Физические основы применения лазера

У обычного света, исходящего из любого коллиматора, например прожектора, расходимость луча относительно велика, что не позволяет освещать отдаленные объекты. У лазерного луча угол расходимости ~Ю^_3 рад, а с дополнительной фокусировкой — много меньше. Это важно в военной топографии, строительстве сооружений и мостов, а также при локации самолетов, танков, кораблей, в системах противоракетной и противокосмической обороны, глобальной навигации и т. д.

Вследствие высокой направленности луча лазер точнее, чем радиолокатор, определяет направление на цель и поэтому находит более широкое применение. Для получения погрешности направленности луча -1,5° в сантиметровом диапазоне радиоволн нужна антенна диаметром ~10 м. Снабдить ею танк или самолет без потери их тактико-технических характеристик невозможно, в то время как лазер никаких антенн не требует. Это же преимущество важно и для разрешающей способности локатора, которая определяет возможность раздельного пеленга целей, движущихся по близким направлениям. На танках и самолетах лазерный дальномер вводят в счетно-решающую систему управления огнем, что улучшает их боевые качества, часто его используют в виде бинокля и т. д.

Направленность луча важна и при решении задач целеуказания и наведения в «умном» высокоточном оружии. Снаряд, ракета или бомба летят на яркую точку, которую отслеживает головка самонаведения. Рассогласование оптической оси головки с требуемой траекторией полета определяется по отраженному от цели лучу и преобразуется в корректирующий сигнал, вводимый в систему управления. В отличие от этого радиолокационные и тепловые (инфракрасные) головки самонаведения работают в более широкой зоне углов и потому захватывают ложные цели (пожары, осколки бомб, тепловые имитаторы и т. п.).

Точность измерения дальности L цели определяется точностью измерения длительности t паузы между излученным и принятым антенной локатора импульсом: L = ct/2. Она зависит от длительности импульсов. У лазеров она составляет 10″ ⁷—10^-8 с, и потому точность определения дальности ~3 м, а с дополнительными мерами (даже при определении расстояния до Луны)—10~² м. Здесь играет роль и монохроматичность лазерного луча, обусловленная тем, что его длина волны (частота) определяется переходом между двумя энергетическими уровнями атома. Луч обычного радиолокатора содержит различные частотные составляющие, имеющие разные скорости распространения в среде из-за дисперсии (см. параграф 8.7). Это приводит к «расплыванию» импульса в пространстве и, соответственно, к увеличению его длительности при приеме.

Остронаправленный луч лазера позволил заменить механическую основу работы гироскопов на электронно-оптическую. Луч лазера разделяют на два луча, идущих по разным направлениям. Если борт движущегося средства поворачивается вместе с лазером, то анализатор суммирования лучей движется навстречу одному из них и удаляется от другого. Соответственно для первого луча оптическая длина пути уменьшается, а для второго возрастает. В результате по смещению интерференционного максимума можно судить о вращении системы, а сигнал, пропорциональный величине смещения, использовать в качестве управляющего для восстановления ее прежнего положения.

Отсутствие вращающихся масс позволяет устранить погрешности, связанные с нестабильностью угловой скорости роторных гироскопов. Время готовности лазерного гироскопа в сотни раз меньше, чем у роторного, а при взлете и маневрах он выдерживает большие перегрузки. Весьма важно также, что его выходной сигнал легко преобразуется в цифровую форму, позволяющую сопрягать его с бортовой ЭВМ. Это существенно, например, в автоматических инерциальных системах управления авиационной и космической техники.

Поскольку мощность отраженного излучения ~1Д⁴ (рассеяние Рэлея), а у лазера длина волны мала, он обеспечивает существенно более мощное отражение, чем радиолокатор. Это не только способствует осуществлению пеленгации объектов малых размеров, но и позволяет получать более детальную картину объектов местности, в том числе в сложных метеоусловиях или ночыо, когда фотои телесистемы работают плохо. Технология такой съемки состоит в следующем: лазерный луч построчно сканирует местность перпендикулярно направлению полета (строчная развертка), а кадровую развертку обеспечивает движение самолета (или спутника). Отраженное излучение попадает в оптическую бортовую систему, подобную телевизионной, и создает изображение местности с разрешением в несколько сантиметров. СР.9-привязка к местности позволяет мгновенно сравнить его с изображением в памяти компьютера и скорректировать траекторию полета. Отсюда (и не только отсюда) следует важность предварительной разведывательной информации, в отношении которой диск или флешка могут оказаться более грозным оружием, чем баллистическая ракета. Лазеры произвели революцию и здесь. Плотность записанной на носителе информации (бит/см²) определяет его компактность и массу. Луч лазера соответствующей энергии позволяет получать на диске метки (микроямки) глубиной и диаметром ~10 ⁷ м, что на два порядка меньше размера доменов магнитных носителей! Именно так возникли оптические дисковые накопители, содержащие миллиарды меток на одном диске.

Лазерное считывание информации с CD-диска (лазерные сканеры) основано на интерференции (см. параграф 8.3). Луч лазера, отраженный от поверхности диска, образует логическую единицу двоичной системы отсчета, а луч, отраженный от дна микроямки, имеет с ним разность фаз я/2. Возникающий в связи с этим интерференционный минимум образует логический нуль.

Высокая когерентность лазерного луча позволила реализовать и принципиально новые носители информации. Еще в 1948 г. английский физик Д. Габор (1900—1979, Нобелевская премия 1971 г.) выдвинул замечательную идею голографии, но осуществить ее удалось только в 1962—1963 гг. (американские физики Э. Лейт, Ю. Упатниекс и советский физик Ю. Н. Денисюк). Свет от лазера разделяют на два пучка. Один из них, отражаясь от зеркала, создает опорную волну, а второй отражается от предмета и создает предметную волну, когерентную опорной. Интерференция этих волн формирует на поверхности фотопластинки гологралту — набор пятен и штрихов, который внешне не имеет ничего общего с фотографией, но содержит гораздо более полную информацию, чем она, — не только об амплитудах, но и о фазах световой волны. При освещении голограммы такой же опорной волной, как при записи, возникает объемное изображение предмета, существенно отличающееся своей полнотой от плоского изображения на фотографии. Иллюзия предмета настолько велика, что, смещая положение глаз, можно видеть его в разных ракурсах.

Одна и та же пластинка обладает в этом отношении большой емкостью — на ней можно поместить сотни голограмм, записанных под разными углами.

Примеры практики Голография развивается применительно к созданию носителей информации для ЭВМ с высокой плотностью и защищенных от подделок. Она позволяет быстро отсканировать любой предмет и получить его оцифрованное объемное изображение. Если полученную цифровую запись ввести в станок с программным управлением, то многие предметы можно воспроизвести в том же или ином материале. В последнее время это научились делать с помощью ЗЛ-принтера, быстро изготавливая любой предмет из специальной пластмассы.

Голограммы позволяют анализировать особенности быстропротекающих процессов, например выстрелов. Голографические координаторы прицельно-навигационных систем (в том числе ночного видения) способны распознавать изображение и корректировать траекторию ракеты при наличии облаков, скрывающих местность, и других помех.

Монохроматичность лазерного луча, которая много выше, чем обычного радиосигнала (см. параграф 7.10), позволила совершить техническую революцию в телефонной, радиои телевизионной связи. Монохроматичность сигнала можно оценить из соотношения неопределенностей (9.17) в виде AvAt ~ (2я) откуда при At ~ 10 ⁸ с Av ~ 10⁷ с Г Поэтому Av/v = 10 ¹¹ и меньше. В тактических целях по лазерному лучу передают сигналы предупреждения, бедствия, разведывательные и т. д. Поскольку фотон нс имеет заряда, луч лазера, в отличие от радиолуча, характеризуется высокой помехозащищенностью.

Наконец, концентрация электромагнитной энергии в узком луче позволяет достигать весьма высокой ее плотности. При диаметре луча ~1 мм получены интенсивности излучения ~10⁹ Вт/см², а при сверхкоротких импульсах (~10 ¹⁵ с) — даже ~10^2<) Вт/см². Это позволяет пробивать отверстия в самых твердых материалах, что используется в технологиях (сварка, сверление, резание, термообработка, маркировка). Энергия, необходимая для боевого лазерного луча, может вырабатьжаться двигателем корабля, самолета или танка.

Лазерное оружие характеризуют скрытность (отсутствие пламени, дыма, звука), высокая точность, мгновенность действия (скорость света) и возможность применения в пределах прямой видимости. Такие средства уже поступили на вооружение некоторых армий.

Нслстальнос лазерное оружие (пистолеты, ружья и т. п.) вызывает ослепление и оказывает психологическое воздействие, снижая боеспособность личного состава (например, снайперов). Оно применяется и для выведения из строя чувствительных элементов систем противника, и в качестве имитаторов стрельбы и тренажеров — для этого требуется мощность всего ~1—2 мВт/см². Такое оружие включают, например, в систему контроля на тактических учениях, позволяющую объективно оценивать работу каждого стрелка и общие результаты стрельб.

Сканирующий по местности свет лазера может создать и световую завесу, препятствуя визуальному наблюдению и работе снайперов противника.