книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров
.pdfгромоздкие арматуры. Од нако самые совершенные прожекторы дают по сравнению с лазерами сильно расходящийся пу чок света с углом в 1—2°.
Излучение лазеров об ладает еще одной важной особенностью. Большин ство квантовых генерато ров испускает свет в очень узком спектральном ин тервале. Такую высокую монохроматичность мож но получить от обычных источников света, только пропуская их излучение через несколько самых совершенных светофиль тров."Однако световой по ток, прошедший через та кую систему фильтров, оказывается сильно ослаб ленным. Излучение обыч ных источников занимает в спектре широкую поло су порядка нескольких миллиардов мегагерц. По этому на единицу спект рального интервала при ходится совсем мало энер гии, иначе говоря, так на зываемая спектральная
Лазер и лампочка
46
интенсивность света очень мала. Кроме того, спектральная интенсивность тепловых источни ков ограничена. Они не могут излучать больше, чем абсолютно черное тело при этой же тем пературе. В то же время лазеры дают очень большую энергию в узком спектральном ин тервале.
Так, например, мощность излучения Солнца во всем диапазоне частот излучения {\№ Мгц) равна 7 кет на 1 см2. Если же в максимуме излучения Солнца (а = 0,5 мкм) выделить по лосу шириной в 1 кгц, то на эту узкую полоску придется совсем небольшая мощность, равная всего 0,0000001 вт. А гелий-неоновый лазер в этом же спектральном интервале (1 кгц) дает излучение мощностью в 0,001 вт. Следователь но, даже луч самого маломощного лазера име ет спектральную интенсивность излучения в де сятки тысяч раз больше, чем Солнце. Но уже сейчас существуют генераторы в миллиарды раз более мощные (см. стр. 30). Чтобы полу чить от нагретого тела такую высокую спек тральную интенсивность излучения, его нужно было бы раскалить до температуры порядка 1023 °С. Как известно, температура поверхно сти Солнца равна всего 6000 °С.
Благодаря когерентности и малой угловой расходимости луч оптического квантового ге нератора может быть сфокусирован в пятныш ко с диаметром около тысячной доли милли метра. При этом на такой маленькой площад ке создается колоссальная плотность излу чения.
Л а зе р за работой
Телевидение на лазерном луче.
В конце 1962 г. научные сотрудники Массачусетского технологического института (США) установили на вершине горы Вачуссет необычный набор аппаратуры. Здесь были источники электрического тока, мик рофон, телевизионная камера и те лескоп. Казалось, что ученые соби раются отыскать на небе некий космический объект и вести для него радио- и телепередачу. Однако для этого не хватало радиопередат чика и телевизионных антенн.
Глубокой ночью на горизонте вдруг появилась яркая звездочка — сигнальная лампа приемника, рас положенного в институте, а через некоторое время навстречу ей с го ры пятидюймовый зеркальный теле скоп направил невидимый узкий луч света. Источником его служил кро хотный диод из арсенида галлия, помещенный в фокусе зеркала. Мгновенно преодолев расстояние в 55 км, невидимый луч достиг прием ного устройства. Вместе с ним в ла-
48
Схема получения голограммы
бораторию проникли голоса людей, находя щихся далеко в горах, а на экране телевизора появилось их четкое, без помех, изображение. Так была осуществлена одна из первых теле передач с помощью излучения новых источни ков света.
Современное общество обладает развитой сетью мощных средств связи. Во всем мире работает около миллиона радиостанций. Зем ля опутана густой паутиной телеграфных про водов и подземных кабелей, по каждому из которых одновременно можно вести сотни и тысячи переговоров. И все же поток информа ции растет значительно быстрее, чем емкость всех каналов связи.
Появление телеграфа в прошлом веке ока залось серьезным дополнением к обычным почтовым связям, и па какое-то короткое вре мя задача быстрой передачи сообщений была решена. Телеграф в то время передавал сведе ния со скоростью нескольких точек и тире, или битов (единица информации), в секунду. Од нако для передачи человеческого голоса потре бовалось создать каналы связи, которые про пускали бы десятки тысяч битов в секунду. А передача телевизионного изображения тре бует скорости, в тысячу раз большей.
В радиотехнике известно, что объем инфор мации, передаваемой в единицу времени, про порционален полосе пропускания и растет с
уменьшением |
длины несущей |
радиоволны. |
Для передачи |
человеческого |
голоса можно |
использовать все диапазоны радиоволн. Пере дать изображение на длинных и средних волнах невозможно. С этой целью необхо-
4. З ак . 381 |
49 |
димо использовать диапазон метровых радио волн.
Потребность в увеличении скорости пере, дачи информации наложила на всю историю радиосвязи печать непрерывного стремления к освоению все более коротких радиоволн. Сейчас достигнут известный предел. Оказа лось, что сделать передатчики с длиной волны менее 0,4 мм практически невозможно.
Поскольку освоенный диапазон радиоизлу чения эксплуатируется более чем на 100%, т. е. радиостанции работают со взаимными по мехами, невозможность дальнейшего продви жения в сторону коротких длин волн поста вила радиотехнику в тяжелое положение. И только появление лазеров выводит технику связи из тупика, открывает перед нею широ чайшие перспективы.
Инженеры-связисты много лет мечтали об использовании света для целей связи, так как оптический диапазон электромагнитных волн обладает рядом ценных качеств. Во-пер вых, длина видимых световых волн очень мала и составляет всего 0,4—0,8 мкм, а полоса про пускания в тысячи раз больше, чем у самых коротких радиоволн. В оптическом диапазоне можно легко разместить 80 млн. каналов телесвязи. Во-вторых, дифракционные потери света малы, и с помощью зеркал и линз не больших размеров легко получить острона правленные пучки излучения и избежать по терь энергии.
Основным препятствием на пути освоения оптического диапазона было отсутствие необ ходимых источников световых волн. Только
50
ё лазерах впервые было получено достаточно мощное и остронаправленное испускание элек тромагнитных волн. Это и позволяет исполь зовать лазерный луч для передачи голоса и изображения, а также в оптических локаторах и других навигационных приборах.
Световые сигналы костров, факелов были первым средством, которое еще в древности использовал человек для передачи сообщений на большие расстояния. Развитие других средств связи на многие годы отодвинуло на задний план этот способ передачи информа ции. И вот теперь человек возвращается к свету, но этот возврат происходит на новом, не сравненно более высоком техническом уровне.
Небо над Москвой рассекает красный све товой шнур. Он протянулся от Ленинских гор до Зубовской площади. Москвичи, пользуясь АТС с индексами Гб и АВ9, обращают внима ние на необыкновенную слышимость, отсутст вие шумов и потрескиваний. И неудивительно: разговор идет по лазерному лучу, работает оптический телефон.
Весной 1966 г. в г. Минске проходила вы ставка, посвященная достижениям республики за семилетку. Посетители выставки подолгу задерживались около телевизионной установ ки, созданной группой сотрудников Института физики Академии наук БССР. Любой посети тель, сев в специально отведенное кресло, мог увидеть на экране телевизора свое изображе ние, переданное с помощью красного луча ге- лий-неонового лазера. Но достаточно было преградить луч рукой, как изображение исче зало.
4* |
51 |
На пути широкого практического примене ния лазеров для целей связи стоит немало не решенных проблем. Так, одно из важных преимуществ лазерного луча — его острая на правленность — приводит к трудности отыска ния в пространстве приемника излучения и удержания на нем луча. Если приемник дви жется, то сделать это довольно трудно. По этому сейчас разрабатываются системы само наведения лазера по свету, отраженному от приемника.
Распространение света в земных условиях в большой степени зависит от состояния ат мосферы. Дождь и снегопад служат непреодо лимой преградой для передачи излучения на большие расстояния. Поэтому ученым прихо дится искать «атмосферные окошки», т. е. те длины волн инфракрасного спектра, которые слабо поглощаются в атмосфере. Как сообщи ла одна американская фирма, ею разработана лазерная телекамера, с помощью которой можно получить изображение объекта в ту мане. Такие камеры будут устанавливаться на самолетах и облегчат их посадку в плохую погоду. Второй путь преодоления помех, созда ваемых атмосферой, заключается в использо вании световодов. По ним свет может переда ваться так же, как радиоволны по волно водам.
Многие трудности исчезают при переходе из атмосферы Земли в космическое простран ство. Лазеры как будто специально созданы для установления связи в космосе. Малые га бариты и вес, высокая эффективность, огром ная полоса пропускания — все это делает оп-
52
гические системы связи исключительно цен ными приборами для межпланетных кораблей и космических станций. А при передаче инфор мации на многие миллионы километров они, по-видимому, будут вообще незаменимыми, поскольку использование средств радиосвязи на Таких расстояниях малоэффективно.
Усиленно разрабатываются системы для связи Земли' со спутником или космическим кораблем, входящим в плотные слои атмосфе ры. Радиосвязь при этом прекращается, так как вокруг корабля образуется плазма. Опыты по распространению света в плазме показы вают, что с помощью лазеров может быть обеспечена связь с кораблем в такой ответст венный момент его движения.
Дальномеры и локаторы. По синим волнам океана со скоростью 100 км в час мчится ко рабль на подводных крыльях, а специальные самописцы вычерчивают рельеф дна. Прохо дит несколько дней интенсивной работы, и карта обширного района готова. Сейчас такая картина может показаться фантастической, поскольку картографирование — весьма слож ная и трудоемкая работа, требующая больших затрат времени. Однако применение лазеров делает скоростную съемку морского дна впол не реальной.
Локаторы и дальномеры были едва ли не самыми первыми приборами, в которых нашло применение когерентное излучение оптических генераторов. Для измерения расстояний мож но использовать лазер, который дает один-два импульса света в секунду продолжитель ностью в несколько миллиардных долей се
53