Застосування квантових генераторів світла

Насамперед необхідно відмітити переваги квантових ге­нераторів перед іншими джерелами високочастотної енергії для засобів зв'язку.

При ефективних способах модуляції за допомогою коге­рентних світлових хвиль можна передавати величезний об­сяг інформації, тому що частота світла настільки велика, що навіть у досить вузькій смузі видимого спектра укла­дається велике число хвиль. Кількість інформації, яку можна передати по каналу зв'язку, прямо пропорціональна ширині смуги у герцах.

Так, при передачі телевізійних зображень несуча хвиля переносить сигнал, який створює ефективну ширину смуги у 4 МГц. Промінь лазера може переносити сигнал з часто­тою або шириною смуги, що дорівнює 100 000 МГц. Сигнал такої частоти міг би передавати стільки ж інформації, скіль­ки всі існуючі зараз канали радіозв'язку разом взяті. Про­водились досліди по передачі інформації некогерентними інфрачервоними променями лазера на напівпровідниках. Розрахунок показує, що такий промінь може передавати 20 телевізійних або 20 000 музикально-мовних програм од­ночасно. Проте, необхідно враховувати, що промені світла погано проходять крізь завісу туману, дощу і снігу. Отже, для використання світлових променів у наземних системах зв'язку їх необхідно заключати у світловоди.

Лазери генерують дуже вузькі пучки світла, які можна ще більше звузити за допомогою зовнішньої оптичної си­стеми. Розходження променя лазера може бути зроблене менше 20 см/км, тому густина енергії променя буде достат­ньою для передачі інформації на великі відстані.

Лазер на рубіні може випромінювати світловий промінь шириною менше однієї сотої градуса. Промінь, пропущений крізь систему лінз, у дальшому розширюється всього лише на 5 мм при віддалені на 1 км. Інакше кажучи, кут розходження лазера у десятки тисяч разів менше, ніж у кращих прожекторів.

Однією з головних проблем зв'язку в оптичному діапазоні є модуляція і демодуляція світлового променя.

Проблема модуляції звичайних систем лазерів на досить високій частоті, що дозволяє повністю використати високу щільність каналів, тепер ще повністю не вирішена. Вчені усіх країн працюють над цією проблемою. Не дивлячись на це, оптичні генератори вже використовуються як засоби зв'язку в земних умовах.

Так, у 1960 р. в США для зв'язку використовувався рубіновий лазер, що працював в імпульсному режимі з тривалістю імпульсів 0,5 мсек. Яскравість променя на випромінюваній частоті була в мільйон разів вища, ніж світловий промінь Сонця. Генератор мав промінь шириною всього 0,1⁰, який на відстані 40 км освітлював на стіні коло діаметром 60 м.

У США проводились досліди по становленню зв’язку між підводними човнами, у перескопах яких встановлені лазери. Зв'язок між кораблями підтримувався далеко за межами горизонту на відстанях до 320 км і більше (у ньому випадку використовувались інфрачервоні промені).

Застосовуються лазери і для рятування людей на морі. Розроблений спеціальний мініатюрний лазер на вольфраматі кальцію з домішкою неодима. Вага приладу не перевищує 400 г. Прилад випромінює когерентне світло, яке виявляють з відстані до 50 км.

У системах зв'язку на лазерах між двома наземними пунктами необхідно застосовувати спеціальні світловоди, у яких не відбувається послаблення сигналу, пов’язане з втратами енергії в атмосфері. На криволінійних ділянках таких світловодів встановлюються дзеркала, що змінюють напрям променя. За допомогою лінз, встановлених всередині світловоду, при необхідності пучок перефокусовується. Рівень сигналу можна збільшувати за допомогою оп­тичних квантових підсилювачів.

У одному із експериментів використовувався прямий круглий світловід діаметром 50 мм і довжиною 400 м. На приймальному кінці світловода імпульси світла мали дуже високу інтенсивність. При використанні світловодів з доб­ре відполірованими стінками можлива передача світлового променя по криволінійному шляху.

Лазери можуть також використовуватись для організа­ції оптичного телефонного зв'язку.

Сполучаючи лазери з волокнами-світловодами, можна створити багатопольні пристрої, що передають одночасно все зображення предмета. Така система буде використову­ватись при передачі телевізійних і радіолокаційних зображень, карт погоди і місцевості або контурних карт.

Звичайні радіохвилі майже не проникають через плазму, що оточує космічний корабель під час входження в земну атмосферу. Промені лазера добре проникають через шар іонізованого повітря, забезпечуючи передачу інформації. Таким чином, лазер усуне порушення радіозв'язку з астронавтами в критичні моменти спуску корабля.

У 1963 р. на конференції у США з астронавтики повідомлялось про розробки комбінованої радіооптичної систе­ми зв'язку з глибоким космосом. Система зв'язку повинна складатись з трьох окремих частин: зв'язкового обладнання космічного корабля, ретрансляційної станції, встановленої на штучному супутнику Землі, і наземної станції. Зв'язок між Землею і ретрансляційною станцією здійснюється на частотах радіодіапазону, а між ретрансляційною стан­цією і космічним кораблем — за допомогою лазерів.

Попередні випробування показали, що за допомогою такої радіооптичної системи може бути передана інформа­ція на відстань до 600 млн. км.

Американці в 1965 р. використали лазери у системі зв'я­зку космічного корабля «Джемінай» із Землею. Передба­чається провести експеримент, при якому космонавт для телефонного зв'язку із Землею повинен націлити ручний квантовий генератор світла на наземний приймач і протя­гом 30 сек по команді передавати повідомлення.

У кінці січня 1965 р. французькі дослідники з обсерва­торії Сан-Мішель де Прованс провели важливий експери­мент з променем оптичного генератора. їм вдалося «влучи­ти» променем лазера у невеликий американський супутник

«Ексллорер-22» діаметром 60 см, що знаходився на ви­соті півтори тисячі кілометрів і летів з швидкістю 20 000 км/год. В результаті цього експерименту з надзви­чайною точністю (до 8 м) було підраховано, що «Експло­рер-22» знаходився на відстані 1571,994 км від Землі. Оці­нюючи це досягнення, один французький астроном жарто­ма сказав що його можна порівняти з влучним пострілом у око мухи з відстані в 5 км, коли муха летить з швидкістю 100 км/год. Експеримент підтвердив можливість зв'язку між штучними супутниками Землі за допомогою оптичних генераторів.

Було висловлено припущення, що уже тепер, на основі оптичних квантових генераторів і підсилювачів, можна ство­рити системи для приймання інформації, яку можуть по­силати на світлових частотах розумні істоти, що населяють інші планети. Пошуки інформації з космосу від інших ци­вілізацій в оптичному і ближньому інфрачервоному діапа­зонах проводяться за допомогою потужних телескопів-фотодетекторів. Є проекти створення таких систем.

Широке застосування найдуть лазери у локації і далекометрії. Далекомірні системи, що працюють на базі світ­лових генераторів, можуть забезпечити велику точність вимірювання при меншій споживаній потужності порівня­но з існуючими радіосистемами. Такі далекоміри мають надзвичайно вузьку діаграму спрямованості і дуже низький рівень теплових шумів порівняно з відповідною за ефектив­ністю радіосистемою. Лазер-далекомір не сприйнятливий до зовнішніх перешкод.

Розрахунки показують, що при середній потужності світлового пучка 66 Вт можна вимірювати відстань між космічними кораблями порядку 160 000 км з відносною точністю 10^-5. Розроблені оптичні далекоміри тепер забезпечують в межах земної атмосфери дальність виявлення близько 48 км і вимірювання відстані з точністю в кілька сантимет­рів. Оптичні далекоміри можуть застосовуватись для карто­графування місцевості при геодезичних зйомках.

За допомогою імпульсних оптичних локаторів можна вимірювати не тільки координати цілі, але й її швидкість. Найточніші дані про швидкість одержують, використовую­чи лазери у допплерівських навігаційних системах. Лазери передбачається використовувати також у локаційних уста­новках для виявлення підводних цілей. Висока роздільна здатність оптичного локатора дасть можливість подолати недоліки, які властиві акустичним системам. Експерименти, проведені у США, показали, що дальність дії лазера на рубіні під водою становить 45 м. Вибором довжини, випро­мінюваної лазером хвилі, можна досягти значного збільшен­ня дальності локатора.

Велике значення мають оптичні генератори для науко­вих досліджень. Створюючи потужне джерело інфрачерво­ного випромінювання певної частоти, можна збуджувати коливання в молекулах одного виду так, щоб інші молекули в суміші залишались у спокої. Оскільки збуджені молекули реагують більш бурхливо, ніж незбуджені, створюється можливість вибіркового керування деякими хімічними ре­акціями.

На основі лазерів можуть бути створені запам'ятовуючі комірки для оптичних обчислювальних машин. Такі маши­ни були б більш швидкодіючими порівняно з обчислюваль­ними пристроями, в яких інформація передається по про­водах або хвилевідних лініях.

Лазери можуть застосовуватись також у спектроскопіч­них дослідженнях. За допомогою оптичних генераторів мож­на перевірити правильність теорії відносності.

Лазери застосовуються у промисловості. У сфокусова­ному пучку рубінового генератора вдається одержати над­звичайно високі густини потужності. Рубіновий генератор, що випромінює імпульс з енергією 100 Дж за 200 мксек, створює у фокусі лінзи (з фокусною відстанню 1 см) потік енергії 10¹⁰ Вт/см². Протягом окремих сплесків потужність досягає 10¹³ — 10¹⁴ кВт/см². Таких великих концентрацій енергії не вдавалось одержати в жодному з приладів. У точ­ці дотикання променя лазерного генератора з речовиною створюються температури, що досягають кількох тисяч градусів. Тому речовина моментально випаровується.

За допомогою лазерів вдається свердлити отвори у над­твердих металах і мінералах. Створено промислові установ­ки для свердлення отворів у алмазах. Промінь лазера мож­на використовувати для різання твердих сплавів.

Останнім часом лазери стали успішно застосовуватись у медицині і біології. Проміння лазера можна використовувати для зашивання, стерилізації і припікання надзвичайно малих ділянок живих тканин. За кордоном був проведений успіш­ний експеримент із застосуванням лазера по приварюванню відшарованої сітчатки ока у кроля. Око кроля служило лінзою, яка фокусувала випромінювання на сітчатці.

З травня 1964 р. в Інституті очних хвороб ім. Філатова в Одесі вперше у нашій країні за допомогою світлового про­меня лазера почали лікувати очі людини.

В університетській клініці у Лондоні хірурги збираю­ться використати промінь лазера для видалення пухлин, у тому числі ракових у важкодоступних частинах організ­му. В результаті попередніх досліджень було встановлено, що промінь лазера дуже впливає на певні злоякісні пухлини тканей і мінімально нормальні тканини.

Такий далеко не повний перелік основних застосувань квантових оптичних генераторів.