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.
Фотолюбителям знакомо устройство, пропускающее свет при внешнем воздействии на него. Это затвор фотоаппарата.
Нажмите на спуск, и затвор на мгновение откроется. В лазерах применяют не механические, а специальные электрооптические затворы. Один из них называется ячейкой Керра и представляет собой кювету с жидкостью — нитробензолом. Внутри кюветы расположены две обкладки конденсатора. Если менять на них напряжение, то прозрачность жидкости для лазерного луча будет меняться. Это объясняется тем, что, когда атомы нитробензола находятся в невозбужденном состоянии (на нижнем энергетическом уровне), они поглощают фотоны света. Если же перевести возможно большее число возбужденных атомов нитробензола на верхний уровень, то они уже не в состоянии будут поглощать фотоны.
В исходном состоянии ячейка Керра непрозрачна — оптический затвор закрыт. Приход очередного бита (импульса) изменяет напряжение на обкладках конденсатора ячейки так, что жидкость в ней становится прозрачной. Оптический затвор на время действия импульса оказывается открытым. Возникает световой импульс лазерного излучения.
В настоящее время используются и другие типы электрооптических затворов, например ячейка Поккельса с изменением плоскости поляризации световой волны. Добавим, что электрооптический затвор играет роль модулятора светового луча, поскольку он изменяет (модулирует) интенсивность потоков света.
Приемная антенна в лазерной линии связи — это сферическое зеркало диаметром 0,5–1 м, собирающее и концентрирующее световые лучи в пятно размером всего в несколько миллиметров. В фокусе зеркала помещают приемник светового излучения — фотоэлемент. Падающие на него импульсы света преобразуются в импульсы тока. Таким образом биты "снимаются" со светового луча и "пересаживаются" на свой привычный вид транспорта — электрический ток.
Надо сказать, что созданию надежных лазерных линий связи препятствует погода. Оказалось, что дождь, пыль, снег, туман, облачность и другие атмосферные явления резко ограничивают видимость, снижают качество передачи и могут вообще сорвать оптическую связь. Поскольку связь с помощью лазеров задумывалась сначала как беспроволочная оптическая связь, в которой луч лазера пускается в открытом пространстве, то многие стали сомневаться, что оптические линии связи найдут широкое применение в условиях земной атмосферы. Вот в космосе — это другое дело. Так бы, наверное, и случилось, если бы на сцену не выступили стеклянные "путепроводы", или световоды, которые надежно защищают луч от воздействия атмосферы. О них мы и поведем рассказ в следующей главе.
Стеклянный тоннель
С грохотом поезд промчался в тоннели…
Чудные грезы исчезли вдали! Н.А. Морозов
Путешествие продолжается. Наш суперсовременный световой "экспресс", до отказа "набитый" необычными пассажирами — битами, бесшумно влетает в стеклянный тоннель. Но почему в тоннеле темно? Разве наш "экспресс" не озарит все вокруг лучистым светом? Ведь наблюдаем же мы, скажем, при подсветке фонтана, как свет переливается в его струях. И это довольно красивое зрелище. Так куда же пропал свет в световоде?
Все объясняется очень просто. По световоду распространяется… "невидимый" свет. Это может показаться несколько неожиданным, тем более что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей — оптических волокон. Но это так!
— А разве свет бывает невидимым? — спросите вы.
Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения заключена, как вы знаете, в интервале 0,4–0,75 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые электромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами этого интервала: 0,01-340 мкм. Академик С.И. Вавилов указывал, что существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы. На память приходит роман Герберта Уэллса, и по аналогии с его героем мы можем сказать — свет-невидимка.
Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко используется длина волны 0,85 мкм, которая находится за пределами зримого диапазона. Чем это вызвано?
Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла тонкую нить и ввести в нее луч лазера (например, гелий-неонового, λ = 0,63 мкм), то окажется, что даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противоположного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хотелось бы, и луч в нем, "спотыкаясь", не доходит до финиша. Действительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее — вообще черным.
