Юный техник, 2001 № 03 - [18]
Рис. 2
Здесь траектория света волнообразна. Если взять кусок такого стержня длиною, равной меньшей четверти периода этой волны, то он сможет выполнять роль собирающей линзы, давать действительное изображение предметов.
Если же показатель преломления возрастает от оси к периферии, то стержень можно использовать как линзу рассеивающую. Забегая вперед, скажем, что сегодня оптическая промышленность умеет делать стержни из стекла и пластмасс, имеющие заданный закон изменения градиента показателя преломления, хотя это отнюдь не просто.
В начале века американский физик Роберт Вуд нашел простой способ изготовления из желатина прозрачных цилиндров, обладавших свойствами хороших собирающих или рассеивающих линз. Он вполне пригоден в качестве одной из работ для практикума по физике в выпускном классе средней школы.
Вот почти дословное его описание, взятое из книги Р.Вуда «Физическая оптика», перевод с английского под ред. Д.С.Рождественского. Л. — М. ОНТИ, 1936, с. 103–104: «Берут горсть фотографического желатина и дают ему набухнуть в воде до полного размягчения. Избыток воды сливают, а остаток нагревают до полного ожижения и затем фильтруют через воронку с кусочком ваты. Если жидкость не течет, то прибавляют немного кипящей воды. Небольшое количество отливают в пробирку и дают стоять до отвердения. Оставшуюся часть выпаривают на малом пламени, все время помешивая, до густоты сиропа. Для этого приходится кипятить ее, пока не останется одна треть (или меньше) первоначального объема. Теперь прибавляют равный объем глицерина и выливают во вторую пробирку.
После затвердевания содержимого обеих пробирок резким ударом отбивают донышки у пробирок, их быстро нагревают в пламени бунзеновской горелки и выталкивают желатиновые цилиндры.
Слегка нагретым перочинным ножом разрезают цилиндры на диски разной толщины. Наилучшая толщина около двух третей диаметра. Диски помещают между двумя стеклянными пластинками (рис. 3), слегка подогревая пластинки для обеспечения оптического контакта. (Студень должен прилипнуть без пузырьков.)
Цилиндры, приготовленные из желатина и воды, погружаются в глицерин, а цилиндры из воды и глицерина — в холодную воду. Глицерин нужно временами мешать, так как слои вбирают в себя вытесненную воду.
Через четверть часа процесс достаточно подвинется в своем развитии, глицерин постепенно диффундирует в желатин, вытесняя из него воду, и вода тоже постепенно вытеснит глицерин. Желатин, содержащий глицерин, имеет больший показатель преломления, чем желатин, содержащий воду; вследствие этого цилиндры, набухшие в глицерине, действуют как вогнутые, а цилиндры, набухшие в воде, — как выпуклые линзы. Фокусное расстояние получается от 8 до 10 см; пользуясь такими цилиндрами, можно получать очень резкое изображение нитей лампы накаливания и газового пламени». Практического применения желатиновые линзы не нашли. Однако по сходной технологии делают градиентные линзы — стержни из стекла и полимеров. В некоторых отраслях они совершили настоящий переворот.
Градиентную линзу можно получить и с помощью нагрева. Если, например, стержень из оргстекла начать равномерно разогревать снаружи, то показатель преломления его внешних слоев будет ниже, чем на оси, и он станет вести себя как собирающая линза.
На одном из первых советских разведывательных спутников кварцевый иллюминатор, через который фотоаппарат производил съемку, был неравномерно разогрет от действия солнца на спутник. В результате четкого изображения деталей земной поверхности не удавалось получить, пока этот дефект не был устранен.
Градиентную линзу можно получить даже из воздуха. В 1964 году было показано, что, продувая газ через трубу с нагретыми стенками (рис. 4), можно добиться того, что более горячие слои, обладающие меньшим показателем преломления, окажутся у стенок, а холодные — с более высоким — у оси, и такое устройство будет вести себя как собирающая линза.
Рис. 4.Газовая линза, образованная нагретым потоком воздуха:
>1 — нихромовая проволока; 2 — слюда; 3 — латунная трубка; 4 — стекло; 5 — хлорвиниловый трубопровод.
В конце 80-х годов в ЮАР попытались сделать телескоп, основанный на этом эффекте. Холодный воздух продували через нагретую вращающуюся трубу. Однако качество изображения пока получается невысоким.
Еще один вариант газовой линзы основан на использовании двух газов с равными показателями преломления воздуха (n = 1,00029) и этана (n = 1,00076). В этой линзе газ с более высоким показателем движется внутри трубки с пористыми стенками (рис. 5).
Через ее поры в нее продавливается газ с низким показателем преломления. Градиент преломления хорошо получается при таком подборе скоростей подачи газов, когда у стенок трубы не образуются завихрения.
Различного рода газовые линзы очень удобны для фокусировки особо мощных потоков лазерного излучения. Обычная оптика под их действием разрушается. Любопытно, что причиной разрушения является малейшее, порою незаметное на глаз, загрязнение стекла. Газовые линзы в этом отношении идеальны, там просто нечему разрушаться. Пока мы рассказывали о первых шагах и некоторых экзотических путях градиентной оптики. Современный ее этап основан на оптических приборах, в которых используются твердые вещества с созданным в них распределением показателя преломления.
