Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 45 (всего у книги 52 страниц)
ГЛАВА 14
РЕШЕН�Е В ПО�СКЕ ПРОБЛЕМЫ �Л� МНОГ�Е ПРОБЛЕМЫ С ОДН�М � ТЕМ ЖЕ РЕШЕН�ЕМ?
ПР�МЕНЕН�Я ЛАЗЕРОВ
Р’ 1898 Рі. Рі. Уэллс вообразил РІ своей РєРЅРёРіРµ Р’РѕР№РЅР° РјРёСЂРѕРІ захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, Рё прожигать сталь, как если Р±С‹ РѕРЅР° была бумагой. Подобным оружием пользовались персонажи карикатур, мультфильмов Рё РєРѕРјРёРєСЃРѕРІ перед Рё после Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. Рто рождало мечты военных РѕР± оружии будущего. Р’ настоящее время пучки лазеров высокой мощности делают это реальным.
Как только был создан первый лазер, сочинители стали использовать его вместо старомодных лучей смерти для своих персонажей, и таблоиды развлекали ужасными выдумками о возможных разработках лазерных пушек и других выдуманных орудиях. Артур Шавлов демонстрировал на конференциях возможности, предоставляемые рубиновым лазером, с помощью пистолета с маленьким рубиновым лазером внутри его, излучение которого взрывало маленький голубой воздушный шарик. Собирая примеры фантазий прессы, он прибил на двери своего кабинета в Стэнфордском университете вырезку со словами невероятный лазер, под которой написал если интересуетесь правдоподобным лазером, заходите.
Свет лазера отличается от света обычных источников света примерно так же, как музыкальный звук отличается от шума. Более того, пучок лазера может распространяться на километры, лишь слегка увеличиваясь в диаметре. Так, когда в 1969 г. пучок рубинового лазера был послан на Луну, чтобы отразиться от системы отражателей, установленной Армстронгом, пучок на Луне имел диаметр лишь 9 км.
Еще одна особенность лазеров их огромная яркость. Когда мы греемся на солнце в полдень летнего дня, солнечный свет, падающий на наш палец, имеет мощность около десятой доли Вт. Свет от лазера можно сконцентрировать в точку на нашем пальце, при этом мощность может достигать 109 Вт!
Рти свойства, Р° также РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ число типов лазеров привело Рє многочисленным применениям РІ самых различных областях, причем РёС… число увеличивается. Рта ситуация сильно отличается РѕС‚ того, что было сразу же после изобретения лазера. РўРѕРіРґР° еще РЅРµ было никаких применений, Рё люди говорили, что лазер был блестящим решением проблемы, которая еще РЅРµ существует (решение, ждущее проблемы).
В настоящее время существует множество типов лазеров, от огромных, величиной с футбольное поле, до миниатюрных величиной с булавочную головку. Свет, который они испускают, простирается по спектру от невидимого инфракрасного диапазона до ультрафиолета и даже рентгена, через видимый свет всех цветов радуги. Некоторые из длин волн можно плавно перестраивать. �нтенсивность может изменяться на много порядков.
Некоторые лазеры испускают импульсы с длительностью до фемтосекунды (1015 с), а другие могут испускать пучки в течение десятилетий. Подобно лучам Уэллса, некоторые лазеры позволяют сфокусировать их свет в яркую точку так, что концентрация энергии в ней оказывается достаточной для испарения стали или любых других материалов. Другие испускают энергию, которой не хватит, чтобы сварить яйцо. �нтенсивность сфокусированного мощного лазерного излучения может превышать ту, что получается при ядерном взрыве (разумеется, за очень короткий (фемтосекунды) интервал времени).
Немного найдется научных достижений, которые так возбудили Р±С‹ воображение ученых Рё инженеров, как лазер. Лазер дал возможность экспериментально исследовать оптически нагреваемую плазму, причем СЃ помощью мощного лазерного излучения можно получить контролируемую термоядерную реакцию. Возникло РЅРѕРІРѕРµ научное направление нелинейная оптика. РћРЅР° включает такие явления, как генерация оптических гармоник, С‚.Рµ. новых лазерных длин волн, параметрическое усиление Рё генерация, позволяющая плавно перестраивать длину волны лазерного излучения, фотонное СЌС…Рѕ, самоиндуцированная прозрачность, самофокусировка лазерного пучка. РЎ помощью лазеров производятся точнейшие измерения дистанций вплоть РґРѕ Луны, фиксируется скорость дрейфа континентов. Р’ спектроскопии реализуется исключительно высокое разрешение. Рто позволяет определить значение фундаментальных физических констант СЃРѕ значительно большей точностью. Стала возможной генерация ультракоротких оптических импульсов. РЎ РёС… помощью изучаются сверхбыстрые явления РІ атомах, молекулах, РІ газах, жидкостях Рё твердых телах.
Лазеры также входят в повседневную жизнь. Они используются в принтерах и в проигрывателях компакт-дисков и позволяют получать высококачественные изображения и звук. В криминалистике с помощью лазеров фиксируют отпечатки пальцев, оставленные много лет назад. Голограммы дают трехмерное изображение. Лазерные эффекты используются для спецэффектов в кино, на рок-концертах и других подобных мероприятиях.
Р’ самом начале было мало возможностей для коммерческой деятельности РІ области лазеров, Р·Р° исключением продажи деталей Рё компонентов, нужных для изготовления лазеров Рё РёС… последующего развития. Компании, которые хотели действовать РІ этой области, вынуждены были проводить СЃРІРѕРё собственные прикладные исследования СЃ целью получения контрактов, РІ особенности РѕС‚ военных. Выражение лазер это решение РІ РїРѕРёСЃРєРµ проблемы было обычным РІ то время. Затем лазерные технологии вошли РІ фазу разработок, РІ которой были найдены применения. РњРЅРѕРіРёРµ компании РЅР° этой фазе РЅРµ хотели или РЅРµ решались включиться РІ технологию, применения которой были туманны, Рё устранились РёР· этой области. Однако, СЃ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, РјРЅРѕРіРёРµ предприниматели удвоили усилия, стараясь найти применения Рё коммерческие перспективы. Р’ настоящее время лазерная технология прорвалась. Можно указать РјРЅРѕРіРѕ применений, РіРґРµ лазеры РїСЂРё меньшей стоимости обеспечивают лучшую эффективность, чем старые технологии. Сегодня имеется рынок лазерной продукции РІ области телекоммуникаций, РІ области обработки Рё сохранения информации, РІ типографском деле, РІ области обработки материалов, РІ медицине Рё РґСЂ. Р’ будущем ожидается ещё большее расширение рынка. Для неспециалиста СЏСЃРЅС‹ преимущества лазерных технологий РІ таких областях, как видео– Рё аудиодиски, лазерные принтеры, система штрих-РєРѕРґРѕРІ РЅР° товарах, волоконно-оптическая СЃРІСЏР·СЊ Рё некоторые медицинские процедуры лечения СЃ помощью лазеров.
Новые слова описывают использование света РІ его различных применениях. Рлектроника термин, обычно употребляемый для характеристик электронов Рё применений СЃ РёС… участием. Ртот термин используется СЃ 1910 Рі. РљРѕРіРґР° был открыт мазер, С‚.Рµ. электронное устройство, для которого было необходимо знание квантовой механики, был придуман термин квантовая электроника. Ртот термин был затем распространен РЅР° РІСЃРµ устройства электроники, для которых требовалось понимание квантовой механики, например, транзисторы. Оптоэлектроника термин сравнительно недавнего происхождения (впервые РѕРЅ был введен РІ 1955 Рі., даже РґРѕ изобретения лазера), РѕРЅ относится Рє явлениям Рё устройствам, работа которых РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїСЂРё совместном действии электроники Рё оптики. РњРЅРѕРіРёРµ современные устройства, использующие лазеры, являются типичными оптоэлектронными устройствами, Рё сам лазер можно отнести Рє оптоэлектронному устройству. Для более специфического описания применений РІ устройствах СЃ использованием фотонов, особенно РІ области передачи информации, СЃ 1952 Рі. стали использовать термин фотоника, означающий, РїРѕ аналогии СЃ термином электроника, применение или получение фотонов РІ устройствах для передачи информации, Р° также РІ СЂСЏРґРµ явлений. Рљ таким явлениям относятся: получение направленного пучка фотонов (света), его отклонение, модуляция Рё усиление, оптическая обработка изображений, регистрация Рё запись световых сигналов. Как можно заметить, нет резких границ между этими терминами, Рё часто РѕРЅРё используются взаимозаменяемым образом. РЎРѕ временем может прийти более точное определение каждого термина.
В 1984 г. глобальный рынок лазеров превышал более чем два миллиона евро в коммерческой области в добавок к одному миллиону в военных целях. А в 1994 г. общий объем продаж лазеров составил 1 млрд. евро. В течение этой эскалации успехов и применений не обошлось без забавных недоразумений. Например, в 1970-х гг. дин работник американской таможни решил, что лазеры безопасны, и могут без ограничений импортироваться и экспортироваться, но это не относится к лазерным пучкам!
Здесь мы хотим упомянуть о некоторых огромных возможностях лазеров, описав некоторые из применений, имеющих большой интерес, как с исторической, так и с современной точек зрения.
Лазер для военных целей
Даже РґРѕ того, как были созданы первые лазеры, РѕРЅРё уже вызвали определенный интерес военных РёР·-Р·Р° принципиальной возможности СЂСЏРґР° применений. Было понятно, что высокая направленность лазерного пучка может обеспечить секретность передачи информации, которая получается путем модуляции его интенсивности. РљСЂРѕРјРµ того, возможность фокусирования Рё формирования пучка позволяет снизить потери РїСЂРё распространении, С‚.Рµ. избежать недостатка, присущего радиоволнам. РўРѕРіРґР° казалось, что лазер сможет обеспечить уникальный СЃРїРѕСЃРѕР± коммуникаций или даже передачи энергии. Однако первые же эксперименты, выполненные, как только появились лазеры, показали, что атмосфера Земли оказывает вредное влияние РЅР° распространение света, РѕРЅ поглощается или рассеивается. Если идет дождь или снег, Р° также РІ тумане, распространение невозможно. РќРѕ даже РїСЂРё СЏСЃРЅРѕР№ РїРѕРіРѕРґРµ распространение существенно ухудшается. Например, интенсивность РЅРµ остается постоянной РІРѕ времени, Р° начинает беспорядочно флуктуировать РёР·-Р·Р° явления, которое известно как турбулентность атмосферы. Рто хорошо известно астрономам, которые наблюдают, что изображения звезд флуктуируют РІРѕ времени (РѕРЅРё называют этот эффект сцинтилляциями). Однако такого ограничения можно избежать РІ вакууме, например, между спутниками или РЅР° Луне, Р° также существенно ослабить его РїСЂРё сравнительно коротких дистанциях.
Прекрасный СЃРїРѕСЃРѕР± распространения световых сигналов без существенных потерь был получен РїСЂРё использовании оптических волокон. Ртот СЃРїРѕСЃРѕР± заменяет распространение электрических сигналов РїРѕ проводам или радиоволнами. РЎ помощью специальных стеклянных волокон удается быстро передавать большие объемы информации между континентами. Характеристики волоконно-оптической СЃРІСЏР·Рё лучше, чем радиосвязь Рё СЃРІСЏР·СЊ РїРѕ проводам. Сами волокна весят меньше Рё дешевле, чем медная проволока.
Военные также держали в голове и другие применения, например радар. Радар на оптической частоте может в принципе улучшить точность и разглядеть детали мишени, что невозможно даже при использовании миллиметровых радиоволн. Также возможно измерять скорость мишени. С другой стороны, возмущающие эффекты атмосферы на пучки оптических радаров можно использовать для измерений свойств самой атмосферы (такой прибор называется лидаром), таких, как концентрация озона, загрязнения и турбулентности, информация о которых очень важна для авиасообщений.
Первым военным применением новой лазерной технологии стали дальномеры. Они появились в середине 1960-х гг. Короткий импульс лазерного излучения (около 1030 нс) посылается на цель, и измеряется интервал времени между посылкой и приходом отраженного сигнала. Так как импульс распространяется со скоростью света, это позволяет определить величину дистанции.
РЎ помощью лазеров можно управлять снарядами. Р’ 1965 Рі. специализированное издание сообщило РѕР± испытаниях ручного лазерного устройства для наведения снаряда РЅР° цель. Р’СЃРєРѕСЂРµ были описаны эксперименты, РІ которых лазер использовался для подсветки целей малого размера Рё точного наведения сверхзвуковых ракетных снарядов. Первые системы лазерного наведения РЅР° цель были использованы РІ 1972 Рі. РІ конце вьетнамской РІРѕР№РЅС‹. Умные Р±РѕРјР±С‹, наводимые лазерами, явились предвестниками появление оружия СЃ очень точным наведением. Рто стало поворотным пунктом технологий вооружения, так как новые системы наведения увеличивали вероятность поражения цели РїРѕ сравнению СЃ обычным бомбометанием. Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹ РІ Персидском заливе Рё РІ Сербско-Боснийской РІРѕР№РЅРµ такое оружие СЃ лазерным наведением было обычным. Р’ 1968 Рі. РІ РЎРЁРђ Р’РњРЎ начали исследования возможности использования лазеров большой мощности Рё РІ 1978 Рі. добились успеха, сумев сбить ракету. Затем РђСЂРјРёСЏ изучала возможность использования лазеров для того, чтобы выводить РёР· строя вражеские системы наблюдения Рё даже ослеплять солдат. Администрация Рейгана ввела РІ действие программу антиракетной РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹, основанной РЅР° использовании лазеров, известной РїРѕРґ названием Стратегическая Оборонная Р�нициатива (РЎРћР�). Рта программа была объявлена Рейганом 23 марта 1983 Рі. РІ его знаменитой речи Звездные РІРѕР№РЅС‹. РџРѕ этой программе должны были появиться лазерные системы, способные зафиксировать атаку вражескими баллистическими ракетами Рё уничтожить РёС…. Рта программа встретила значительную критику, Рё РІ конце концов было мало сделано для ее осуществления. Администрация Клинтона пересмотрела РѕР±РѕСЂРѕРЅРЅСѓСЋ стратегию, введя РІ действие организацию, занимающуюся проблемами РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ СЃ помощью ракет (Ballistic Missile Defence Organization), СЃ менее амбициозными целями, РЅРѕ СЃ большей надеждой РЅР° успех.
Большинство оборонных систем спроектировано с целью уничтожения боеголовок ракет, прежде чем они достигнут цели. Уже разработаны такие системы, которые перехватывают ракеты на конечной траектории, после вхождения в атмосферу. Другие системы будут стараться перехватить ракету вне атмосферы или даже на начальном участке траектории, сразу же после запуска.
Как только баллистическая ракета запускается, включаются следующие действия системы РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹. Прежде всего, инфракрасные датчики, установленные РЅР° спутниках, находящихся РЅР° геостационарных орбитах, обнаруживают струю горячего газа ракеты, РєРѕРіРґР° РѕРЅР° минует облака. Спутник посылает сигнал тревоги военному командованию Рѕ том, что произошел запуск, СЃ указаниями области, РєСѓРґР° направлена ракета. Рта информация используется, чтобы направить датчики системы РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ РІ нужные координаты для сопровождения. Рти датчики прослеживают цель, определяют боеголовку Рё передают данные перехватчику. Обычно такими датчиками являются радары, установленные РЅР° Земле, РЅРѕ РІ будущем вместе СЃ РЅРёРјРё Р±СѓРґСѓС‚ задействованы спутники РЅР° РЅРёР·РєРёС… орбитах, оборудованные инфракрасными датчиками. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этих данных запускается перехватчик, который летит РІ место, координаты которого рассчитаны РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ полученных данных. Затем РѕС‚ перехватчика отделяется заряд для уничтожения, который использует СЃРІРѕСЋ систему наведения РІ центр мишени.
Ртот сложный танец, который РјС‹ изложили РІ простой форме. Его хореография должна включать крайне изощренные боевые системы СЃ исключительно быстрыми временами срабатывания. Полное время полета ракеты Скад СЃ радиусом действия 300 РєРј составляет РЅРµ более 4 РјРёРЅ. Ракеты СЃ большим радиусом действия остаются РІ полете РЅРµ более 15 РјРёРЅ.
РћРґРЅРёРј РёР· возможных сценариев работы системы является уничтожение баллистической ракеты РЅР° стадии ее запуска. Преимуществом является то, что двигатели РЅР° старте выпускают РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ количество раскаленного газа, испускающего интенсивное Р�Рљ-излучение. Рто позволяет легко обнаружить запускаемую ракету. Однако необходимо располагаться достаточно близко РѕС‚ ракеты, чтобы перехватить ее, поскольку двигатели работают лишь несколько РјРёРЅСѓС‚. Р’ этот короткий период времени система РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ должна установить Рё определить факт запуска, провести расчет траектории Рё затем перехватить цель.
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. Р�нтерес 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 Рё 182РЎ для алюминия. Существуют, РїРѕ крайней мере, РґРІР° возможных СЃРїРѕСЃРѕР±Р° уничтожения ракеты. Первый СЃРїРѕСЃРѕР± для ракет, имеющих баки СЃ жидким горючим. Прожигание сравнительно тонкой оболочки бака РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє катастрофическим последствиям. Второй СЃРїРѕСЃРѕР± связан СЃ сильным нагревом РІРѕР·РґСѓС…Р° РІ непосредственной близости РѕС‚ ракеты. РљРѕРіРґР° это достигается, РЅР° ракету начинают действовать аэродинамические Рё инерциальные силы, которые изгибают ее (СЂРёСЃ. 63).
