Итак, оптико-электронными называют приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию.
В обобщенную схему ОЭП входят источник излучения, оптическая система, приемник излучения и выходной блок. Источник излучения создает материальный носитель информации — поток излучения. В некоторых случаях источник излучения дополняют передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему.
Приемная оптическая система собирает поток, испускаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет на приемник излучения. Приемник превращает сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.
Выходной блок (система вторичной обработки информации) формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям исполнительной автоматической системы.
ИСПОЛЬЗУЮТ ЛИ ВОЛОКОННУЮ ОПТИКУ В ЭВМ?
Уже созданы электронно-вычислительные машины, все элементы которых работают на лучах света, обмениваясь ими через нити — световоды. Имеются и автоматические телефонные станции, на которых нет ни одного электрического или электромагнитного реле.
По оптико-электронным линиям можно передавать и телефонный разговор, и программу цветного телевидения, и любой другой вид информации.
ЧТО ДАЕТ СОЕДИНЕНИЕ ЛАЗЕРА С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ?
Лазерные лучи когерентны, поэтому оптико-электронные системы, соединенные с лазером, обладают колоссальной информационной емкостью и четкой направленностью сигнала. Достаточно сказать, что один лазерный луч эквивалентен 200 телевизионным каналам.
Волоконная оптика — одна из самых молодых наук современности, наука-младенец, и перспективы, открывающиеся сегодня перед ней, — это лишь незначительная часть того, что может возникнуть и возникнет в недалеком будущем.
13. Современный гиперболоид
В 1925–1926 гг. советский писатель А.Н.Толстой написал и опубликовал первый вариант романа «Гиперболоид инженера Гарина». В нем автор рассказал о некоем инженере Гарине, укравшем идею у своего коллеги, который изобрел аппарат, позволяющий получить сверхмощное световое излучение. Сила излучения была такова, что оно было в состоянии разрушать горы, превращать в пар огромные массы воды, проникать в глубь Земли до жидкого гипотетического оливинового пояса — «кладовой золота». Свое изобретение инженер Гарин использовал прежде всего во зло людям в стремлении стать мировым диктатором, добыв из земных недр несметное количество золота. Это произведение А.Н.Толстого можно по праву назвать научно-фантастическим романом, опередившим свое время на четверть века.
А КАК ВСЕ ПРОИСХОДИЛО В ЖИЗНИ?
В 1951 г. А.М.Прохоровым были проведены исследования по радиоспектроскопии: изучалось поведение молекул в электромагнитных полях радиочастотного диапазона.
Вскоре после этого молодыми учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (ныне известными академиками) была выдвинута идея создания молекулярного генератора, который основан на индуцированном (вынужденном) испускании электромагнитных колебаний сверхвысоких частот (СВЧ) молекулами или атомами под действием поля излучения. Необходимо заметить, что существование такого излучения наряду со спонтанным (самопроизвольным) было предсказано А. Эйнштейном еще в 1916 г.
И вот через три года упорного труда, в 1954 г., были разработаны и исследованы молекулярные квантовые генераторы — мазеры — в СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, а независимо от них в США — Ч. Таунсом.
Создание молекулярного генератора ознаменовало рождение новой области физики — квантовой электроники, стоящей на стыке между радиофизикой и оптикой.
Эта область интенсивно развивается в настоящее время, причем ведущую роль в этом развитии играют советские физики, о чем свидетельствует присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н. Г. Басову и А. М. Прохорову (совместно с американцем Ч. Таунсом).
В конце 60-х годов выявились возможности создания квантового генератора оптического диапазона — лазера — этого своеобразного «гиперболоида XX века».
Само слово «лазер» образовано от начальных букв английской фразы «Light Amplification by Stimulated emission of Radiation», что означает «усиление света путем индуцированного испускания излучения».
МЫ УЖЕ СТОЛЬКО РАЗ ПРОИЗНОСИЛИ ЭТО СЛОВО «ЛАЗЕР». ПОРА ПОГОВОРИТЬ И О САМОМ ЛАЗЕРЕ.
Изобретение принципиально новых источников света — лазеров — вдохнуло новую жизнь в оптику, к этому времени считавшуюся завершенной наукой.
Свет получил множество новых применений, так как приобрел совершенно новые качества: высокую монохроматичность (предельно высокую цветовую чистоту), острую пространственную направленность, огромную спектральную яркость. С точки зрения классической оптики был создан как бы точечный источник с огромной температурой, который позволял получать не только узкие нерасходящиеся лучи, но и концентрировать в них огромную мощность. Именно эти характеристики привели к рождению и бурному развитию нового раздела в самой оптике — нелинейной оптики.
В настоящее время созданы оптические квантовые генераторы (ОКХ) различных видов: на кристаллах и стеклах (твердотельные квантовые генераторы), полупроводниковые генераторы, генераторы на жидких красителях, на газовых смесях.
ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ЛАЗЕР? ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
Прежде всего раскроем физический смысл понятия «индуцированное излучение».
Индуцированное (вынужденное) излучение возникает в результате согласованного по частоте, фазе и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов, ионов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Оно может происходить во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения: радио, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском.
Если в обычных генераторах и усилителях электромагнитных волн (в вакуумных электронных лампах и транзисторах) используют свободные электроны, движение которых описывается классической физикой, то в квантовых генераторах мы имеем дело со связанными электронами, входящими в состав атомов, молекул, ионов, кристаллов.
Движение таких электронов подчиняется законам квантовой механики. Отсюда и появились названия «квантовая электроника», «квантовые генераторы», «квантовые усилители» и т. п.
Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений E0, Е1, E2…, Еn, называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома.
В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах веществ пребывает на самом низком невозбужденном уровне E0, т. е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е1, E2…, Еn соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными (рис. 42).
Рис. 42.Энергетический спектр атома
При переходе электрона с одного уровня энергии на другой атом может испускать или поглощать электромагнитные волны, частота которых vm.n определяется соотношением
vm.n = (Еm — En)/h.
Здесь h — постоянная Планка (h = 6,62∙10-34 Дж∙с), Еn — конечный, Еm — начальный уровень. Чем больше разность энергий состояний, между которыми происходит переход, тем больше частота электромагнитной волны, испускаемой или поглощаемой при таком переходе, тем больше энергия волны hv.
Именно дискретностью энергетического спектра, как нам известно, объясняется линейчатый характер спектра испускания или поглощения электромагнитных волн атомами.
Приведенная выше формула выражает закон сохранения энергии при элементарных актах испускания или поглощения фотонов атомами.
Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.
Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер.
Если одновременно возбудить большую группу атомов, то при известной вероятности спонтанных переходов можно утверждать, что по истечении некоторого времени какая-то часть атомов в среднем должна совершить акты спонтанного испускания. При этом в силу случайного характера явления само излучение может испускаться в окружающую среду по любым равновероятным направлениям. Все обычные источники (лампы накаливания, газоразрядные трубки и т. п.) дают свет в результате спонтанного испускания.
Таков первый механизм испускания электромагнитного излучения атомами. Подведя итог вышеизложенному, можно утверждать, что мы имели дело с двухуровневой схемой испускания света и что в этом случае никакого усиления излучения добиться не удастся. Действительно, если атом поглотил какое-то количество энергии hv, то через некоторое время этот атом выделил энергию в виде кванта, но той же самой энергии hv. В этом случае мы имеем дело с самопроизвольным процессом, не связанным ни с какими внешними воздействиями и присущим изолированному атому, т. е. со спонтанным испусканием. Следовательно, при двухуровневой системе в газе каждый атом может находиться только в двух состояниях: