Свет, схваченный на лету

До недавнего времени специалисты по скоростной фотосъемке даже в самых смелых мечтах не могли вообразить, что когда-нибудь удастся запечатлеть на снимке движение световой волны. Однако за последнее десятилетие возникли два совершенно независимых метода, открывающие подобную возможность. В одном используется сверхскоростной затвор Керра, в другом - голо- графическая установка; оба метода основаны на применении лазеров.

В лаборатории нередко пользуются правилом: свет проходит один фут за наносекунду (10^-9 с); точное значение скорости света - 2,998 X 10⁸ м/с. Скоростная фотография и ее "родственница" - фотоника, позволяющая регистрировать отдельные фотоны, используя нетрадиционные методы, сегодня уже перешагнули наносекундный барьер, и можно было бы предположить, что фотографирование света, так сказать, "на лету" стало вполне реальным. Тем не менее современные методы сверхскоростной съемки используют, как правило, косвенные приемы получения изображений: камеры с быстрой протяжкой пленки, электронно-оптические преобразователи и т. д.

Первый прямой метод фотографирования света "в полете" разработали в 1970 г. Мишель Дюгей и его коллеги из научно-исследовательской фирмы "Белл телефон лабораторис" (шт. Нью-Джерси, США). К этому времени уже существовали лазеры способные создавать чрезвычайно короткие и мощные импульсы света; пикосекундный (10^-12 с) барьер был взят в 1974 г., нынешний рекорд, принадлежащий той же фирме, составляет 30 фс (фемтосекунда; 1 фс = 10^-15 с). Однако понадобилось несколько лет, чтобы пикосекундные лазеры нашли применение в скоростной фотографии. На основе ячейки Керра Дюгей сконструировал управляемый лазером затвор, в котором непрозрачная среда на мгновение приобретала прозрачность при прохождении сверхкороткого лазерного импульса. По словам самого Дюгея, имея этот затвор, они тем не менее на протяжении целого года не знали, что фотографировать с его помощью, пока не сообразили, наконец, что импульс лазера, проходя через мутную среду, сам становится видимым объектом, который можно сфотографировать. На первом снимке мы видим световую "пулю", пролетающую через флакон с водой, подкрашенной молоком; шкала на флаконе размечена в миллиметрах.

Второй способ останавливать движение света использует принципы голографии. Говоря упрощенно, голографические методы основаны на регистрации на фотопластинке интерференционной картины, возникающей при взаимодействии пучка света, отраженного от объекта, с пучком, идущим непосредственно от лазера. В этой картине скрыта вся информация, необходимая для восстановления трехмерного изображения объекта при освещении голограммы лучом лазера.

Как же можно воспользоваться голографией для сверхскоростной съемки? В 1972 г. Нильс Абрамсон из Королевского технологического института в Стокгольме сформулировал основную идею, а шесть лет спустя сообщил о первом практическом использовании голографии для съемки быстропротекающих процессов. Во-первых, импульс света будет виден как таковой лишь в том случае, если его "длина" много меньше размеров пластинки, на которой он регистрируется. Поскольку за 10 пс луч света проходит всего 3 мм, здесь проблем не возникает. Во-вторых, необходим какой-то сверхбыстродействующий затвор, способный "поймать" световой импульс, летящий с огромной скоростью, - здесь-то и раскрывается вся прелесть метода Абрамсона. Дело в том, что роль невесомого немеханического затвора играет сам импульс лазера.

В экспериментальной установке объектом является плоская белая карточка. Голографическая пластинка и карточка располагаются под углом к падающему пучку; пробегая по пластинке, опорный импульс оставляет свой след, но лишь в тех местах, где на пластинку одновременно приходят опорный импульс и импульс, отраженный от объекта. Таким образом, лазерный импульс служит и затвором.

Июль 1970 г. Лаборатория фирмы 'Спектра-физикс', Калифорния; 'Белл телефон лабораторис', Муррей-Хилл, шт. Нью-Джерси, США Н. Абрамсон, Королевский технологический иститут, Стокгольмом. Дюгей и А. Маттик, 'Белл телефон лабораторис'. Лазер на красителях с синхронной накачкой фирмы 'Спектра-физикс', белый экран, голографическая пластинка; импульсный лазер на неодимовом стекле, 35-мм фотоаппарат 'Яшика' с электрооптическим затвором Керра на CS2. 'Агфа-Геверт 8Е70'; 'Истмен-Кодак Хай-Спид Эктахром'. 5 с (длительность импульса 10 пс); 10 пс Н. Абрамсон; М. Дюгей [1, 2, 76]

Хотя свои первые опыты Абрамсон проводил в Швеции, исторический снимок волнового фронта, проходящего через линзу, был получен в лаборатории фирмы "Спектра-физикс" (шт. Калифорния, США), производящей лазеры. Всего на пять дней лаборатория была предоставлена в распоряжение Абрамсона, который позднее рассказал, как развивались события. В понедельник пластинки были испорчены из-за случайной засветки помещения ультрафиолетовым светом. Во вторник снимки оказались недодержанными. В среду экспозиция была идеальной, но интерференционной картины на пластинках не было. В четверг обнаружилось, что виной тому слабая вибрация приборов, так что их пришлось поставить на амортизаторы. В пятницу утром появились первые обнадеживающие результаты, а к вечеру, уменьшив интенсивность опорного пучка, Абрамсон получил идеальные снимки летящей световой волны.

Июль 1980 г. Лаборатория фирмы 'Спектра-физикс', Калифорния; 'Белл телефон лабораторис', Муррей-Хилл, шт. Нью-Джерси, США Н. Абрамсон, Королевский технологический иститут, Стокгольмом. Дюгей и А. Маттик, 'Белл телефон лабораторис'. Лазер на красителях с синхронной накачкой фирмы 'Спектра-физикс', белый экран, голографическая пластинка; импульсный лазер на неодимовом стекле, 35-мм фотоаппарат 'Яшика' с электрооптическим затвором Керра на CS2. 'Агфа-Геверт 8Е70'; 'Истмен-Кодак Хай-Спид Эктахром'. 5 с (длительность импульса 10 пс); 10 пс Н. Абрамсон; М. Дюгей [1, 2, 76]

Мы видим прекрасную иллюстрацию того, как свет, проходя через линзу, собирается в фокусе (на фотографию добавлено изображение линзы, которого на голограмме нет). Снимок наглядно показывает, что в стекле свет распространяется медленнее, чем в воздухе. Абрамсон сделал также великолепные снимки отражения света от зеркал. Временное разрешение на этих снимках составляет примерно 1 пс (10^-12 с), однако Абрамсон считает, что в ближайшем будущем его можно улучшить по крайней мере в тысячу раз.