Крушение парадоксов
Шрифт:
Оптические линии связи встречаются с трудностью, не играющей существенной роли для радиорелейных линий. Ведь световые волны полностью поглощаются туманом, дождем или снегопадом, не сказывающимися заметно на распространении радиоволн. Поэтому для защиты оптических линий от неблагоприятного влияния погоды их приходится заключать в трубы, а для предохранения труб от повреждения — закапывать в землю.
Естественно, возникает вопрос — почему не использовать в таких линиях сантиметровые радиоволны? Ответ прост. Для радиоволн нужно применять волноводы — металлические трубы с тщательно обработанными внутренними поверхностями. Работы в этом направлении ведутся, но трудности очень велики. В случае оптических линий металлические трубы просто не нужны. Их могут заменить
Наибольшие трудности при практическом построении оптических линий связи возникают с необходимостью обеспечения больших точностей. Ведь, говоря языком геометрической оптики, лучи света должны быть очень точно направлены от одного элемента линии к другому, от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Особенно сложна не первоначальная настройка линии. С этим оптики и инженеры справляются легко. Затруднения возникают в процессе эксплуатации, когда линия уже лежит в земле и труднодоступна обслуживающему персоналу. Здесь на помощь приходит автоматика, исправляющая положение отдельных элементов, нарушенное в случае усадки грунта или в результате других причин.
Выбор между зеркалами и линзами, причем в пользу зеркал, определен в настоящее время чисто практическими соображениями устойчивости оптической линии при неблагоприятных внешних воздействиях. Оказывается, комбинируя зеркала в подобие обычных перископов, можно сделать перископические блоки гораздо менее чувствительными к случайным внешним воздействиям, чем обычные зеркала или линзы.
А.М. Прохоров и его давнишний сотрудник А.И. Барчуков со свойственной им острой способностью находить новые возможности в теориях и разработках применили зеркальную линию в своем лазере. Этот лазер, использующий углекислый газ, работает в инфракрасном диапазоне на волне около 10 микрон. Такие лазеры способны генерировать большие мощности, но их длина зачастую превышает 100 метров. Для экономии места их обычно «складывали» из отдельных отрезков, так что резонатор лазера содержал большое количество зеркал. Это ухудшало качество резонатора, сильно затрудняло его юстировку и делало его чувствительным к толчкам и другим внешним воздействиям.
Прохоров и Барчуков решили заменить резонатор оптической линией, образованной специальными зеркалами. Чтобы добиться этого, достаточно убрать крайние зеркала, придававшие прежним конструкциям свойства резонатора. Конечно, лазер терял способность генерировать. Он превращался из оптического квантового генератора в оптический квантовый усилитель.
Но именно этого и добивались Прохоров и Барчуков. Они направили в такой усилитель излучение сравнительно маломощного, но высококачественного лазера того же типа. Его длина составляла всего около трех метров. Он очень надежен и устойчив. Длинный усилитель, воспринявший все преимущества квазиоптической линии перед резонатором, оказался весьма надежным и удобным. Ведь он отличался от обычной зеркальной линии только тем, что между ее зеркалами помещены трубки с углекислым газом, возбуждаемым электрическим разрядом. Благодаря остроумной находке Прохоров и Барчуков сумели «уложить» свой огромный лазер на «этажерке», легко помещающейся в одной из самых маленьких комнат их лаборатории.
Одно из оригинальных применений квазиоптических методов разработала Наталия Александровна Ирисова в лаборатории, руководимой Прохоровым. Она поставила перед собой задачу создания метрики в почти не освоенных диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн.
В этих диапазонах измерительные методы классической радиотехники полностью теряют силу просто из-за того, что размеры волномеров, измерительных линий
Добротность объемных сверхминиатюрных резонаторов становится недопустимо малой. Одним словом, попытка ограничиться простым изменением размеров при сохранении общих принципов не приводит ни к чему хорошему.
Именно здесь, в диапазоне, лежащем между царством оптиков и государством радистов, естественно развивать квазиоптические методы, создавать специфические аналогии оптических приборов.
Однако то, что уже сделано для диапазона сантиметровых волн, здесь не годилось. Не существовало подходящих прозрачных материалов для изготовления хороших линз. Не из чего было создать полупрозрачные зеркала для интерферометров. Все приходилось начинать сначала. Основным элементом большинства приборов Ирисовой стали сеточки, образованные тончайшими металлическими проволочками. Они столь тонки, что рамки, на которых они натянуты, кажутся пустыми.
Сеточки прозрачны для света потому, что между проволочками толщиной всего в несколько десятков микрон оставлены такие же промежутки. Эти промежутки прозрачны и для радиоволн, с которыми работает Ирисова, прозрачны для тех волн, которые поляризованы поперек проволочек. Стоит повернуть сеточку на четверть оборота, и она будет отражать эти волны так же хорошо, как если бы она была сделана из сплошного металла. В этом случае радиоволна возбудит в проволочках электрические токи, которые погасят падающую волну и породят идущую обратно отраженную волну.
Если же сеточка повернута так, что проволочки идут в некотором промежуточном направлении, она частично отразит, а частично пропустит падающую на нее волну. Так простая сеточка работает в качестве управляемого делителя мощности.
Взяв две параллельные сеточки, Ирисова создала резонатор, субмиллиметровый аналог оптического интерферометра Фабри — Перо, позволяющий удобно и точно мерить длину падающих на него волн.
Здесь не место описывать все придуманные и осуществленные ею и ее сотрудниками квазиоптические детали. На их основе создан спектроскоп, параметры которого существенно превосходят характеристики всех известных отечественных и зарубежных приборов, построенных на основе традиционных деталей.
Ирисова и ее сотрудники не только творцы этих замечательных приборов, но и первые их потребители. Они уже применяют свои приборы в исследовательских целях и получили много новых интересных данных о свойствах различных веществ в осваиваемом ими диапазоне. Диапазоне, куда они проникают со стороны радиоволн и где они все чаще и чаще встречают лазеры.
Большинство особенностей зеркальных и линзовых линий связи, как, впрочем, и способность открытого резонатора удерживать внутри себя энергию световых волн, можно усмотреть из существования каустических поверхностей. Так называются воображаемые поверхности, отличающиеся тем, что их касаются все лучи, проходящие через пару линз или идущие от одного зеркала к другому. Такие поверхности можно заметить уже в геометрических построениях Гюйгенса и Декарта.
Если все лучи света касаются какой-либо поверхности, значит ни один из них не пересекает ее. Значит, свет не проходит сквозь поверхность, даже если она и является воображаемым геометрическим образом. Это и есть та открытая стенка открытого резонатора или открытой оптической линии, о которой столько раз говорилось выше. Но рассуждения геометрической оптики, верно описывающие ситуацию в общих чертах, не могут объяснить ни причину возникновения каустик, ни реальное распределение электромагнитного поля вблизи каустики. Волновая теория может. Она показывает, как каустики возникают в результате взаимодействия (интерференции) волн, отраженных от поверхности зеркала или прошедших сквозь линзу, и волн, дифрагировавших на ее границе.