Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

На пути к оптическому радио

Доктор физико-математических наук Н. Г. Басов, заместитель директора Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР

В последние годы бурно развивается новое, очень важное направление науки - квантовая электроника. Квантовая электроника - один из наиболее молодых разделов физики. Она возникла в 1952 году, когда был предложен новый метод генерации и усиления радиоволн с помощью квантовых микросистем - молекул, атомов и т. д. Этот метод оказался очень плодотворным и позволил получить результаты, недостижимые для обычной радиотехники.

Схема 1.
Схема 2.
Схема 3.
Схема 4.
Схема 5.
Наука и жизнь // Иллюстрации

С помощью квантовых генераторов, например, уже созданы часы, позволяющие измерять время с точностью в 1 секунду за 300 лет. Современная техника дает возможность построить часы, которые будут измерять время с точностью до одной секунды за десятки тысяч лет. Такие сверхточные генераторы представляют не только "академический интерес". Позволяя на опыте проверить правильность важных теоретических выводов, они необходимы также для точного вождения самолетов и кораблей. Без таких генераторов невозможно обеспечить попадание космических ракет на другие планеты и т. д.

Не менее важны и квантовые усилители, позволяющие значительно увеличить чувствительность приемной аппаратуры. Дело в том, что чувствительность всякой радиоаппаратуры ограничена "собственными шумами". Шумы возникают из-за хаотического теплового движения электронов в проводах и лампах, порождающего случайные колебания тока. Если ток, создаваемый радиосигналом на входе приемника, меньше этого случайного тока, то сигнал невозможно выделить на фоне шумов.

Для снижения теплового шума необходимо снижать температуру "приемника". Но ни радиолампы, имеющие раскаленный до 700-1000° катод, ни полупроводниковые приборы не могут работать при низкой температуре. Квантовые усилители могут работать при температурах, близких к абсолютному нулю. Созданные в настоящее время на базе квантовых усилителей приемники сантиметровых и дециметровых волн позволяют при хороших антеннах получить выигрыш по чувствительности в десятки и даже сотни раз по сравнению с обычными приемниками. Столь значительное увеличение чувствительности открывает большие возможности для радиолокации, радионавигации, космической радиосвязи, радиоастрономии и ряда других областей науки и техники.

В настоящее время квантовая электроника позволила проникнуть и в диапазон видимых, световых волн. Хорошо известно, что свет и радиоволны имеют одну и ту же природу - они представляют собой электромагнитные колебания, которые разнятся между собой лишь по длине волны. Глубокое изучение процессов взаимодействия "порций" электромагнитной энергии квантов с веществом позволило научиться управлять поведением атомов, выступающих в качестве миниатюрных радиостанций.

Уже созданы первые генераторы света. Здесь открываются еще большие возможности, чем в диапазоне сантиметровых волн. Подсчеты показывают, что с помощью таких оптических генераторов возможно осуществление радиосвязи на расстояниях, которые свет проходит за несколько лет. Это очень большие расстояния, совершенно недоступные для всех других видов радиосвязи.

Такие возможности связаны с тем, что оптические генераторы могут давать очень сильно направленные пучки излучений. Чем короче длина волны, тем большую направленность пучка света можно получить. Например, для того, чтобы с Земли облучить на Луне площадку размерами в один квадратный километр, для радиоволн длиной в 1 сантиметр надо было бы соорудить антенну (прожектор) диаметром в 3 километра. Но ту же площадку радиоволной видимого диапазона можно осветить с помощью прожектора диаметром в 20-30 сантиметров. Осуществление радиосвязи на световых волнах заманчиво также с другой стороны оно позволяет передавать чрезвычайно большое количество информации. Одна радиостанция видимого диапазона может вести одновременно передачу десятков тысяч телевизионных программ.

Последовательное освоение диапазона световых волн позволит создать необычные, высокоскоростные вычислительные машины. Если сейчас идет речь о машине со скоростью в несколько сот миллионов операций в секунду, то оптический диапазон позволит увеличить эту скорость до десятков тысяч миллиардов в секунду.

Весьма обещающими являются также перспективы, связанные с фокусированием радиоизлучения оптических генераторов на очень малые площадки - размерами порядка длины волны излучения. При такой фокусировке возможно получение светового давления в десятки миллионов атмосфер. По-видимому, это позволит найти квантовым генераторам целый ряд научных и технических применений. Здесь можно назвать создание ускорителей заряженных частиц, процессы обработки различных материалов, опыты по проверке квантовой электродинамики, исследования термоядерных процессов, различные применения в химии, биологии, медицине и других областях.

Характеристики уже созданных генераторов еще далеки от теоретического предела, на основе которого были получены приведенные мной цифры. Это связано прежде всего с недостаточно хорошим качеством кристаллов, атомы которых выступают как генераторы излучений. Очень небольшие нарушения состава кристалла или структуры его решетки создает рассеяние света. При этом получаются значительно более расходящиеся пучки света. Вот почему одной из основных задач является работа по совершенствованию технологии получения монокристаллов.

Эта проблема аналогична той, что возникла десять лет назад, когда начала развиваться полупроводниковая электроника. В то время нужно было научиться делать полупроводниковые монокристаллы с очень совершенной решеткой и ничтожным количеством примесей. Физики и химики справились с этой задачей и обеспечили создание разнообразных полупроводниковых приборов. Надо думать, будет решена и проблема создания необходимых кристаллов для оптической радиоэлектроники, и уже в недалеком будущем атомные радиостанции будут широко использоваться во многих областях науки, техники и практической жизни.

***

КАК РАБОТАЮТ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

Посмотрите на первую из приведенных здесь схем (схема 1). На ней изображены энергетические уровни электронов в атоме. Нижним, более близким к ядру уровням соответствует меньший запас энергии. Но электронов на них больше, чем на верхних. По Е (энергия) законам квантовой механики энергия электрона в атоме не может меняться непрерывно, поможет иметь лишь строго определенные значения. При переходе электрона с более высокого уровня на более низкий излучается порция электромагнитной энергии, называемая квантом. Энергия кванта равна разности энергий между уровнями. При переходе электрона с более низкого уровня на более высокий атом, наоборот, поглощает один квант.

Число электронов, находящихся на данных уровнях энергии, определяется температурой. Чем выше температура, тем больше частиц находится на высших уровнях. Но даже при очень больших температурах на высших уровнях находится меньше электронов, чем на низших.

Здесь показаны два уровня атома (схема 2). Допустим, что с ними взаимодействует квант излучения, энергия которого равна разности энергий между уровнями. При таком взаимодействии могут происходить два процесса. Во-первых. атом способен поглотить квант, причем один из электронов перейдет на верхний энергетический уровень. Во-вторых, под влиянием кванта электрон может перейти на нижний уровень и испустить новый квант, сходный по свойствам с тем, что вызвал излучение. Вероятность этих двух процессов одинакова. Но поскольку у веществ в обычном состоянии на низших уровнях находится больше электронов, чем на высших, то все тела поглощают электромагнитную энергию радиоволн.

Атомы были искусственно возбуждены (так называемая неравновесная система), причем на более высоком энергетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком. В отличие от равновесной подобная система будет усиливать падающие на нее кванты, потому что процессы излучения будут преобладать над процессами поглощения. Таков принцип действия квантового усилителя (схема 3).

Если вещество, содержащее атомы с неравновесным распределением электронов по уровням энергии, поместить между двумя зеркалами. то оно может работать как генератор излучения. Действительно, отражаясь от зеркал, кванты будут многократно проходить через кристалл. И если за время "жизни" квантов между зеркалами каждый из них вызовет излучение больше одного кванта, то такая система будет работать как генератор (схема 4).

В качестве рабочего вещества в оптических генераторах могут использоваться различные кристаллы, например рубин - окись алюминия с примесью хрома. На схеме 5 изображены энергетические vpoBHH ионов хрома в рубине. Под влиянием квантов света специальной лампы накачки. дающей кратковременные вспышки, электроны переводятся с основного уровня 1 в широкую полосу уровней 3. Благодаря взаимодействию с другими атомами электроны из этой полосы переходят на уровень 2. При достаточно сильном освещении кристалла на уровне 2 может оказаться больше электронов, чем на уровне 1. Такой кристалл уже может использоваться как генератор оптического излучения.

На цветной вкладке художник условно изобразил один из возможных вариантов оптического генератора Цилиндрический кристалл рубина периодически освещается газоразрядной лампой накачки, наполненной ксеноном. Концы рубинового стержня посеребрены, световой луч красного цвета вырывается через маленькое не посеребрённое пятнышко. Часто вместо окошка используется очень тонкая, полупрозрачная серебряная пластинка. При этом можно получить более направленный пучок света, чем в случае малого окошка.

Излучаемые волны, как и в других генераторах, оказываются согласованными по фазе, их можно модулировать, то есть накладывать на них сигналы для передачи полезной информации.

***

НЕБЫВАЛЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Большой круг принципиальных теоретических вопросов связан с техникой передачи информации. Большое значение имеет освоение новых диапазонов частот электромагнитных колебаний. Освоение более коротковолновых диапазонов позволит передавать огромные потоки информации по волноводам, концентрировать потоки излучения в узких пучках при умеренных размерах антенных систем и откроет новые большие возможности для радиолокации, радионавигации и связи на дальние расстояния, вплоть до космических. В инфракрасном и оптическом диапазоне волн открываются еще большие возможности. Для решения этих проблем громадное значение имеют создание квантово-механических генераторов и усилителей оптического диапазона и исследования для этих целей монокристаллов различных веществ.

Президент Академии наук СССР академик М. В. КЕЛДЫШ (Из доклада на Всесоюзном совещании научных работников).

***

ФАНТАСТИКА СТАНОВИТСЯ РЕАЛЬНОСТЬЮ

Среди других крупных вкладов науки в практику следует указать на возникшее в последние годы совершенно новое направление использования законов атомного мира. Его можно назвать атомной радиотехникой (иногда его называют квантовой радиофизикой). Смысл этого названия нетрудно разъяснить. Уже на рубеже нашего столетия стало ясно, что каждый атом представляет собой малюсенькую радиостанцию, весь механизм которой спрятан в его внешней электронной оболочке. Однако в течение долгого времени никому не приходило в голову, что можно использовать это свойство атомов, заставляя их колебаться вместе в одном и том же ритме и посылать согласованный поток излучений. Такая идея появилась сравнительно недавно, ее авторами были молодые советские физики А. М. Прохоров и Н. Г. Басов.

В настоящее время становится очевидным, что новые атомные радиостанции могут привести к подлинной революции в технике связи. С их помощью, по-видимому, удастся создать тонкие, как иголка, и вместе с тем чрезвычайно мощные пучки электромагнитных волн и световых лучей, пользуясь которыми можно будет передавать сигналы далеко за пределы солнечной системы на многие миллиарды километров. Для любителей научной фантастики я хочу заметить, что игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идеи "гиперболоида инженера Гарина". Следует предполагать, что здесь дело пойдет быстрее, чем с термоядерным синтезом, и уже в ближайшие 5 -10 лет атомные радиостанции займут подобающее им место в практической жизни.

Академик Л. А. АРЦИМОВИЧ (Из выступления на Всесоюзном совещании научных работников).

Читайте в любое время

Другие статьи из рубрики «Архив»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее