Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 46 (всего у книги 52 страниц)
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. Р�Рј является химический кислород-йодный лазер, который размещается РІ задней части самолета. РћРЅ РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ непрерывный лазерный пучок Р�Рљ-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 Р�РґР°, Антос. Масисто, Египланто Рё Аракнея, Р° также РЅР° утесах Лемно Рё Кифара, для передачи РІ РђСЂРіРѕ весть Рѕ захвате РўСЂРѕРё ахейцами.
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.
В Северной Америке одна из первых оптических систем связи была установлена около 300 лет назад в колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек в Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило ряд позиций для сигнальных огней во многих деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. В этой цепи, которая начиналась с �ль Верте, на расстоянии около 200 км от Квебека ниже по течению, было не менее 13 пунктов. С начала 1700-х гг. в каждой из этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать за сигналом, посылаемым из деревни ниже по течению, и передавать его далее. С помощью такой системы сообщение о британской атаке в 1759 г. достигло Квебека прежде, чем было слишком поздно.
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.
�зобретение лазера стимулировало возросший интерес к оптической связи. Однако, вскоре было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки с газовыми линзами и диэлектрические волноводы, но все они были оставлены в конце 1960-х гг., когда были разработаны оптические волокна с 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.
Как часто бывает в таких ситуациях, в Великобритании, Японии и США начались интенсивные усилия с целью получить волокна с улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут в 1970 г. Е. П. Капроном, Дональдом Кеком и Робертом Майером их Компании Корнинг Глас. Они изготовили волокна, которые имели потери 20 дБ/км на длине волны 6328 А (длина волны He-Ne-лазера). В том же году �. Хаяши с сотрудниками сообщили о лазерном диоде, работающем при комнатной температуре.
В 1971 г. �. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой связи в AT&T Bell Laboratories (Холмдел, Нью-Джерси, США), и ему было поручено разработать системы с высокой скоростью передачи информации. Его начальники У. Даниельсон и Р. Компфнер перевели часть персонала в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы не спускать глаз с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.
Р�так, предварительный эксперимент был сделан РІ середине 1976 Рі. РІ Атланте СЃ оптическими волоконными кабелями, помещаемыми РІ трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел Рє созданию системы, которая связала РґРІРµ телефонные станции РІ Чикаго. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этих первых результатов, осенью 1977 Рі., РІ Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. Р’ 1983 Рі. СЃРІСЏР·СЊ была установлена между Вашингтоном Рё Бостоном, хотя это Рё было связано СЃ РјРЅРѕРіРёРјРё трудностями. Рта система СЃРІСЏР·Рё работала СЃРѕ скоростью передачи 90 РњР±РёС‚/СЃ. Р’ ней использовалось РјРЅРѕРіРѕРјРѕРґРѕРІРѕРµ волокно РЅР° длине волны 825 РЅРј.
Между тем NTTC (японская телеграфная Рё телефонная компания) сумела вытягивать волокна СЃ потерями лишь 0,5 РґР‘/РєРј РЅР° длинах волн 1,3 Рё 1,5 РјРєРј, Р° Линкольновская лаборатория РІ MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного РґРёРѕРґР°, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРіРѕ непрерывно работать РІ диапазоне между 1,0 Рё 1,7 РјРєРј РїСЂРё комнатной температуре. Р�спользование волокон СЃ малыми потерями РЅР° 1,3 РјРєРј позволило создать более совершенные системы. Были построены системы СЃ пропусканием 400 РњР±РёС‚/СЃ РІ РЇРїРѕРЅРёРё Рё 560 РњР±РёС‚/СЃ РІ Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. Р’ РЎРЁРђ было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая РІСЃРµ еще использует медный РїСЂРѕРІРѕРґ, является СЃРІСЏР·СЊ между РґРѕРјРѕРј Рё телефонной станцией. Рта последняя миля, как ее стали называть, также становится объектом волоконной СЃРІСЏР·Рё.
Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен в действие в 1858 г. Почти сто лет спустя, в 1956 г., был проложен первый телефонный кабель, получивший название ТАТ-1. В 1988 г. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей на оптических волокнах (их стали называть ТАТ-8). Они работают на длине волны 1,3 мкм и связывают Европу, Северную Америку и Восточную часть Тихого океана. В 1991 г. началось установление второго поколения волоконно-оптической связи, ТАТ-9, которая работает на 1,3 мкм и связывает США и Канаду с Великобританией, Францией и �спанией. Другая линия работает между США и Канадой и Японией.
В мире имеется ряд других волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией и Японией покрывает 27 300 км в Атлантическом океане, Средиземном море, Красном море, �ндийском океане, в Тихом океане, и имеет 120 000 промежуточных усилителей на пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 г. использовал 36 преобразователей, а первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.
Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.
Однако имеется РѕРґРЅРѕ достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Рто возможность непосредственно усиливать оптические сигналы РІ волокне, С‚.Рµ. без необходимости сперва извлекать РёС… РёР· волокон. Путем добавления РІ материал волокна примесей подходящих элементов, например СЌСЂР±РёСЏ, Рё возбуждения РёС… СЃ помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё СЌСЂР±РёСЏ СЃ переходом, который точно соответствует 1,5 РјРєРј. Р’ результате можно получить усиление импульса света РЅР° этой длине волны РїСЂРё его распространении через волокно. РљСѓСЃРѕРє такого активного волокна помещается между РґРІСѓРјСЏ концами волокон, через которые распространяется сигнал. РЎ помощью оптического ответвителя РІ этот РєСѓСЃРѕРє направляется Рё излучение накачки. РќР° выходе остаток излучения накачки выходит наружу, Р° усиленный сигнал продолжает распространение РІ волокне. РЎ помощью такого РїРѕРґС…РѕРґР° можно исключить промежуточные электронные усилители. Р’ старых системах электронных усилителей свет выходил РёР· волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался Рё преобразовывался РІ свет, который продолжал распространяться РІ следующей секции волокна.
