История лазера. Научное издание
Шрифт:
Пентагон разработал систему, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅСѓСЋ осуществить это, Р° именно, лазер самолетного базирования военно-воздушных СЃРёР» (Air Force's Airborne Laser). Рто химический лазер (COIL химический кислород-йодный лазер), который устанавливается РЅР° самолете Боинг-747. Рта система СЃРїРѕСЃРѕР±РЅР° перехватывать ракеты РЅР° взлете РЅР° расстоянии несколько сотен километров. Рнтерес Рє использованию лазерного излучения для непосредственного уничтожения связан СЃ огромным значением скорости света, С‚.Рµ. достаточно без РІСЃСЏРєРѕРіРѕ упреждения направить лазерный пучок РЅР° цель. Лазер поражает ракету РїСЂРё наведении Рё фокусировании РЅР° нее пучка. Р’ результате металл нагревается вплоть РґРѕ разрушения. Каждый металл имеет СЃРІРѕСЋ характерную точку разрушения: 460РЎ для стали
Рис. 63. Левая часть рисунка показывает, как лазерный пучок повреждает бак жидкостной ракеты (верху), или деформирует корпус ракеты (внизу). В результате или повреждается бак и ракета разваливается (вверху), или повреждается ракета (внизу) и сбивается с курса
РќР° борту самолета Р±СѓРґСѓС‚ три главные лазерные системы. Первая, которая создает смертельный для ракеты пучок, является лазером непрерывного действия. Две РґСЂСѓРіРёРµ являются импульсными лазерами. РћРґРёРЅ РёР· РЅРёС… служит для наведения РЅР° цель, Р° РґСЂСѓРіРѕР№ для формирования главного пучка СЃ учетом состояния атмосферы (СЃРј. далее раздел, посвященный адаптивной оптике). Очевидно, что главной частью системы является лазер поражения цели. РРј является химический кислород-йодный лазер, который размещается РІ задней части самолета. РћРЅ РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ непрерывный лазерный пучок РРљ-излучения РЅР° длине волны 1,315 РјРєРј СЃ мощностью несколько мегаватт (существенно большей, чем достигалось лазерами этого типа РґРѕ недавнего времени). Р’ этом лазере возбужденные атомы Р№РѕРґР° получаются РїСЂРё многократных столкновениях СЃ возбужденными молекулами кислорода (С‚.РЅ. синглетный кислород), которые получаются РІ результате химической реакции (реакция хлора СЃРѕ щелочным раствором перекиси РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°). Рта система разрабатывается СЃ 1997 Рі. Рё подвергалась некоторой критике.
Солнечные лазеры
Сразу же после открытия лазера стали мечтать Рѕ РїСЂСЏРјРѕРј преобразовании белого, некогерентного солнечного света РІ монохроматическое, когерентное излучение лазера. Рто позволило Р±С‹, например, существенно уменьшить вес лазерной системы, располагаемой РЅР° спутнике, поскольку РІСЃРµ функции системы накачки могли Р±С‹ выполняться Солнцем. Рти мечты РІСЃРєРѕСЂРµ были реализованы, Рё РІ 1966 Рі. были созданы лазеры СЃ солнечной накачкой. Однако РёС… эффективность была довольно РЅРёР·РєРѕР№, типично РїРѕСЂСЏРґРєР° 1%, С‚.Рµ. лишь сотая доля собранного солнечного излучения преобразовывалась РІ лазерный свет. Позднее, были разработаны весьма совершенные СЃРїРѕСЃРѕР±С‹ концентрации солнечного света, немыслимые прежде. Р’ результате получалась концентрация 72 Р’С‚/РјРј2, что превышает интенсивность света РЅР° самой поверхности Солнца (63 Р’С‚/РјРј2). РЎ такими значениями интенсивности света накачки можно создать лазеры СЃ улучшенными параметрами. Рффективность уже превзошла 6%.
Оптические волокна и лазерная связь
РЎРѕ времен античности свет использовался для передачи сообщений. Р’ Китае, Египте, Рё РІ Греции использовали днем дым, Р° ночь РѕРіРѕРЅСЊ для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической СЃРІСЏР·Рё РјС‹ можем вспомнить осаду РўСЂРѕРё. Р’ своей трагедии Агамемнон, РСЃС…РёР» дает детальное описание цепочки сигнальных огней РЅР° вершинах РіРѕСЂ РРґР°, Антос. Масисто, Египланто Рё Аракнея, Р° также РЅР° утесах Лемно Рё
В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.
На Капри до сих пор можно видеть руины античного Фаро (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.
Р’ Северной Америке РѕРґРЅР° РёР· первых оптических систем СЃРІСЏР·Рё была установлена около 300 лет назад РІ колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек РІ Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило СЂСЏРґ позиций для сигнальных огней РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. Р’ этой цепи, которая начиналась СЃ Рль Верте, РЅР° расстоянии около 200 РєРј РѕС‚ Квебека ниже РїРѕ течению, было РЅРµ менее 13 пунктов. РЎ начала 1700-С… РіРі. РІ каждой РёР· этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать Р·Р° сигналом, посылаемым РёР· деревни ниже РїРѕ течению, Рё передавать его далее. РЎ помощью такой системы сообщение Рѕ британской атаке РІ 1759 Рі. достигло Квебека прежде, чем было слишком РїРѕР·РґРЅРѕ.
В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (18471922) получил патент на фотофон устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:
Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов ...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить.
Рзобретение лазера стимулировало возросший интерес Рє оптической СЃРІСЏР·Рё. Однако, РІСЃРєРѕСЂРµ было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки СЃ газовыми линзами Рё диэлектрические волноводы, РЅРѕ РІСЃРµ РѕРЅРё были оставлены РІ конце 1960-С… РіРі., РєРѕРіРґР° были разработаны оптические волокна СЃ малыми потерями.
Понимание, что тонкие стеклянные волокна РјРѕРіСѓС‚ проводить свет Р·Р° счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной СЃ XIX РІ. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) Рё использованной РІ инструментах Рё для освещения. Однако РІ 1960-С… РіРі. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. Р’ то время типичным значением ослабления был РѕРґРёРЅ децибел РЅР° метр, означающим, что после РїСЂРѕС…РѕРґР° 1 Рј пропущенная мощность уменьшается РґРѕ 80%. Поэтому было возможным лишь распространение РїРѕ волокну длиной несколько десятков метров, Рё единственным применением была медицина, например СЌРЅРґРѕСЃРєРѕРїС‹. Р’ 1966 Рі. Чарльз Као Рё Джордж РҐРѕРєС…СЌРј РёР· Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, РІ которой показали, что если РІ плавленом кварце тщательно устранить примеси, Р° волокно окружить оболочкой СЃ меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления РґРѕ -20 РґР‘/РєРј[15]. Рто означает, что РїСЂРё прохождении длины 1 РєРј мощность пучка ослабляется РґРѕ РѕРґРЅРѕР№ сотой РІС…РѕРґРЅРѕР№ мощности. Хотя это Рё очень малое значение, РѕРЅРѕ приемлемо для СЂСЏРґР° применений.