Ибо нейтрино не дремлет… Да, по порядку сейчас следовало бы написать статью о свете. Но не лучше ли сначала обсудить, зачем он может понадобиться нам, жителям и так донельзя просвещенного третьего тысячелетия? — исключая роль носителя терабайтов информации, естественно. Как вы догадались, речь пойдет о боевых лазерах.

Лет тридцать назад известный американский киноактер Рональд Рейган, назвавший СССР «Империей зла», — в продолжение своей кинематографической аналогии выдвинул так называемую Стратегическую Оборонную Инициативу (СОИ). Эта многомиллиардная оборонная программа должна была предотвратить агрессию тоталитарной «Империи» и защитить светлый капиталистический рай с помощью оружия из «Звездных войн».

В подтверждение серьезности своих намерений «американская военщина» (выражение советской пропаганды тех лет) демонстрировала всему миру шедевральные по тем временам мультики, изображающие как советские ядерные боеголовки на подлете к Америке уничтожаются лучами света с многочисленных спутников, образующих над «континентом свободы» защитный «космический зонтик». Заметим, что Западной Европе повезло в этом отношении гораздо меньше, — но в те годы противостояния двух «сверхдержав» менее крупные страны официально играли роль разменной монеты. Ирония здесь заключалась еще и в том, что даже в случае, если бы СОИ защитила европейцев от советских боеголовок, — им вполне хватило бы радиоактивного заражения от американских, которые должны были бы долететь до СССР, как «превентивный» удар. Не говоря уже о «ядерной зиме»…

Рональд Рейган в г. Диксон, штат Иллинойс

Р. Рейган в 1920-х, за 60 лет до СОИ

Еще одной характерной чертой «холодной войны» была особая дерзновенность военно-промышленных идей: сверхмощные лазеры космического базирования предлагалось накачивать энергией ядерного взрыва. Конечно, это сделало бы и лазеры, и несущие их спутники одноразовыми, — в связи с чем предполагалось на каждом спутнике размещать по многу лазерных пушек.

Если учесть, что военная доктрина США допускала применение ядерного оружия первыми, понятна настороженность, с которой советское руководство встретило новую инициативу заокеанского артиста. Если бы американцам удалось построить СОИ, и таким образом обезопасить себя от «удара возмездия» со стороны СССР, — что остановило бы их от нанесения этого самого «первого удара»?

К несчастью (а может, к счастью! – третья мировая отодвинулась, по крайней мере, на 30 лет) ресурсов советской экономики было недостаточно, чтобы построить свое СОИ. Некоторые современные интернет-комментаторы даже считают это причиной начала «перестройки». Которая, как мало кто уже помнит, начиналась с «ускорения», призванного улучшить экономические показатели, — а закончилась поражением в «холодной войне» и развалом СССР. Но, по крайней мере, чем-то Советский Союз ответил на СОИ – большим количеством карикатур в прессе на «американскую военщину» и «дядю Сэма» с ядерной ракетой в одной руке и дырявым «космическим зонтиком» СОИ в другой.

Позднее, по слухам, в качестве «ассиметричного ответа» на космической станции «Мир» был размещен станковый пулемет, который должен был бы в случае чего просто превратить в решето все НАТОвские спутники: благодаря взаимной скорости пуль и спутников, последние не защитила бы никакая броня. Однако, это не спасло СССР, — было уже слишком поздно.

Необычно большое количество слов в кавычках в начале этой статьи неслучайно. Как и многое в той эпохе, СОИ оказалась блефом. Надо сказать, блестяще исполненным и достигшим своей цели. Никто, похоже, не собирался строить лазерный зонтик над Америкой, а если бы и собрался – никакая экономика не справилась бы, да и научно-техническая база в то время еще не была на достаточном уровне. А как сейчас? – конечно, встает вопрос.

Прежде чем ответить на него, оставим ненадолго милитаризацию космоса и поговорим о физике лазеров. Для этого сначала обсудим один весьма прозаический вопрос: почему прозрачно стекло?

Встречаются совсем дикие объяснения этого свойства стекол! К примеру, поскольку, мол, стекло – это как бы очень густая жидкость, то и молекулы его упакованы не так плотно, как в твердых телах. В оставшиеся промежутки свет и проскальзывает. Даже не знаю, с какой стороны здесь начинать критику, скажу просто, что по данным современной науки это неверно.

Объяснение же, соответствующее нынешним теориям, состоит примерно в следующем. От того, как упакованы атомы вещества, зависит структура энергетических уровней, которые могут занимать в куске этого вещества электроны. Всегда есть так называемое основное состояние с наименьшей энергией, с которого электрон может перейти на более высокий уровень – если ему сообщить достаточно энергии. Точнее не перейти, а перескочить, ведь находиться между двумя соседними уровнями электрон в атоме не может. Такой процесс называется возбуждением, и, очевидно, может происходить только в случае притока энергии извне.

е равно аш ню

Энергия фотона пропорциональна частоте излучения

Свет и есть энергия «в чистом виде». Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света. Итак, проходя сквозь вещество, фотон, частица света, может передать свою энергию атому, который становится при этом «возбужденным», что выражается в переходе одного из электронов с более низкого на более высокий энергетический уровень. В результате, фотон поглощается, перестает существовать.

Особо важно здесь следующее обстоятельство: для того, чтобы передать свою энергию электрону и быть поглощенным, фотон должен обладать энергией не меньшей, чем разность в энергиях основного и первого возбужденного уровней в атоме. Ведь если бы электрон поглотил меньшее количество энергии, он не смог бы подняться с низшего до более высокого уровня, и ему пришлось бы «зависнуть» где-то между ними, что, как мы уже сказали, запрещено современной физикой.

Электрон переходит на более высокий энергетический уровень

Поглощение фотона, электрон переходит на более высокий по энергии уровень

В результате, фотоны с меньшей, чем надо энергией, проходя через вещество, просто не могут быть поглощены, и проходят его насквозь. Энергия фотона зависит от частоты колебаний электромагнитной волны, которой и является свет с точки зрения классической физики. Чем больше частота, тем больше энергия, они прямо пропорциональны. На практике это выражается в том, например, что фотоны видимого света разных цветов имеют разную энергию: энергия фотонов красного света меньше энергии фотонов фиолетового. Остальные цвета располагаются на шкале энергий между ними в том же порядке, как они идут в радуге.

В случае стекла как раз оказывается, что энергия фотонов видимого света недостаточна для возбуждения даже первого электронного уровня, — и излучение проходит сквозь стекло почти без поглощения.  А вот более энергичному ультрафиолету (он идет по шкале частот или энергий следом за фиолетовым) не повезло – обычное стекло его поглощает. Ультрафиолет ответственен, в частности за образование загара. Поэтому в соляриях для ультрафиолетовых ламп используется не обычное, а кварцевое стекло, прозрачное и в ультрафиолетовом диапазоне.

Электрон переходит на основной энергетический уровень

Излучение фотона, электрон переходит на низший по энергии уровень

Теперь самое время перейти к лазерам. Зададимся вопросом: что будет, если процесс поглощения фотона запустить в обратную сторону? Да, процесс поглощения превратится в процесс излучения фотона атомом. При этом электрон спускается с верхнего, большего по энергии уровня — на нижний, а высвобождающаяся при этом энергия и превращается в излучение. Это процесс так называемого спонтанного, то есть происходящего само по себе излучения.

А дальше самый сложный вопрос: что произойдет, если фотон с нужной энергией налетит на уже возбужденный атом? Ответ на него дал почти сто лет назад Эйнштейн. В 1916 году он указал, что в этом случае может произойти так называемое индуцированное излучение. При этом электрон спускается с верхнего энергетического уровня на нижний, атом переходит из возбужденного состояния в основное, а высвобождающаяся энергия переходит в излучение, то есть в энергию еще одного фотона.

Электрон переходит на низший уровень, при этом излучается второй фотон

Вынужденное (индуцированное) излучение

Получающееся при этом индуцированное излучение обладает замечательным свойством: оно когерентно с излучением, его вызывающим. Иными словами, его частота и фаза совпадают с частотой и фазой исходного излучения, и в результате интерференции, при сложении этих двух волн они усиливают друг друга.

Понятное дело, что ученые довольно скоро сообразили, что этим явлением можно воспользоваться для усиления света… беда, однако, была в том, что в случае термодинамического равновесия все процессы (поглощения, спонтанного и вынужденного излучения) уравновешивают друг друга. Иными словами, дело обстояло чуть лучше, чем в системе ниппеля: сколько фотонов залетело «туда» — столько и вылетит «оттуда».

Нужно было каким-то образом сделать так, чтобы возбужденных атомов было больше, чем в равновесном случае, или, как говорят, создать инверсную заселенность возбужденного уровня. Вот тогда-то индуцированное излучение действительно будет усиливать свет.

Выходят из этого положения, например, следующим образом: рабочее вещество облучается фотонами с энергией еще выше, чем у нужного нам возбужденного состояния. При этом большое число электронов забрасывается на еще более высокий уровень, с которого они потом спускаются (например, за счет перехода без излучения) на тот, который нам нужен. Этот процесс называется «накачкой» лазера. В результате его в веществе образуется множество возбужденных атомов, «только и ждущих» встречи с фотоном нужной частоты, — для того чтобы отдать свою энергию в виде еще одного такого же фотона. Заметим, что в каждом таком процессе налетающий на возбужденный атом фотон удваивается.

Трехуровневая схема создания инверсной заселенности

Лазерное излучение, схема с использованием трех энергетических уровней

Остался лишь небольшой штрих, и лазер готов. Рабочее вещество помещают в оптический резонатор, или, попросту говоря, с двух сторон к нему приставляют по зеркалу. При этом случайно возникающим в результате спонтанного излучения фотонам рабочей частоты некуда деться, и они постоянно возвращаются в рабочее вещество, — пока наконец каждый из них не вызовет индуцированное излучение своего брата-близнеца. Ну, или клона – кому какая аналогия больше нравится. За счет этого происходит удвоение числа фотонов, — которым, опять-таки некуда деться с подводной лодки из резонатора, — и каждый из которых поэтому вновь вызывает индуцированное излучение фотонов-клонов. Происходит еще одно удвоение, — и этот процесс лавинообразного увеличения числа одинаковых фотонов повторяется вновь и вновь. До тех пор, пока мощный луч когерентного излучения не вылетает из резонатора – чтобы указать нужную формулу на доске, ослепить пилота или разрезать сталь.

Конечно, описанный нами общий принцип работы лазера – очень общий. А потому со времени разработки теории каждый год предлагались все новые конкретные способы воплощения этой идеи в реальное «железо». Сейчас, таким образом, существуют уже десятки типов лазерных устройств, каждый из которых хорош и интересен по-своему. Импульсные и непрерывные, газоразрядные, жидкостные (на растворах) и полупроводниковые — и так далее.  Но нас, конечно, интересуют мощные лазеры.

Итак, вернемся к милитаристским прожектам тридцатилетней давности. Как с ними обстоят дела в наше время тотальной «сбычи мечт»?.. Да, в феврале прошлого года были опубликованы данные о наконец-то сбывшейся мечте г-на Рейгана. Самолету США, вооруженному мощной лазерной пушкой, удалось сбить жидкостную баллистическую ракету на фазе разгона. Это был специально приспособленный для таких целей Боинг-747, пушка располагалась на носу самолета, а весь процесс отслеживания цели, оценки ситуации и лазерного удара занял секунды. Сама лазерная установка изготовлена из новейших материалов, чтобы уменьшить ее вес; полутораметровый телескоп фокусирует луч на цель.

Это, конечно, далеко не «звездные войны», но, как говорится, лиха беда начало! Еще через год, в феврале 2011 года, как раз к 100-летию со дня рождения Рональда Рейгана ученые из Jefferson Lab (лаборатория им. Томаса Джефферсона с мощным ускорителем) сообщили о важных успехах, достигнутых в разработке боевых лазеров морского базирования. Их цель – мегаваттный  лазер, способный прорезать до нескольких метров стали в секунду. Первые морские испытания предположительно назначены на 2018 год. Почему этот лазер должен быть установлен именно на корабле? Дело в том, что основная проблема мощных лазеров – это размеры как самого прибора, так и его энергетической установки. Поэтому какой-нибудь крейсер – самое место для лазерной мегапушки. Да и сейчас разработчикам еще предстоит решить проблему снижения размеров установки, чтобы она поместилась хотя бы на корабле.

Надо сказать, работы над самолетным лазером велись около 10 лет и уже обошлись в 1 миллиард долларов, так что вполне возможно, что экономические проблемы опять задержат приход лазерной эры в военном деле. Да и критики утверждают, что такие системы малопригодны для реальной войны. Так или нет, но пока, по крайней мере, американский секретарь по обороне (secretary of defence) Роберт Гейтс урезал программу до одного самолета. Впрочем, само по себе существование такого самолета, способного в действительности, а не в мультике сбивать лазером ракеты, — уже огромное достижение, ведь до сих пор лазерные пушки могли поражать только стационарные цели со стационарных платформ.

Вот такие вести с электромагнитных полей. Заметим, вести уже не самые свежие, но как говорится, дай разумному человеку повод — и он станет еще разумнее (к примеру, самостоятельно изучив вопрос).

Как видим, свет годится не только для передачи информации, но и для решения вполне материальных задач. Свойство вещества, лежащее в основе работы лазеров, — явление индуцированного (вынужденного) излучения состоит в ведении квантовой механики, а потому и лазеры иногда называют оптическими квантовыми генераторами. Положение о том, что энергия всегда передается определенными порциями (квантами) – лежит в самом сердце этого раздела физики, о котором, надеюсь, мы еще поговорим. А пока, поскольку мы опять убедились в практической важности света, нам следует наконец обсудить, что же он есть сам по себе с точки зрения современной физики.

GD Star Rating
loading...
Воин света, будь бдителен!, 10.0 out of 10 based on 1 rating

Добавить комментарий