Газовые лазеры, использующие CO2 в качестве «рабочего вещества», могут работать в режиме непрерывной генерации, излучая мощность в несколько десятков киловатт. Так как излучение лазера синфазно по всей его поверхности, то, как известно из оптики, угловая ширина посылаемого им пучка будет равна λ/D, где λ — длина волны света, D — размеры блока «рабочего вещества». Отсюда следует, что даже у современных лазеров размером всего лишь в 1 см угол раствора светового пучка равен приблизительно 5 10-5 рад или 10 с дуги. Если таким пучком осветить Луну, размеры пятна будут около 20 км. Заметим, что угловые размеры пучка могут быть сделаны значительно меньше, если лазер сочетать с некоторой оптической системой типа телескопа.
Пусть мы имеем высококачественную линзу, диаметр которой равен d, причем фокусное расстояние также равно d. Если такую линзу поместить в пучок света, излучаемый лазером, то в ее фокальной плоскости действительное изображение пучка будет иметь размеры λ. Пусть это изображение совпадает с фокусом другой линзы (или зеркала) значительно большего диаметра A, причем фокусное расстояние большой линзы больше или равно A. В таком случае, как легко убедиться, пучок, выходящий из большого зеркала, будет иметь угол расхождения, равный λ/A. Хотя такие системы еще не изготовлены, в принципе это вполне возможно. Трудности здесь будут хотя и серьезные, но чисто технического характера. Например, необходимо будет разработать системы автоматического контроля и коррекции поверхности большого зеркала, компенсирующие деформации из-за нагревания его поверхности мощным пучком излучения.
Кроме исключительно высокой направленности, другим важным преимуществом пучка излучения, генерируемого лазером, является высокая монохроматичность. Так, например, у современных лазеров, работающих в непрерывном режиме, ширина полосы частот бывает до 10 кГц, что в десятки миллиардов раз меньше частоты излучения. Как мы увидим ниже, высокая степень монохроматичности пучка — весьма ценное качество для межзвездной связи.
В настоящее время усовершенствованию лазеров уделяется огромное внимание. Так, в США над этой проблемой работают тысячи фирм. Расходы на исследования в данной области достигают многих сотен миллионов долларов в год. Интерес к этой проблематике не случаен. Осуществление лазеров большой мощности будет означать появление нового типа оружия совершенно исключительной разрушающей способности. По существу, это будет знаменитый «тепловой луч» уэллсовских марсиан или, еще точнее, «гиперболоид инженера Гарина», созданный лет 60 назад фантазией Алексея Толстого. Лазеры большой мощности, вероятно, можно будет использовать как эффективное противоракетное оружие.
Нужно, однако, надеяться, что колоссальные потенциальные возможности лазеров будут использоваться только в мирных целях. Развитие этой новой техники может оказать решающее влияние на ряд областей деятельности человечества, в частности на космическую связь.
Первыми, кто обратил серьезное внимание на возможность применения лазеров для космической связи, были американские ученые Таунс (один из основоположников квантовой электроники, лауреат Нобелевской премии) и Шварц. Их работа появилась в одном из апрельских номеров журнала «Нейчур» за 1961 г. В качестве основной аппаратуры они рассматривают две системы лазеров, которые пока еще не разработаны, но в принципе могут быть изготовлены в ближайшие годы.
Система «а» характеризуется мощностью 10 кВт в непрерывном режиме излучения, имеет длину волны света около 0,5 мкм, ширину полосы частот в пучке около 1 МГц, диаметр большого дополнительного зеркала 500 см и соответствующий этому зеркалу угол раствора пучка φ = 10-7 рад или 0,02".
Система «б» представляет собой «батарею» из 25 таких же лазеров, как и в системе «а», но для каждого из них A = 10 см, и, следовательно, угол раствора пучка равен l". С такой точностью вся батарея лазеров может быть ориентирована в одном направлении.
Следует заметить, что если система «а» будет установлена на поверхности Земли, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка будет значительно больше теоретически ожидаемого, достигая l" или даже больше. Поэтому такую систему целесообразно поместить на искусственном спутнике за пределами атмосферы. Что касается системы «б», то она может работать с поверхности планеты без существенных искажений.
Таунс и Шварц формулируют два естественных условия обнаружимости сигналов, посланных с других миров с помощью лазеров.
Первое условие: пучок должен быть достаточно интенсивным, чтобы быть обнаруженным с помощью подходящего телескопа.
Второе условие: необходимо, чтобы каким-либо способом можно было отделить сигнал от излучения звезды. В радиодиапазоне второе условие выполняется почти автоматически, но в оптическом отделение сигнала от излучения звезды, как мы увидим ниже, — довольно сложная проблема.
Предположим, что сигнал посылается системой «а», вынесенной за пределы атмосферы планеты. Пусть расстояние R от планеты до Земли 10 световых лет, или 1019 см. Тогда поток излучения у Земли будет
где W = 10 кВт — мощность передатчика, Ω = 10–14 — телесный угол пучка. Следовательно, F = 10–20 Вт/см2, в то время как поток от Солнца равен 0,14 Вт/см2. Зная отношение потоков излучения лазера и Солнца, легко можно вычислить звездную величину лазера, наблюдаемого с Земли. Для этого воспользуемся известной формулой астрономии, которая представляет собой определение понятия «звездная величина»:
Видимая звездная величина Солнца m2 = -26,8, откуда звездная величина лазера m1 = +21,2. Это означает, что с расстояния 10 световых лет такой лазер будет наблюдаться как одна из самых слабых звезд, едва доступная для больших телескопов. Поэтому для обеспечения надежной связи мощность передатчика должна быть повышена в несколько десятков раз по сравнению с принятой Таунсом и Шварцем.
Что касается системы «б», то поток от нее получается в 100 раз меньшим, чем от системы «а». Поэтому, вопреки утверждению Таунса и Шварца, для межзвездной связи она непригодна.
Теперь мы обсудим вопрос о возможности отделения сигнала лазера от излучения звезды, около которой он находится. Единственный способ такого отделения состоит в использовании свойства высокой монохроматичности излучения лазеров. Пусть эта звезда излучает вблизи волны 0,5 мкм так же, как и наше Солнце (заметим, что вблизи этой волны находится максимум в распределении солнечного излучения по спектру). Тогда интенсивность излучения, рассчитанная на единичный интервал частоты и единичный телесный угол, будет равна 4 1010 Вт/(Гц • ср), в то время как у лазера интенсивность (равная потоку излучения, деленному на телесный угол пучка) будет
Мы учли то обстоятельство, что у лазера все излучение сосредоточено в очень узкой полосе частот в 1 МГц. Таким образом, «спектральная интенсивность» у такого лазера в 25 раз больше, чем у Солнца. Если бы этот лазер работал в ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра, его спектральная интенсивность еще больше превосходила бы солнечную. Дело в том, что в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектральная интенсивность Солнца значительно меньше, чем в зеленой области около длины волны 0,5 мкм. Так, спектральная интенсивность для волн, больших 1,5 мкм, и меньших 0,25 мкм по крайней мере в 10 раз меньше, чем для 0,5 мкм, а для волн, больших 4 мкм или меньших 0,2 мкм — в сотни раз. Кроме того, нужно иметь в виду, что в солнечном спектре имеется много линий поглощения. В области этих линий (ширины которых значительно превосходят полосу частот лазера) спектральная интенсивность Солнца падает в десятки раз).
Перечисленные обстоятельства открывают возможности в сотни и даже тысячи раз увеличить «контрастность» спектральных интенсивностей лазера и Солнца. Если лазер вынесен за пределы земной атмосферы (которая полностью поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны, меньшей 0,29 мкм, и существенную часть инфракрасного излучения), то в принципе, работая в области λ = 0,15 мкм «на дне» линии поглощения, можно получить для лазера спектральную интенсивность, в десятки тысяч раз большую, чем у Солнца. Следует, однако, иметь в виду, что при этом могут встретиться большие технические трудности как при изготовлении лазера в указанной спектральной области, так и вследствие резкого уменьшения отражательной способности зеркал в ультрафиолетовых лучах. Если лазер будет работать в инфракрасной области спектра, это повлечет за собой другую неприятность: пучок станет более расходящимся, так как длина волны будет больше. В общем создается впечатление, что выгоднее всего лазеру работать в видимом диапазоне частот «на дне» какой-нибудь сильной линии поглощения в спектре Солнца, например известных линий «H» и «K», принадлежащих ионизованному кальцию. В этом случае спектральная интенсивность лазера в узкой полосе частот шириной в 1 МГц будет в 300 раз больше, чем у Солнца.