Ирина Радунская - Кванты и музы
— Что вы! — даже обиделся он. — Попробуйте сложить десяток стёкол вместе — сквозь них ничего не разглядишь. Для передачи света на большие расстояния оконное стекло совсем не годится. Уже много лет физики, конструкторы, инженеры бьются над созданием таких стеклянных волокон, чтобы они были по-настоящему прозрачны для света: не искажали его, не создавали помех, то есть не вносили ошибок в передаваемую информацию.
Такие поиски велись у нас в Советском Союзе, в США, Японии, Англии, Франции, ФРГ, в социалистических странах. Листая научные журналы, можно убедиться, что учёные уже приближаются к цели, к тому, что станет основой стекловолоконной связи будущего.
Уже сейчас по стеклянным проводам, заменившим медные в ряде экспериментальных систем, на многие километры бегут световые волны, рождённые лазерами и более простыми полупроводниковыми источниками света. Поэтому параллельно с созданием новых коммуникаций идёт интенсивный поиск новых лазеров, которые будут питать волокна информацией.
Полупроводники оказались для квантовой электроники рогом изобилия. Они стали основой очень миниатюрных и экономичных лазеров. Одна из разновидностей — инжекционный лазер. Он не только мал по своим размерам, но обладает ценнейшим достоинством — неприхотливостью к источникам питания. Для того чтобы такой лазер начал излучать свет, его достаточно присоединить к источнику электрического тока напряжением около десяти вольт. А нанизать на его луч голос или другую информацию очень просто — для этого надо лишь менять в ритм с голосом силу электрического тока, протекающего через лазер. Лазер это почувствует и отзовётся соответствующим изменением своего мерцания.
Я видела такой лазер. Маленький кристаллик, укреп лённый на медной пластине. Включили ток, и тёмная мошка вспыхнула ярко-пунцовым светом — электрический ток исторг из плоти полупроводника сноп пурпурных лучей. Можно представить себе, как эти лучи побегут по стеклянным проводам — интенсивность их будет световым аналогом музыки или речи.
На дальнем конце световода изменения силы света ощутит фотоприёмник и превратит их в переменный электрический ток, который заставит работать или телефонную трубку, или телевизор, или любой другой приёмник информации, например блок памяти ЭВМ. Этот лазер — только одно из многих действующих «лиц» оптической системы связи. Как он будет работать в сочетании со всеми другими деталями? Ведь его партнёры должны уметь взаимодействовать со светом, а не с электрическим током, как это происходит в современных системах связи.
Когда я задала этот вопрос лазерщикам, они удивились. Неужели я ещё не видела, как это происходит в действительности? И отвели меня в лабораторию, где системы оптической связи уже стали будничным объектом исследования.
Вот что я увидела.
К маленькой металлической коробочке величиной с пачку сигарет присоединён кабель, более тонкий, чем обычный карандаш. Он исчезает в отверстии стены. Оттуда выходит точно такой же кабель, конец которого присоединён к другой коробочке несколько больших размеров.
— Это наша световодная линия связи, — пояснил молодой учёный. — Одна маленькая коробочка содержит оптический передатчик, другая является приёмником оптических сигналов. Дальние концы кабелей соединены с такими же блоками, расположенными в другом здании. Сейчас мы изучаем особенности эксплуатации световодной системы связи.
По такой линии можно передать и телефонный разговор, и программу цветного телевидения, словом, любой вид информации. Такие линии могут соединяться между собой через коммутаторы, что обеспечит связь любого количества абонентов. Самое важное то, что существуют электронные схемы, позволяющие одновременно и независимо передавать по одному световоду десятки тысяч телефонных разговоров, многие программы телевидения и огромный объём другой информации. Существенно и то, что световодные линии не боятся грозовых и промышленных помех, они много компактнее и легче, чем обычные медные кабели.
Эти качества световодных кабелей открывают им путь на борт самолётов и кораблей, в системы промышленной автоматики, управления и вычислительные комплексы. Они проникнут и в ЭВМ, соединяя между собой блоки и связывая ЭВМ с их периферийным оборудованием.
Полупроводниковые лазеры и другие полупроводниковые оптические элементы вместе со световодами, имеющими вид тончайших плёнок и волокон, станут основой новых оптических ЭВМ следующих поколений. В них свет будет служить не только для передачи, но и для обработки информации.
Лазеры, почти невидимые глазом, и проводящие свет прозрачные плёнки и волокна толщиною в тысячные доли миллиметра, линии задержки импульсов, специальные оптические системы памяти, основанные на принципах голографии, — таковы ЭВМ будущего. Уже сегодня в лабораториях можно увидеть совершенно удивительные, невиданные прежде образцы узлов оптических ЭВМ. Образец блока ввода информации в ЭВМ на оптических деталях — это множество мельчайших лазеров, просвечивающих фотопластинку, на которой при помощи голографии закодирована любая информация. Ею могут быть книги, кинофильмы, телефильмы. Текст одной страницы занимает площадь размером в острие иглы! На одной пластинке может быть умещён текст «Войны и мира».
Когда-нибудь библиотеки или кинотеки будут хранить не книги, а такие вот пластинки. В небольшой комнате уместится богатство Библиотеки имени В. И. Ленина. И на экранах своих телевизоров мы сможем увидеть любой кинофильм, любую книгу, даже страницу и отдельную строчку. Опытные образцы таких систем уже есть. Но важно, чтобы они стали доступны всем. Скоро так и будет.
Работы в области оптоэлектроники настолько перспективны и важны, что сегодня эту науку можно считать одним из китов, на которых будет построена связь и вычислительная техника будущего.
И ещё одна важнейшая сфера лазерных исследований — создание новых, более совершенных, удобных и более мощных лазеров.
Первые лазеры, начавшие работать в 1960 году, внешне ничем не были похожи друг на друга. Общим был цвет испускаемых ими лучей — красный. Но эта общность, конечно, возникла случайно. Не случайным были чрезвычайно слабая расходимость лучей (много меньшая, чем расходимость лучей лучшего прожектора) и крайняя узость их спектра, несравнимая с шириной спектра любого другого источника света. И то, и другое — результаты применения пары параллельных зеркал, между которыми располагалось светящееся вещество лазера.
Дальше начинались различия. В самом первом из лазеров свет исходил из кристалла рубина, который облучался ярким белым светом ламп-вспышек. Рабочим веществом другого лазера служила смесь гелия и неона, а возбуждение свечения вызывалось электрическим током, проходящим через эту газовую смесь, — то же фактически происходит в обычных неоновых трубках газосветной рекламы. Свет первого лазера испускался редкими короткими импульсами, второй светил непрерывно.
Последующее развитие лазеров первоначально пошло по пути поиска других кристаллов и других газов, способных к лазерной генерации света. Это, конечно, был наиболее очевидный, но далеко не единственный путь. Вскоре к кристаллам и газам присоединились полупроводники и стекло, затем жидкости (наиболее эффективными оказались растворы органических красителей).
Возникли новые режимы работы лазеров, новые методы возбуждения. Для этой цели удалось применить электронные пучки, энергию ударных волн и быстрое охлаждение горячих газов, истекающих из специальных сопел. Лазеры «научились» испускать всё более короткие импульсы света. Длительность их стала меньше, чем миллиардная доля секунды.
Все эти результаты появились как следствие естественного развития новой области науки. Однако уже первые шаги в этом направлении открыли возможности новых практических применений лазеров. Как только это было осознано и оценено, началась планомерная разработка специализированных лазеров, отвечающих конкретным запросам науки и техники. В свою очередь, появление новых лазеров открывало всё новые пути их использования. Этот замкнутый процесс ещё далеко не закончен. Но уже теперь он зашёл так далеко, что нам придётся ограничиться лишь несколькими примерами, не пытаясь описать здесь сколько-нибудь полно новые типы лазеров и все их применения.
Проблема лазерного термояда потребовала создания лазерных систем огромной мощности и очень большой энергии, излучающих лазерные импульсы с большой точностью в заданные моменты времени. Иначе невозможно одновременно — со многих сторон — поразить мишень из термоядерного горючего. Мощность, развиваемая таким лазером, превосходит мощность самой большой гидроэлектростанции. Но конечно, вследствие ничтожно малой длительности лазерного импульса излучаемая энергия не очень велика, хотя она и превосходит энергию среднего орудийного выстрела.
