А началось все в 1971 году, когда выпускник радиофизического факультета ТГУ Владимир Лукин переступил порог Института оптики атмосферы СО РАН. Аспирантура, защита кандидатской… Затем Владимир Петрович вдруг меняет направление своих исследований и увлекается адаптивной оптикой – наукой в те времена почти экзотической.

– Работ по этой тематике можно было пересчитать по пальцам, – вспоминает В.П.Лукин. – Фактически в этой области работали только два крупных теоретика – американец Бебкок и советский ученый Линник, который еще в 1953 году выдвинул идею использования в оптических системах “резинового” зеркала. Одновременно к подобной идее пришли и американцы, но они свои работы сразу засекретили.
Долгое время эта идея развивалась чисто теоретически, так как технологии того времени не позволяли создать качественные адаптивные системы. В.П.Лукин и его ученики стали первыми в СССР, кто вплотную занялся адаптивной оптикой и вышел на экспериментальный уровень. Здесь в ИОА впервые были выполнены эксперименты с адаптивными оптическими системами по коррекции рефракции (отклонения от прямолинейного распространения волн) и атмосферной турбулентности.

СВЕТ МОЙ, ЗЕРКАЛЬЦЕ, СКАЖИ…
Что же такое адаптивная оптика, которую 50 лет назад называли технологией будущего? Представьте себе ночное небо, на котором мерцают и переливаются миллиарды звезд. Такое красивое мерцание возникает благодаря атмосферной турбулентности – случайному перемещению потоков воздуха. Но если посмотреть в телескоп с высокой разрешающей способностью, картина будет уже не столь красивой: вместо звезды – расплывшееся бесформенное пятно. Кроме турбулентности, на качество изображения влияют и другие факторы – атмосферная аэрозоль, рефракция, молекулярное ослабление света и пр. Под их воздействием одни участки волнового фронта начинают опережать другие, часть волн, исходящих от источника, меняет свое направление или рассеивается. В результате изображение искажается и распадается на отдельные части. Чтобы максимально уменьшить влияние приземной атмосферы на качество изображения, телескопы строят высоко в горах, где атмосфера менее плотная. Но искажения хоть и уменьшаются, все равно остаются.
Поэтому и возникла идея: а что если зеркало делать не сплошным, а из составных частей – маленьких зеркал, каждое из которых имело бы определенную свободу движения и могло бы подстраиваться под принимаемые волны, компенсируя искажение на своем “подшефном” участке волнового фронта?
Сегодня адаптивные составные зеркала используются в разных областях деятельности: для астрономических наблюдений, для передачи информации, концентрации энергии (например, для точной лазерной сварки и резки металлов), в медицине. В России этими исследованиями занимаются уже несколько научных учреждений. Но первое адаптивное составное зеркало в СССР было изготовленное именно в ИОА в 1983 году. Состояло оно из семи небольших шестигранников, каждый из которых опирался на три толкателя из специального пьезокерамического вещества, способного под воздействием электромагнитного поля увеличиваться или уменьшаться по длине. Когда на толкатели подается напряжение, они начинают двигать зеркало в трех плоскостях. Этого вполне достаточно, чтобы скомпенсировать любое искажение волнового фронта. Затем появились опытные образцы из 12, 19 элементов.
– Впрочем, наша работа связана, конечно, не с изготовлением зеркал, – говорит В.П.Лукин. – Мы разрабатываем алгоритм работы самой адаптивной системы, то есть что нужно измерять в атмосфере, как измерять, с какой точностью. Поэтому сначала изучаем искажения в оптических волнах, рассчитываем, как их нужно исправлять, и на основе этих исследований создаем компьютерную программу, позволяющую автоматически “командовать” зеркалом и компенсировать искажения в режиме реального времени.
Под действием атмосферных неоднородностей волновой фронт меняется очень быстро и профиль зеркала нужно перестраивать более 100 раз в секунду. Это стало возможным только сейчас, когда появились достаточно быстродействующие компьютеры.
Группа Лукина уже выполнила несколько заказов по созданию адаптивных систем для России, Китая, Мексики, работали они и на самом большом телескопе России в станице Зеленчукская. Есть у них и своя “база практик” – обсерватория на Байкале, где занимаются физикой Солнца. Года четыре назад здесь было установлено адаптивное зеркало. Его задача – стабилизировать изображение Солнца, то есть компенсировать его дрожание и раскачивание самого телескопа. В результате, по расчетам сотрудников обсерватории, качество получаемого сигнала улучшилось в 16 раз. В будущем году на одном из телескопов – однометровом солнечном телескопе – здесь будет установлено уже многоэлементное зеркало.

ОДНО ХОРОШО, А ДВА ЛУЧШЕ
В 80-х годах американские ученые пытались использовать адаптивное зеркало для точной фокусировки лазерного пучка на расстояниях порядка 5 километров. Но эффективность адаптации оказалась очень низкой, эксперимент не удался. В 1991 году вышла первая публикация по двузеркальной адаптивной системе. Ее авторы – В.П.Лукин и Ф.Ю.Канев.
– В общем-то, идея многозеркальности – не наше изобретение, она, как говорится, витала в воздухе. Дело в том, что сама атмосфера слоистая, и каждый слой имеет свои оптические свойства. Когда нужно получить изображение очень далекого астрономического объекта, это не имеет большого значения, так как по отношению к расстоянию до звезды наша атмосфера – всего лишь тонкий экран. Но если нужно получить изображение объекта, расположенного в наземном слое атмосферы, то, чтобы скомпенсировать протяженную турбулентность, одного зеркала недостаточно. Выдвигались идеи создавать зеркала для каждого слоя, но это очень дорого. Мы же в своей статье доказали, что достаточно двух зеркал, но расположенных определенным образом и работающих по определенному закону, который нам и удалось вывести.
Доклад по этой работе, сделанный на конференции в Испании, получил тогда большой резонанс, в том числе и у американцев, которые пригласили Владимира Петровича к себе. Результаты американского эксперимента 80-х, как обычно засекреченного, были опубликованы в 1993 году, но к этому времени уже стало ясно, что Лукин фактически ответил на вопрос, почему эксперимент не получился.

КАК ЗАЖИГАЮТСЯ ЗВЕЗДЫ
Занимаясь изучением распространения лазерного пучка в атмосфере и его управлением, ученые лаборатории создали совершенно новую систему получения изображения плохо видимых и слабо излучаемых объектов. Называется она “лазерная опорная звезда” и работает примерно так. В направлении объекта посылается излучение лазера, но отраженный сигнал принимается не от объекта, а от атмосферы вокруг него. Этот отраженный сигнал используется для настройки адаптивной системы на тот участок атмосферы, где объект находится. В результате искажения компенсируются, и получается качественное изображение всего, что находится в этом участке, например, самолета-“невидимки”.
– Эту идеологию лазерных опорных звезд мы разрабатываем сейчас для видения через атмосферу (поиск пропавших судов, самолетов и других объектов) и получения изображения заатмосферных объектов – спутников, звезд и так далее. Если объект очень яркий, то его можно использовать в качестве опорного источника излучения. А что делать, если он малоконтрастный и рядом нет других ярких звезд? В этом случае мы и формируем систему обратного рассеивания.
Таким образом, например, можно получить изображение объектов 25-й звездной величины, которые в обычных условиях нельзя разглядеть ни в один телескоп. Для этого “по соседству” с тем местом, где, по расчетам, должно находиться слабое светило, “вешается” лазерная звезда, на которую затем и настраивается адаптивная система. После того, как она устраняет искажение атмосферы, идет долгая запись, и отдельные фотоны, до этого размазанные по всему пространству, наконец-то складываются в цельное изображение.
За 30 лет исследований по адаптивной оптике в ИОА сформировалась целая научная школа, признанная сегодня и в России, и за рубежом. Ее руководитель – В.П.Лукин по праву считается одним из тех, кто стоял у истоков зарождения этого научного направления. Его первая монография по теории применения адаптивных систем в атмосфере, вышедшая в 1986 году, спустя 10 лет была переиздана в США на английском языке и до сих пор остается актуальной. Всего же “в активе” Владимира Петровича 9 монографий, более 200 статей, 7 изобретений, три медали.
Сегодня сотрудники лаборатории участвуют в различных грантах и программах, в том числе и программе Министерства науки и технологий “АСТ-25” по созданию астрономического составного телескопа диаметром 25 метров.
Кстати, половина сотрудников – выпускники той же кафедры – оптико-электронных систем и дистанционного зондирования РФФ, где Владимир Петрович уже много лет читает лекции по оптико-электронным системам и адаптивной оптике. А студенты приходят в лабораторию когерентной и адаптивной оптики ИОА на практику, делают здесь свои курсовые и дипломные работы, поступают в аспирантуру. Для них адаптивная оптика стала уже совершенно привычным явлением.

Наталья ШАРАПОВА
Фото Евгения ВОРОШИЛОВА