В. Жуков - Физика в бою

Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн. Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что они открывали новые способы генерации и усиления радиочастот. По ряду показателей они превосходили известные радиотехнические устройства и поставили своеобразные рекорды.

Особенно существенное влияние квантовые усилители оказали на дальность действия радиосистем. Как известно, дальность зависит от чувствительности аппаратуры. В свою очередь, чувствительность зависит от уровня собственного шума приемников, создаваемого их же контурами и лампами. Благодаря тому что квантовые усилители работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 270 °C), уровень собственного шума приемников с такими усилителями в 1 тыс. раз меньше, чем у приемников с электронными лампами.

Можно смело сказать, что осуществление таких выдающихся научных экспериментов, как слежение за автоматическими межпланетными станциями и радиолокация планет солнечной системы, было бы невозможно без использования квантовых усилителей радиочастот.

В 1960 г. открылась новая страница в истории молодой науки: стали разрабатываться квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры). За создание оптических квантовых генераторов советские ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоены Нобелевской премии. Суть вопроса здесь такова. Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные волны, испускаемые известными до сих пор источниками света, и волны, излучаемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение световых источников — ламп накаливания— состоит из квантов самых различных частот и занимает очень широкий спектр (практически весь видимый диапазон). В силу этого обычные световые источники пригодны лишь для простейшей сигнализации. Квантовые же генераторы излучают исключительно направленные световые волны определенной частоты.

Угол расхождения луча оптического квантового генератора, как и в радиотехнике, определяется отношением длины волны к диаметру антенны или линзы. Поскольку в диапазоне видимого света длины волн (0,7–0,4 микрона) в 10 тыс. раз меньше, чем, допустим, в диапазоне сантиметровых волн, то и раствор направленного излучения при одинаковых размерах антенн в оптическом диапазоне получается во столько же раз меньше. Например, при диаметре рефлектора в 1 м предельный угол расхождения луча на волне красного света (0,7 микрона) составит менее одной угловой секунды, а на волне 2 см — около 1°, т. е. будет в тысячи раз больше. А от величины угла излучения зависит концентрация энергии в пространстве. Она обратно пропорциональна квадрату угла расхождения луча.

Таким образом, в оптическом диапазоне плотность излучения получается в миллионы и десятки миллионов раз выше, чем в радиодиапазоне. Это свойство световых излучений показывает, что в оптическом диапазоне системы связи и локации принципиально могут быть более экономичными. При меньших мощностях передатчиков можно достигнуть больших дальностей действия. Кроме того, высокая направленность оптических излучений позволяет получить соответственно в тысячи раз большую точность определения угловых координат, лучшую разрешающую способность. Появляются также неограниченные возможности для передачи информации: в диапазоне световых волн может быть размещено, например, несколько десятков миллионов телевизионных каналов.

В зарубежной печати отмечается, что свойства квантовых генераторов позволяют по-новому решать целый ряд задач в области локации, управления и связи и, кроме того, разработать принципиально новые виды вооружения.

В настоящее время разработано несколько типов оптических квантовых генераторов. Наиболее распространен квантовый генератор на рубине. Он включает в свой состав рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркалами и подсвечиваемый лампой-вспышкой. Эта лампа переводит ионы хрома, находящиеся в кристаллической решетке рубина, в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние они вызывают излучение, выводимое через одно из зеркал, которое делается полупрозрачным. В качестве рабочего вещества, кроме рубина, могут быть использованы и другие материалы, например стекло с присадкой редкоземельных элементов и некоторые смеси газов.

Оптические квантовые генераторы делают лишь первые шаги. Как отмечалось в печати, существующие за рубежом образцы еще недостаточно совершенные устройства и не достигли всех предсказываемых теорией возможностей. Пока крайне мал коэффициент полезного действия генераторов — всего около 1 %. Поэтому большой интерес за рубежом вызвало появление в прошлом году оптических квантовых генераторов на полупроводниках, которые не требуют лампы-вспышки и непосредственно преобразуют электрический ток в индуцированное излучение.