Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Удивительная способность незримой — «воображаемой» — границы открытого резонатора удерживать электромагнитные волны весьма близка тому, что заставляет эти волны отражаться от открытого конца волновода. Общность столь велика, что Вайнштейн смог достаточно подробно рассмотреть свойства оптического резонатора, представив его зеркала кусками стенок очень короткого волновода, лишенного второй пары стенок. Оказалось, что существует целый класс волн, практически полностью отражающихся от обоих концов этого удивительного волновода и образующих между его «стенками» — зеркалами — систему стоячих волн. Такие стоячие волны, по существу, совпадают с теми, которые электронная машина IBM-704 отобрала при решении задачи Фокса и Ли.
Так глубокая физическая интуиция и общий «колебательный» подход позволили Вайнштейну распространить квазиоптические методы электродинамики сверхвысоких частот на чисто оптическую задачу лазерной оптики. Но пример, приведенный выше, лишь один из многих. В специальной книге Вайнштейна «Открытые резонаторы и линии передачи» дана общая теория открытых систем и рассмотрены многие ее практические приложения.
Под землей
Открытые линии передачи тоже пришли в оптику из техники сантиметровых радиоволн. Наиболее известными являются радиорелейные линии связи, состоящие из специальных антенн, установленных на высоких мачтах, передающих друг другу узкий пучок радиоволн. Между передающей радиостанцией и первым ретранслятором могут пролегать десятки километров. Поэтому до ретранслятора доходит лишь малая часть переданной энергии. Приемная антенна ретранслятора передает поступивший сигнал в усилитель, а вторая, передающая, антенна направляет его дальше. Так огромными шагами радиосигналы уходят на тысячи километров. Иногда, например, при переходе через горы, когда уход за усилительной аппаратурой затруднен и сложно обеспечивать ее электроэнергией, применяют пассивные ретрансляторы. Просто пару зеркал, установленных так, что радиоволны, приходящие к ретранслятору, отражаются ими дальше в нужном направлении.
Зеркальные линии интенсивно изучались в Институте радиотехники и электроники Академии наук СССР под руководством профессора Бориса Захаровича Каценеленбаума. Здесь же получены существенные результаты по разработке зеркальных оптических линий связи. Такие линии обладают целым рядом преимуществ по сравнению с цепочками линз — линзовыми линиями связи, разрабатываемыми с этой же целью за рубежом.
Все размеры оптических линий связи: поперечные размеры зеркал или линз и, конечно, расстояния между ними — много больше длины световых волн. Казалось, здесь исконное царство геометрической оптики. Конечно, в общих чертах так. Но при применении и исследовании таких линий существенную роль играют потери передаваемой энергии, возникающие на краях зеркал и линз из-за явлений дифракции. Учесть их в рамках геометрической оптики невозможно. Но строгая волновая теория приводит в таких случаях к столь сложным и громоздким уравнениям, что решать их даже при помощи вычислительных машин оказывается неразумным. Здесь естественно применять квазиоптические методы, объединяющие методы волновой и геометрической оптики, позволяющие достаточно просто и точно изучать явления дифракции в длинных волновых пучках.
Оптические линии связи встречаются с трудностью, не играющей существенной роли для радиорелейных линий. Ведь световые волны полностью поглощаются туманом, дождем или снегопадом, не сказывающимися заметно на распространении радиоволн. Поэтому для защиты оптических линий от неблагоприятного влияния погоды их приходится заключать в трубы, а для предохранения труб от повреждения — закапывать в землю.
Естественно, возникает вопрос — почему не использовать в таких линиях сантиметровые радиоволны? Ответ прост. Для радиоволн нужно применять волноводы — металлические трубы с тщательно обработанными внутренними поверхностями. Работы в этом направлении ведутся, но трудности очень велики. В случае оптических линий металлические трубы просто не нужны. Их могут заменить дешевые цементные или даже гончарные трубы, задача которых лишь защитить лучи света от поглощения в парах воды и от рассеяния частицами пыли, тумана, дождя и снега. Световые волны передаются в таких линиях от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Трубы не участвуют в процессе передачи. Ведь «открытые стенки» оптической линии передачи не позволяют световым волнам коснуться стенки трубы.
Наибольшие трудности при практическом построении оптических линий связи возникают с необходимостью обеспечения больших точностей. Ведь, говоря языком геометрической оптики, лучи света должны быть очень точно направлены от одного элемента линии к другому, от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Особенно сложна не первоначальная настройка линии. С этим оптики и инженеры справляются легко. Затруднения возникают в процессе эксплуатации, когда линия уже лежит в земле и труднодоступна обслуживающему персоналу. Здесь на помощь приходит автоматика, исправляющая положение отдельных элементов, нарушенное в случае усадки грунта или в результате других причин.
Выбор между зеркалами и линзами, причем в пользу зеркал, определен в настоящее время чисто практическими соображениями устойчивости оптической линии при неблагоприятных внешних воздействиях. Оказывается, комбинируя зеркала в подобие обычных перископов, можно сделать перископические блоки гораздо менее чувствительными к случайным внешним воздействиям, чем обычные зеркала или линзы.
В ФИАНе
А.М. Прохоров и его давнишний сотрудник А.И. Барчуков со свойственной им острой способностью находить новые возможности в теориях и разработках применили зеркальную линию в своем лазере. Этот лазер, использующий углекислый газ, работает в инфракрасном диапазоне на волне около 10 микрон. Такие лазеры способны генерировать большие мощности, но их длина зачастую превышает 100 метров. Для экономии места их обычно «складывали» из отдельных отрезков, так что резонатор лазера содержал большое количество зеркал. Это ухудшало качество резонатора, сильно затрудняло его юстировку и делало его чувствительным к толчкам и другим внешним воздействиям.
Прохоров и Барчуков решили заменить резонатор оптической линией, образованной специальными зеркалами. Чтобы добиться этого, достаточно убрать крайние зеркала, придававшие прежним конструкциям свойства резонатора. Конечно, лазер терял способность генерировать. Он превращался из оптического квантового генератора в оптический квантовый усилитель.
Но именно этого и добивались Прохоров и Барчуков. Они направили в такой усилитель излучение сравнительно маломощного, но высококачественного лазера того же типа. Его длина составляла всего около трех метров. Он очень надежен и устойчив. Длинный усилитель, воспринявший все преимущества квазиоптической линии перед резонатором, оказался весьма надежным и удобным. Ведь он отличался от обычной зеркальной линии только тем, что между ее зеркалами помещены трубки с углекислым газом, возбуждаемым электрическим разрядом. Благодаря остроумной находке Прохоров и Барчуков сумели «уложить» свой огромный лазер на «этажерке», легко помещающейся в одной из самых маленьких комнат их лаборатории.
Одно из оригинальных применений квазиоптических методов разработала Наталия Александровна Ирисова в лаборатории, руководимой Прохоровым. Она поставила перед собой задачу создания метрики в почти не освоенных диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн.
В этих диапазонах измерительные методы классической радиотехники полностью теряют силу просто из-за того, что размеры волномеров, измерительных линий и других приборов и деталей, необходимых для реализации измерений, становятся чрезмерно малыми. Столь малыми, что их очень трудно изготовить с необходимой точностью. Но даже если они были бы изготовлены, их применение неэффективно. Требуется слишком точная настройка — юстировка, как вслед за оптиками говорят радиофизики, проникшие в эту пограничную область.
Добротность объемных сверхминиатюрных резонаторов становится недопустимо малой. Одним словом, попытка ограничиться простым изменением размеров при сохранении общих принципов не приводит ни к чему хорошему.
Именно здесь, в диапазоне, лежащем между царством оптиков и государством радистов, естественно развивать квазиоптические методы, создавать специфические аналогии оптических приборов.
Однако то, что уже сделано для диапазона сантиметровых волн, здесь не годилось. Не существовало подходящих прозрачных материалов для изготовления хороших линз. Не из чего было создать полупрозрачные зеркала для интерферометров. Все приходилось начинать сначала. Основным элементом большинства приборов Ирисовой стали сеточки, образованные тончайшими металлическими проволочками. Они столь тонки, что рамки, на которых они натянуты, кажутся пустыми.
