Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

"Работает" плазма и в лазерах. Плазма — "родная сестра" газа, так как получается из него путем нагрева или под воздействием электрического поля. Поэтому часто плазменные лазеры называют газовыми.

Мы с вами повседневно видим на улицах "неоновую рекламу" и любуемся ярко-красным цветом ее надписей. Это светится газ неон. Точнее, не газ. Под действием электрического поля в трубках, заполненных неоном, зажигается тлеющий разряд и образуется плазма. Ее свечение мы и наблюдаем.

Неон используется и в плазменных лазерах. Только не в чистом виде, а в смеси с другим газом — гелием, причем атомов гелия в 10 раз больше, чем атомов неона. Гелий попал в этот лазер не случайно. Именно в его взаимодействии с неоном состоит весь секрет возникновения индуцированного излучения.

Любопытна история открытия гелия. В середине прошлого века в небольшом немецком городке жил изобретатель, профессор химии Роберт Бунзен (1811–1899). Одним из его изобретений была горелка, в которую снизу по трубке поступал газ. Стоило только поднести спичку к верхнему концу трубки, и над горелкой вспыхивало пламя высокой температуры. Сейчас эта горелка называется бунзеновской. Профессор вносил в пламя горелки различные вещества и по цвету пламени определял их химический состав. Но так как разные вещества могли окрасить пламя в один и тот же цвет, Бунзен уже собирался бросить эту затею. Выручила случайность. Как-то во время опыта к Бунзену зашел его коллега по университету профессор физики Густав Кирхгоф (1824–1887). Он принес с собой ящик с линзами и стеклянной призмой, который называл спектроскопом. Когда почтенные профессора решили пропустить окрашенное пламя через линзы и призму, они увидели на стенке ящика разноцветные линии. И каждое вещество, сгорая в пламени горелки, давало на экране только свои линии, не похожие на линии других веществ. Так был открыт спектральный анализ веществ. По календарю шел 1859 год.

Спустя почти десять лет, 18 августа 1868 г., в индийский городок Гунтар приехал французский астроном Жюль Жансен. Сюда съехались многие ученые наблюдать полное солнечное затмение. Жансен захватил с собой спектроскоп. Направив его на светило, он увидел разноцветные линии — спектр плазмы, которую извергает Солнце. Одна линия оказалась неузнаваемой: ни одно из известных веществ на Земле не имело ее в своем спектре. Значит, открыто новое вещество! На Земле оно неизвестно, поэтому назвали его гелием — "солнечным веществом" (по гречески "солнце" — "гелиос"). Через два месяца, ничего не зная об открытии Жансена, английский астроном Норман Локьер повторил его.

После этого открытия прошло еще 27 лет. И вот английский химик Уильям Рамзай обнаружил в минерале клевеита неизвестный газ. Поместив его в трубочку и подав высокое напряжение, Рамзай превратил газ в плазму и стал исследовать ее свет. Оказалось, что неизвестный газ был гелием. Налицо один из парадоксов науки — сначала газ был найден за 150 млн км от нашей планеты, а уже потом, спустя много лет, обнаружен на Земле, что называется "под носом".

Вернемся к гелий-неоновому лазеру. Он появился в 1961 г. Его автором был сотрудник Массачусетского технологического института в США А. Джаван. Лазер состоял из заполненной газовой смесью трубки длиной 80 см и диаметром 1,5 см. На концах трубки были установлены плоские зеркала (их назначение такое же, как в рубиновом лазере). С помощью электродов в трубке создавалось электрическое поле и зажигался тлеющий разряд.

В чем же отличие неоновой рекламы от лазера? В трубке рекламы только газ неон. Электроны, разогнанные силами электрического поля, ионизируют атомы неона, превращая его в светящуюся плазму, но они не в состоянии перевести эти атомы на самые верхние уровни энергии. А вот атомы гелия в трубке лазера легко возбуждаются электронами и перескакивают на второй уровень, самый высокий для них. Но не атомы гелия излучают индуцированный свет. Они сталкиваются с "обыкновенными" атомами неона и, отдавая им свою энергию, возбуждают их. Полученная от гелия энергия столь велика, что атом неона оказывается сразу на своем четвертом уровне, совпадающем со вторым уровнем атома гелия.

Помните, мы упомянули, что в трубке атомов гелия намного больше, чем атомов неона? Поэтому в результате "бомбардировки" почти все атомы неона окажутся на четвертом уровне. Как только этот "четвертый этаж" станет перенаселенным, любой пролегающий мимо фотон вызовет лавину подобных ему фотонов, и из торца трубки через полупрозрачное зеркало вырвется тонкий лазерный луч.

Если в затемненной комнате включить гелий-неоновый лазер, то на фоне полумрака его сочный красный луч будет смотреться необычайно эффектно. Он почти не расходится. Можно поставить на пути луча отражающие зеркала и заставить его проделать сложный и запутанный путь в пространстве комнаты. Возникнет очень красивое зрелище — комната, "перечеркнутая" в разных направлениях ярко-красными прямыми нитями.

"Обучать" лазеры передаче на расстояние информации стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х годов XX в. В нашей стране первая такая линия была построена в 1964 г. в Ленинграде. Затем стали появляться другие лазерные линии. Правда, использовались они для передачи обычных телефонных разговоров, а не двоичных цифр.

Москвичам хорошо знакомы такие уголки столицы, как Ленинские горы и Зубовская площадь. В 1966 г. между ними засветилась красная нить лазерного света. Связывала она две городские АТС, находящиеся на расстоянии 5 км друг от друга. В Армении есть гора Арагац. Она примечательна тем, что на ней расположилась знаменитая Бюраканская астрофизическая обсерватория. Ученые решили связать эту обсерваторию со столицей Армении городом Ереваном оптической линией связи с использованием гелий-неоновых лазеров. Длина этой линии составляла уже несколько десятков километров.

На другой горе — Мтацминде (это уже в Грузии) — в конце 1970 г. установили телевизионный передатчик (ретранслятор)с антенной, который должен был "обслуживать" грузинские селения, разбросанные в долинах. Телевизионные же программы для этого передатчика "доставлял" с Тбилисской телестудии лазерный луч.

Весьма перспективно использование лазерной линии связи для передачи на Землю из космоса или от одного космического аппарата к другому больших объемов информации.

Нам осталось познакомиться с тем, как "пересадить" биты информации на световой луч. В световом телеграфе (или семафоре, как его называют на кораблях) включается или выключается источник света. Прерывать генерацию в лазерных источниках не всегда удобно хотя бы потому, что на образование новой лавины фотонов требуется дополнительное время — "раскачка". Может оказаться, что при очень высоких скоростях передачи время раскачки превысит длительность светового импульса. Поэтому воздействовать на лазерный луч стараются тогда, когда он уже вырвался наружу.