Как увидеть инфракрасный свет

В лазере фотон света, сталкиваясь с возбужденным атомом среды, стимулирует испускание другого фотона той же частоты. Вторичные фотоны в свою очередь вызывают испускание фотонов другими возбужденными атомами — в результате процесс излучения света идет лавинообразно. Но попробуем рассмотреть случай, когда активная среда лазера находится в докритическом состоянии, т. е. слишком разрежена, чтобы поддерживать лавинообразный процесс. В такой среде фотон может столкнуться с невозбуждеиным атомом, который, поглотив этот фотон, переходит в возбужденное состояние. Другой фотон, столкнувшись с этим возбужденным атомом, теперь может стимулировать эмиссию, и два фотона будут двигаться вместе, парой. В несколько более плотной среде и при чуть более интенсивной накачке эта пара фотонов может столкнуться с еще одним возбужденным атомом, результатом чего будет фотонный триплет. В целом, активную среду лазера покидает примерно столько же фотонов, сколько вошло в нее, однако выходящие фотоны образуют когерентные пары и тройки.

Такой «сгруппированный» свет обладает удивительными свойствами. Прежде всего он совершенно непривычен для глаза. Так, красный сгруппированный свет будет обычным образом отражаться от красных предметов. Но, поскольку каждая пара «красных» фотонов имеет в сумме энергию, равную энергии одного «синего» фотона, такой свет за счет двухфотонного поглощения станет возбуждать также рецепторы, чувствительные к синему цвету. Предмет, таким образом, будет одновременно выглядеть и красным, и синим, — наверное, переливчато-фиолетовым. Больше всего, впрочем, Дедала занимает инфракрасный сгруппированный свет. Все окружающие нас объекты в изобилии испускают длинноволновое инфракрасное излучение. Достаточно поэтому перед любым предметом поместить «группирователь фотонов» фирмы КОШМАР, который собирает фотоны в группы, суммарная энергия которых лежит в видимой области спектра, — и вот вам бесплатное освещение! Правда, в сгруппированном ИК-свете все предметы, скорее всего, будут иметь жуткий вид, так что лучше будет, если энергия группы фотонов придется на область ультрафиолета. Тогда, используя обычный люминофор, как в лампах дневного света, можно возбуждать его за счет многофотонного поглощения и получать видимый свет. Этот изящный прибор преобразует бесполезный инфракрасный фон в видимый свет — подобно тепловому насосу, перекачивающему тепло от тел с меньшей температурой к телам с более высокой температурой. Согласно законам термодинамики, эти устройства могут отбирать у окружающей среды гораздо больше энергии (тепла и света), чем необходимо для приведения их в действие[19].

New Scientist, June 26, 1980

Рассмотрим активную среду, в которой N₁ атомов находятся в основном состоянии и N₂ — в возбужденном состоянии с энергией Е. Рабочая частота равна в таком случае v = E/h, и если этой частоте соответствует плотность энергии ρv, то интенсивность возбуждения N₁ -> N₂ составит BN₁ρv, где В — вероятность перехода. Аналогично интенсивность стимулированной эмиссии равна BN₂ρv. Пусть в систему входит n фотонов. Для каждого из иих вероятность быть поглощенным при переходе атома из состояния 1 в состояние 2 пропорциональна BN₁ρ; обозначим эту вероятность через KN₁. Тогда число фотонов, поглощенных в системе, равно nKN₁ для малых KN₁, а n(1 – KN₁) фотонов проходят через всю среду. Вероятность того, что каждый из этих фотонов стимулирует испускание фотона возбужденным атомом, равна KN₂. Таким образом, наиболее вероятное число пар фотонов, выходящих из среды, равно n(KN₂)×(1 - KN₁). Иначе говоря, мы пустили в среду n фотонов и получили на выходе n(KN₂)×(1 – KN₁ фотонных пар; таким образом, кпд нашего лазера по «группированию» фотонов составляет 2/KN₂(1 – KN₁). Эта величина имеет максимум при N₂ = N₁, т.е. когда излучение накачки, переводящее атомы в возбужденное состояние за счет переходов N₁ -> N₃ -> N₂, чуть-чуть недостаточно для создания инверсной населенности, т. е. система находится немного ниже порога генерации лазерного излучения. При KN₁ = КN₂ = 0,5 максимальный кпд = 0,5, т. е. можно рассчитывать, что примерно половина общего числа попадающих в систему фотонов будет сгруппирована. На практике будут возникать группы не только из двух, но и из трех и более фотонов, но даже с учетом этого наша схема выглядит вполне реальной.

Как будут вести себя фотонные пары? В физических процессах (преломление, рассеяние и т. д.) они должны вести себя точно так же, как образующие фотоны, однако в химических процессах (поглощение и т. д.) они, скорее всего, будут проявлять тенденцию к двухфотонному поглощению, и поэтому каждая пара поведет себя как один фотон с вдвое большей частотой. На этой основе, вероятно, можно создать уличные фонари, излучающие сгруппированный инфракрасный свет, который легко проходит сквозь туман и в то же время хорошо воспринимается глазом. А как бы вы отнеслись к «антизонтику», преобразующему свет пасмурного дня в ультрафиолетовое излучение для загара? Наконец, поскольку сгруппированные фотоны когерентны с тем фотоном, который первоначально попал в среду, соответствующие очки позволят непосредственно наблюдать изображение, полученное в инфракрасных лучах.

Майрон Л. Уолбаршт, профессор офтальмологии и биомедицинской техники, Медицинский центр университета Дьюка, Дарем, Сев. Каролина, США 23 июля 1980

Дорогая Ариадна!

Ваш друг Дедал рассматривал (с. 448, 26 июня 1980) использование сгруппированного света для возбуждения синих рецепторов глаза в результате двухфотонного поглощения и даже допускал возможность использования длинноволнового инфракрасного излучения для получения видимого света. Я прилагаю копию одной из своих опубликованных работ «Зрительная чувствительность глаза к инфракрасному излучению» (Journal of the Optical Society of America, 66, 1976, p. 339), в которой показано, что это действительно возможно. Надеюсь, что Дедал будет продолжать свои изыскания, но ему следует сознавать, что в наши дни наука движется вперед так быстро, что даже мечтатель может отстать от жизни.

(Искренне Ваш М. Уолбаршт)

(В дальнейшем сгруппированный свет будет пролит на вопрос о приоритете в статье «Еще раз об инфракрасном зрении».)

Примечания:

1

Натуральная окраска шерсти животных действительно сильно зависит от наличия тяжелых и цветных металлов. Однако в пищеварительном тракте красители подвергаются действию различных ферментов при значительной кислотности, поэтому органические вещества разлагаются. Тем не менее фантазии Дедала относительно зеленых животных, по-видимому, не абсолютно беспочвенны. Так, по сообщению агентства АДН из Италии, в городке Рефранкоре в области Пьемонт у одной собаки родились шесть щенков, один из которых был зеленым (!), причем через 25 дней после рождения зеленая окраска шерсти стала еще более интенсивной. Ученые объясняют это явление редким генетическим изменением (см. «Известия», № 134, 13 мая 1984г.). — Прим. ред.

19

Дедал правильно рассудил, что зрительные рецепторы могут реагировать на «когерентную пару» фотонов с энергией, вдвое меньшей порога чувствительности рецептора. Эта идея была подтверждена исследователями с применением лазерной техники. На сходном принципе основан ряд приборов ночного видения. — Прим. ред.