4. Кванты, квантрон и когерентность

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

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 (рис.1)
Мой квантрон выглядел почти так, как фотографии. 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 такая, как на рис.2
 
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 как на рис.3

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 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.

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, пере-крываются в пространстве и создают – внимание – интерференционную картину – чередование минимумов и максимумов яркости, в идеале примерно такую, как на рис.4
 
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 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 здесь:
http://stihi.ru/2021/03/02/5458