Страница 30 из 92
Единственное большое новшество — после работ Аббе — в конструкцию микроскопов было введено в 1935 г. нидерландским физиком Фрицем Цернике, профессором — Гронингенского университета. Первоначально его работа была связана с усовершенствованием качества оптической поверхности зеркал для телескопов. В 1935 г. он пришел к мысли, что разработанный им метод может быть применен и в микроскопии.
В микроскопе Цернике лучи света проходят через апертурную диафрагму, отверстие которой имеет форму кольца, а вблизи заднего фокуса объектива помещается так называемая фазовая пластинка, имеющая кольцевидный выступ, или канавку. Лучи света, которые свободно проходят через объект, проходят и через фазовое кольцо, в то время как лучи, рассеянные объектом, отклоняются в сторону. В связи с тем что толщина пластинки различна, возникает разность фаз волн двух световых потоков. В конечном счете в окуляре происходит интереференция лучей, что значительно повышает контрастность изображения. Иными словами, в пластинке различие в фазе волны преобразуется в различие амплитуд, т. е. яркости.
Метод фазового контраста, разработанный Цернике, исключительно ценен для биологических исследований. Обычно живые клетки почти прозрачны. Чтобы были видны детали, их нужно фиксировать и окрашивать. Фазо-контрастный микроскоп позволяет заметить большое количество подробностей структуры, которые иначе не видны или же изменяются при фиксации. Фриц Цернике, автор этой оригинальной идеи, был удостоен в 1953 г. Нобелевской премии по физике за разработку метода фазового контраста и создание фазоконтрастного микроскопа.
В 1947 г. было сделано научное открытие, которое первоначально воспринималось просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно является значительно более фундаментальным и может найти широкое применение. Именно тогда была создана голография.
Об этом открытии стало известно в 1948 г., когда английский физик венгерского происхождения Деннис Габор сообщил о разработанном им методе получения объемных изображений. Он назвал этот метод голографией, что означает «полное (объемное) изображение». В отличие от фотографии, которая фиксирует только интенсивность света и создает плоское изображение объекта, голография регистрирует вол новый фронт светового луча и воспроизводит трехмерное изображение предмета.
В 1964 году Эммет Лейт и Юрис Упатниекс получили первые голограммы с использованием лазерного луча. Они до некоторой степени видоизменили схему Габора, и теперь голограммы получают путем разделения исходного светового луча на два с помощью полупрозрачного зеркала. Одна часть света отражается от объекта, другая идет непосредственно на фотопластинку. Там световые лучи накладываются друг на друга (интерферируют), и, так как они различаются по фазе, возникает сложная, интерференционная картина, которая записывается на светочувствительную эмульсию. Это и есть голограмма. Простым глазом на ней виден переплетающийся орнамент из черточек, точек и т. п. На первый взгляд голограмма выглядит как испорченный негатив, однако она обладает замечательными свойствами.
Если теперь направить на голограмму первоначальный, опорный, пучок света (под тем же углом, как и при записи голограммы), то она будет играть роль дифракционной решетки и восстановит волновой фронт луча, отраженного от предмета, в результате чего возникает трехмерное изображение последнего. Если же через голограмму пропустить отраженный луч, то восстановится первоначальный. Этот, метод используется для голографического распознавания образов. Например, если сделать голограмму буквы и посмотреть через нее на написанный текст, то. везде, где встречается эта буква, будут видны световые пятна.
Предполагают, что наш мозг осуществляет запись и распознавание изображения способом, сходным с записью голограммы. Если разделить голограмму на части, каждая из них также позволяет восстанавливать изображение, хотя оно оказывается более низкого качества. Аналогичные явления происходят и в мозге при некоторых его поражениях память не теряется полностью, а лишь ухудшается.
При получении первых голограмм Габор столкнулся с большими трудностями, так как для этого требовались специальные источники света, которых тогда не было. Появление лазеров вдохнуло в голографию новую жизнь. Из лабораторного курьеза она превратилась в метод, который с каждым годом все более широко используется в науке, практике и даже в искусстве. Это принесло Деннису Габору признание, хотя и с некоторым опозданием. Он был избран членом Лондонского королевского общества и почетным членом Венгерской академии наук. В 1971 г., 23 года спустя после публикации своих первых работ, Габор получил Нобелевскую премию по физике.
Лазеры
Исследования в области радиоэлектроники и взаимодействия радиоволн с веществом привели некоторых ученых к мысли, что обнаруженное явление резонансного поглощения можно использовать для излучения и усиления электромагнитных волн. Подобная мысль, кстати сказать, высказывалась еще в начале века Альбертом Эйнштейном. Занимаясь вопросами излучения и поглощения света, он в 1916 г. предсказал явление индукционного излучения.
Но лишь в конце 40-х годов экспериментаторы начали «догонять» теоретиков. Многие из них внесли большой вклад в развитие электроники и ее замечательного творения — квантовых генераторов, более известных под звучными названиями «мазер» и «лазер». Слава первооткрывателей в этой области принадлежит двум советским ученым Александру Михайловичу Прохорову и Николаю Геннадиевичу Басову, а также американскому физику Чарлзу Харту Таунсу. В 1954 г. почти одновременно в Физическом институте Академии наук (СССР) и в Колумбийском университете (США) эти ученые создали первые квантовые генераторы.
В качестве рабочего вещества использовался аммиак. Молекулы аммиака приводились в возбужденное состояние, после чего создавались условия для их одновременного возвращения на исходный уровень, в результате чего излучался мощный радиоимпульс. Чарлз Таунс назвал этот аппарат Maser (мазер) — аббревиатура английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн при помощи индуцированного излучения).
Благодаря своей способности усиливать радиоволны мазеры сразу же нашли применение в радиотелескопах. Период 1954—1960 гг. ознаменовался бурным развитием квантовой радиофизики, когда были созданы разнообразные конструкции квантовых генераторов и разработана их теория. Большую роль в этом развитии сыграли работы французского физика Альфреда Кастлера.
В 1949 г., занимаясь радиоспектроскопией, Кастлер установил, что атомы особенно сильно поглощают свет в том случае, когда их собственные частоты попадают в резонанс с частотой возбуждающего излучения. Кастлер использовал этот эффект в своих исследованиях и, постепенно развивая идею, разработал в 1952 г. метод оптической накачки. Для квантовых генераторов это означает, что атомы рабочего тела приводятся в возбужденное состояние внешним источником светового или микроволнового излучения.
В 1958 г. Чарлз Таунс и Артур Шавлов из фирмы «Белл телефон лабораторис» предложили принцип лазера. Изменение первой буквы указывает на то, что здесь речь идет уже об усилении света при помощи индуцированного излучения (Lazer — аббревиатура от английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Шавлов предложил использовать для этой цели рубиновые кристаллы цилиндрической формы. В рубине (который представляет собой окись алюминия) имеются микроскопические вкрапления хрома, атомы которого излучают свет.
Рубиновый лазер был создан в 1960 г. американским физиком Теодором Меймзном. В этом приборе рубиновый стержень в течение короткого времени освещался мощным импульсом света. Атомы хрома в кристалле переходили в возбужденное состояние, а затем почти мгновенно возвращались на исходный уровень, испуская кванты света. С двух концов кристалла были помещены два плоских зеркала, причем одно из них — полупрозрачное. Отражаясь поочередно от этих зеркал, световые лучи опять попадают в кристалл, возбуждая новые атомы. Процесс нарастает лавинообразно до тех пор, пока наконец световой импульс не станет настолько мощным, что может пройти через полупрозрачное зеркало.