Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 03
И перед исследователями открылись удивительные картины. Удалось, например, установить, что яблоко пищит очень жалобно, монотонно. Стали думать, отчего это оно, бедное, жалуется. То ли на то, что его скоро съедят, то ли, наоборот, на то, что осталось невостребовано?..
Расшифровать полностью эти жалобы пока не удается — исследования «голосов», по существу, только начались.
Но уже сейчас ясно — «озвучить» можно практически любой плод. Достаточно поместить его в камеру, датчики которой улавливают излучаемые фотоны — элементарные частицы электромагнитного поля. Все показания записываются очень чувствительным прибором. Каждой волне соответствует определенный звук, нота. Так и рождается музыка. Невидимое становится слышимым. А «мелодии света» дают возможность контролировать состояние того или иного живого существа, диагностировать нарушения в самом зародыше.
Озвучить можно даже молекулы ДНК. Так что с нашими генами тоже можно общаться. А это значит, что исследователи получили возможность еще с одной стороны подступиться к разгадке одной из самых великих тайн природы. А там, глядишь, научатся и исправлять недостатки еще в процессе «проектирования» будущего организма.
3. СЕМЕНОВА
ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Оптика третьего тысячелетия
В электронике меньше чем за половину столетия элементная база сменилась несколько раз: лампы, транзисторы, интегральные схемы первого поколения, второго…
В оптике ситуация иная. Главный элемент оптики — линза появилась две тысячи лет назад (первая из них называлась «Глаз Нерона».
Это был отшлифованный кусок горного хрусталя, сквозь который грозный император разглядывал собеседника), и лишь в последние десятилетия появились элементы с неоднородным распределением показателя преломления. С их помощью оказалось возможным делать такие приборы, какие иным способом сделать просто нельзя.
Начнем с медицины.
Несмотря на наличие рентгена и прочих физических способов, врач предпочитает заглянуть внутрь организма собственным глазом. Для этой цели давно уже создаются эндоскопы.
Первоначально они представляли собой металлическую трубку с системой линз и давали очень четкое изображение, но имели серьезный недостаток — большой диаметр. Это делало их во многих случаях неприменимыми. Затем появились гибкие, значительно более тонкие волокнистые эндоскопы, состоящие из регулярно уложенных гибких светопроводящих волокон. Чем больше волокон, тем выше четкость изображения, наблюдаемого врачом. Это удобнее врачу, но эндоскоп становится толще и травмирует больного.
Противоречие удалось разрешить при помощи градиентной оптики. Десятки линз или сотни оптических волокон могут заменить всего два стержня с радиальным распределением показателя преломления (рис. 1).
Первый стержень выполняет функции объектива. Он строит изображение объекта на своем торце. Но поскольку оно получается перевернутым, нужен второй, оборачивающий изображение.
На рисунке 2 изображен градиентный эндоскоп отечественного производства марки Ци-ВС-01 диаметром всего 1,9 мм и длиною до 160 мм.
Рис. 2
Отметим, что эндоскоп жесткий, но для большинства случаев его применения это не помеха. На первый план выходят достоинства: высокое качество изображения и очень малый диаметр.
Завершая медицинскую тему, скажем несколько слов об очках. На смену тяжелым очкам с толстыми стеклами, ограничивающим поле зрение, да и не слишком красивым, пришли контактные линзы. Они незаметны и обеспечивают хорошее поле зрения. Но такие линзы должны быть легкими, иначе их нельзя долго держать на глазах. Градиентная оптика выручает и здесь. Если обычная контактная линза +10 диоптрий весит 27 мг, то выточенная из материала с перепадом показателя преломления 0,05 весит 18,5 мг и в два раза тоньше, да еще дает более высокое качество изображения.
Теперь о технике. Без ксероксов и другой копировально-множительной техники наша жизнь уже немыслима. Во многих таких аппаратах узкая полоска оригинала проецируется на светочувствительный барабан. На первых множительных аппаратах задача решалась при помощи обычной оптики, и в результате получался аппарат размером с письменный стол.
А вот как компактно и просто делает это оптика градиентная (рис. 3).
Рис. 3
Если на переднем торце градиентного стержня с радиальным распределением показателя преломления, имеющего длину, равную периоду траектории луча в нем, находится предмет, то его изображение находится на заднем торце. Это изображение прямое и в натуральную величину. Для передачи изображения стержни надо выстроить в одну-две линии. Но есть тонкости. Стержни не могут касаться оригинала и тем более нестойкого к царапинам и износу светочувствительного барабана, который зачастую бывает покрыт слоем полированного селена.
Поэтому стержни делают несколько короче периода траектории луча. Поле зрения стержня при этом расширяется, а увеличение остается прежним, равным единице. Вышедшие из стержня лучи снова сходятся в плоскости изображения (рис. 4).
Рис. 4
Блок градиентных стержней используется и в лазерном принтере. Он обеспечивает фокусировку излучения линейки миниатюрных полупроводниковых лазеров (рис. 5) на поверхность светочувствительного барабана.
Рис. 5
Важно отметить, что если бы здесь передача излучения производилась при помощи обычной оптики, то потери были бы крайне велики, и лазерный принтер в современной его форме оказался бы невозможен.
Напомним, что градиентный стержень не обязательно должен быть коротким. Есть градиентные стержни длиною в сотни и тысячи метров, только они называются оптическими волокнами. В них распределение показателя преломления происходит так, что траектория луча проходит относительно далеко от поверхности волокна. Благодаря этому он и не уходит вовне через всегда существующие на поверхности волокна шероховатости. (Оптические волокна первых поколений были основаны на полном внутреннем отражении луча от поверхности. Поэтому получались огромные потери света через поверхностные дефекты и дальность передачи сигнала по таким волокнам не превышала нескольких метров.)
Сегодня по градиентным оптическим волокнам сигналы передаются на десятки тысяч километров. Такие линии связи надежно защищены от помех и подслушивания и, как полагают специалисты, способны значительно потеснить спутниковую связь. Однако при создании волоконно-оптических систем связи возникают специфические проблемы соединения линий между собой. Вот одна из них, казалось бы, очень простая — передать сигнал из одного волокна в другое. Для обычной электрической линии дело решается при помощи паяльника.
Здесь такое невозможно. Свет из оптического волокна, обычно имеющего диметр 0,02 — 0,05 мм, выходит расходящимся пучком с углом 10–20 градусов. Поэтому при передаче его непосредственно в другое волокно потери энергии будут огромны. На помощь приходят те же градиентные стержни.
На рисунке 6 изображена схема разъемного соединителя оптических волокон.
Волокна приклеиваются к торцам двух одинаковых градиентных стержней. Пучок света, пройдя через первый стержень, становится параллельным. Войдя в торец второго, он на противоположном его конце соберется в точку и почти без потерь попадет в следующую оптическую линию. Между торцами стержней можно иметь большой воздушный промежуток. А при необходимости ослабить сигнал можно установить светофильтр. Такое устройство называется аттенюатором.
Иногда по нескольким оптическим линиям передают сигналы с разной длиной волны. Настроиться и поймать нужную волну, как это делает радиоприемник, в оптическом диапазоне не просто. Когда-то для этого пытались делать приемники, содержавшие гетеродины, фильтры, смесители и прочие элементы, аналогичные тем, что применяются в радиодиапазоне.
Получалось громоздко и сложно. А вот как изящно и просто эта задача решается градиентной оптикой. На рисунке 7 — схема демультиплексора, предназначенного для разделения единого потока излучения с разными длинами волн на два отдельных потока.
Рис. 7
Волокно со смешанным потоком и приемные волокна приклеены к градиентной стержневой линзе. Смешанный поток проходит через линзу, лучи становятся почти параллельными и попадают на отражательную дифракционную решетку (зеркало, покрытое множеством штрихов — до нескольких тысяч на 1 мм). От нее лучи разных длин волн отражаются под разными углами. Пройдя через стержневую линзу, каждый из них сходится в свою точку и попадает в соответствующий оптический канал. Просто, не правда ли?
