ТЕХНОМАГИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ЭРА. Часть 4

После подъёма тяжестей и весёлых игр со светлячками автору, наконец, представилась возможность самому (ну, ладно, не без помощи опытных коллег) собрать свой первый лазер на рубине и испытать его в действии.

Кванты, квантрон и когерентность

Вы когда-нибудь читали инструкцию по сборке трёхстворчатого шкафа?
Мне довелось, когда родители купили его в разобранном виде. Результат был вот каким: бумага была выброшена в макулатуру, а сборщики – отец и сын – чертыхаясь и мотая головами, чтобы выбросить вон кучу малопонятных терминов, просто взяли молоток, отвёртку, включили мозги, и вскоре из кучи досок, фанерок, петелек и шурупов возникла мебель.

Ещё веселее я себя почувствовал после инструкции шефа. Ему-то всё было понятно, как дважды два, а мои знания ограничивались теорией, в которую успел влезть основательно. Может, теоретиком стать?

Но опыт сборки шкафа и установки для исследования спектров не позволил отступить, и на отдраенной от ржавчины полутонной махине стали появляться извлечённые из лабораторных запасов рейтера, держатели зеркал и сами зеркала: полупрозрачное и "глухое", квантрон, шланги и штуцера, столик с микрометрической подачей…

Из ремонта прикатили, едва не уронив на ступеньках лестницы, блок питания почти с меня ростом. Валентин выделил насос для системы охлаждения, и вскоре я стоял перед кучей комплектующих и думал, с чего начать.

Толя взял надо мной шефство.

– Сначала разбери квантрон, посмотри, что у него внутри, давно же лежал, может, почистить нужно.
Квантрон, если кто не знает, это цилиндр, в котором располагаются активный элемент (тот самый кристалл рубина), импульсная лампа и отражатель, фокусирующий излучение лампы на активном элементе. С торцов цилиндр закрыт крышками, в которых есть отверстия и приспособления для крепления активного элемента и лампы, а также штуцера для шлангов системы охлаждения.,

Мой квантрон выглядел почти так, как на фото внизу. Розовый стержень – это и есть активный элемент, монокристалл рубина. Лампа расположена параллельно активному элементу, на фото она под ним, а один из двух штуцеров с резьбой виден справа.

Правда, на фото почти не видно отражателя, он ещё внутри. Это просто молочно-белая матовая трубка, примерно вот такая:

В общем, всё не так уж и сложно, разборка, чистка и сборка всего этого хозяйства не заняла много времени. Гораздо больше его ушло на сборку и юстировку оптической схемы эксперимента. На бумаге это выглядит так:

1 – юстировочный гелий-неоновый лазер
2 – квантрон лазера на рубине
3 – активный элемент
4, 5 – зеркала резонатора
6 – полупрозрачное зеркало (светоделитель)
7, 8 – полностью отражающие зеркала
9 и 10 – шторки
11 – фотоплёнка

Немного пояснений.

Зачем нужен юстировочный лазер?

Первое и основное назначение – он помогает сьюстировать лазер на рубине, то есть выставить зеркала резонатора и торцы кристалла перпендикулярно оптической оси (на рисунке она горизонтальная и красная).

Делается это просто: каждое зеркало поворачивают в двух плоскостях так, чтобы отражённый от зеркала пучок света попадал точно в отверстие, из которого он вышел. То же самое делают с активным элементом.

И второе – настройка внешней по отношению к лазеру оптической схемы. Дело в том, что лазер на рубине – импульсный, пыхает раз в несколько секунд, поэтому для такой настройки и используют луч непрерывного гелий-неонового лазера, прошедший через, съюстированный по этому лучу, резонатор: ведь при этом излучение основного лазера пойдёт по тому же пути.

Чтобы нарисовать эту схемку, понадобилось примерно полчаса. А чтобы собрать в натуре – почти неделя.

Почему так долго?

Каждый из элементов нужно было установить в держателе (а лазер – на столике), который позволяет регулировать положение элемента по высоте.

Кроме того, как читатель уже понял из описания процесса юстировки, столики и держатели должны иметь возможность поворота в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Вот на подбор этих узлов, изготовление фиксаторов для их установки на плите, подгонку креплений для лазеров на столиках и прочие мелочи и ушло время будущего экспериментатора. А потом ещё денёк провозился с юстировкой.

Но зато какой был восторг, когда всё было собрано, и наконец весело зашумел насос системы охлаждения, басовито загудел блок питания, закачивая в накопитель энергию для лампы накачки.

А потом - нажатие кнопки "Пуск", вспышка и хлопок лазерного пучка, попавшего пока ещё в ловушку и одобрительные возгласы шефа и коллег, собравшихся на премьеру.

А теперь – о главном: о том, для чего нужно было городить весь этот огород.

Если вернуться к схеме, то можно увидеть, что пучок лазера раскладывается светоделителем на две части.

Примерно 50% света отражается от светоделителя 6 под прямым углом и идёт вверх по схеме. Здесь он натыкается на шторку 9, отрезающую правую часть пучка, а левая часть затем отражается от зеркала 7 обратно, и, теряя ещё половину от оставшегося, проходит через светоделитель 6 вниз. Этот путь я обозначил цветом с разрежением.

То, что не отразилось, проходит прямо, попадает на шторку 10, отрезающую левую часть пучка, отражается от зеркала 7 обратно, и, теряя ещё половину, отражается от светоделителя 6 вниз. Этот путь обозначен сплошным цветом.

При правильной юстировке эти два пучка света, идущие по схеме вниз, перекрываются в пространстве и создают – внимание – интерференционную картину – чередование минимумов и максимумов яркости, в идеале примерно такую:

Но фактический контраст картинки может быть далёким от идеала, который получается, когда складываются два пучка от атомов, излучающих абсолютно согласованно. Дело в том, что выделенные нами при помощи шторок левая и правая части пучка, созданы излучением атомов разных половинок, разных пространственных объёмов активного элемента, а согласование между ними может быть далеко не идеальным.

Если вспомнить аналогию со светлячками, то станет ясно, что при больших размерах полочки (а в кристалле так и есть: его поперечник огромен по сравнению с размерами атомов) обмен сигналами может быть затруднён, и компании светлячков из разных мест будут прыгать вниз не очень согласованно.

Насколько – и был вопрос этого опыта.

Эта согласованность, иначе говоря – когерентность – играет важную роль в оптике лазеров и научных исследованиях с их применением.

То, что мы изучали – согласованность лучей в разных сечениях лазерного светового пучка – называется пространственной когерентностью.

Если убрать шторки и изменять длину пути, который проходит один из пучков (например, двигая зеркало 8), то можно исследовать, так называемую, временную когерентность – согласованность излучения фонариков внутри одной компании светлячков.

Не стану больше утомлять читателя деталями, подробностями и результатами опыта, тем более, что главное здесь в другом – будущий выпускник приобрёл навыки исследований в новой для себя области, которая стала основной на долгое время.

Продолжение следует...

Автор: @sergeymironenko
Редакция и публикация: @lubuschka

31.07.19

О рубрике: Любители полезных и модных штучек будут в курсе всех новостей! Больше гаджетов, хороших и разных! Нашли что-то интересное в сети? Заказали на Алишке? Поделитесь - мы такие любопытные.

Голосуйте за вашего делегата,
вдохновителя авторов
и мУчителя новичков
@ladyzarulem здесь