1. Радиоволны и свет

Представить себе современную науку, технику и даже быт без

радиотехнич. приборов трудно. Иначе обстоит дело со световыми волнами, к-рые до недавнего времени применялись преимущественно для освещения и сигнализации (зрение, конечно, играет огромную роль в нашей жизни, однако это дар природы, а не достижение

человека). На первый взгляд трудно понять причину этого. Ведь

и радиоволны, и свет имеют единую природу — это электромаг­нитные волны, различающиеся лишь длиной волны К. У радио­волн длина волны велика, она измеряется километрами, метрами, сантиметрами, миллиметрами. Длина же волны света лежит в диапа­зоне 8-10 ⁴-4 • 10-*мм (см. рис. 1 в ст. Квантовая электроника). Оказывается, что между радиоволнами, к-рые можно генерировать с помощью электронных устройств, и светом, к-рый до недавнего времени могли получать только от нагретых тел или газового разряда, существует различие в отношении одного важнейшего свойства, наз. когерентностью.

Когерентность. Прежде чем определить это понятие, рассмотрим, какими характеристиками обладает электромагнитная волна. В про­стейшем случае гармонической волны электрическое Е и магнитное Н поля изменяются в пространстве и во времени по закону синуса (или косинуса):

^{Е= tf}₀^{sin [2л (vf — -г) + ф], # = Н}₀ ^{cos [2л (vt — |~) + <р].}

Величины Е₀ и Я₀ наз. амплитудами волны, v — ее частотой. Гар-мович. волна монохроматична, т. е. обладает строго постоянной частотой v и длиной волны К == c/v (с - скорость света). Любая негармонич. волна может быть представлена в виде суммы гармонич. волн различных частот (гармоник),

Рис. 1. Гармонические волны одинаковой амплитуды и частоты v

могут иметь различные фазы ф_} и <р₂.

Две плоские гармонич. волны одинаковой амплитуды и частоты, распространяясь в пространстве в одном направлении ОХ, могут быть сдвинуты во времени: в момент времени t в любой точке X, их электрическое Е и магнитное Я поля будут иметь разные вели­чины п направления (рис. 1). В этом случае говорят, что волны

обладают различными фазами ср. и <р₂. Разность фаз Аср во всех точках пространства в любой времени будет

если частоты равны.

Кроме амплитуды, и фазы, электромагнитная волна

характеризуется направлением распространения и поляризацией - ориентацией вектора электрич. поля Е. Поляризацию электромагнитной волны с тем же успехом можно характеризовать направлением магнитного поля //, перпендику­лярным Е. Однако для определенности принято считать поляри­зацией электромагнитной волны направление Е. Если направление вектора Е постоянно, волна наз. линейно поляризо­ванной (см. Поляризация).

Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения

и поляризация электромагнитной волны постоянны или изме­няются, но не хаотически, а упорядочение), по определенному закону, то такая волна когерентна. Строго монохроматич. волна всегда когерентна. Взаимная когерентность двух немоно-хроматич. волн означает, что они обладают одинаковым набором частот, а разность их фаз постоянна во времени.

Радиоволны, излучаемые передающими радиостанциями, ко­герентны. Именно благодаря этому ими можно управлять в ши­роких пределах, передавая с их помощью большое количество информации (телевизионные программы и др.). Свет же, испуска­емый обычными источниками, — нагретыми или люминесциру-ющими телами или газом, светящимся в электрич. разряде, не обладает свойством когерентности. Атомы нагретых тел или све­тящегося газа самопроизвольно испускают световые волны неза­висимо один от другого. Это обусловливает хаотич. изменение фазы, частоты, поляризации и направления распространения

суммарной световой волны, излучаемой источником. Различие между световой волной, испускаемой, напр., лампой накаливания,

и несущей волной радиопередающего устройства, на к-рую на­страивают радиоприемник, такая же, как между шумом городской улицы и звуком камертона. Свет лампочки подобен световому «шуму». Он состоит из набора большого числа гармонич. колебаний, имеющих различные частоты, фазы к-рых хаотично изменяются во времени (подробнее см. Когерентность).

До недавнего времени (до появления Л.) можно было генери­ровать когерентные радиоволны, но нельзя было генерировать когерентный свет. Можно было усиливать слабые радиоволны, сохраняя все их свойства (что также важно в технике передачи .информации), но не существовало усилителей света. И то, и другое стало возможным после создания Л.

Для чего нужен когерентный свет? Предположим, что мы умеем получать когерентный свет определенной частоты. Сулит ли это что-либо новое по сравнению с радиоволнами? Оказывается, что

свет открывает перед исследователем и инженером совершенно новые возможности. Рассмотрим нек-рые из них.

Хорошо известно, что радиопередачи обычно ведутся на волнах в диапазоне от длинных волн (К^ км) до ультрако­ротких (УКВ, линеек, м). Для трансляции же телевизи­онных программ используется только диапазон УКВ. Это важное

обстоятельство связано с тем,что для передачи речи или музыки достаточен небольшой частотный интервал (1—2 -10⁴г^). Теле­визионное изображение несет в себе значительно больше информа­ции, чем речь или музыка, для его передачи нужен значительно больший интервал частот - 10*гц (см. Полоса частот, Квантовый

^{1 ЛАЗЕР 91}

Ш усилитель). Столь широкому частотному интервалу негде размес-щ титься, если использовать в качестве несущей радиоволны Ш длинноволновые колебания. С укорочением длины волны (увели-I чением частоты колебаний) объем информации, к-рый можно раз-'Ъ местить на несущей волне, увеличивается. УКВ — это колебания Ц с той минимальной частотой, на к-рой можно разместить теле-|С визионную программу.

|; Частота колебаний световых волн в миллионы раз больше ча-

If стоты УКВ. Это значит, что луч когерентного света способен нести многие тысячи телевизионных программ, не говоря уже о радио* | программах и телефонных разговорах. Говоря технич. языком, р по световому каналу связи можно передавать одно- временно много больше информации, чем по радиоканалу. | Осуществление световой связи и световой л о-

Рис. 2. Зеркальный ра­диотелескоп для радио­локации планет; 3 — зеркало; И - излуча-

ние до планетй; d + планеты.

31

Напр., антенна радиотелескопа в Пущино (Московская обл.) выполнена в виде зеркальной чаши 3 размером 22 м (рис. 2). Пусть в фокусе зеркала установлен излучатель И радиоволн с длиной

|; к а ц и и на далекие расстояния важно и по др. причине: эле-$ ктромагнитные волны большой длины волны (радиоволны) расхо-V дятся от излучателя (антенны) под большим углом. С ростом рас­: стояния от излучателя из-за углового расхождения поперечное сечение пучка радиолучей увеличивается пропорционально квад­рату расстояния и квадрату угла расходимости. Поэтому на боль­ших расстояниях от источника электромагнитная энергия рас­текается по все возрастающей площади и на ед. площади прихо­дится все уменьшающаяся доля общей электромагнитной энергии. Лишь небольшая часть электромагнитной энергии достигает нуж­ного объекта.

волны X - 1 м. Зеркало преобразует расходящийся пучок от то­чечного излучателя в параллельный. Однако дифракция электро­магнитных волн на краях зеркала не позволяет создать идеально параллельный пучок диаметром 22 мм. Расходимость пучка за счет дифракции определяется углом ср — XI d, тем большим, чем больше длина волны излучателя. Для К - 1 м <р = 1/22 рад = 2,6°. Поэтому диаметр «радиопятна» на облучаемой планете равен D = = d-\- 2а, где a— Ltg ср (L — расстояние до планеты S). Для Луны, напр., L — 300 ООО км, a D ^ 30 ООО км, т. е. намного превосхо­дит диаметр Луны; на Луну попадает лить небольшая доля из­лучаемой с Земли электромагнитной энергии. Это приводит к тому, что отраженный вторичный сигнал имеет ничтожную интенсивность, что ограничивает точность и возможности радиолокации Луны.

Для световой волны с К — 1 мкм зеркало диаметром в 10 см дает угол расходимости ср всего лишь 1(Г⁵ рад. Это означает, что на Луне освещенное пятно будет иметь диаметр всего лишь в 3 км.

Энергетич. потери при этом будут малы, а отраженный сигнал —

во много раз более интенсивен. Перемещение этого пятна по ро-верхности Луны позволяет исследовать ее структуру. Для того чтобы получить такое пятно с метровыми волнами, потребовалось бы зеркало диаметром в 100 000 м, что практически неосуществимо. Т. о., использование когерентного света для связи и локации су­лит огромный информационный и энергетич. выигрыш и заман­чивые перспективы как из-за высокой частоты, так и из-за возмож­ной высокой направленности (параллельности) световых пучков.

Важней проблемой является возможность фокусировки электро­магнитных волн. Это позволило бы непосредственно использовать

электромагнитную энергию в тех-

нике (напр., резка об-

работка твердых материалов и т.п.). Однако по законам дифрак­ции наименьший размер сфоку­сированного пятна равен длине волны Я. Поэтому сфокусировать пучок радиолучей на площадку очень малого размера невозможно. Световую же волну с X — 1 мкм

Рис. з. Явление хроматической абер- можно было бы сфокусировать рации препятствует фокусировке на площадку диаметром в 1 мкм. немонохроматического света. Но осуществить это с солнечным

светом невозможно, в частности из-за явления хроматической аберрации - свойст­ва линзы фокусировать свет разной длины волны в разные точки (рис. 3). Чтобы сфокусировать свет на очень маленькую площадку, нужно иметь источник монохроматич. света, т. е. света, имеющего строго определенную длину волны.

Монохроматич. свет сколько-нибудь существенной интенсив­ности невозможно получить с помощью обычных источников света. Рассмотрим причину этого на примере теплового источника. Тела, нагретые до темп-ры Г, имеют мощность теплового излучения в ма­лом интервале частот — от частоты v до частоты v + Av, равную:

1

Здесь k — Больцмана постоянная, S — площадь нагретого тела, ср — телесный угол, внутри к-рого распространяется излучение частоты v (Аф соответствует Av). Напр., с км- Солнца в интервале частот Av — 10⁹ гц (К мкм) на всю поверхность Земли падает всего 0,01 вт. Для получения 100 вт/см² в том же интервале час­тот источник излучения должен быть нагрет до температуры Т в тыс. миллиардов К, недостижимой в земных условиях. В то же время существуют генераторы монохроматического радиоизлу­чения, дающие 1000 em/см² и значительно больше. Если припи­сать такому источнику температуру, то она превосходит тысячи миллиардов град.

Таковы нек-рые перспективы, к-рые рисовались перед физи- ками, когда они искали пути к созданию мощных источников ко- герентного света.Оказалось,что старые способы генерации радио- волн «отказываются работать» в оптич. диапазоне. В радиотехнике продвижение от более длинных (километровых и метровых) в об- ласть дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн (СВЧ) интенсивно происходило в 40—50-х гг. Долгое время генерация и усиление радиоволн осуществлялись с помощью электронных ламп, в к-рых используются электронные потоки. Однако уже на подступах к миллиметровому диапазону использование элек- тронных потоков встретилось с большими трудностями. В этой области частот электронный пучок без спец. резонансного устрой- ства нельзя применить для получения электромагнитных колеба- ний строго определенной частоты, т. к. электроны, движущиеся с ускорением, сами по себе излучают широкий спектр частот, срав- нимых с генерируемыми частотами. Для дециметровых и санти- метровых радиоволн эту трудность удалось преодолеть в электро- вакуумных приборах СВЧ, пропуская электронные потоки через резонаторы. Наиболее эффективными оказались по-

лости — объемные резонаторы, размеры к-рых сравнимы с гене­рируемой длиной волны X. Однако для очень малых длин волны (X — 1 мм) изготовление таких резонаторов необычайно трудно, а для световых волн изготовить объемный резонатор, размеры к-рого сравнимы с X, вообще немыслимо. Кроме того, с уменьшением раз­меров резонатора катастрофически падает излучаемая в резонатор мощность. Попытки использовать электронный пучок для освоения оптич. диапазона длин волн остановились перед непреодолимым

барьером.