История лазера
Шрифт:
Новые слова описывают использование света в его различных применениях. Электроника — термин, обычно употребляемый для характеристик электронов и применений с их участием. Этот термин используется с 1910 г. Когда был открыт мазер, т.е. электронное устройство, для которого было необходимо знание квантовой механики, был придуман термин «квантовая электроника». Этот термин был затем распространен на все устройства электроники, для которых требовалось понимание квантовой механики, например, транзисторы. «Оптоэлектроника» — термин сравнительно недавнего происхождения (впервые он был введен в 1955 г., даже до изобретения лазера), он относится к явлениям и устройствам, работа которых происходит при совместном действии электроники и оптики. Многие современные устройства, использующие лазеры, являются типичными оптоэлектронными устройствами, и сам лазер можно отнести к оптоэлектронному устройству. Для более специфического описания применений в устройствах с использованием фотонов, особенно в области передачи информации, с 1952 г. стали использовать термин «фотоника», означающий, по аналогии с термином «электроника», применение или получение фотонов в устройствах для передачи информации,
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 до того, как были созданы первые лазеры, они уже вызвали определенный интерес военных из-за принципиальной возможности ряда применений. Было понятно, что высокая направленность лазерного пучка может обеспечить секретность передачи информации, которая получается путем модуляции его интенсивности. Кроме того, возможность фокусирования и формирования пучка позволяет снизить потери при распространении, т.е. избежать недостатка, присущего радиоволнам. Тогда казалось, что лазер сможет обеспечить уникальный способ коммуникаций или даже передачи энергии. Однако первые же эксперименты, выполненные, как только появились лазеры, показали, что атмосфера Земли оказывает вредное влияние на распространение света, он поглощается или рассеивается. Если идет дождь или снег, а также в тумане, распространение невозможно. Но даже при ясной погоде распространение существенно ухудшается. Например, интенсивность не остается постоянной во времени, а начинает беспорядочно флуктуировать из-за явления, которое известно как турбулентность атмосферы. Это хорошо известно астрономам, которые наблюдают, что изображения звезд флуктуируют во времени (они называют этот эффект сцинтилляциями). Однако такого ограничения можно избежать в вакууме, например, между спутниками или на Луне, а также существенно ослабить его при сравнительно коротких дистанциях.
Прекрасный способ распространения световых сигналов без существенных потерь был получен при использовании оптических волокон. Этот способ заменяет распространение электрических сигналов по проводам или радиоволнами. С помощью специальных стеклянных волокон удается быстро передавать большие объемы информации между континентами. Характеристики волоконно-оптической связи лучше, чем радиосвязь и связь по проводам. Сами волокна весят меньше и 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 10—30 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.
С помощью лазеров можно управлять снарядами. В 1965 г. специализированное издание сообщило об испытаниях ручного лазерного устройства для наведения снаряда на цель. Вскоре были описаны эксперименты, в которых лазер использовался для подсветки целей малого размера и точного наведения сверхзвуковых ракетных снарядов. Первые системы лазерного наведения на цель были использованы в 1972 г. в конце вьетнамской войны. «Умные» бомбы, наводимые лазерами, явились предвестниками появление оружия с очень точным наведением. Это стало поворотным пунктом технологий вооружения, так как новые системы наведения увеличивали вероятность поражения цели по сравнению с обычным бомбометанием. Во время войны в Персидском заливе и в Сербско-Боснийской войне такое оружие с лазерным наведением было обычным. В 1968 г. в США ВМС начали исследования возможности использования лазеров большой мощности и в 1978 г. добились успеха, сумев сбить ракету. Затем Армия изучала возможность использования лазеров для того, чтобы выводить из строя вражеские системы наблюдения и даже ослеплять солдат. Администрация Рейгана ввела в действие программу антиракетной обороны, основанной на использовании лазеров, известной под названием «Стратегическая Оборонная Инициатива» (СОИ). Эта программа была объявлена Рейганом 23 марта 1983 г. в его знаменитой речи «Звездные войны». По этой программе должны были появиться лазерные системы, способные зафиксировать атаку вражескими баллистическими ракетами и уничтожить их. Эта программа встретила значительную критику, и в конце концов было мало сделано для ее осуществления. Администрация Клинтона пересмотрела оборонную стратегию, введя в действие организацию, занимающуюся проблемами обороны с помощью ракет (Ballistic Missile Defence Organization),
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 обороны. Прежде всего, инфракрасные датчики, установленные на спутниках, находящихся на геостационарных орбитах, обнаруживают струю горячего газа ракеты, когда она минует облака. Спутник посылает сигнал тревоги военному командованию о том, что произошел запуск, с указаниями области, куда направлена ракета. Эта информация используется, чтобы направить датчики системы обороны в нужные координаты для сопровождения. Эти датчики прослеживают цель, определяют боеголовку и передают данные перехватчику. Обычно такими датчиками являются радары, установленные на Земле, но в будущем вместе с ними будут задействованы спутники на низких орбитах, оборудованные инфракрасными датчиками. На основе этих данных запускается перехватчик, который летит в место, координаты которого рассчитаны на основе полученных данных. Затем от перехватчика отделяется заряд для уничтожения, который использует свою систему наведения в центр мишени.
Этот сложный танец, который мы изложили в простой форме. Его хореография должна включать крайне изощренные боевые системы с исключительно быстрыми временами срабатывания. Полное время полета ракеты «Скад» с радиусом действия 300 км составляет не более 4 мин. Ракеты с большим радиусом действия остаются в полете не более 15 мин.
Одним из возможных сценариев работы системы является уничтожение баллистической ракеты на стадии ее запуска. Преимуществом является то, что двигатели на старте выпускают огромное количество раскаленного газа, испускающего интенсивное ИК-излучение. Это позволяет легко обнаружить запускаемую ракету. Однако необходимо располагаться достаточно близко от ракеты, чтобы перехватить ее, поскольку двигатели работают лишь несколько минут. В этот короткий период времени система обороны должна установить и определить факт запуска, провести расчет траектории и затем перехватить цель.
Пентагон разработал систему, способную осуществить это, а именно, лазер самолетного базирования военно-воздушных сил (Air Force's Airborne Laser). Это химический лазер (COIL — химический кислород-йодный лазер), который устанавливается на самолете Боинг-747. Эта система способна перехватывать ракеты на взлете на расстоянии несколько сотен километров. Интерес к использованию лазерного излучения для непосредственного уничтожения связан с огромным значением скорости света, т.е. достаточно без всякого упреждения направить лазерный пучок на цель. Лазер поражает ракету при наведении и фокусировании на нее пучка. В результате металл нагревается вплоть до разрушения. Каждый металл имеет свою характерную точку разрушения: 460°С для стали и 182°С для алюминия. Существуют, по крайней мере, два возможных способа уничтожения ракеты. Первый способ — для ракет, имеющих баки с жидким горючим. Прожигание сравнительно тонкой оболочки бака приводит к катастрофическим последствиям. Второй способ связан с сильным нагревом воздуха в непосредственной близости от ракеты. Когда это достигается, на ракету начинают действовать аэродинамические и инерциальные силы, которые изгибают ее (рис. 63).
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
На борту самолета будут три главные лазерные системы. Первая, которая создает смертельный для ракеты пучок, является лазером непрерывного действия. Две другие являются импульсными лазерами. Один из них служит для наведения на цель, а другой — для формирования главного пучка с учетом состояния атмосферы (см. далее раздел, посвященный адаптивной оптике). Очевидно, что главной частью системы является лазер поражения цели. Им является химический кислород-йодный лазер, который размещается в задней части самолета. Он производит непрерывный лазерный пучок ИК-излучения на длине волны 1,315 мкм с мощностью несколько мегаватт (существенно большей, чем достигалось лазерами этого типа до недавнего времени). В этом лазере возбужденные атомы йода получаются при многократных столкновениях с возбужденными молекулами кислорода (т.н. «синглетный кислород»), которые получаются в результате химической реакции (реакция хлора со щелочным раствором перекиси водорода). Эта система разрабатывается с 1997 г. и подвергалась некоторой критике.
Солнечные лазеры
Сразу же после открытия лазера стали мечтать о прямом преобразовании белого, некогерентного солнечного света в монохроматическое, когерентное излучение лазера. Это позволило бы, например, существенно уменьшить вес лазерной системы, располагаемой на спутнике, поскольку все функции системы накачки могли бы выполняться Солнцем. Эти мечты вскоре были реализованы, и в 1966 г. были созданы лазеры с солнечной накачкой. Однако их эффективность была довольно низкой, типично порядка 1%, т.е. лишь сотая доля собранного солнечного излучения преобразовывалась в лазерный свет. Позднее, были разработаны весьма совершенные способы концентрации солнечного света, немыслимые прежде. В результате получалась концентрация 72 Вт/мм 2, что превышает интенсивность света на самой поверхности Солнца (63 Вт/мм 2). С такими значениями интенсивности света накачки можно создать лазеры с улучшенными параметрами. Эффективность уже превзошла 6%.