Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 21 страниц)

Если этот транзистор включить в схему, изображенную на рис. 107, то конденсатор С зарядится через резистор R₁ до потенциала электрода, обозначенного стрелкой (его называют эмиттером однопереходного транзистора), и достигнет значения, близкого Е/2. В этот момент скачком вырастет проводимость эмиттерного перехода однопереходного транзистора, и конденсатор быстро разрядится через резистор R₃. Выводы, которые я назвал Б₁ и Б₂, на самом деле служат выводами базы этого транзистора, который не имеет коллектора. В момент разряда конденсатора С через резистор R₃ на выводах этого резистора появляется напряжение, способное возбудить тиратрон.

Рис. 107. Схема на однопереходном транзисторе, предназначенная для создания посредством разряда конденсатора С через R₃ пусковых импульсов для полупроводникового тиратрона. Разряд конденсатора происходит, когда напряжение на его выводах достигает заданной величины.

Н. – По сути дела, твой однопереходный транзистор представляет собой небольшой тиратрон?

Л. – Действительно, здесь имеется определенная аналогия с тиратроном. Но он может пропускать только небольшие токи. Его можно использовать для получения пилообразного сигнала и еще в ряде других схем, но чаще всего он используется в устройствах для возбуждения полупроводниковых тиратронов.

Н. – Я нахожу, что твой однопереходный транзистор весьма любопытный прибор. Но кое-что меня все же беспокоит. Ты пока еще не сказал мне, как в схеме (рис. 107) ты получаешь импульсы ближе или дальше от начала положительного полупериода напряжения сети. Мне кажется, что твоя система должна давать пилообразный сигнал, никоим образом не связанный с напряжением сети.

Синхронизация с частотой сети переменного тока

Л. – Ты прав. Схема на рис. 107 предназначена для того, чтобы объяснить тебе, как работает однопереходный транзистор и как его подключают к тиратрону. Но если тебе нужна полная схема, пригодная для практического использования, то посмотри на рис. 108; ты легко в ней разберешься.

Рис. 108. Полная схема управления средним значением тока в нагрузке с помощью полупроводникового тиратрона, получающего пусковые импульсы от однопереходного транзистора.

Н. – И ты решаешься назвать ее легкой! Да твоя схема просто дьявольски сложная.

Л. – Совсем нет, просто, как и в любой схеме, нужно постараться рассматривать один элемент за другим. Ты видишь, что переменное напряжение U через нагрузку подается к тиратрону. Через эту нагрузку (ею может быть якорь двигателя) протекает ток тиратрона (в те полупериоды, при которых анод становится положительным относительно катода), когда тиратрон находится в возбужденном состоянии. Напряжение на выводах тиратрона используется для получения с помощью резистора R₄ и диода Зенера (стабилитрона) напряжения питания для однопереходного транзистора. Как только напряжение на выводах тиратрона становится положительным и по своему значению хотя бы немного выше напряжения диода Зенера, резистор R₄ поддерживает между точками А и В постоянное напряжение, равное напряжению Зенера.

Если напряжение на выводах тиратрона отрицательное (анод отрицателен относительно катода), диод Зенера работает как обычный диод и поддерживает потенциал точки А на уровне, почти равном потенциалу точки В. Следовательно, цепочка однопереходного транзистора теперь питается напряжением, существующим между точками А и В, которое заменяет напряжение Е со схемы (рис. 107). Конденсатор С начинает заряжаться точно в тот момент, когда напряжение на выводах тиратрона становится таким, что анод становится положительным относительно катода. Конденсатор перестает заряжаться в тот момент, когда его заряд становится достаточным, чтобы сделать однопереходный транзистор проводящим.

Если транзистор Т заперт, конденсатор заряжается быстро и возникающий на выводах резистора R₃ импульс возбудит тиратрон практически уже в начале положительного полупериода. Если же ток от источника е, поступающий на базу транзистора Т, не запирает последний, то ток транзистора разряжает конденсатор. Следовательно, конденсатор будет заряжаться медленнее, в результате чего включение однопереходного транзистора, а значит, и возбуждение тиратрона произойдут позднее. Поэтому средний ток, протекающий по тиратрону, будет очень маленький.

Н. – Все это далеко не так просто, как ты говоришь. Но тем не менее я уследил за твоими объяснениями. Однако в этой схеме, как и во всех предыдущих, одно обстоятельство меня огорчает: практически используется только один полупериод переменного напряжения, а другой неизбежно теряется.

Л. – Верно, а если это тебя огорчает, можно использовать два тиратрона, включенных в противоположных направлениях; каждый из этих тиратронов работает только один полупериод. В этом случае понадобится еще два обычных диода, их соединяют с обоими тиратронами так, чтобы токи обоих полупериодов протекали по нагрузке в одном направлении. Как ты видишь, в конечном итоге схема получилась не такой уж сложной и она превосходно может использоваться для управления двигателями очень большой мощности.

Н. – Мне очень хочется тебе верить, но остался еще один и, по-видимому, последний беспокоящий меня вопрос: приходящий по двигателю ток резко возрастает; если мы хотим его уменьшить, то уменьшаем время протекания тока по тиратрону и, следовательно, по обмотке двигателя. Не следует ли нам приготовиться к перенапряжению, порождаемому явлением самоиндукции, а затем к реакции двигателя, которому явно не понравятся такие резкие скачки?

Л. – Что касается двигателя, то я могу лишь выразить ему свое соболезнование. У меня, есть один двигатель, работающий в таких условиях, но он ни разу не приходил жаловаться.

Твое замечание относительно вызываемых самоиндукцией напряжений значительно серьезнее. Эти перенапряжения действительно могут нам мешать, во всяком случае они несколько осложняют работу системы, хотя и не требуют внесения значительных изменений в показанную мною схему, которая весьма близка к применяющейся на практике.

Н. – Я вижу, что твой двигатель приспосабливается к навязанным ему условиям, но я чувствую, что мой мозг очень близок к насыщению, и считаю целесообразным перенести продолжение беседы на завтра.

Беседа одиннадцатая
ГЕНЕРАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКА. МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА И ЛАЗЕРЫ

После ознакомления с двигателями Незнайкин желает узнать, что такое ультразвук и как его производят. Перейдя к модулированию источников света и применению такой модуляции в фототелеграфии, Незнайкин знакомится с прибором, перед которым большое будущее, – с лазером.

Виброгенераторы

Незнайкин – Дорогой Любознайкин, мне очень хочется услышать от тебя хотя бы несколько слов еще об одном типе исполнительных элементов. Один из моих приятелей, работающий на авиационном заводе, рассказал мне, что предназначенные для установки на самолете небольшие хрупкие приборы подвергают испытанию на вибрационном столе, приводимом в действие мощным усилителем. Так скажи мне, что это такое?

Любознайкин – Ты знаком с этим прибором, хотя сам и не подозреваешь об этом. Это просто очень большой громкоговоритель с подвижной катушкой. В междуполюсный зазор его громадного магнита помещают катушку, в которую посылают ток усилителя. Эта катушка сообщает соединенным с ней деталям колебательное движение с частотой протекающего по ней тока.

Н. – Но тогда я сам могу сделать виброгенератор. В одном из ящиков моего шкафа валяется старый громкоговоритель, у которого разорвался' диффузор.

Л. – Ты, конечно, можешь им воспользоваться, но обычно виброгенераторы обладают поистине гигантской мощностью по сравнению с твоим громкоговорителем. Представь себе, какая мощность нужна, чтобы трясти (да еще со значительной амплитудой) большую стальную плиту, на которой установлены испытываемые приборы или детали. Я, например, бываю на одной испытательной станции, где управляющий вибростолом усилитель способен давать мощность до 80 квт.

Н. – Ты буквально меня ошеломил; разумеется, с моим пятиваттным усилителем мне ровным счетом нечего делать.

Л. – Мне следует внести поправку в твое высказывание. Ты можешь подвергнуть испытаниям небольшие и легкие предметы, сообщая им колебательные движения относительно низкой частоты с умеренной амплитудой. Большие амплитуды вибрации трудно получить на высоких частотах, не вгоняя в катушку генератора чудовищную мощность.

Н. – Понятно, но одно обстоятельство меня беспокоит. Генератор не может превратить всю получаемую энергию в механическую. Куда она девается?

Л. – Наибольшая часть получаемой энергии превращается в теплоту и рассеивается. Поэтому виброгенераторы больших размеров необходимо оснащать очень эффективными системами охлаждения. Вибростол, который я видел, с его усилителем 80 квт при применении соответствующих коррекций мог бы стать системой высококачественного воспроизведения звука, какой ты никогда не слышал. Исключительно внушительное впечатление произвела бы стальная плита площадью в половину квадратного метра и толщиной в несколько миллиметров, испускающая звуки вальса Шопена, но ты представляешь, какая мощность нужна для раскачки такой плиты, чтобы она наподобие диффузора громкоговорителя вибрировала с достаточной амплитудой на частоте 3 или 4 кгц.

Н. – Для воспроизведения музыки меня устроит классический бумажный диффузор, требующий всего лишь несколько ватт. Я также согласен, что мой громкоговоритель не способен сотрясать до разрушения даже мелкие предметы. Но скажи, пожалуйста, как точно узнать усилия, которым подвергаются испытываемые предметы?

Л. – Ну, это очень легко. Рядом с испытуемым аппаратом устанавливают небольшие системы, именуемые акселерометрами, о которых я тебе уже говорил.

Ультразвук

Н. – А какую частоту можно получить от виброгенератора?

Л. – О, совсем нет надобности превышать десяток килогерц. И даже до такой частоты доходят очень редко. При желании сообщить какому-либо телу более быструю вибрацию практически попадешь в область ультразвука.

Н. – О нем я уже слышал. Я думаю, что ультразвук представляет собой звуки такой высокой частоты, что их нельзя слышать, иначе говоря, это звуки с частотой выше полутора десятков килогерц.

Л. – Совершенно верно. Диапазон ультразвуков очень широк; он простирается от полутора десятков килогерц до нескольких мегагерц.

Н. – Я предполагаю, что для получения ультразвука потребуются совершенно необычные громкоговорители.

Л. – Ультразвук небольшой мощности на частотах до 100 кгц ты легко можешь получить с помощью одного из тех маленьких электростатических громкоговорителей, которые используются в качестве «пищалок» в системах высококачественного воспроизведения звука. Но необходимо отметить, что в практической жизни громкоговорителями очень редко пользуются для получения ультразвука. Я хочу также обратить твое внимание на то, что ультразвук очень плохо распространяется в воздухе, поэтому его чаще используют в жидких и твердых средах и крайне редко в воздухе.

Н. – Вот еще! Надеюсь, ты не станешь убеждать меня, что ультразвук может распространяться в жидкости или в твердых телах?

Л. – Конечно, стану, хотя ты и не согласен. Почему ты думаешь, что ультразвук не может распространяться в жидкости и твердых телах, если обычные звуки превосходно там проходят? Ты, вероятно, уже заметил, что во время ныряния очень хорошо слышен шум винтов кораблей, проходящих очень далеко от тебя. Ультразвук распространяется в воде еще лучше. Благодаря короткой длине волны ультразвук можно легко сконцентрировать в узкий пучок и благополучно послать на значительное расстояние. Но как я тебе уже сказал, для получения ультразвука очень редко пользуются приспособлениями типа громкоговорителей.

Н. – Но я совершенно не представляю, чем, кроме громкоговорителя, можно создавать ультразвук.

Л. – Два основных способа основаны на использовании пьезоэлектричества и магнитострикции.

Н. – Если ты и дальше будешь бросаться подобными словами, мне лучше немедленно уйти.

Пьезоэлектрические генераторы ультразвука

Л. – Успокойся, Незнайкин. Пьезоэлектричество – это свойство некоторых кристаллов порождать электрическое напряжение при механическом воздействии на них. С этим явлением ты уже знаком, так как пьезоэлектрические звукосниматели получили широкое распространение. Явление это обратимо, иначе говоря, при приложении электрического напряжения к двум электродам, соответствующим образом расположенным на кристалле, последний деформируется. С помощью кристалла такого типа (например, кварца) и создают ультразвук: на кристалл подают переменное электрическое напряжение ультразвуковой частоты, и кристалл начинает вибрировать с той же частотой.

Н. – Но это же чудесный прибор! Он может служить вместо громкоговорителя. После твоих объяснений я предполагаю, что он должен очень хорошо воспроизводить высокие частоты.

Л. – И даже очень высокие. Однако низкие частоты он воспроизводит очень плохо, так как для получения звуков низкой частоты необходима большая амплитуда, а амплитуда деформации кристалла невелика. Она настолько мала, что производимый ультразвук не удалось бы обнаружить даже специальными приспособлениями, если бы не использовали явление резонанса. Как ты знаешь, кристалл имеет собственную частоту колебаний. На этой-то частоте и возбуждают кристалл. Тогда амплитуда колебаний становится больше. Чтобы послать ультразвук в жидкость, кристалл погружают в эту жидкость; при надобности послать ультразвук в твердое тело кристалл прижимают к этому предмету, а между ними для обеспечения хорошего контакта наносят тонкий слой жидкого масла.

Н. – Прости мой вопрос, а зачем нужно посылать ультразвук в жидкости или в твердые тела?

Л. – Направленный в жидкость ультразвук обладает свойством превращать вещества в коллоидные суспензии. Он также убивает микроорганизмы, благодаря чему он может использоваться для стерилизации растворов, но этот метод пока еще не получил широкого распространения. Ультразвук позволяет также получить чрезвычайно однородные смеси из компонентов, которые обычно не смешиваются. Если ты, например, направишь пучок ультразвука в сосуд с водой, на дне которого находится ртуть, то увидишь, как ртуть разобьется на мельчайшие капельки, которые смешаются с водой и образуют своеобразную серую суспензию, и пройдет очень много времени, прежде чем ртуть осядет на дно. В твердые тела ультразвук часто направляют с целью обнаружения скрытых дефектов. Для этого в обследуемый предмет направляют узкий пучок ультразвука; встречая дефекты (трещины или раковины), ультразвук отражается обратно, и по наличию таких отраженных сигналов можно без разрушения самого предмета судить о наличии в нем скрытых изъянов. Об этом методе мы поговорим позднее. Кроме того, подобно радиоволнам в воздухе или вакууме ультразвук можно использовать в воде для связи. Ультразвук позволяет также обнаружить препятствия в воде, найти в море косяки рыбы, чтобы знать, где ее ловить.

Н. – А как устроен генератор ультразвука? Ты говорил мне о кристалле, но мне хотелось бы знать, как его используют.

Ультразвуковые излучатели малой мощности

Л. – Существует несколько способов генерирования ультразвука. В генераторах малой мощности используют кварцевую пластину. Одна ее сторона металлизирована, а другая омывается изолирующей жидкостью, например нефтью. С этой стороны на очень небольшом расстоянии от пластины размещен своеобразный поршень, который служит вторым электродом. Такой генератор в разрезанном виде я изобразил для тебя на рис. 109.

Рис. 109. Укрепленная на конце ультразвукового излучателя кварцевая пластинка приходит в колебательное движение и посылает в воду пучок ультразвука. Ультразвук отражается от дна сосуда, и давление излучения образует на поверхности воды небольшой гейзер.

Как ты видишь, поршень находится очень близко от задней поверхности кварцевой пластины, но никогда ее не касается.

Н. – Я достаточно хорошо вижу устройство твоей системы. Но я совсем не понял, почему на поверхности воды, справа от ультразвукового излучателя (если ты позволишь мне так его называть), ты нарисовал небольшой фонтанчик.

Л. – Твой термин «излучатель» совершенно правильный и им часто пользуются. А маленький фонтанчик изображает явление, которое происходит на самом деле, и ты его сам можешь увидеть. Пучок ультразвука выходит из излучателя строго перпендикулярно нижней металлизированной поверхности кристалла. Он доходит до дна сосуда с водой, отражается от него и выходит на поверхность. Когда в воду направляют ультразвук большой энергии, частицы, подвергающиеся его воздействию, отбрасываются назад. Это довольно сложное явление называется давлением излучения. Если идущий снизу пучок ультразвука достигает поверхности, то над поверхностью образуется небольшой гейзер с короной из водяной пыли.

Н. – А что случится, если я суну руку в пучок ультразвука?

Л. – Ты ее немедленно отдернешь. У тебя будет такое впечатление как будто с руки содрали кожу, а затем опустили в серную кислоту. Кроме того, одновременно возникает ощущение ожога. Впрочем, это полезное предупреждение, потому что нельзя допускать, чтобы ультразвук такой мощности действовал на организм человека. Он может разрушить клетки или кровяные тельца.

Н. – Скажи, пожалуйста, я никогда не думал, что ультразвук так опасен. Но я слышал, что ультразвук предлагают использовать для стирки белья. Должен сознаться, что в этом деле я ровным счетом ничего не понимаю, но мне представляется это очень опасным, если не для белья, то для женщин, которые решатся воспользоваться таким способом стирки.

Л. – Успокойся, Незнайкин, в этом случае используется ультразвук небольшой мощности. А кроме того, соответствующее устройство отключит генератор ультразвука, как только прачка снимет крышку, чтобы сунуть руку в бак. Ультразвуковая стиральная машина должна быть достаточно эффективной (в настоящее время ультразвук используют для очистки мелких деталей и получают прекрасные результаты). При стирке белья ультразвук должен помочь составу проникнуть в поры ткани. Впрочем, пока этот способ не получил широкого распространения, но у него открываются несомненно интересные перспективы.

Излучатели большой мощности

Н. – Так, значит, всегда пользуются излучателем такого типа, что ты изобразил на рис. 109?

Л. – Нет, особенно в тех местах, когда нужно получить ультразвуковой пучок большей мощности, приходится пользоваться иными способами. Для мощного генератора требуется более толстая кварцевая пластинка, а этот материал относительно редкий и дорогой. Поэтому нашли очень интересное решение, получившее название «сэндвича Ланжевена».[15]15
  Поль Ланжевен – выдающийся французский физик. (Прим. ред.)


[Закрыть] Это устройство представляет собой тонкую кварцевую пластину, зажатую между двумя пластинами из материала, в котором звук распространяется с такой же скоростью, как и в кварце. К счастью, такому требованию отвечает сталь, и мощный генератор делают из двух толстых стальных пластин, разделенных тонкой пластиной кварца. Впрочем, кварцевую пластину можно собрать из нескольких кусков при условии, что все они имеют одинаковую толщину и вырезаны одинаково относительно оси кристалла.

Н. – По совести говоря, этот сталекварцевый сэндвич не очень-то годится для завтрака!

Л. – Косвенно он служит нам и для завтрака. Дело в том, что эта система используется на кораблях для излучения ультразвуковых импульсов, предназначенных для обнаружения не только подводных лодок, но и косяков рыбы.

Н. – Теперь я хорошо понял, как получают ультразвук с помощью пьезоэлектричества. Но ты мне говорил и о другом способе, носящем не менее заковыристое название.

Л. – Ты хочешь поговорить о магнитострикции. Это относительно простое явление заключается в следующем: у некоторых магнитных материалов под воздействием электрического поля изменяется длина. Если такие материалы поместить в переменное магнитное поле, наложенное на постоянное, и если частота переменного поля соответствует резонансной частоте материала, то мы получим ультразвуковые колебания.

Н. – А зачем ты накладываешь переменное магнитное поле на постоянное?

Л. – Система в известной мере напоминает магнитные громкоговорители. Стержень сжимается как при одном, так и при обратном направлении магнитного поля, но при нулевом поле сжатие почти невозможно обнаружить. Постоянное магнитное поле создает своеобразное магнитное смещение, обеспечивающее эффективность всей системы.

Н. – А какие материалы обладают этим свойством?

Л. – Например, стальные или никелевые листы, но последнее время все чаще используют некоторые ферриты, обладающие таким свойством. Эти материалы позволяют очень экономично получать довольно мощные ультразвуковые пучки в диапазоне частот, только в редких случаях превышающих 50 кгц. Для получения ультразвука более высоких частот лучше подходит кварц.

Н. – А какую форму имеет такой кусок феррита?

Л. – Обычно ему придают форму стержня или замкнутого сердечника, чтобы облегчить циркулирование магнитного потока. Очень важно, чтобы обе конечные плоскости были ровными и строго параллельными. Благодаря этому проходящая по стержню ультразвуковая волна Правильно отражается от его плоскостей и образует колебания типа стоячей волны. Каждый раз, когда эта волна сталкивается с граничной плоскостью, часть энергии вырывается во внешнюю среду, а остальная часть отражается внутрь феррита. Благодаря этой отраженной части энергии и поддерживаются колебания типа стоячей волны.

Фототелеграфия

Н. – Что происходит в ферритовом стержне, я понял. Но скажи, пожалуйста, Любознайкин, нельзя ли попытаться использовать в исполнительном элементе какие-либо иные явления, кроме ультразвука? Что, если подумать о применении света? Можно ли получить свет какими-нибудь другими способами, кроме старой доброй лампы накаливания?

Л. – О да, и целое множество! В первую очередь следует сказать об ионных лампах, в которых через газ пропускают поток ионов. Такая система неизмеримо лучше лампы накаливания способна воспроизводить быстрые изменения света. Именно такая лампа используется для передачи фотографий на расстояние по методу, который изобрел Эдуард Белин. В честь этого инженера фототелеграфию во Франции называют белинографией.

Передаваемая фотография укрепляется на равномерно вращающемся цилиндре (рис. 110), строго определенная частота вращения которого задается кварцем. Фотоэлемент Ф просматривает изображение вдоль линии пересечения плоскости, перпендикулярной оси цилиндра с его поверхностью, а точнее по спирали, выписываемой на цилиндре точкой, просматриваемой фотоэлементом, который медленно перемещается параллельно оси цилиндра.

Рис. 110. При передаче документа по фототелеграфу его укрепляют на цилиндре, который вращается и одновременно медленно перемещается вдоль своей оси перед фотоэлементом; благодаря такому движению цилиндра фотоэлемент точку за точкой просматривает весь документ. На приемной стороне лампы переменной яркости свечения воспроизводят документ на светочувствительной бумаге, двигающейся перед ней точно так же, как передаваемый документ движется перед фотоэлементом.

Н. – Дорогой Любознайкин, ты совершенно напрасно объясняешь так подробно. Этот тип разложения изображения настолько напоминает обычное телевидение, что мне все очевидно.

Л. – Тем лучше. Созданный фотоэлементом сигнал передается по телефонной линии; на приемной стороне после соответствующего усиления сигнал подается в ионную лампу, которая создает более или менее яркое пятнышко света на приемном цилиндре. Этот цилиндр абсолютно идентичен цилиндру на передающем конце, но вместо фотографии на нем укреплена чистая фотобумага, из-за чего он помещен в темную камеру. Приемный цилиндр вращается с такой же частотой, что и передающий (здесь полагаются на высокую точность и стабильность кварца). С помощью соответствующего синхронизирующего сигнала движение приемного барабана происходит в фазе с движением передающего барабана. Световое пятно перемещается по линии, параллельной оси цилиндра, с такой же частотой, что и фотоэлемент на передающем конце. После завершения приема бумагу с цилиндра проявляют и получают готовую фотографию.

Н. – Но одну штуку я здесь совсем не понимаю. Некогда, рассказывая о телевидении, ты неоднократно подчеркивал, что для передачи изображения необходима гигантская полоса пропускания, измеряемая в мегагерцах. А теперь ты говоришь мне о передаче изображения по телефонной линии. Этого я понять не могу.

Л. – В телевидении каждое изображение (его там называют кадром) передается за 1/25 долю секунды. Передача фотографии по методу Эдуарда Белина продолжается от 7 до 15 мин. Как ты видишь, можно значительно сократить полосу пропускания и поэтому воспользоваться телефонной линией.

Н. – Согласен, но точность воспроизведения получается весьма относительной. Теперь мне понятно, почему телефотографии, которые мы время от времени видим в газетах, отличаются таким плохим качеством.

Л. – Фототелеграф, Незнайкин, здесь ни при чем. Я могу показать тебе одновременно оригинал и копию, полученную с него на расстоянии 600 км, и я не убежден, что даже с лупой тебе удастся найти, которая из них копия. Дело в том, что по фототелеграфу обычно передают сверхсрочную информацию и в типографиях с них очень ускоренным способом изготовляют клише, что и приводит к большим искажениям в газетах.

Н. – Хорошо, теперь я не буду плохо отзываться о телефотографиях. Но скажи мне, Любознайкин, нельзя ли получать свет другим способом?

Лазер

Л. – О, конечно можно. Я расскажу тебе о многообещающем способе; я имею в виду лазер, название которого образовано из первых букв его определения на английском языке (Liqht Amplification by Stimylated Emission of Radiation).

H. – Я кое-что слышал об этом приборе, мне даже сказали, что им можно создавать лучи смерти.

Л. – Как я вижу, Незнайкин, ты черпаешь свои знания в падкой на сенсации прессе. Не исключена возможность, что в отдаленном будущем кое-что из таких сообщений, к сожалению, окажется правдой. На сегодня лазер может дать прекрасно сфокусированный световой луч, который благодаря его острой направленности можно посылать на очень большие расстояния. Лазер несколько напоминает ультразвуковой генератор, о котором мы уже говорили. Основой прибора служит прозрачный стержень из материала типа рубина.

Торцы этого стержня строго параллельны и хорошо отполированы. Эти плоскости отражают внутрь возникающий при определенных обстоятельствах в кристалле свет, а часть его пропускают наружу. Вокруг этого кристалла (рис. 111) располагают очень мощный источник белого света, например лампу-вспышку, аналогичную той, которой ты пользуешься при фотосъемке. Вспышку света в таких устройствах получают, направляя разряд очень высоковольтного конденсатора большой емкости в лампу с ионизированным газом.

Рис. 111. В лазере на твердом теле лампа-вспышка спиральной формы размещается вокруг кристалла; излучаемый ею свет возбуждает атомы кристалла. Отдавая полученную энергию, эти атомы порождают луч света, для которого кристалл со своими плоскими и параллельными торцами служит оптическим резонатором

Н. – Так из кристалла вырывается свет лампы-вспышки! Но тогда в твоем лазере нет ничего нового.

Л. – Ты ошибаешься. Световая энергия порождается кристаллом. Энергия лампы-вспышки, поданная кристаллу в виде света, называется энергией накачки и вызывает внутри этого кристалла активацию некоторых атомов, иначе говоря, переводит их на более высокий энергетический уровень. Затем эти атомы отдают свою энергию и переходят на более низкий энергетический уровень. Эта выделившаяся энергия и излучается в виде света. Кристалл со своими полированными и строго параллельными торцами представляет собой высоко добротный резонатор. Возникший таким образом свет излучается через один из торцов в виде пуска строго параллельных лучей.

Н. – А по своей мощности излучаемый кристаллом свет равен мощности лампы-вспышки?

Л. – Намного меньше, но лазер обладает одним очень ценным качеством: он дает так называемый когерентный свет. В отличие от света, излучаемого накаленными телами или ионизированными газами, этот свет состоит из одного пакета волн, создающего колебания в течение значительного отрезка времени. При других способах получения света световая энергия излучается в виде большого количества очень коротких по времени колебаний, каждое из которых представляет собой очень короткий пакет волн (несколько сантиметров, что, учитывая скорость света, соответствует очень короткому интервалу времени) без какого бы то ни было согласования фазы.

В отличие от этого испускаемый лазером свет по своей структуре аналогичен электромагнитной волне, излучаемой антенной. Существуют также газовые лазеры, в которых специальным образом подобранный газ помещается в более или менее длинную трубу с полупрозрачными строго ровными и параллельными торцевыми плоскостями. Этот газ возбуждается небольшим электрическим разрядом наподобие люминесцентных ионных ламп. Но в отличие от них лазер излучает когерентный свет. Строго параллельный лазерный луч света можно сконцентрировать линзой настолько, что полученная энергия в пересчете на 1 см² окажется огромной. Сконцентрированный таким образом лазерный луч почти мгновенно пробивает тонкую стальную пластинку. Именно этот эксперимент породил идею создания разрушительного лазерного оружия, которое, к счастью, до сих пор осталось проектом, но которое, к сожалению, когда-нибудь может стать ужасной реальностью.

Применения лазера

Н. – Этот лазер представляется мне очень скверным инструментом. Какой интерес он может представлять для нас?

Л. – Он интересен тем, что может излучать модулированный свет и с большой точностью посылать этот свет на сверхбольшие расстояния. С помощью такого инструмента удалось осветить заданную точку на Луне и при этом, несмотря на путь в 380 000 км, не произошло значительного рассеяния световых лучей.

Н. – Прибор становится интересным. А разве нельзя таким же образом сконцентрировать радиоволны?

Л. – В принципе можно, но на практике осуществить неизмеримо труднее. Не забывай, Незнайкин, что возможность сконцентрировать излучение в узком пучке зависит от соотношения размеров концентрирующего устройства и длины волны концентрируемого излучения. Иначе говоря, лазер, излучающий свет с длиной волны 0,7 мкм, позволяет получить при кристалле диаметром 5 мм такую концентрацию, для достижения которой при излучении с длиной волны 10 см потребовался бы рефлектор диаметром 700 м. Кроме того, световое излучение имеет чрезвычайно высокую частоту и может модулироваться значительной полосой частот. Один лазерный луч способен одновременно передать сотни тысяч телевизионных программ или несколько миллиардов телефонных разговоров, этого более чем достаточно для одновременного установления связи между всем населением нашей планеты… А теперь мы поговорим о исполнительных элементах, дающих нам на выходе нематериальные величины.