 10^-8 s) i pozvolyaet prakticheski mgnovenno poluchat' gotovye gologrammy. Ochevidno, chto dlya ih schityvaniya vstrechnoi volnoi net neobhodimosti v peremeshenii lazera: mozhno vospol'zovat'sya drugim istochnikom ili chast'yu opornoi volny, obrashennoi pri pomoshi sistemy nepodvizhnyh zerkal (ris. 5, b ). Pri etom v nelineinoi srede budut voznikat' srazu dve gologrammy, obuslovlennye interferenciei predmetnoi volny s kazhdoi iz vstrechnyh opornyh voln. V rezul'tate ih schityvaniya temi zhe volnami pomimo dvuh obrashennyh predmetnyh voln voznikayut eshe dve lishnie, ne fokusiruyushiesya na ob'ekte i interferiruyushie drug s drugom. Pri opredelennom vybore sdviga faz mezhdu vstrechnymi opornymi volnami mozhno dobit'sya togo, chtoby lishnie volny vzaimno gasilis'. Pri etom okazyvaetsya, chto dve obrashennye predmetnye volny usilivayut drug druga.

Naryadu s rassmotrennym nelineinym effektom inducirovannoi prozrachnosti sushestvuyut i drugie mehanizmy, obespechivayushie bystroe vozniknovenie dinamicheskih gologramm. Tak, naprimer, v nelineinyh sredah vozmozhny effekty izmeneniya pokazatelya prelomleniya v oblastyah bol'shoi intensivnosti sveta. V takih sredah dinamicheskie gologrammy predstavlyayut soboi fazovye reshetki iz chereduyushihsya oblastei s razlichnym pokazatelem prelomleniya. Drugim interesnym podhodom k resheniyu problemy OVF, osnovannym na rodstvennyh golografii ideyah, yavlyaetsya ispol'zovanie effekta vynuzhdennogo rasseyaniya Mandel'shtama-Brillyuena (VRMB). V osnove metoda lezhit vzaimodeistvie svetovyh i akusticheskih voln, formiruyushih svoeobraznye "begushie" v nelineinoi srede fazovye difrakcionnye reshetki (ris. 5, v). S tochki zreniya korpuskulyarnoi teorii yavlenie VRMB mozhet traktovat'sya kak process rasseyaniya fotona na fonone - kvazichastice, vvodimoi dlya opisaniya akusticheskih kolebanii reshetki. Ispol'zovanie processa VRMB v nelineinyh sredah pozvolyaet osushestvlyat' OVF bez sozdaniya schityvayushih ploskih voln.

Zaklyuchenie

Ispol'zovanie sovremennyh lazernyh istochnikov kogerentnogo izlucheniya pozvolyaet sravnitel'no legko vosproizvodit' nelineinye opticheskie effekty ne tol'ko v usloviyah laboratornogo eksperimenta, no i na promyshlennom urovne. S tochki zreniya zdravogo smysla, opirayushegosya na povsednevnyi opyt i predstavleniya klassicheskoi fiziki, mnogie iz nelineinyh effektov mogut pokazat'sya dostatochno neobychnymi i dazhe strannymi. Odnako oni sushestvuyut, a ih ispol'zovanie pozvolyaet reshat' prakticheskie zadachi, eshe nedavno kazavshiesya zavedomo neosushestvimymi. V ramkah ogranichennogo ob'ema zhurnal'noi stat'i okazalos' vozmozhnym ne bolee chem konspektivnoe izlozhenie osnovnyh idei, svyazannyh s golograficheskim obrasheniem volnovogo fronta. Chitateli, zhelayushie oznakomit'sya so znachitel'no bolee podrobnym i dokazatel'nym izlozheniem obsuzhdavshihsya zdes' faktov, mogut naiti interesuyushuyu ih informaciyu na servere "Fizika dlya shkol cherez INTERNET".

Recenzent stat'i A.S. Sigov

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: golografiya - optika - obrashenie volnovogo fronta - volnovoi front Publikacii so slovami: golografiya - optika - obrashenie volnovogo fronta - volnovoi front
Sm. takzhe: Golograficheskii princip i chainik Golograficheskii princip Holometr: mikroskop v prostranstve i vremeni Posobie po adaptivnoi optike observatorii Serro-Tololo Refraktor memorial'noi observatorii im. Krosbai Remseya Svet, poimannyi v veshestve Kol'ca N'yutona Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce