Когда в 1927 году Алексей Толстой завершал работу над новым романом «Гиперболоид инженера Гарина», он вряд ли думал о том, что когда-нибудь его назовут автором идеи лазера и визионером, предсказавшем появление новой научно-технической дисциплины — фотоники. Но в одном его предвидение оказалось стопроцентным: «гиперболоиды» действительно перевернут мир.
Квантовый луч
Впервые «тепловые» лучи, сжигающие все вокруг, описал Герберт Уэллс в романе «Война миров», опубликованном в 1898 году. Идея показалась продуктивной: гипотетические лучи начали обсуждать фантасты, журналисты и даже авторитетные ученые. Например, знаменитый изобретатель Никола Тесла уверял, что работает над «лучами смерти» (он называл их Teleforce), которые представляли собой «концентрированный пучок частиц» и должны были, по его замыслу, остановить все войны, поскольку от них нет защиты. Увы, но миротворческие «лучи смерти» были, видимо, из тех изобретений Теслы, которые он так и не сумел воплотить в жизнь.
Реальный же путь к созданию высокоэнергетических лучей указал Альберт Эйнштейн, в 1916 году высказавший гипотезу о существовании вынужденного излучения. Он говорил, что реально привести атомы любого объекта в возбужденное состояние, после чего он активно начнет излучать фотоны, причем в требуемом диапазоне спектра. Позднее Поль Дирак обосновал гипотезу Эйнштейна в рамках квантовой механики, а экспериментальное подтверждение существования вынужденного излучения было получено в 1928 году.
Однако появления первых устройств, способных излучать направленный высокоэнергетический луч, пришлось подождать. Приоритет в этой области принадлежит американскому физику Теодору Майману. 16 мая 1960 года он продемонстрировал коллегам работу первого лазера — оптического квантового генератора, получившего свое название от аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). В качестве активной среды (то есть объекта в возбужденном состоянии) Майман использовал кристалл искусственного рубина, который подвергался облучению газоразрядной лампой и испускал узконаправленный световой поток. Впоследствии физик основал собственную компанию «Корад Корпорейшн», которая стала ведущим разработчиком мощных лазеров.
Будущее лазеров
Современный мир трудно представить без лазеров. Они используются практически везде. Способность лазеров создавать энергетический поток высокой мощности позволяет применять их в промышленности: для резки, сварки, пайки, маркировки и гравировки. Поскольку луч можно сфокусировать в точку размером с микрон, он является идеальным инструментом при создании печатных плат и полупроводниковых соединений. Точная направленность луча дает возможность создавать считывающие устройства и медицинскую технику. И так далее.
Известны попытки построить лучевое оружие. Например, американские военные инженеры сконструировали лазерную установку SHEL, размещаемую на специальном самолете «Boeing-747 YAL-1». Предназначена она была для того, чтобы сбивать вражеские баллистические ракеты. На проект было потрачено свыше пяти миллиардов долларов, и в ходе испытаний, состоявшихся в феврале 2010 года, лазер даже сбил три ракеты-мишени. Однако из-за несоответствия реальных характеристик заявленным проект был закрыт.
Тем не менее боевые лазеры можно использовать в мирных целях. На основе автомобильного комплекса для борьбы с ракетами, построенном еще в советские времена, усилиями специалистов Троицкого института инновационных и термоядерных исследований была сконструирована углеродная лазерная установка МЛТК-50. Она показала превосходные результаты при ликвидации пожара на газовой скважине в Карачаевске, развалке скального массива, при дезактивации поверхности бетона на АЭС методом шелушения и выжигании пленки нефти на поверхности акватории. Кроме того, на ее основе планируется создать лазеры для восстановления трущихся поверхностей различных промышленных агрегатов и даже для уничтожения вредоносных насекомых типа саранчи.
Основы фотоники
Понятно, что лазерные технологии буду развиваться дальше. Наиболее перспективные направления их использования — голографические экраны, термоядерная энергетика, исследовательские системы межпланетных аппаратов. Но сравнительно недавно в прикладной науке появилось направление, которое способно революционным образом поменять всю современную электронную базу. Речь идет о фотонике, занимающейся фундаментальными и практическими исследованиями в области использования оптических сигналов. По сути, она является аналогом электроники, только вместо электронов используются фотоны, излучаемые лазерами.
Интересно, что «родилась» фотоника в Ленинградском государственном университете: в 1970 году там была даже учреждена соответствующая кафедра, а ее основателем стал советский академик Александр Николаевич Теренин. С этого момента начала развиваться научная школа, которая вывела нашу страну в лидеры фотоники. Наиболее известное устройство, разработанное на ее принципах, — оптоволоконные кабели, которые резко повысили пропускную способность информационных каналов.
Сегодня основные работы по фотонике ведутся в российских вузах и Фонде перспективных исследований; всего занято свыше 850 организаций. Например, запущен проект модернизации радиолокационных средств, которыми располагает наша армия. Переход с электронной на фотонную базу позволит уменьшить габариты радиолокационных станций (многоэтажное здание превратится в небольшой фургон) и повысить их эффективность (увеличатся разрешающая способность и устойчивость к электромагнитным помехам). Примечательно, что разработчики сразу думают о гражданском применении этой технологии: компактные радары можно использовать в скоростных поездах и автомобилях для мгновенного обнаружения препятствий. Больше того, технология будет применяться при создании «умной» обшивки самолетов, благодаря чему весь фюзеляж превратится в мощный радиолокатор, позволяющий пилотам видеть все, что происходит вокруг их «борта» в течение полета.
Фотонный мир
Фотоника развивается по нескольким направлениям. Самые молодые из них — оптоинформатика и радиофотоника. Их предназначение следует из названия: они призваны заменить существующие компьютерные и сетевые технологии. Чтобы показать преимущества, которые дает фотоника в этой области, достаточно упомянуть, что созданный в Московском государственном университете сверхбыстрый фотонный переключатель позволяет поднять скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю до сотен терабит в секунду (предел для современных кабелей — сто терабит в секунду). Появление фотонных коммуникаций, которые заменят классические, позволяет помимо того вдвое снизить энергозатраты и, соответственно, стоимость систем накопления и хранения данных. Например, в США дата-центры уже потребляют 2% от всей производимой энергии, и экономия при переходе на фотоны будет очень существенной.
Задача ближайшего будущего — создание фотонного компьютера, который, как считается, значительно обойдет по своей производительности системы на полупроводниках. Его соединение с высокоскоростными оптическими коммуникациями и светочувствительными поверхностями открывает путь к появлению интеллектуальных устройств принципиально нового типа — миниатюрных и мобильных, но при этом обладающих способностью к обработке некодируемой информации и самообучению. Велика вероятность, что именно из фотоники когда-нибудь «родится» искусственный разум.
В романах современных фантастов можно встретить сверхсуществ, «сотканных» из света и силовых полей, могущественных и доброжелательных. Может быть, этот образ окажется пророческим видением — подобно тому, как оказались пророческими образы «тепловых лучей» и «гиперболоида».
