Когда я задала этот вопрос лазерщикам, они удивились. Неужели я еще 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 присоединен кабель, более тонкий, чем обычный карандаш. Он исчезает в отверстии стены. Оттуда выходит точно такой же кабель, конец которого присоединен к другой коробочке несколько больших размеров.
— Это наша световодная линия связи, — пояснил молодой ученый. — Одна маленькая коробочка содержит оптический передатчик, другая является приемником 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 данному световоду десятки тысяч телефонных разговоров, многие программы телевидения и огромный объем 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 самолетов и кораблей, в системы промышленной автоматики, управления и в 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 пленок 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, проводящие свет прозрачные пленки и волокна толщиной 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, работающих в содружестве с голографическими устройствами, в которых может быть закодирована любая информация. Ею могут быть книги, кинофильмы, телефильмы. Текст одной страницы занимает площадь размером в острие иглы! На одной пластинке может быть умещен текст «Войны и мира».
Когда-нибудь все библиотеки и кинотеки будут хранить не книги, а голографические диски, в которых информация записывается и считывается при помощи миниатюрных лазеров. В небольшой комнате уместится богатство Библиотеки имени В. И. Ленина. На экранах телевизоров уже сегодня можно увидеть кинофильм, книгу, даже страницу и отдельную строчку из подобного хранилища. Такие системы уже есть.
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 еще одна важнейшая сфера лазерных исследований — создание новых, более совершенных, удобных и более мощных лазеров.
Первые лазеры внешне ничем не были похожи друг на друга. Общим был цвет испускаемых лучей — красный. Но эта общность, конечно, возникла случайно. Не случайным была чрезвычайно слабая расходимость лучей (много меньшая, чем расходимость лучей лучшего прожектора) и крайняя узость их спектра, не сравнимая с шириной спектра любого другого источника спета. И то и другое — результаты применения пары параллельных зеркал, между которыми располагалось святящееся вещество лазера.
Дальше начинались различия. В самом первом из лазеров свет исходил из кристалла рубина, который облучался ярким белым светом ламп-вспышек. Рабочим веществом второго лазера служила смесь неона и гелия, 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 стекло и полупроводники, затем жидкости (наиболее эффективными оказались растворы органических красителей). Это важнейший этап в жизни лазеров, и мы посвятим ему отдельную главу.
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 все более короткие импульсы света. Длительность их стала меньше, чем миллиардная доля секунды.
Все 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 все новые пути их использования. Этот замкнутый процесс еще далеко не закончен.
Проблема лазерного термояда потребовала создания целых 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 и сжать ее. 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.
Для промышленных целей — сверления и обработки поверхности рубинов, алмазов, твердых сплавов — применяются твердотельные лазеры (обычно на стекле) или лазеры на смеси углекислого газа с азотом и гелием.
Лазеры на стекле, окрашенном ионами редкоземельного элемента неодима, работают не только в промышленности, но и в медицине, где они помогают излечивать некоторые формы рака и служат хирургам в качестве инструмента для бескровных операций. Без них не обходятся дальномеры и оптические локаторы, они позволяют обнаруживать загрязнения в атмосфере и измерять скорость ветра и течения воды.
Лазеры на углекислом газе используют для сварки и резки металлов, для раскроя материи и кожи. Они также приносят пользу медикам и химикам, технологам и физикам.
Большая часть лазеров излучает свет с вполне определенной длиной волны, изменять которую удается только в очень узких пределах. Последующее развитие лазеров пошло в двух противоположных направлениях.
Одно из них — создание сверхстабильных лазеров, длина волны которых фиксирована с огромной точностью. Она известна и остается неизменной в пределах миллионной части от миллиардной доли своей величины. Это наибольшая точность, достигнутая в науке и технике.
Второе направление — разработка лазеров, длина волны которых может по желанию оператора изменяться в широких пределах и устанавливаться в точности на заданное значение. Для этой цели обычно применяются лазеры, рабочим веществом которых служат растворы красителей. Такие лазеры незаменимы для решения сложных задач разделения изотопов и для управления химическими реакциями. Лазерный метод позволяет более экономично, чем какой-либо другой, отделять один изотоп легких элементов от его двойников. Сейчас усилия многих ученых направлены на создание эффективного метода разделения изотопов урана, этого основного горючего для атомных электростанций. Лазер помогает химикам получать новые соединения, недоступные традиционным химическим методам. Ему покорились даже инертные газы. В течение долгого времени они оправдывали свое название, не вступая в химическое соединение с другими элементами. Сравнительно недавно ученым с помощью лазера удалось заставить их при известных условиях нарушить свою инертность. Полученные соединения были взяты в качестве рабочих веществ для новых лазеров, которые обещают стать весьма эффективными.
Квантовая электроника не только открывает новые возможности другим областям науки и техники, но и активно использует их новейшие достижения. Например, полупроводниковые лазеры, в которых первоначально применялись лишь соединения индия с сурьмой, теперь работают и на более сложных соединениях трех и четырех элементов, а также на элементах из кремния и германия высшей чистоты.
После появления лазеров было реализовано и одно из поразительных изобретений — голография. Мощные газовые и твердотельные лазеры позволяют зафиксировать и воспроизвести объемные изображения движущихся предметов. Записывать и анализировать разнообразную сложную информацию. Производить измерения различных величин, таких, как скорость и смещение, изменение температуры и давления, производить анализ состава крови и расшифровку текстов, решать множество других разнообразных научных и технических задач, каждая из которых вполне заслуживает отдельного подробного описания.
Итак, перед нами раскинулась и засверкала радуга возможностей, которые таятся в новой области науки — квантовой электронике.
Мы узнали о решительной готовности лазерщиков перевести на принципиально новые рельсы развитие целых областей промышленности и техники. Покорение энергии ядерного синтеза даст неиссякаемые энергетические ресурсы. Осуществится давняя мечта человечества напоить водой пустыни, превратить районы вечной мерзлоты в сады, преодолеть космические дали…