Lazerių pramonė

Į V A D A S Ar galima rasti sąlygas, kai mažų matmenų šviesos pluoštai ir labai trumpi šviesos impulsai sklinda medžiagose nekeisdami savo erdvinių ir laikinių matmenų? Pastarųjų metų tyrimai atskleidė, kad, vykstant stipriai netiesinei šviesos ir medžiagos sąveikai, erdvėje ir laike koncentruoti šviesos bangų dariniai („šviesos kulkos“) randasi savaime ir nepakitusios gali nusklisti didelius atstumus. Šviesos kulkos Mokslo raidos istoriją trumpai galima apibūdinti taip - iš pažiūros neįmanomi dalykai tampa realybe, tuo atverdami dar platesnius pažinimo horizontus, už kurių dar tik slypi ateities atradimai. Optika (mokslas apie šviesą) yra viena seniausių, tačiau kartu ir nepaprastai svarbi bei turtinga fizikos sritis. Atradus lazerius, prasidėjo „naujosios“ - netiesinės optikos era. Todėl ir šiomis dienomis mokslininkai vykdo ne tik taikomuosius optikos tyrimus, bet ir toliau nagrinėja fundamentinius šviesos sklidimo bei sąveikos su medžiaga dėsnius. Unikalūs naujos kartos šviesos šaltiniai - lazeriai - atvėrė kokybiškai naujas galimybes koncentruoti šviesą. Šiuolaikinių lazerių generuojamos optinės spinduliuotės galia gali viršyti 1016W, o šviesos impulsų trukmė yra tokia trumpa (~10-15s), kad šviesa (šviesos greitis yra 3x108m/s) per tą laiką tenusklinda atstumą, mažesnį už tūkstantąją milimetro dalį. Šios unikalios lazerių šviesos savybės atvėrė plačius horizontus šviesos technologijų plėtrai, be kurių daugelis mokslo ir technikos laimėjimų būtų neįsivaizduojami. Tačiau galimybė stipriai koncentruoti lazerių spinduliuotės energiją erdvėje ir laike yra iš esmės ribojama šviesos banginės prigimties. Pamatiniai optikos dėsniai teigia, kad šviesos difrakcija yra fundamentinė šviesos savybė, kuri pasireiškia net ir vakuume, o spalvinė dispersija yra neatsiejama bet kurios medžiagos charakteristika, neišvengiamai veikianti šviesos sklidimą toje aplinkoje. Paprasčiau tariant, bet kuri fotonų sankaupa (bangų paketas) sklisdama medžiagoje yra linkusi išplisti laike ir erdvėje. Impulsinei šviesai aprašyti vartojama elektromagnetinių bangų paketo sąvoka. Tokį šviesos bangų paketą galima įsivaizduoti kaip tam tikrą šviesos bangų visumą, kurioje elektrinio lauko stiprio kitimas išilgai erdvės ir laiko koordinačių aprašomas vienokia ar kitokia matematine funkcija. Šios paketą sudarančios bangos sklinda šiek tiek skirtingomis kryptimis dėl difrakcijos ir šiek tiek skirtingais greičiais dėl medžiagos dispersijos (lūžio rodiklio priklausomybės nuo bangos dažnio). Tai nulemia bangų paketo išplitimą erdvėje ir laike. Iš neapibrėžtumo sąryšio išeina, kad šviesos difrakcijos ir dispersijos efektai mažiausiai pasireiškia Gauso formos bangų paketams, todėl dauguma moderniausių šviesos šaltinių - lazerių - yra kuriami taip, kad jų spinduliuotės intensyvumo erdvės ir laiko skirstiniai būtų artimi gausiniams (1 pav. A). Esminis klausimas, kuris iškyla nagrinėjant elektromagnetinių bangų sklidimo ypatumus - ar galima stipriai koncentruoti elektromagnetinių bangų paketus erdvėje ir laike, išlaikant jų didelę energijos lokalizaciją sklidimo metu, t.y. sukurti vadinamąsias optines kulkas? A B 1 pav. Gauso (A) ir Beselio (B) pluoštų erdviniai intensyvumo skirstiniai Optinių kulkų samprata, kurią prieš 15 metų suformulavo Y.Silberbergas, iki šiol kaitina mokslininkų vaizduotę, ir ši tyrimų sritis dabar nepaprastai aktuali. Lokalizuotos bangos (ne tik elektromagnetinės) pasaulio mokslui žinomos jau daugiau kaip pusantro šimtmečio. Solitonai (bangos, išlaikančios ar periodiškai pakartojančios savo parametrus sklidimo metu) buvo atrasti jau 1834 m., kai škotų inžinierius J.Scottas Russellas stebėjo pavienes labai lėtai gęstančias paviršiaus bangas siauruose laivybos kanaluose. Solitonų formavimosi reiškinius vėliau nagrinėjo žymūs pasaulio mokslininkai G.Stokesas, G.B.Airy, DJ.Kor-tevvegas, G. de Vriesas, E.Fermi ir kiti. Solitonus tyrė įvairūs gamtos mokslai - elementariųjų dalelių fizika, kvantinė mechanika, geologija, okeanografija, astrofizika ir net molekulinė biologija. Tačiau ypatingas dėmesys buvo skiriamas optiniams solitonams, tikintis pritaikyti solitoninius impulsus kaip informacijos bitus optinio ryšio technologijoms. Sukūrus lazerį, o vėliau ir optinį šviesolaidį, šie siekiai daugiausia buvo įgyvendinti. Tačiau nauji šiuolaikinio mokslo iššūkiai lėmė, kad optinių solitonų problematika lieka labai aktuali ir šiandien. Savo ruožtu 1912 m. H.Batemanas, o vėliau 1941 m. J.A.Strattonas numatė kitaip lokalizuotų - kūginių elektromagnetinių bangų - egzistavimą. 2 pav. Šviesos pluošto erdvinis skirstinys 150-fs trukmės infraraudonajam šviesos impulsui sklindant vandenyje. Intensyvumas didėja iš kairės į dešinę Šios idėjos ilgą laiką buvo primirštos ir tik 1987 m. J.Durninas iš naujo atrado ir tais pačiais metais pirmą kartą eksperimentais pademonstravo nedifraguojantį šviesos pluoštą. Jis parodė, kad toks nedifraguojantis šviesos pluoštas turi specifinį intensyvumo skirstinį (1 pav. B), aprašomą specialiomis matematinėmis funkcijomis, kurias F.W.Besselis jau XIX a. pradžioje pirmasis panaudojo, tyrinėdamas planetų judėjimo perturbacijas. Svarbi tokio pluošto ypatybė yra ta, kad jį sudarančių bangų vektoriai yra nukreipti ne sklidimo kryptimi, o išdėstyti ant tam tikro kūginio paviršiaus. Todėl tokios bangos buvo pavadintos kūginėmis. Dešimtmečiu vėliau iš daugiaspalvių kūginių bangų buvo „sukonstruoti“ bangų paketai, vadinamieji sklidimo invariantai, kurie sklisdami medžiagoje nekeičia savo laikinių ir erdvinių charakteristikų - tiesinės X-bangos. Ir galiausiai 2003 m. Lietuvos ir Italijos mokslininkai parodė, kad tokie sudėtingi šviesos dariniai - netiesinės X-bangos, gimsta savaime, vykstant stipriai (netiesinei) šviesos ir medžiagos sąveikai. Solitoninis ir nedifraguojančių bangų modeliai remiasi skirtingomis prielaidomis ir visiškai skirtingai traktuoja pačią šviesos lokalizaciją. Solitonai yra bangų paketai, kurių visa energija yra sukoncentruota labai mažoje erdvės ir laiko srityje. Jų stacionarumas sklidimo metu sąlygojamas bangų sąveikos ir reikalauja, kad būtų išpildytos labai specifinės medžiagos ir spinduliuotės parametrų sąlygos. Visi iki šiol stebėti solitonai yra „subdimensiniai“, t.y. lokalizuoti mažesnio matavimų skaičiaus erdvėje, lyginant su realia fizikine erdve. Būtina sąlyga solitoninėms bangoms sužadinti yra netiesinė sąveika, o kūginės bangos yra šviesos dariniai, formuojami ir tiesinės optikos metodais. Jų lokalizaciją sąlygoja kūginė bangos prigimtis - tik labai maža visos energijos dalis yra sukoncentruota centrinėje smailėje, kuri yra pluošto kraštų interferencijos rezultatas. Ši intensyvi smailė nekeičia savo matmenų sklindant dideliais atstumais. Nors ir viena, ir kita šviesos lokalizacijos samprata turi savo nišą šiuolaikiniame šviesos moksle, netiesinė optika, tirianti šviesos ir medžiagos sąveiką, yra ta sritis, kurioje šios dvi fizikinės šviesos lokalizacijos koncepcijos susikerta. Ši sankirta ženklina šiuo metu vieną įdomiausių ir intensyviai tyrinėjamų netiesinės optikos sričių - savaiminį stipriai lokalizuotų šviesos darinių, dar vadinamų šviesos kulkomis, formavimą, vykstant šviesos ir medžiagos sąveikai. Vienas iš pamatinių netiesinės optikos reiškinių yra šviesos saviveika skaidriose terpėse. Jau prieš keturis dešimtmečius R.Chiao, E.Garmire'as ir C.Tovv-nesas numatė, kad galingas šviesos pluoštas, sklisdamas medžiaga, ima savaime fokusuotis. Taip įvyksta dėl to, kad šviesa laikinai „pakeičia“ pačios medžiagos lūžio rodiklį. Ir nors šis pokytis yra labai mažas (104 eilės) ir trumpalaikis, to visiškai pakanka, kad šviesos pluoštas veiktų pats save. Tokiu būdu izotropinė medžiaga tampa lęšiška aplinka, iškraipančia bangos frontą. Priklausomai nuo to, kokio ženklo yra lūžio rodiklio pokytis ∆n, aplinka tampa fokusuojančia (∆n>0) ar defokusuojančia (∆n

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!