Эта статья перепечатана из старого журнала «Юный техник» с
любезного разрешения редколлегии журнала
«Еще немного повысить КПД лазерного
усилителя — и можно будет всерьез говорить о проекционном телевидении, причем,
как показывают расчеты, будет выгоднее делать маленький кинескоп и использовать
лазерный усилитель. Сели в кресло, включили телевизор, и на стене перед вами
зеленый лес, красное солнце и синее море. Ученым осталось разработать лишь один
лазер — синий. Красный и зеленый уже созданы».
ПАРОВОЙ... ЛАЗЕР?
Стеклянная трубка сантиметров сорок длиной, заполненная смесью гелия с неоном,
два сферических зеркала и электроды, впаянные в концах трубки, — вот и все детали
газового лазера. К электродам подводится напряжение. Пока оно мало, светится
вся трубка. Это просто разряд в газе. Затем свечение стягивается в шнур, проходящий
вдоль оси трубки, все более яркий и тонкий. На стене лаборатории появляется
красное, кажущееся зернистым пятнышко; началась генерация. Под пятнышко можно
подставить руку, и вот оно на ладони. Даже тепла его не ощущаешь. Мощность лазера
всего сотые доли ватта...
Просто не верится, что с этого лазера, кажущегося теперь почти игрушечным, начиналась
работа ученых из ФИАНа над инструментом, возможности которого, даже сегодня
представляются почти фантастическими. Представьте, что тот первый лазер отдавал
мощность, равную мощности одной лампочки карманного фонаря! Чтобы получить ее,
в лазер нужно «закачать» энергию десятка больших прожекторов.
Какие только газы не пробовали ученые, стараясь повысить коэффициент полезного
действия лазеров, результат был один — КПД не превышал 0,1%. Это максимум, определенный
электронной структурой газов. Нужно было искать другие среды, способные генерировать
кванты. Теоретики говорили, что надо уходить от газов. Но куда?
Кристаллические, твердотельные лазеры не обещали хороших результатов. На них
можно получить огромные мощности в импульсе, во время вспышки. Но... вспышки
в кристаллах очень коротки и во времени далеко отстоят друг от друга. Отсюда
низкий КПД и относительно небольшая средняя мощность лазера.
И тогда пришла мысль попробовать заменить газ... газом, правда, необычным. Теоретические
работы, рассмотревшие электронную структуру металлов, предсказали, что пары
меди, золота, висмута и некоторых других тяжелых металлов способны вести себя
в импульсных лазерах гораздо эффективнее газов. Расположение и конфигурация
верхних электронных уровней их атомов таковы, что электроны при взаимодействии
со светом легче возбуждаются, отдавая кванты, и нарастающая лавина квантов должна
оказаться более мощной.
Чтобы перевести металл в парообразное состояние, нужна температура свыше тысячи
градусов. Получить ее вроде бы несложно. Достаточно намотать на трубку лазера
нагревательную спираль и пропустить ток. Температура зависит от тока, как известно,
по квадратичному закону. Дал, к примеру, ток пять ампер — температура триста
градусов, увеличил ток вдвое — уже тысяча двести. Так в лазере можно испарить,
скажем, несколько граммов меди, подать на электроды импульсы напряжения, лазер
должен заработать... На деле все не так просто.
Обмотки нагревателя на воздухе горели, испарялись ещё быстрее меди. Несколько
часов — и нужно менять нагреватель. Трубку лазера закрепили в другой трубке,
откачали из них воздух и заполнили инертным газом, но... стоило нагреть внутреннюю
трубку, как она лопнула. Нагрев заставил ее расшириться на несколько миллиметров,
а подвеска оказалась жесткой. Ученым-физикам пришлось стать конструкторами и
перепробовать несколько вариантов крепления трубки, пока не нашли подходящий.
Он давал возможность трубке расширяться, удлиняться и в то же время жестко фиксировал
ее положение. Потом пришлось подбирать новый материал для трубки: при работе
с тугоплавкими металлами стекло становилось мягче пластилина. На эту роль подошла
алюминиевая керамика. Первые же пробные пуски новой установки показали: «паровой»
лазер работает! Итак, почти все проблемы были решены... кроме главной. Коэффициент
полезного действия оставался низким. Нагревающая лазерную трубку печь потребляла
мощность такую же, как и разряд, инициирующий генерацию лазера.
Эксперименты продолжались. Однажды ученые подметили необычную особенность: при
повышении частоты импульсов тока, пропускаемого через трубку, начинает гореть
теплоизоляция, которой покрыта трубка лазера. Значит, температура внутри прибора
растет. Почему? Печка здесь ни при чем — она не может дать температуру выше
той, на которую рассчитана. Но откуда тогда берется лишнее тепло?! Стали разбираться.
Обе трубки — внешняя и внутренняя — заполнены инертным газом (смотрите схему
установки).
Разряд тока в газе, естественно, вызывает разогрев. Но, может
быть, чем чаще следуют разряды, тем больше нагревается трубка? Провели новые
эксперименты. Так и есть: нагрев растет с увеличением частоты импульсов подаваемого
в трубку напряжения.
Но тогда нужна ли печь этому лазеру вообще? Быть может, достаточно будет тепла,
которое выделится в газе, если повысить частоту импульсов?
Работы зарубежных теоретиков отвергали такую возможность. И все-таки в следующем
эксперименте печку убрали... Вот появилось расплывчатое красноватое свечение.
Температура растет, медь в трубке нагревается, накаляется, начинает испаряться.
В луче появляется зеленоватый оттенок, он все яснее, отчетливей, и наконец из
торца лазера вырывается тонкий ослепительно-яркий зеленый луч... Руку под него
уже не подставишь: двести киловатт, они прожгут и стальной лист. И это при КПД,
в десять раз большем, чем у лучшего из прежних лазеров!
Новый лазер отличается еще одним качеством: всего несколько граммов меди или
другого металла позволяют трубке работать две тысячи часов подряд! Для этого,
как выяснилось в ходе дальнейших исследований, нужно подобрать инертный газ
и его давление в трубке таким образом, чтобы плотность молекул газа оказалась
такой, что они как бы экранируют пары металла и не дают им улетучиваться из
трубки.
Проблем с применением нового лазера не было. Его свойства делали его желанным
и на производстве, и в исследовательской лаборатории. Но у его создателей родилась
мысль и о совершенно необыкновенном применении.
КАК ОБМАНУЛИ ТЕОРЕМУ
Представьте себе хотя бы на минуту радиотехнику и электронику без усилителей...
Никакого телевидения, нет радиоприемников. Даже детекторный приемник не послушаешь
— построить передатчик не на чем. Ни космических исследований, ни современных
научных экспериментов... А ведь именно в таком положении находится сегодня оптика!
Основная ее теорема гласит: количество света на выходе любой оптической системы
не может превысить количество света на ее входе. Это значит, что свет не может
родиться ниоткуда. Сколько попало — столько и вышло, да часть еще потерялась
на отражение и рассеяние. Можно прожечь увеличительным стеклом дырку в бумажке,
но это не значит, что линза увеличила количество света. Она лишь собрала весь
упавший на ее поверхность свет в одну точку. Если же попытаться увеличить изображение
яркой точки в различимую картинку, что происходит, скажем, в микроскопе, оно
будет тускнеть тем больше, чем выше увеличение...
В микроэлектронике часто используют проекционные микроскопы, передающие изображение
микроэлементов интегральных схем на большой экран. Иначе технологические процессы
контролировать трудно: размеры микроэлементов не превышают десяти микрон, а
операций множество: последовательно изготавливаются транзисторы, резисторы,
конденсаторы. Визуальный контроль при работе с ними просто необходим, без него
не разобраться, на каком этапе произошла ошибка. Но теорема строга: чтобы изображение
на экране микроскопа было достаточно ярким, микроэлементы нужно осветить еще
ярче. Увеличение в сто раз требует, чтобы освещенность крошечных деталей микросхемы
была в десять тысяч раз больше, чем у экрана! Такое количество света может повредить
микроэлементы, например, кремний теряет полупроводниковые свойства уже при ста
пятидесяти градусах Цельсия.
Вот бы сюда, в микроскоп, усилитель, «запрещенный» теоремой.
А собственно, почему запрещенный? Ведь есть же, например, электроннооптические
преобразователи, не только делающие невидимые инфракрасные лучи видимыми, но
и усиливающие их, Как же обходят они запрет?
Никакого противоречия нет. В таких преобразователях свет не рождается сам по
себе, в свет превращается энергия источников питания преобразователя. Попавшие
в вакуумную камеру электроннооптического преобразователя инфракрасные фотоны
разгоняются высоким напряжением источников питания и бомбардируют люминофор.
Эти удары и высекают из люминофора видимый свет.
Почему бы не сделать что-нибудь подобное и с видимым светом? Ведь теоретически
усилители света были предсказаны одновременно с лазерами. Больше того, лазеры
и есть усилители света! Усилители, усиливающие свой собственный сигнал. Ведь
как происходит генерация, скажем, в новом лазере: буквально несколько фотонов
света, излучившихся при разряде в газе, многократно пролетают между двух зеркал,
выбивая на своем пути все новые и новые фотоны из атомов металла, находящихся
в газе в виде паров. А малую часть света зеркала, специально сделанные полупрозрачными,
выпускают наружу. Малую, потому что усиление обычных лазеров было невелико.
Генерация света в них вовсе затухнет, если для выхода луча сделать слишком большое
отверстие. Но усиление у нового лазера оказалось таким, что даже зеркала ему
не нужны, вернее, ими могут служить обыкновенные... прозрачные стекла. Их коэффициента
отражения достаточно, чтобы возбудить в трубке генерацию. Поэтому и стоят в
торцах лазера, как это нарисовано, наклонные прозрачные оконца. Свету, отражаясь
от них, уже не нужно возвращаться в резонатор — во внутреннее пространство лазера.
В лазере будут генерироваться все новые и новые фотоны на место улетевших. И
возникла мысль: а не попробовать ли новый лазер не в режиме генерации, а как
усилитель?
Сконструировали экспериментальную модель микроскопа, в котором объект освещался
обычной лампочкой, а отраженный сет проходил через лазерный усилитель. Результат
превзошел самые смелые предположения. Увеличение в 15 тысяч раз вместо обычной
тысячи! Кристалл микросхемы четко виден на экране площадью 25 квадратных метра!
И это при нагреве микроэлементов в десятки раз ниже опасного! А импульсный характер
излучения совершенно незаметен: ведь частота импульсов тока 10 тысяч Гц. Создать
такой усилитель яркости никому в мире еще не удавалось.
Логика исследований вела дальше. Не попробовать ли освещать и микроэлементы
интегральной схемы тем же усилителем? Это позволит исключить посторонний источник
света, сделает микроскоп удобнее.
Были сделаны необходимые изменения в конструкции. Часть света из усилителя отвели
через оптическую систему на микросхему. Надобность в лампочке совершенно отпала.
Потом возникла еще одна идея. На выходе усилителя мощность почти такая же, как
у лазера. А нельзя ли тем же лучом вести еще и обработку самих элементов микросхемы?..
Когда идею воплотили в конструкцию, микроскоп стал уникальным инструментом,
которым можно обрабатывать транзисторы, проводить точнейшую подгонку сопротивлений.
Но и этот инструмент, который станет незаменимым помощником для практики и исследований,
был лишь прообразом уникального прибора для современной электроники. Известно,
что транзисторы часто выполняются на кристаллах кремния. Эти кристаллы почти
прозрачны для инфракрасного света. Поэтому, если освещать их в микроскопе этим
светом, можно было бы увидеть мельчайшие дефекты строения кристаллов, чужеродные
атомы. Ученые из ФИАНа решили найти для нового лазера такой металл, пары которого
дают инфракрасный свет. Им оказался барий. В сочетании с нанесенным 'на экран
особым люминофором, способным светиться в видимом диапазоне под действием инфракрасных
лучей, бариевый усилитель позволил не только увеличивать изображение и обрабатывать
микросхему, но и видеть внутренние дефекты кристаллов, исправлять их! За создание
такого универсального прибора ученые были удостоены Государственной премии СССР.
ТЕЛЕЭКРАН ВО ВСЮ СТЕНУ
Из органов чувств, зрение, пожалуй, важнейшее. Глаз воспринимает столько информации,
сколько не могут воспринять ни слух, ни осязание. Да и оптические каналы в технике,
как известно, способны пропустить ее гораздо больше, чем любые электрические
провода. Разработка усилителя яркости открыла для оптики и вовсе невиданные
перспективы.
Например, получение, хранение и обработка информации. Если заглянуть в кино
архив, можно увидеть бесконечные, многокилометровые стеллажи с коробками кинопленки.
Каждый фильм — две с половиной тысячи метров пленки. Можно было бы сделать его
компактнее, но снова теорема света: каждый кадр фильма нужно увеличить, чтобы
зритель мог сидеть перед большим экраном кинотеатра. Хорошо известно, что бывает,
когда в кинопроекторе останавливается пленка и не успевает сработать предохранительный
затвор. Так вот, с помощью нового усилителя можно будет прокручивать перед зрителями
кинофильмы, снятые на кинопленке, которая уже обычной в десятки раз1
Хранить, разумеется, нужно не только кино информацию. Решение для этого уже
найдено: голография. Свет лазера наносит на мизерный участок фоточувствительного
слоя пленки или пластинки картину изображения, да не одну, а сразу несколько.
Застывшее изображение можно не только восстановить, но и получить даже объемную
картину — голограмму. Главные недостатки голографии: низкий КПД лазеров и...
опять же проблема яркости. Изображение надо восстановить, не повредив записи
чрезмерным разогревом. Но теперь новые лазеры и усилители это умеют.
Еще немного повысить КПД лазерного усилителя — и можно будет всерьез говорить
о проекционном телевидении, причем, как показывают расчеты, будет выгоднее делать
маленький кинескоп и использовать лазерный усилитель. Сели в кресло, включили
телевизор, и на стене перед вами зеленый лес, красное солнце и синее море. Ученым
осталось разработать лишь один лазер — синий. Красный и зеленый уже созданы.
Созданию оптической ЭВМ, где свет сможет выполнить вычислительные операции;
лазерной хирургии с использованием нового усилителя яркости, благодаря которому
все детали операции можно будет видеть на экране в мельчайших подробностях,
и еще многим другим «чудесам света» открыла дорогу работа над новым лазером.
