Неисчерпаемые возможности оптики

Широкое проникновение оптики в современную науку и технику связано с появившейся в результате создания лазеров возможностью получать упорядоченные формы электромагнитной энергии в значительных количествах. Быстрое совершенствование характеристик лазеров дает уже сегодня основания полагать, что в недалеком будущем масштабы использования светового излучения в количественном и качественном отношении будут сопоставимы с использованием других видов энергии...

По своей физической природе луч лазера тождествен радиоволнам. Но поскольку частота колебаний в его волне в миллионы раз выше, то во столько же раз больше его информационные возможности. Об этом писалось уже много раз, однако лишь совсем недавно идея лазерной связи начала приобретать черты технической реальности. Это произошло в результате успешного решения ряда технологических задач по созданию световодов — тонких нитей, по которым свет распространяется так же, как электрический ток по проводам. Увеличение объема передаваемой информации позволит, например, передавать телевизионные изображения по кабельной связи, создать сеть видеотелефонов. Подобные системы связи важны для развития вычислительной техники.

Удивительные перспективы для автоматизации и вычислительной техники, хранения информации и связи, кино и телевидения, новые технические решения и коренные преобразования технологии, сокращение энергоемкости и трудоемкости процессов, борьба с недугами и новая жизнь молекулярной химии и биологии заложены в световом диапазоне волн.

И все-таки мы пока даже не представляем себе всех поистине необозримых возможностей лазера.

Лазеры. О них сейчас много говорят, много пишут. Эти приборы работают в очень широком диапазоне частот — от ультрафиолетового до субмиллиметрового излучения. Квантовая электроника соединила воедино два участка спектра электромагнитных волн — радио и оптический .

С помощью оптических методов успешно решается одна из актуальных задач нашего времени — обработка информации. Обратимся к весьма тривиальному сравнению возможностей ЭВМ и мозга человека. Не существует людей, способных считать со скоростью современных вычислительных машин, быстродействие которых исчисляется миллионом операций в секунду. В ближайшем будущем лазерные устройства позволят, по-видимому, увеличить его до миллиарда операций в секунду.

Однако память современных машин еще далеко не так совершенна, как у человека. Она и громоздка, и сложна, и емкость ее сравнительно мала. А кроме того, современные машины весьма медлительны в части периферийных устройств. Вводить и выводить данные, записывать результаты в ходе вычислений, закладывать в память программу, в соответствии с которой должна работать машина, — все эти операции еще не удается делать достаточно быстро. И вот здесь на помощь приходит квантовая электроника.

Современные достижения в этой области позволяют усовершенствовать оперативную память ЭВМ, в которую записываются данные, скажем, полученные в ходе вычислений. Для этого необходимо было найти эффективные материалы, позволяющие быстро записывать информацию и потом стирать, причем делать это многократно, как на магнитной ленте, но с большей плотностью записи. Наука близко подошла к решению этой проблемы. Речь идет об экспериментах с реверсивными материалами — многослойными структурами, которые можно представить в виде множества микроконденсаторов , заряжаемых лазерным лучом. Плотность записи информации на такой пленке в тысячу раз больше, чем на магнитной ленте.

Лазеры революционизировали и другой вид памяти ЭВМ ~ постоянную или, как ее еще называют, — долговременную. Запись информации голографическими методами для создания такой памяти открывает поистине фантастические перспективы. Например, на пластине размером 10X10 сантиметров удается зафиксировать почти сто тысяч страниц печатного текста!

С помощью специальных оптических устройств записывать информацию на фотопластинки можно автоматически, правда, сравнительно медленно, но зато считывать ее можно чрезвычайно быстро. В настоящее время проблему быстрого считывания мы решаем весьма успешно двумя способами — либо с помощью матриц инжекционных. лазеров (малогабаритные полупроводниковые лазеры), либо лазерной электроннолучевой трубкой. И тот, и другой методы позволяют считывать информацию с голограмм со скоростью до 1011 бит в секунду. Существуют и другие способы быстрого считывания информации, например, используя газовый лазер с дифлектором . Добавим к этому, что теперь уже успешно решен ряд технологических задач по созданию световодов , обладающих колоссальной информационной емкостью (по одному стекловолокну можно передавать до 200 телевизионных программ).

В недалеком будущем станет возможным создание сети видеотелефона. И если подключить эту сеть к архиву, построенному на базе топографических пластин, то каждый абонент такой сети сможет, набрав соответствующий номер, получить на экране своего видеотелефона нужный документ или страницу книги. Таким же образом могут быть решены задачи связи с вычислительными центрами. Подобные работы сейчас ведутся нашими специалистами.

Другое очень интересное и перспективное направление возникло на стыке квантовой электроники и химии. Это — лазерная химия. Первые успешные результаты в этой области появились всего два года назад. Идея заключалась в том, чтобы обычный нагрев, используемый при химических реакциях, или действие катализаторов заменить лазерным облучением. Атомы, соединенные а молекулу, представляют собой колебательную систему с определенным набором частот колебаний. Если частота лазерного излучения попадает в резонанс с частотой колебаний атома в молекуле, то оно способно раскачать или даже разорвать связь атома с молекулой, создавая химически активные молекулы. Тот же механизм действует и при обычном нагреве химических веществ, но при этом возбуждаются прежде всего связи атомов с молекулами, обладающие малыми частотами колебаний, а рвутся наиболее слабые из них. Лазерным же лучом можно возбуждать или разрывать молекулы в наперед заданном месте. Таким образом, с помощью лазеров можно управлять химическими реакциями на авто-молекулярном уровне.

Сегодня можно с уверенностью сказать, что стимулирование химических реакций с помощью лазеров найдет широкое применение в микроэлектронике для образования пленочных покрытий, в химии — для синтеза новых материалов, для получения изотопов, причем, более дешевым способом, чем это делается в настоящее время.

Занимаясь исследованием в области лазеров и химии, ученые опробовали различные методы для стимулирования химических реакций. Так удалось получить азотную кислоту, затратив энергию в 5—10 раз меньшую, чем при обычном методе. Вопрос этот для химической промышленности очень важный, и экономический эффект от внедрения подобного метода в масштабах страны может быть огромным.

Еще одним направлением, основанным на достижениях химии и квантовой электроники, является разработка химических лазеров, для работы которых не требуется никаких дополнительных источников энергии, кроме энергии, выделяемой в результате химической реакции. Эта энергия действует возбуждающе на молекулу углекислого газа, которая начинает излучать свет. Такие лазеры получаются достаточно мощными и компактными. Они могут оказаться незаменимыми, скажем, для проведения различных работ на борту космического корабля и т, д.

Дальнейшее развитие лазерной химии, вероятно, позволит активно вмешиваться и в химико-биологические процессы. Эксперименты в этой области уже проводятся.

Вообще сегодня еще трудно представить себе все поистине необозримые возможности лазеров. С их помощью можно резать, сверлить, закалять металлы, обрабатывать детали с высокой точностью. Под действием пучка лазерного света плавятся и испаряются любые тугоплавкие вещества. В принципе лазерный луч может инициировать даже термоядерные реакции. Известна эффективность применения лазеров для операций на сетчатке глаза, на сильнокровоточащих органах и т. д.

Конечно, все сказанное не исчерпывает проблем, над которыми трудятся специалисты. Эпоха интенсивного внедрения квантовой электроники в науку и технику только начинается, но начало это многообещающее.