相位共轭镜及其用途

相位共轭镜及其用途

在物理学的幼年时期，人们就发现一条光学定律，即“入射角等于反射角”；但是本世纪70年代初，苏联科学家发明了一种所谓“过失镜”，这种镜的特点是：无论从什么角度观察, 你自身的象都能被反射回来。起初，这种新型反射镜只被看作一种实验室珍品，现在，这种反射镜却引起许多部门的科学家的极大兴趣，如集成电路芯片制造行业、核聚变以及美国的战略预御倡议计划。

这种新型反射镜，称为相位共轭镜。位相共轭波是在振幅、位相（即波阵面）及偏振态三个方面与入射光波互为时间反演的光波，它能消除非均匀介质引起的波前畸变。由于其物理学原理复杂，此处只谈应用。美国在推行它的战略防御倡议计划时，就需要采用激光束以摧毁空间飞行的导弹。科学家们设想，将庞大的激光器安装在地面上，将激光束射向太空，再通过放在地球轨道上的反射镜将激光束反射到敌方的导弹上。问题在于,在穿过地球湍流的大气层后，激光束就会杂乱无章，以致射入太空时没有什么破坏力。相位共轭镜能将已混乱的光波校正过来。假定在你和你盟洗室中的镜子之间有一块蒙上水汽的玻璃，从你面部反射的光波通过这块玻璃后，就将变得混乱不清。从镜子反射回来的象，通过玻璃后就畸变得无法辨认。如果在这块蒙上水汽的玻璃的前面有一面相位共轭镜，情况就变了。它可以把每一束光线沿着它的入射路径反射回来；实际具有使光线逆向传播的特点。镜子反射回来的象通过蒙上水汽的玻璃后，由于反射光得到校正，因而消除了畸变。

遗憾的是，校正镜实验实际上没有能取得成功。这是因为要使此镜能正常工作，照到镜上的光必须是强光，即由激光器发出的强相干光，而不是由面部反射的那种杂乱无章的光。有了激光, 模拟试验就能成功。莫斯科列别捷夫物理研究所的波里斯·捷尔多维奇博士和他的助手，在1972年进行的校正镜试验首次获得了成功。他们使激光束通过一个畸变玻璃板，发生畸变的光束再射入由充入高压甲烷气体管组成的相位共轭镜。该镜反射回的光束通过玻璃板后，激光束就没有一点畸变。

相位共轭镜能够避免用来摧毁导弹的激光束在射入太空时发生的混乱。用激光摧毁敌方导弹的一种方案是：送上地球轨道的是一台低功率激光器，装在地面的则是一台装有相位共轭镜的高功率激光器。发现目标时，轨道运行的激光器发出的激光束射到地面的位相共轭镜上，大气层的作用像那块蒙上水汽的玻璃。因此激光束到达位相共轭镜时就受到畸变。由于此镜的准确“反畸变”作用，在反射激光束通过相同的大气柱时，畸变就消失。

制造位相共轭镜的方法有两种：

一种是捷尔多维奇1972 年所用的方法，即利用众所周知的布里渊散射现象（在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射）。在条件适合的情况下，通过某些物质传播的光能在该物质内部产生声波。可使声波的轮廓与引起畸变的光学反射镜的相同，以反射入射光波的共轭波。

另一种方法是“动态”全息法。就是把全息术的记录、显影和再现步骤合并成一个连续过程。普通全息术是将一束激光分成两束光来进行记录的。从物体上反射的物光束照在感光板上，与参考束相遇。这两束光波相互干涉形成的干涉条纹图形则储存在感光板上。再现时，将参考束照射在全息图上，即可看到原物逼真的立体图。

在动态全息术中，记录和再现是同时的。两个参考束和一个物光束在位相共轭镜中相遇, 镜的作用与照相干版相同, 镜连续不断地将三个光束的干涉图形记录下来。第四个光束就是从镜反射的物光束。

物理学家用位相共轭进行实验已有四十年。许多概念现在已走出实验室，其应用范围从

图形识别到秘密通信的编码和解码。这里，介绍它的两个应用实例。

(1)制造集成电路芯片

在光刻法中，将一光束通过掩模照射到复有照像乳胶的硅片上，在芯片上刻蚀出电路的图形。制造厂商为了在芯片上能容纳更多的元器件，就要使用波长更短的光束；但是制造分辨力足够高而又没有缺陷的透镜遇到困难，费用昂贵，使厂商望而生畏。

英国卢瑟福·阿普尔顿试验室的马尔科姆·高尔博士和他的助手则相信:若采用位相共轭镜，就可不需要复杂的光学透镜组。如下图所示，将一束激光通过掩模和激光放大器后射到位相共轭镜上，激光放大器即便使掩模图象发生畸变，也无关紧要，因为经过放大器放大后从镜上反射回来的逆向激光束畸变消失。然后将逆向激光束照到硅片上。

从原理上讲，使用波长更短的激光，位相共轭镜产生的图形能做到完美无缺，并能减少由于尘埃质点造成的激光散斑。高尔的试验结果令人鼓舞, 其分辨本领达0.5 微米，可跟常规光刻法媲美。而且，位相共轭镜还有其它的潜在优点。这是因为，如果要使普通的透镜不产生缺陷，它的孔径就必须小。采用常规光刻法时，每次光刻通常只能刻出一块硅片，最多是四块。位相共轭镜却能将完美无缺的电路图形反射到大得多的面积上，每次光刻能达30 或者40 块硅片。

(2)核聚变

不少科学家用高能激光束辐射氘和氚靶，研究核聚变反应。这项研究工作采用机械方法很难实现。苏联列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫和他的助手正在设想用位相共轭镜感生的激光束来自动轰击靶丸。办法是：先用一束低功率激光束从靶丸的法线方向上辐照靶丸，激光束向四面八方散射。然后，将靠近激光放大器的散射激光会聚，并指向位相共轭镜。该镜就射出一束经过放大且没有散射的强激光，并沿着从靶丸来的路线，不偏不倚地轰击靶丸。

同样的原理还可用于军事目的。设想用一低能量激光束扫描某个目标区，进入这个目标区内的导弹所反射的激光可使之通过激光放大器放大后送入位相共轭镜，该镜就可将一高能激光束射到导弹上，将导弹摧毁。