Страницы истории науки и техники

Кириллин Владимир Алексеевич

Среды, у которых атомов в состоянии Е₂ больше, чем в состоянии Е₁ (среды с «инверсной заселенностью»), могут быть созданы различными способами: воздействием внешнего излучения, посредством химических реакций и др. Инверсная заселенность может быть создана в газообразных, жидких и твердых телах, а также в низкотемпературной плазме.

Рис. 55 поясняет принцип действия квантового усилителя. Здесь же показана схема квантового генератора. В последнем случае нет внешнего потока фотонов, который (как в квантовом усилителе) усиливается при прохождении среды с инверсной заселенностью. У квантового генератора в торцах трубки, в которой создается инверсная заселенность, устанавливаются два зеркала: обычное (А) —

у одного торца и полупрозрачное (Б) — у другого. Поток фотонов движется вдоль оси трубки. Попадая на полупрозрачное зеркало, фотоны частично проходят сквозь него. Остальные фотоны отражаются и летят в противоположном направлении (на рис. 55 справа налево), затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов в результате каждого прохождения среды с инверсной заселенностью многократно усиливается. Разумеется, квантовые усилители и генераторы непрерывного действия требуют постоянного восстановления инверсной заселенности (часто называемой накачкой или подпиткой).

Рис 55. Схема квантового усилителя (а) и квантового генератора (б).

Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием [361] . Это связано с отмеченной выше идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.

361

Напомним, что у прожектора вследствие значительной угловой расходимости луча интенсивность светового пучка обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния.

Квантовые усилители и генераторы (особенно квантовый генератор оптического диапазона волн — лазер [362] ) получили широкое практическое использование.

Лазеры получили широкое применение в технике (в обработке металлов, в частности в их сварке, резке, сверлении), в медицине (в хирургии, офтальмологии), в различных научных исследованиях. Перечисленное применение лазеров является, несомненно, только началом. Известные советские ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров являются одними из основоположников теории и создания квантовых генераторов.

362

Название лазер возникло как сочетание первых букв английского определения «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation» (усиление света в результате вынужденного излучения).

Создание квантовых генераторов стало началом развития нового направления электроники — квантовой электроники — науки, которая занимается теорией и техникой различных устройств, действие которых основано на вынужденном излучении и на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К числу таких устройств, кроме квантовых генераторов (в том числе лазеров), относятся усилители и преобразователи частоты электромагнитного излучения, а также квантовые усилители СВЧ (сверхвысокой частоты), квантовые магнитометры и стандарты частоты, лазерные гироскопы (лазерные приборы, свойство которых — неизменное сохранение оси вращения в пространстве — позволяет использовать их для управления самолетами, ракетами, морскими судами и т. д.) и некоторые другие.

Электронные приборы и устройства нашли широкое применение, стали незаменимыми в аппаратуре связи, автоматике, измерительной технике, электронных вычислительных машинах и во многих других очень важных областях.

Радиоэлектроника, широко вошедшая в производство, науку, быт людей, является одним из самых главных направлений технического прогресса, мощным средством повышения производительности труда.

Мы остановимся в этой книге несколько подробнее на двух объектах — космических радиолокаторах (радиолокационной астрономии) и ЭВМ, — являющихся детищем радиоэлектроники.

За последние приблизительно 20 лет в астрономических наблюдениях все большее использование получали методы радиолокации, состоящие в том, что с Земли па изучаемый небесный объект направляются радиоволны, а затем, отраженные от объекта, они фиксируются на Земле. По сумме времени, затраченного на движение радиоволн от Земли до небесного объекта, и времени, необходимого для возвращения отраженных объектом волн на Землю, можно определить расстояние между Землей и небесным объектом.

Таким образом, наряду с оптическими телескопами, которыми астрономы пользуются свыше 200 лет и которые позволили составить довольно точную картину движения небесных тел Солнечной системы, появились радиолокационные астрономические устройства, была создана радиолокационная астрономия.

С помощью такого рода устройств оказалось возможным не только определить расстояние между телами Солнечной системы, но и их движение, вращение, размеры, свойства пород, из которых они состоят, и некоторые другие величины, их характеризующие.

Оказалось также, что измерение ряда величин может быть проведено методами радиолокационной астрономии значительно точнее, чем оптическим телескопом. Так, измерение расстояния до планет Солнечной системы гораздо точнее можно осуществить с помощью радиолокационной астрономии.

Как известно, среднее расстояние от Земли до Солнца называется астрономической единицей. С помощью оптических телескопов эта величина в 1950 г. была определена равной 149527000±10000 км. Проведенные десятью годами позже в СССР, Англии и США практически совпадающие между собой измерения астрономической единицы радиолокационным способом дали существенно отличный результат: 149597868±0,3 км, т. е. приблизительно на 70 тыс. км больше, чем ранее было принято астрономами на основании измерений оптическими телескопами. Ошибка прежних измерений оказалась в семь раз больше предполагаемой.

Собственно говоря, в этом не было ничего удивительного. Дело заключается в том, что оптическими методами невозможно проведение прямого измерения расстояния от Земли до какого-нибудь небесного тела. Приходилось использовать косвенные методы, основанные на измерении разности угловых положений небесного тела, на небесной сфере при наблюдении этого тела из различных точек земной поверхности, расстояния между которыми должны быть известны. Следует иметь в виду, что в построенном на основе такого рода измерений треугольнике известное расстояние (расстояние между двумя точками на поверхности Земли) всегда гораздо меньше, чем два других, неизвестных (искомых). Таким образом, данные, полученные путем прямого измерения с помощью астрономических радиолокаторов, отличаются высокой точностью.

Известный советский ученый Владимир Александрович Котельников (р. 1908 г.) пишет по этому поводу: «Интересно отметить, что достигнутая точность измерения расстояний космическим локатором на несколько порядков выше, чем точность геодезических измерений расстояний на поверхности Земли. Это обусловливается тем, что в первом случае радиоволны проходят основной путь в безвоздушном пространстве, где их скорость строго постоянна.

Кроме измерения расстояний, локаторы, как было упомянуто, позволяют измерять скорости сближения с планетой или удаления ее от нас — также с очень большой точностью — но смещению частоты колебаний отраженного сигнала. Например, скорость изменения расстояния до Венеры измерялась нами с точностью, превосходящей 1 см/с…