СОВЕТСКИЙ физик Б. Я. Зельдович и его коллеги, проводя эксперименты в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве, обнаружили в 1972 г. любопытное явление. Исследователи специально исказили мощный пучок красного света от импульсного рубинового лазера, пропустив его через матовую пластинку из стекла. Затем они направили искаженный пучок в длинную трубу с газообразным метаном, находящимся под высоким давлением. В соответствии с хорошо известным эффектом, называемым вынужденным рассеянием Мандельштама—Бриллюэна, пучок взаимодействовал с молекулами газа и отражался назад; газ работал, как зеркало, хотя и очень необычное. Сюрпризом для исследователей оказалось то, что отраженный пучок, пройдя назад через тот же участок матового стекла, оказался почти идеальным, неискаженным. Иначе говоря, приобретенные при первом прохождении через стекло искажения исчезали. (В случае обычного зеркала искажения отраженного пучка, напротив, лишь увеличились бы.) Поэтому отраженную назад волну можно, очевидно, считать “обращенной во времени” репликой падающей волны.

Словосочетание “обращенный во времени” выражает тот факт, что отраженный газом пучок несет именно те искажения, которые были внесены матовой пластинкой, но в обращенном виде. При обратном прохождении через стекло неоднородности пластинки компенсируют те искажения, которые были внесены в пучок во время его прохождения в прямом направлении. Иначе говоря, если бы существовала возможность заснять падающий пучок на кинопленку, обращенный во времени пучок можно было бы увидеть, прокручивая фильм в обратном направлении. Обращенные во времени волны принято называть фазово-сопряженными или волнами с обращенным волновым фронтом. Технику их создания называют обращением волнового фронта (см. статью Б. Я. Зельдовича и В. В. Шкуно- ва “Обращение волнового фронта” в журнале “В мире науки”, 1986, № 2).

Существует множество заманчивых применений явления обращения волнового фронта. Например, высококачественный световой пучок можно пропустить через турбулентную атмосферу и, обратив его, заставить пройти назад точно по тому же пути; по возвращении к исходной точке пучок оказывается неискаженным. Такие пучки можно использовать для наведения на движущиеся объекты с целью слежения за ними, для обработки изображений, в оптических вычислительных системах, в интерферометрии, лазерных гироскопах, в системах волоконной связи и связи со спутниками, системах лазерного оружия и в фотолитографии. Обращающие волновой фронт “зеркала” сделали возможным, кроме того, создание нового типа лазерных резонаторов.

Существуют два стандартных метода создания обращенных волн: вынужденное рассеяние „Мандельштама — Бриллюэна и четырехволновое смешение. После основополагающего эксперимента Зельдовича исследователи обнаружили, что обращения при вынужденном рассеянии Мандельштама — Бриллюэна можно добиться не только в сжатом газе, но и в целом ряде веществ. Такие вещества называют нелинейными средами. Этот термин используется здесь в специальном смысле: оптические свойства нелинейной среды в отличие от линейной меняются под действием света. В число нелинейных сред входят полупроводники, кристаллы, жидкости, плазмы, жидкие кристаллы, аэрозоли и пары атомов.

Нелинейные среды используются и для четырехволнового смещения — метода, предложенного в 1977 г. Р. Хеллварсом из Южнокалифорнийского университета и впоследствии получившего развитие в работах А. Ярива из Калифорнийского технологического института и моих (в то время я тоже работал в этом институте), а также в работах Д. Блума, Г. Бьерклунда и П. Ляо из фирмы AT&T Bell Laboratories. В этом методе в нелинейной среде взаимодействуют четыре оптических пучка: три подаются на вход, а четвертый рождается в самой среде. Входные пучки — эта пробный пучок, который требуется "обратить во времени", и два встречных пучка накачки, необходимые, чтобы сделать нелинейную среду “чувствительной”. Процессы, приводящие к созданию четвертого, фазовр-сопряженного выходного пучка, аналогичны процессам в традиционной голографии, где светочувствительную эмульсию освещают объектным и опорным пучками. Опорный пучок и свет от объекта, взаимодействуя, создают в эмульсии голограмму, т.е. трехмерную интерференционную картину. После проявления записанную статическую голограмму можно считывать, освещая ее той же самой опорной волной. В результате реконструируется трехмерное изображение объекта.

При четырехволновом смешении нелинейная среда ведет себя как фотоэмульсия. Взаимодействие пробного (объектного) пучка с одним из пучков накачки (опорных пучков) наводит в среде пространственный профиль взаимного подчеркивания и компенсации волн (конструктивная и деструктивная интерференция), являющийся голограммой в реальном времени, или динамической голограммой. Выходящий обращенный пучок получается при считывании голограммы другой встречной опорной волной. На самом деле возникают две голограммы: каждый из пучков накачки, взаимодействуя с пробным пучком, записывает свою голограмму, от которой при считывании отражается другой опорный пучок.

Многочисленные применения обращения волнового фронта обязаны часто возникающей необходимости компенсировать статические и динамические искажения, которые встречаются в оптических системах. Эффективность работы мощных лазеров, систем слежения, сетей атмосферной

ОБРАЩАЮЩЕЕ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ ЗЕРКАЛО способно скомпенсировать искажения, внесенные в изображение кошки. На обоих фотографиях изображение искажалось пропусканием через кусочек матированного стекла. Отражение изображения назад через тот же кусочек стекла посредством обычного зеркала давало неузнаваемое изображение (верхняя фотография). Отражение изображения назад через матированное стекло обращающим зеркалом, напротив, корректировало искаженное изображение (нижняя фотография). Это объясняется тем, что обращающее зеркало формирует пучок, распространяющийся обратно через искажающее стекло, как бы “обращенный во времени”: его траектория точно повторяет траекторию исходного пучка в обратном направлении, компенсируя тем самым искажения. Эксперимент с использованием аргонового лазера был проведен Дж. Файнбергом из Южнокалифорнийского университета.

оптической связи и фотолитографического оборудования значительно снижается из-за возникающих в них шумов. Они же являются и причиной снижения эффективности систем лазерного вооружения. В борьбе с шумами могут помочь как четырехволновое смешение, так и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна.

Во многих случаях применение обращения волнового фронта в указанных областях основано на так называемой двухпроходной геометрии, т.е. построении оптических систем по такой схеме, в которой лазерный пучок сопрягается по фазе и отражается так, что проходит через ту же среду второй раз. Отраженный пучок в такой схеме проходит точно по тому же пути, что и падающий в смысле “обращения во времени”. В одном из примеров применения указанной геометрии высоконаправленный свет маломощного затравочного лазера пропускается через усилитель, представляющий собой среду из сильно возбужденных атомов или молекул в газообразном или конденсированном состоянии. Проходя через усилитель, пучок “провоцирует” молекулы высвободить энергию в виде излучения. При этом пучок увеличивает свою мощность, но его направленность ухудшается: неоднородности усиливающей среды искажают пучок, так что он становится расходящимся. Искажения устраняются, если пучок перехватывается обращающим волновой фронт зеркалом, установленным на конце усилителя. Когда фазово-сопряженный пучок проходит через усилитель в обратном направлении, его движение, обращающее движение исходного пучка, “эануляет” искажающее воздействие среды. Выходящий двухпроходный пучок является одновременно и мощным, и направленным^*.

Существует ряд принципиальных и практических соображений, которые налагают определенные ограничения на физический размер усилителя, а значит, и на создаваемую им выходную мощность. Используя несколько усилителей в параллельной схеме и обращающее зеркало, можно не только компенсировать оптические искажения в каждом усилителе, но и “сфазировать”, или синхронизировать, работу всех усилителей. Если излучение усилителей сфазировано, пиковая интенсивность выходящего пучка пропорциональна квадрату числа усилителей. Пиковая интенсивность, создаваемая набором усилителей, в которых фаза излучения беспорядочна, пропорциональна лишь числу усилителей. Принципиальная схема, предложенная советским академиком Н. Г. Басовым с сотрудниками в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР и Т. 0'Меарой с коллегами в Хьюзской научной лаборатории, недавно экспериментально продемонстрирована Д. Роквеллом и К. Джулиано там же в Хьюзе.

Другим примером двухпроходной геометрии, в котором тоже требуется пучок от маломощного затравочного лазера, служит самонаведение излучения. В этом случае, однако, затравочный лазер светит прямо на объект, например на мишень, содержащую смесь дейтерия и трития (изотопы водорода), в установке для термоядерного синтеза. Часть рассеянного мишенью света проходит через расположенный рядом усилитель, который увеличивает мощность пучка, проходящего через него. Обращающее зеркало на выходе усилителя создает интенсивный обращенный во времени пучок, который направляется обратно на мишень. Если бы пучок обладал достаточной мощностью, ядра в мишени могли бы сливаться с высвобождением полезной энергии.

Самонаведение можно с успехом применять и в других ситуациях: мишень для термоядерного синтеза можно заменить на орбитальный спутник. При освещении спутника та часть рассеянного им света, которая, возвращаясь, собирается обращающей лазерной системой, может быть усилена и послана обратно на спутник. В той незначительной мере, в ка

Во многих оптических системах используется большое число линз, что создает трудности в настройке и юстировке таких систем. Для устранения этих трудностей предлагались различные схемы с обращением волнового фронта. Их можно применить, например, для того, чтобы перенести данное двумерное распределение интенсивности из одного сечения в другое. Именно эта задача является ключевой в фотолитографии — технике, которая применяется в про-

ИСКАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ можно устранить, используя обращающее зеркало. Искажения возникают из-за того, что изображение (слева) вдоль волокна передается множеством оптических мод: каждой моде соответствует определенный луч, распространяющийся в волокне по ломаной траектории (голубой). Поскольку все моды проходят разные пути за время, пока они достигнут конца волокна, их синхронизация нарушается, вследствие чего изображение искажается (в центре). Изображение можно восстановить, если обратить его волновой фронт и пропустить через идентичное волокно (красный).

изводстве электронных микросхем и посредством которой изображение с фотошаблона, несушею контур микросхемы, переносится на участок поверхности полупроводника, покрытой фотоэмульсией. (Прямой физический контакт фотошаблона с подложкой может быть нежелательным.) Осуществимость такой передачи изображения была продемонстрирована М. Левенсоном и его коллегами в Исследовательской лаборатории фирмы IBM в Сан-Хосе и совсем недавно М. Говером в Лаборатории им. Резерфорда в Эпплтоне (Великобритания). Свет от лазера проходит через фотошаблон с рисунком, полупрозрачное зеркало и после этого через усилитель. Интенсивность пучка увеличивается, но одновременно в пучок вносятся искажения. Получившееся изображение “отражается” обращающим волновой фронт зеркалом и направляется назад через усилитель. Обращенный во времени пучок является и мощным, и неискаженным. Отразившись от полупрозрачного зеркала, он экспонирует фотоэмульсионный слой, воспроизводя на нем точный контур исходного рисунка микросхемы. Система с обращением волнового фронта обладает преимуществами перед традиционными методами, такими, как компенсация оптических аберраций.

Схемы беэлинэовой оптики с обращением волнового фронта применимы и для других целей. Одна из них — устранить искажения, вносимые волоконно-оптическим каналом. Такие искажения возникают по следующей причине. Представим, что трехмерное изображение (скажем, дерева) перелается сквозь плоское оконное стекло. Качество изображения, видимого через окно, практически не снижается. Если то же оконное стекло заменить на длинное оптическое волокно, изображение становится неузнаваемым уже через несколько сантиметров. Это объясняется тем, что изображение дерева переносится большим числом мол, каждой из которых соответствуют свои лучи, зигзагами бегущие по волокну. Поскольку все моды пробегают разный путь, на конце волокна они рассинхронизованы во времени. (Фазовые соотношения между амплитудами мод не такие, как были на входе в волокно.) Иначе говоря, оптическое волокно как бы “перемешивает” изображение подобно матовому стеклу.

Как изменится работа лазера, если одно или оба его зеркала заменить на обращающее, сформировав так называемый резонатор с обращающим волновой фронт зеркалом? Резонатор — это полость, которая служит для усиления звуковой или электромагнитной волны. Он обычно представляет собой длинную, заполненную усиливающей средой (твердотельной или газообразной) трубку, которая с обоих концов замкнута хорошо полированными полупрозрачными зеркалами. Выходное лазерное излучение формируется светом, прошедшим сквозь одно из зеркал.

В 1978 г. группа ученых Калифорнийского технологического института, возглавляемая Яривом, в которую

“ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ КУХОННОЙ ЛОПАТОЧКИ” состоит из отражающего зеркала (лопаточки) и обращающего зеркала (кристалл в месте пересечения лучей}. Обычный лазер состоит из длинной трубки, закрытой с обеих сторон хорошо полированными зеркалами. Трубка, как правило, заполнена усиливающей средой (сильно возбужденным газом или твердым телом). Лазер на основе лопаточки не нуждается в усиливающей среде, потому что требуемое усиление обеспечивается обращающим зеркалом. Усиление достигается накачкой, или возбуждением прямоугольного кристалла двумя лазерными пучками, называемыми опорными или пучками накачки. Один из пучков накачки виден на фотографии в нижнем левом углу; он отражается зеркалом (зеленый диск} к обращающему зеркалу. Часть пучка поглощается кристаллом; основная же часть проходит к клиновидному зеркалу в правом верхнем углу. Пучок, отраженный этим зеркалом, становится другим пучком накачки. После того как кристалл поглотит достаточно энергии встречных волн накачки, он будет излучать в направлении любой бликующей поверхности, расположенной поблизости, как если бы между кристаллом и этой поверхностью была усиливающая среда. Вследствие этого вдоль линии от лопаточки к кристаллу генерируется лазерный пучок. Если бы лопаточка перемещалась, обращающее зеркало отслеживало бы ее положение, удерживая пучок на поверхности лопаточки. Лазерный пучок выводится через кристалл (справа). Эксперимент был выполнен Файнбергом и Р. Хеллвар-сом в Южнокалифорнийском университете.

вошли Дж. АуЙюнг, Д. Фекете и я, изучили этот вопрос. В процессе нашей работы мы сделали первый импульсный лазер с обращающим зеркалом^*. Усиливающим элементом служил рубиновый стержень. На одном конце стержня мы поместили обычное зеркало, на другом — фазово-сопрягающее. Второе зеркало, работающее на принципе четырехволнового смешения, представляло собой заполненную сероуглеродом кювету;

волны накачки создавались другим импульсным рубиновым лазером.

Было обнаружено, что резонатор с обращающим зеркалом обладает уникальными свойствами. Наиболее значительное его свойство, пожалуй, состоит в том, что фазово-сопрягающее зеркало может компенсировать статические и динамические аберрации, возникающие внутри резонатора из-за несовершенства оптических элементов, или,например,динамические возмущения, обусловленные тепловыми или механическими нагрузками. Поэтому резонатор с обращающим зеркалом снимает запасенную в лазерной среде энергию с высокой эффективностью. Более тонкий эффект связан с понятием, называемым “устойчивостью резонатора”. Способность обычного резонатора концентрировать энергию проявляется лишь при определенных соотношениях между длиной волны излучения, длиной собственного резонатора и кривизной зеркал. Для резонаторов с обращающим зеркалом таких ограничений нет.

Свойства резонаторов с обращающими зеркалами привлекают внимание многих исследователей, в том числе ученых научных лабораторий в

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ способна распознать два изображения, имеющие общие черты. Элемент памяти формируется при освещении фотоэмульсии опорным пучком, пропущенным через транспарант с изображением квадрата (вверху слева), благодаря чему в пленке записывается голограмма, или интерференционная картина. На том же слое эмульсии процесс повторяется с треугольником и кругом. Угол падения опорного пучка каждый раз меняется, чтобы иметь возможность различать изображения. Пластинка с эмульсией (теперь голографический элемент памяти) обрабатывается и помещается между двумя обращающими зеркалами (внизу). Изображение, которое необходимо распознать (изображенный здесь несколько искаженный квадрат}, отражается полупрозрачным зеркалом на эмульсию (голубой}. Все лучи, которые в опознаваемом

АТМОСФЕРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ компенсируется оптическим фазовым сопряжением. Лазерный свет, пройдя стометровую трассу в атмосфере, образовал сильно искаженное пятно (последовательно на трех фотографиях слева), которое меняется в пространстве и во времени. (Из-за наличия в атмосфере турбулентности звезды нам кажутся мерцающими, а объекты, наблюдаемые через воздух над костром или над автострадой в горячий полдень, мы видим слегка размытыми и колеблющимися.) Когда пучок был обращен и послан обратно через атмосферу, восстанавливалось почти идеальное качество пятна (справа}. Обработанные видеопроцессором и кодированные цветом фотографии были получены с выдержкой в двухтысячную долю секунды. Авторы эксперимента Г. Даннинг и Р. Линд из Хьюзской научной лаборатории.

Хьюзе, Калифорнийского технологического института и Станфордского университета, а также ученых в Советском Союзе, Франции, Великобритании и Канаде. Для изучения свойств указанных резонаторов в них используют как четырехволновое смешение, так и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна.

Например, Линд и Д. Стил (в то время работавшие в Хьюэе) недавно создали непрерывно генерирующий лазер с обращающим волновой фронт резонатором. В качестве сопрягающего фазу зеркала они использовали кювету сантиметровой толщины, наполненную парами натрия, просвечиваемую опорными волнами от лазера на красителе. Внесение матовой стеклянной пластинки внутрь резонатора фактически не влияло на работу системы: она давала довольно хороший пучок даже при перемещении пластинки по резонатору. Та же матовая пластинка внутри того же лазера на красителе в стандартном варианте полностью прекращала генерацию.

Особенно интересную версию резонатора с обращением волнового фронта можно сделать на основе четырехволнового смещения. Поскольку в этом случае применяются сразу два опорных пучка, интенсивность выходного пучка может превышать

интенсивность пробного пучка на входе. Иначе говоря, при четырехволновом смешении можно получить оптическое усиление. Такой четырехво-лновый элемент называют усиливающим обращающим зеркалом. Как результат, даже “пустой” резонатор, состоящий лишь из усиливающего обращающего и обычного зеркал, можно заставить излучать; в усиливающей среде здесь нет необходимости. Кроме того, поскольку обращающее зеркало отражает весь свет назад к источнику, генерация излучения будет иметь место даже при смещениях обычного зеркала. Конструкция подобного прибора впервые была пред-

ВРЕМЕННОЕУШИРЕНИЕ ИМПУЛЬСА может быть скомпенсировано обращающим зеркалом. Уширение возникает из-за того, что различные частотные составляющие импульса (изображены разными цветами} распределяются в среде с несколько отличающимися скоростями. Четырехволновое обращающее зеркало (накачиваемое на центральной частотной компоненте импульса), которое помещено в середине пропускающего импульс волоконно-оптического кабеля, перегруппирует импульс таким образом, что более медленные компоненты попадают во вторую половину кабеля первыми. По мере распространения в оставшейся части кабеля более быстрые компоненты будут поэтому догонять лидирующую (более медленную) часть импульса: в результате импульс сужается и через кабель можно пропустить больше информации.

ВРЕМЕННОЕ ОБРАЩЕНИЕ формы импульса достигается посредством обращающего зеркала. Обычное зеркало (слева) сохраняет при отражении временной ход импульса. Обращающее зеркало (справа) обратит временной ход импульса, если включить зеркало в момент, когда весь импульс “погружен” в среду. Зеркало приводится в действие приложением к нему двух опорных, или накачивающих, пучков.

ложена Яривом и мной, а с помощью Фекете была проверена его работоспособность; аналогичные результаты были получены Блумом, Ляо и И. Экономоу в фирме AT&T Bell Laboratories.

Общим для всех процессов, действующих на основе четырехволнового смешения, является оптическое взаимодействие пучков. С точки зрения теории обращенный пучок можно считать результатом алгебраического перемножения трех входных пучков (пробного и двух встречных пучков накачки); эффект перемножения обеспечивается нелинейной средой четырехволновой кюветы при взаимодействии пучков. Поэтому, если какие-то или все входные пучки кодированы путем нарушения однородностей их пространственной структуры (пропусканием пучков через различные амплитудные или фазовые транспаранты) или путем изменения их интенсивности во времени (прерыванием), обращенный пучок будет кодирован таким образом, что его модуляция окажется пропорциональной произведению всех информационных модуляций взаимодействующих пучков.

Работы, проведенные под руководством Ярива в Калифорнийском технологическом институте и Осаму Икеда в Токийском технологическом институте, показали, что даже через искажающую среду изображение можно перенести “за один проход”, если в процессе четырехволнового смешения кодировать вместо пробного пучка опорные пучки. (Вспомним, что в рассматриваемой выше технике безлинзовой оптики изображение требовалось передавать по двум оптическим путям.) Допустим, что кто-то с помощью кинопроектора хочет передать своему другу на большое расстояние движущееся изображение (скажем, прыгающей в воду с вышки спортсменки). Из-за атмосферной турбулентности распознать передаваемое изображение спортсменки было бы невозможно.

Изображение можно передать, заменив проектор на устройство для четырехволнового смешения и снабдив того, кому посылается изображение, запрашивающим лазером-бакеном. Последовательность действия следующая. Адресат нацеливает лазер-бакен на корреспондента, передающего изображение. Искаженный пучок для лица, передающего изображение, по существу является тестирующим, или зондирующим, атмосферную турбулентность. Если свет отразить обычным четырехволновым зеркалом, обращенный пучок выправит атмосферные искажения, и вернется к месту приема без информации. Однако, поставив на пути одной из опорных волн транспарант с изображением прыжка спортсменки, можно закодировать обращающее зеркало требуемой информацией. Такое обращающее зеркало отражает изображение прыжка. В результате необыкновенный обращенный во времени пучок доставляет адресату на лазер-бакен неискаженное изображение^*.

Обработка изображений играет также важную роль в целом ряде областей, например в криминологии (для сравнения отпечатков пальцев), биологических науках и медицине (для классификации и идентификации различных классов клеток и их мутаций), при создании искусственного интеллекта, в робототехнике и системах автоматики. Тонкие оптические методы могли бы упростить существующую технику сравнения. Так, для обработки изображении иногда применяются методы традиционной голографии. Соответствующая теория была разработана в 1963 г. А. Вандер-Люгтом из Мичиганского университета, который помимо этого разработал различные классы фильтров изображений и схем распознавания образов, использующих обычные статические го-лограммы, зарегистрированные в пленках эмульсий. Четырехволновое смешение, являющееся формой голографии в реальном масштабе времени, может увеличить возможности этой техники. Заметный вклад в данной области сделан Ж.-П. Уигнардом из Лаборатории им. Томсона во Франции, Файнбергом и Я. Яа из Исследовательской лаборатории фирмы Telecom в Австралии.

Одним из потенциальных приложений четырехволнового смешения для обработки изображений является создание прибора, распознающего образы в реальном времени. Его идея была предложена группой ученых Калифорнийского технологического института, в которую входил и я, в 1978 г., а в 1980 г.Дж. Уайт (в то время работавший в том же институте) и Ярив и независимо от них в том же году С. Г. Одулов и М. С. Соскин из Института физики АН УССР продемонстрировали такой прибор в действии. В основе работы прибора лежит метод четырехволнового смешения. Три входных пучка (два опорных и пробный) проходят через соответствующие транспаранты, которые требуется сравнить. Картина, сформированная результирующим сопряженным пучком, выявляет совпадения (если они имеются) в изображениях транспарантов. Например, в эксперименте Уайта и Ярива на одном из них была последовательность букв С-А-L-T-E-C-H, а на другом — буква С. На

Принцип действия идеального прибора для распознавания образов основан на регистрации точного совпадения ключевой и искомой букв в строке. А как быть, если тестируемая буква несколько отличается от ключевой? Пусть, например, эти буквы напечатаны различным шрифтом, например рубленым (без засечек) и антиква (с засечками), или, скажем, одна из них или обе имеют неясные очертания или даже отсутствующие участки. Эти примеры представляют практический интерес, поскольку они часто встречаются в нашей повседневной жизни:неполное изображение мы узнаем благодаря так называемой ассоциативной памяти.

СИСТЕМА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ может быть использована для инициирования термоядерного синтеза. Мишень для синтеза облучается импульсом маломощного лазера {голубой). Отраженные мишенью импульсы проходят три лазерных усилителя. Интенсивность каждого импульса растет, но при этом вносятся искажения. Затем импульсы направляются в четырехволновое обращающее зеркало. К моменту достижения зеркала синхронизация

импульсов нарушается, поскольку они проходят различные расстояния. Когда все эти импульсы “погружены” внутрь зеркала, оно включается, сопрягая по фазе каждый импульс и обращая их временную последовательность {красный}. На обратном пути искажения устраняются, импульсы синхронизируются, так что на мишень приходит интенсивный импульс излучения.

Т. Коонен из Хельсинкского университета и вслед за ним Дж. Хопфилд из Калифорнийского технологического института разработали модели ассоциативной памяти, модификации которых можно реализовать, используя систему с обращающими волновой фронт зеркалами. Эта модель может пролить свет на то, как в мозге человека функционируют нейронные цепи. В основе идеи лежит математический алгоритм, который, по сути, сравнивает строку входных данных с хранящимися в памяти, формирует новый вариант строки данных и затем итерирует, т.е. повторяет, ту же операцию, используя новый вариант в качестве входных данных. Сравнение, отбор и возвращение к началу цикла повторяются до тех пор, пока входная и результирующая строки данных не сойдутся, т. с. не станут одинаковыми. Многие исследователи, в том числе X. Колфилд из Алабамского университета, Д. Псалгис из Калифорнийского технологического института, А. Фишер из Исследовательской лаборатории ВМС США и А. А. Веденов из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова в СССР, для моделирования лого процесса привлекают ЭВМ и электронно-оптические средства.

В настоящее время оптические устройства ассоциативной памяти разрабатывают Б. Соффер, Даннинг, Ю. Овечко и Э. Маром в Хьюзе и независимо от них Д. Андерсон в Астрофизической лаборатории при Объединенном институте в Колорадо. В схеме, разрабатываемой в Хьюзе, для хранения информации используется обычная статическая голограмма, а обращающие зеркала обеспечивают необходимую обратную связь изображений (см. рисунок на с. 39). Конструктивно этот прибор представляет собой попросту резонатор, замкнутый на каждом конце обращающим зеркалом. Голографический элемент памяти помещается внутрь резонатора. Одно из обращающих зеркал обладает пороговыми характеристиками, позволяющими для каждой следующей итерации выделять из хранящихся в памяти те признаки, которые больше всего совпадают с признаками входного изображения.

Хотя цифровые компьютеры и могут обрабатывать изображения и выполнять функции ассоциативной памяти, они это делают в виде последовательности дискретных шагов. Оптические схемы дают большое преимущество: обработку образной информации можно проводить параллельно. Иначе говоря, одновременно

Рассматривая различные приложения четырехволнового смешения, мы неявно предполагали, что все три входных пучка и выходящий пучок имеют одну и ту же частоту, т.е. одинаковую длину волны. Такой вариант взаимодействия называется “вырожденным”. В 1978 г. Р. Абраме из Хьюэской научной лаборатории и я проанализировали случай “почти вырожденного” четырехволнового смешения, примером которого служит ситуация, когда частота падающего пробного пучка слегка сдвинута по отношению к частоте обоих пучков накачки.

Почти вырожденное чстырехволновос смешение возникает в следующих ситуациях: частота пробного пучка, отраженного движущимся спутником, может иметь лоплсровский сдвиг по отношению к частоте опорных пучков базирующегося на земле обращающего зеркала; в системе могут использоваться два лазера (один для пучков накачки и другой для пробного пучка) с несколько разнящимися частотами генерации; на обращающее зеркало падает световой импульс с широким частотным спектром.

В соответствии с идеей, высказанной Яривом, Фекете и мною в 1979 г., обращающее зеркало можно использовать для компенсации эффектов так называемого уширения длительности импульсов в волоконно-оптических кабелях. Такие эффекты ограничивают скорость передачи информации по кабелю, поскольку плотно расположенные импульсы при заметном их уширении могут перекрываться так, что информационную строку не удается распознать. Уширение возникает из-за того, что различные частотные компоненты импульса распространяются в данном веществе с несколько разными скоростями. Если четырехволновое обращающее зеркало расположить в середине пропускающего импульсы волоконно-оптического кабеля, порядок следования частотных компонентов импульса изменится так, что имеющие меньшу^э скорость компоненты покинут зеркало раньше, чем имеющие большую скорость. Поэтому на второй половине трассы быстрые компоненты догоняют медленные, восстанавливая качество импульса сужением его до исходного состояния.

Каким образом обращающее зеркало переупорядочивает частотные компоненты импульса? В вырожденном случае интерференционная картина, наводимая в среде четырехволнового смешения пробным пучком и одним из встречных пучков накачки, покоится на месте без перемещений. Второй пучок накачки отражается от воспроизводящих эту картину неод-нородностей среды и дает обращенный пучок. В почти вырожденном случае из-за частотного сдвига интерференционная картина смещается, создавая в среде взаимодействия движущееся обращающее волновой фронт зеркало. В результате при отражении пучка накачки его частота приобретает доплеровский сдвиг (так же как меняется высота гулка поезда, проносящегося мимо неподвижного наблюдателя). По закону сохранения энергии сдвиг частоты обращенного пучка по отношению к пучкам накачки должен быть равен по величине, но противоположен по знаку сдвигу частоты пробного пучка; частотный спектр пробного пучка симметрично “перекидывается”, или инвертируется.

Модуляция по времени одного или более взаимодействующих при четырехволновом смешении оптических пучков с целью кодирования сообщений входит в другой важный класс методов обработки информации. По добные системы можно было бы использовать для эффективной связи со спутником. Отраженная волна генерируется обращающим зеркалом, лишь когда нелинейная среда освещается одновременно пробным и обоими накачивающими пучками. Следовательно, включая или выключая один или несколько пучков, можно управлять коэффициентом отражения зеркала и вносить в обращенный пучок кодированное сообщение.

Допустим, на спутнике установлен маломощный лазер-бакен. Представим теперь, что этот пробный лазер направлен на находящуюся на земле станцию с лазерным усилителем и четырехволновым обращающим зеркалом. Если обращающее устройство является кодирующим, оно будет не только компенсировать турбулентность, но и переправлять назад на спутник закодированную информацию. Более того, при определенных условиях система может отслеживать движение космического объекта.

Обращающее зеркало может также обращать временнбй ход импульса так, чтобы его часть, входящая в прибор последней, выходила первой. Такой обращающий временнбй профиль прибор был независимо предложен Д. Миллером, в то время сотрудником Эдинбургского университета, О'Меарой и Яривом. Реализация этой идеи могла бы сыграть значительную роль в исследовании лазерного термоядерного синтеза.

Представьте обращающее зеркало такой толщины, что в нелинейной среде поместился бы весь профиль, занимаемый импульсом в пространстве. Для импульса длительностью в одну миллиардную долю секунды, например, толщина обращающего зеркала должна быть 0,3 м. В тот момент, когда весь импульс попадает в среду, обращающее зеркало мгновенно включается введением двух встречных волн накачки. Стоит включиться волнам накачки, как вошедшая последней часть импульса устремится первой покинуть среду взаимодействия.

О'Меара совместил принципы действия прибора, обращающего временнбй ход импульса, и двухпроходной схемы компенсации. В его устройстве обращенный пучок проходит назад через среду для компенсации искажений. Он предложил также схему, которая способна одновременно синхронизировать импульсы блока лазерных усилителей, установленных в параллельной конфигурации. Система может освещать термоядерную мишень и компенсировать наводимые при этом оптические искажения, оптимизируя тем самым эксплуатационные характеристики.

Возможность независимо кодировать по времени разные пучки удобно использовать для реализации еще одного класса полностью оптических процессоров, осуществляющих операции свертки и корреляции зависящих от времени функций. Так, например, коррелятор (предложенный 0'Меарой и Яривом) является, по сути, временным аналогом прибора распознавания в реальном времени пространственных образов и может, таким образом, распознавать импульсы заданной формы. Другие версии такого процессора могут быстро закодировать или раскодировать сообщение с временнйм кодом. Эти временные схемы могут быть использованы в устройствах обработки сигналов, в радарах и некоторых оптических приборах.

Проблема обращения волнового фронта объединила многие прикладные и фундаментальные направления в оптике. Особенно заметный прогресс в этой связи был достигнут в спектроскопии, изучающей взаимодействие излучения с веществом. В этой области экспериментальная схема рассматриваемого явления применяется иначе: три входных пучка (пробный пучок и два пучка накачки) используются для изучения свойств самой нелинейной среды. Измеряя интенсивность обращенного пучка как функцию состояния поляризации, частоты, интенсивности и угла падения сигнального и опорных пучков, давления буферного газа (в случае газовой среды) и интенсивности приложенных электрического и магнитного полей, можно, например, изучать физику и спектроскопию процесса четырехволнового смешения.

Применение этих методов для изучения таких нелинейных сред, как пары из атомов, фоторефрактивные кристаллы и различные органические вещества, позволяет получить детальную информацию о характере фундаментальных атомных и кван-товомеханических процессов. Хотя лазерная спектроскопия существует много лет, применение геометрии четырехволнового обращения позволяет глубже понять характер физического взаимодействия света с веществом.

Кроме того, квантовомеханические свойства взаимодействия, создающего обращенный пучок, могут оказаться полезными для создания нового класса сверхчувствительных детекторов, чувствительность которых была бы достаточной для реагирования на действие гравитационных волн или для перехвата сообщений, передаваемых по волоконно-оптическим телефонным линиям. Хотя разработки такой аппаратуры пока находятся в начальной стадии, исследования в этой области ведутся на международном уровне.

Идеи, методы и основные приложения оптического обращения волнового фронта в принципе могут быть распространены и на все остальные области электромагнитного спектра. Фазовое сопряжение в микроволновом диапазоне, например, могло бы быть использовано в радиолокации, в системах обработки изображений в миллиметровом диапазоне и системах обработки высокочастотных временных сигналов, а также в микроволновой спектроскопии.

Теперь, когда рассмотрено множество потенциальных применений явления обращения волнового фронта, можно ответить на вопрос, поставленный ранее: что мы увидим, заглянув в обращающее волновой фронт зеркало? В обычном зеркале наблюдатель, естественно, видит собственное лицо. Свет, рассеянный различными частями лица, отражается зеркалом и частично попадает в его глаза. Обращающее зеркало весь рассеянный лицом свет будет направлять назад к точкам рассеяния. Свет, рассе янный, например, носом, будет отражен и попадет точно на нос. Единственное, что увидит наблюдатель, это свет, рассеянный сетчаткой, отразившийся от обращающего зеркала и вернувшийся в глаз. Иначе говоря, наблюдатель увидел бы однородно освещенную поверхность зеркала без каких-либо деталей. Другой человек, который прямо смотрит на наблюдателя (т. е. не через зеркало), увидел бы, однако, что лицо наблюдателя освещается обращающим зеркалом.

В заключение остановимся еще на одном занимательном вопросе. Если вспомнить о корпускулярно-волновой природе света (принцип дуализма), то естественно задаться вопросом о возможности обратить движение материи. Нелинейно оптические взаимодействия, приводящие к обращению волнового фронта, основаны на вынужденных эффектах и поэтому имеют ограничения с точки зрения известного физического закона, называемого принципом Паули и относящегося к частицам, именуемым бозона-ми. Все бозоны являются частицами с целочисленным значением спина. (Спин — это параметр квантовомеха-нической теории.) Фотон, или квант света, имеет, к примеру, спин, равный 1, и является поэтому бозоном. Электроны, протоны, нейтроны и некоторые нестабильные элементарные частицы, напротив, являются фермио-нами, или частицами с полуцелым спином, и, согласно принципу Паули, не могут участвовать в вынужденных взаимодействиях.

ВОЗМОЖНО ли, чтобы результат лабораторного эксперимента пролил свет на тайну происхождения галактик? Вполне возможно — утверждает В. Цурек, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

В основе смелого предложения Цу-река — универсальный характер поведения вещества вблизи точек фазового перехода, когда меняется состояние вещества. Наиболее известным примером может служить таяние льда. Примечательно, что физические законы, описывающие этот процесс, применимы и к другим фазовым переходам, а диапазон соответствующих температур начинается вблизи абсолютного нуля (О К, или — 273 °С) и простирается до 10²⁸ К. Крайние значения этого диапазона соответствуют приблизительно температуре сжижения гелия и температуре, при которой, как принято считать, возникла наша Вселенная.

В журнале “Nature” Цурек пишет о том, что фазовые переходы в жидком гелии могут служить моделями фазовых переходов, происходивших во Вселенной вскоре после ее рождения, и конкретно о переходе гелия из нормального жидкого состояния в сверхтекучее. Свойства сверхтекучей фазы действительно экзотичны. Например, жидкий гелий в сверхтекучем состоянии течет совершенно без трения. Кроме того, его теплопроводность (которая в миллион раз больше, чем теплопроводность нормальной фазы) выше теплопроводности любого металла. Известно также, что в сверхтекучей жидкости существуют квантованные линейные вихри (или так называемые долгоживущие водовороты).

Эти линейные вихри аналогичны космическим “струнам”, существование которых предсказано, но пока еще не подтверждено наблюдениями. Предполагается, что фазовые переходы в ранней Вселенной привели к обильному рождению таких объектов. Длина космических струн может достигать миллиона триллионов (10¹⁸) километров. Математически они описываются устойчивыми решениями определенных фундаментальных уравнений физики высоких энергий. (Космические струны не следует путать с суперструнами, из которых предположительно “сделаны” элементарные частицы — кварки и электроны.)

Около 10 лет назад советский ученый академик Я.Б. Зельдович из Института физических проблем им. Л.Д. Ландау АН СССР выдвинул предположение, что витки из космических струн длиной несколько сотен триллионов километров могли бы ускорить гравитационное сгущение галактик^*. Гипотеза Зельдовича была затем развита рядом исследователей. В частности, Т. Киббл из Империал-Колледжа в Лондоне предложил сценарий образования струн в космологических фазовых переходах, что позволило ему оценить первоначальную плотность струн. К сожалению, этот результат нельзя проверить непосредственно.

Цурек предлагает выход из положения — аналоговый эксперимент. Определив плотность линейных вихрей, возникающих в процессе фазового перехода гелия в сверхтекучее состояние, можно было бы сделать определенное заключение о плотности космических струн, образовавшихся в ранней Вселенной. Предлагаемый эксперимент прост. Трубка в виде кольца, в которой находится жидкий гелий в нормальной фазе при температуре около 2 К, подвергается действию высокого давления. Быстрое снятие давления вызывает переход в сверхтекучее состояние. Если справедлив сценарий Киббла, то переход в сверхтекучее состояние должен сопровождаться образованием линейных вихрей — аналогов космических струн. В соответствии с тем же сценарием сверхтекучая жидкость в трубке должна начать циркулировать. И плотность линейных вихрей, и скорость потока в трубке нетрудно измерить — полученные результаты могли бы стать основой количественной проверки модели образования струн.

Помимо соображений, связанных с космологическими исследованиями, эксперимент Цурека интересен и сам по себе как метод исследования явления сверхтекучести. Хотя квантованные линейные вихри не новые объекты в науке, новой является возможность возбуждения вихревого движения при быстром фазовом переходе. В настоящее время несколько исследовательских групп планируют осуществить эксперимент Цурека.

ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА