В. Жуков - Физика в бою
Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн. Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что они открывали новые способы генерации и усиления радиочастот. По ряду показателей они превосходили известные радиотехнические устройства и поставили своеобразные рекорды.
Особенно существенное влияние квантовые усилители оказали на дальность действия радиосистем. Как известно, дальность зависит от чувствительности аппаратуры. В свою очередь, чувствительность зависит от уровня собственного шума приемников, создаваемого их же контурами и лампами. Благодаря тому что квантовые усилители работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 270 °C), уровень собственного шума приемников с такими усилителями в 1 тыс. раз меньше, чем у приемников с электронными лампами.
Можно смело сказать, что осуществление таких выдающихся научных экспериментов, как слежение за автоматическими межпланетными станциями и радиолокация планет солнечной системы, было бы невозможно без использования квантовых усилителей радиочастот.
В 1960 г. открылась новая страница в истории молодой науки: стали разрабатываться квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры). За создание оптических квантовых генераторов советские ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоены Нобелевской премии. Суть вопроса здесь такова. Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные волны, испускаемые известными до сих пор источниками света, и волны, излучаемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение световых источников — ламп накаливания— состоит из квантов самых различных частот и занимает очень широкий спектр (практически весь видимый диапазон). В силу этого обычные световые источники пригодны лишь для простейшей сигнализации. Квантовые же генераторы излучают исключительно направленные световые волны определенной частоты.
Угол расхождения луча оптического квантового генератора, как и в радиотехнике, определяется отношением длины волны к диаметру антенны или линзы. Поскольку в диапазоне видимого света длины волн (0,7–0,4 микрона) в 10 тыс. раз меньше, чем, допустим, в диапазоне сантиметровых волн, то и раствор направленного излучения при одинаковых размерах антенн в оптическом диапазоне получается во столько же раз меньше. Например, при диаметре рефлектора в 1 м предельный угол расхождения луча на волне красного света (0,7 микрона) составит менее одной угловой секунды, а на волне 2 см — около 1°, т. е. будет в тысячи раз больше. А от величины угла излучения зависит концентрация энергии в пространстве. Она обратно пропорциональна квадрату угла расхождения луча.
Таким образом, в оптическом диапазоне плотность излучения получается в миллионы и десятки миллионов раз выше, чем в радиодиапазоне. Это свойство световых излучений показывает, что в оптическом диапазоне системы связи и локации принципиально могут быть более экономичными. При меньших мощностях передатчиков можно достигнуть больших дальностей действия. Кроме того, высокая направленность оптических излучений позволяет получить соответственно в тысячи раз большую точность определения угловых координат, лучшую разрешающую способность. Появляются также неограниченные возможности для передачи информации: в диапазоне световых волн может быть размещено, например, несколько десятков миллионов телевизионных каналов.
В зарубежной печати отмечается, что свойства квантовых генераторов позволяют по-новому решать целый ряд задач в области локации, управления и связи и, кроме того, разработать принципиально новые виды вооружения.
В настоящее время разработано несколько типов оптических квантовых генераторов. Наиболее распространен квантовый генератор на рубине. Он включает в свой состав рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркалами и подсвечиваемый лампой-вспышкой. Эта лампа переводит ионы хрома, находящиеся в кристаллической решетке рубина, в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние они вызывают излучение, выводимое через одно из зеркал, которое делается полупрозрачным. В качестве рабочего вещества, кроме рубина, могут быть использованы и другие материалы, например стекло с присадкой редкоземельных элементов и некоторые смеси газов.
Оптические квантовые генераторы делают лишь первые шаги. Как отмечалось в печати, существующие за рубежом образцы еще недостаточно совершенные устройства и не достигли всех предсказываемых теорией возможностей. Пока крайне мал коэффициент полезного действия генераторов — всего около 1 %. Поэтому большой интерес за рубежом вызвало появление в прошлом году оптических квантовых генераторов на полупроводниках, которые не требуют лампы-вспышки и непосредственно преобразуют электрический ток в индуцированное излучение.
Большинство зарубежных специалистов высказывают мнение, что оптические квантовые генераторы найдут практическое применение прежде всего в системах космической связи. Минимальная ширина луча, которая при этом может быть достигнута, составляет доли угловой секунды. Для создания столь узких лучей в сантиметровом диапазоне радиоволн потребовалась бы антенна диаметром в несколько километров! Высокая концентрация энергии в системах связи с оптическими квантовыми генераторами, как полагают, обеспечит чрезвычайно большую дальность действия. Подсчитано, например, что при мощности передатчика всего в одну тысячную ватта дальность связи в космосе может достигать миллиона километров.
Высокая направленность излучения оптических генераторов практически исключает возможность перехвата сообщений и создание помех. Однако считают, что такие линии связи потребуют автоматических систем ориентации антенн передатчика и приемника. Следует иметь также в виду, что в нижних слоях атмосферы дальность действия систем оптического диапазона существенно сокращается из-за поглощения и рассеяния световых лучей в облаках, тумане.
Широкое использование оптические квантовые генераторы найдут при создании локационных систем с высокой точностью определения координат. По мнению зарубежных специалистов, такие локаторы необходимы для перехвата космических и воздушных целей, решения задачи встречи космических кораблей, для монтажа межпланетных станций и ряда других задач. Отмечалось, что при малых секторах обзора вследствие высокой направленности излучения локационные системы с квантовыми генераторами могут обеспечить значительно большую дальность действия, чем обычные радиолокаторы. Кроме того, указывалось, что в оптическом диапазоне можно создать локаторы, позволяющие производить измерение скорости движущихся объектов с очень большой точностью (до нескольких сантиметров в секунду).
Оптические локаторы могут быть применены и в качестве портативных дальномеров в сухопутных войсках, авиации и на флоте. Несколько подобных образцов изготовлены, например, в США. Они позволят быстро и с высокой точностью определять расстояние до любых целей и тем самым существенно повысить эффективность оружия. Новые дальномерные системы, как отмечалось, можно использовать при точных картографических съемках местности и для измерения высоты полета летательных аппаратов.
Изучаются также возможности использования оптических генераторов для подводной локации и связи. Особый интерес к этой области зарубежные специалисты стали проявлять в самое последнее время, после разработки квантовых генераторов, работающих в сине-зеленой области видимого спектра, слабо поглощаемого водой. Ожидают, что с помощью достаточно мощных генераторов можно достигнуть дальности подводной связи в несколько сотен метров.
Наиболее сенсационный характер носят сообщения зарубежной печати о возможности использования оптических генераторов для создания лучевого оружия, якобы способного мгновенно поражать различные цели. Подобные идеи возникли после первых лабораторных опытов, во время которых световым лучом прожигались отверстия в кусках металлов и алмаза. На основании этих опытов стали высказываться предположения об использовании оптических квантовых генераторов для поражения живой силы и техники, в частности ракет, самолетов, танков. В США с этой целью изучается разрушение материалов под действием светового излучения. Ряд фирм занят исследованиями, связанными с созданием квантовых генераторов с чрезвычайно высокой выходной энергией. Вынашиваются планы использования космических платформ для размещения на них лучевого оружия, предназначенного для уничтожения баллистических ракет. Имеются высказывания даже о том, что с баз, расположенных на Луне, «можно поражать вражеские объекты, расположенные на Земле, с помощью лазерных лучей смерти».