Но как ни велика была роль электроники в недалеком прошлом, ее значение для дальнейшего прогресса военного дела, пожалуй, еще больше: Дело в том, что на широкие возможности радиоэлектроники, на ее быстрое развитие опираются многочисленные перспективные разработки боевых средств и вооружения. Кроме того, в самой электронике с каждым днем открываются все новые и новые пути, сулящие уже в недалеком будущем создание принципиально новых средств организации и ведения боя. Ярким примером в этом отношении служит одна из новейших отраслей современной электроники— квантовая электроника.
Идеи, лежащие в основе квантовой электроники, непосредственно связаны с той революцией в области физики, которой ознаменовалось начало XX века. В то время Альберт Эйнштейн создал теорию, позволившую не только объяснить известные тогда явления поглощения электромагнитной энергии веществом, но и предсказать возможность другого процесса — индуцированного, т. е. навязанного извне, излучения вещества.
Происхождение такого излучения можно объяснить следующим образом. Элементарные частицы вещества — молекулы и атомы — могут поглощать и излучать электромагнитную энергию очень малыми порциями — квантами. Если атом находится в невозбужденном состоянии, он может поглощать энергию. Поглотив квант, атом переходит в возбужденное состояние.
Существуют два способа возвращения атома в его основное энергетическое состояние. Этот переход может произойти самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях атомы способны излучать запасенные кванты энергии. Однако отличительная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемые атомом кванты по частоте и направлению распространения ничем не отличаются от электромагнитных колебаний, вызвавших такое излучение. Таким образом, вынужденное, или, как еще говорят, индуцированное, излучение органически входит в вызревшую его волну и усиливает ее.
Следует, однако, отметить, что индуцированное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим предположением. Условия, необходимые для его практического осуществления, были впервые сформулированы советским ученым В. А. Фабрикантом в докторской диссертации, защищенной в 1940 г. Становление же квантовой электроники, как новой отрасли техники, началось примерно с 1954 г., когда почти одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и США (Ч. Таунс с сотрудниками) были созданы первые квантовые генераторы радиоволн (мазеры). В этих генераторах использовалось индуцированное излучение молекул аммиака, в силу чего такие генераторы первоначально назывались «молекулярными». При этом впервые для излучения радиоволн были использованы не электронные потоки, как в радиолампах, а электрически нейтральные молекулы.
Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн. Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что они открывали новые способы генерации и усиления радиочастот. По ряду показателей они превосходили известные радиотехнические устройства и поставили своеобразные рекорды.
Особенно существенное влияние квантовые усилители оказали на дальность действия радиосистем. Как известно, дальность зависит от чувствительности аппаратуры. В свою очередь, чувствительность зависит от уровня собственного шума приемников, создаваемого их же контурами и лампами. Благодаря тому что квантовые усилители работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 270 °C), уровень собственного шума приемников с такими усилителями в 1 тыс. раз меньше, чем у приемников с электронными лампами.
Можно смело сказать, что осуществление таких выдающихся научных экспериментов, как слежение за автоматическими межпланетными станциями и радиолокация планет солнечной системы, было бы невозможно без использования квантовых усилителей радиочастот.
В 1960 г. открылась новая страница в истории молодой науки: стали разрабатываться квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры). За создание оптических квантовых генераторов советские ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоены Нобелевской премии. Суть вопроса здесь такова. Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные волны, испускаемые известными до сих пор источниками света, и волны, излучаемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение световых источников — ламп накаливания— состоит из квантов самых различных частот и занимает очень широкий спектр (практически весь видимый диапазон). В силу этого обычные световые источники пригодны лишь для простейшей сигнализации. Квантовые же генераторы излучают исключительно направленные световые волны определенной частоты.
Угол расхождения луча оптического квантового генератора, как и в радиотехнике, определяется отношением длины волны к диаметру антенны или линзы. Поскольку в диапазоне видимого света длины волн (0,7–0,4 микрона) в 10 тыс. раз меньше, чем, допустим, в диапазоне сантиметровых волн, то и раствор направленного излучения при одинаковых размерах антенн в оптическом диапазоне получается во столько же раз меньше. Например, при диаметре рефлектора в 1 м предельный угол расхождения луча на волне красного света (0,7 микрона) составит менее одной угловой секунды, а на волне 2 см — около 1°, т. е. будет в тысячи раз больше. А от величины угла излучения зависит концентрация энергии в пространстве. Она обратно пропорциональна квадрату угла расхождения луча.
Таким образом, в оптическом диапазоне плотность излучения получается в миллионы и десятки миллионов раз выше, чем в радиодиапазоне. Это свойство световых излучений показывает, что в оптическом диапазоне системы связи и локации принципиально могут быть более экономичными. При меньших мощностях передатчиков можно достигнуть больших дальностей действия. Кроме того, высокая направленность оптических излучений позволяет получить соответственно в тысячи раз большую точность определения угловых координат, лучшую разрешающую способность. Появляются также неограниченные возможности для передачи информации: в диапазоне световых волн может быть размещено, например, несколько десятков миллионов телевизионных каналов.
В зарубежной печати отмечается, что свойства квантовых генераторов позволяют по-новому решать целый ряд задач в области локации, управления и связи и, кроме того, разработать принципиально новые виды вооружения.
В настоящее время разработано несколько типов оптических квантовых генераторов. Наиболее распространен квантовый генератор на рубине. Он включает в свой состав рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркалами и подсвечиваемый лампой-вспышкой. Эта лампа переводит ионы хрома, находящиеся в кристаллической решетке рубина, в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние они вызывают излучение, выводимое через одно из зеркал, которое делается полупрозрачным. В качестве рабочего вещества, кроме рубина, могут быть использованы и другие материалы, например стекло с присадкой редкоземельных элементов и некоторые смеси газов.
Оптические квантовые генераторы делают лишь первые шаги. Как отмечалось в печати, существующие за рубежом образцы еще недостаточно совершенные устройства и не достигли всех предсказываемых теорией возможностей. Пока крайне мал коэффициент полезного действия генераторов — всего около 1 %. Поэтому большой интерес за рубежом вызвало появление в прошлом году оптических квантовых генераторов на полупроводниках, которые не требуют лампы-вспышки и непосредственно преобразуют электрический ток в индуцированное излучение.
Большинство зарубежных специалистов высказывают мнение, что оптические квантовые генераторы найдут практическое применение прежде всего в системах космической связи. Минимальная ширина луча, которая при этом может быть достигнута, составляет доли угловой секунды. Для создания столь узких лучей в сантиметровом диапазоне радиоволн потребовалась бы антенна диаметром в несколько километров! Высокая концентрация энергии в системах связи с оптическими квантовыми генераторами, как полагают, обеспечит чрезвычайно большую дальность действия. Подсчитано, например, что при мощности передатчика всего в одну тысячную ватта дальность связи в космосе может достигать миллиона километров.