31 «Лунный» лазер

Применения лазеров в настоящее время столь многообразны, что мы на них вообще не останавливаемся в данной книге. Однако проблема лазерной локации Луны настолько интересна, что следует уделить ей немного внимания.

Допустим, что лазерный пучок с начальной расходимостью 3" направлен с помощью большого телескопа на Луну. Расходимость пучка самого лазера значительно больше, однако зеркало телескопа диаметром, например, 2,5 м уменьшает ее до указанного выше значения. След светового пучка на лунной поверхности имеет диаметр 5,53 км. Столь значительный участок поверхности в общем случае содержит неровности. Поэтому отраженные сигналы возвращаются на Землю в разные моменты времени. Иными словами, лунное эхо характеризуется значительным размытием во времени. Напомним, что разница высот в 1 м приведет к запаздыванию сигнала на 6,6 не, что легко обнаружить с помощью современных осциллографов. Кроме того, лишь ничтожная часть сигнала отражается от лунной поверхности в направлении Земли. Основная часть лазерного излучения поглощается и рассеивается. Поэтому для улучшения отношения сигнала к шуму при лазерной локации Луны на ее поверхности устанавливают уголковые отражатели. Они представляют собой панели размером примерно состоящие из большого числа призм, имеющих форму вершин куба.

Такие призмы обладают свойством отражать излучение в направлении прихода. Установка отражателя не только существенно повышает отраженный сигнал, но прежде всего фиксирует расстояние между передатчиком и маленькой частью лунной поверхности, т. е. той частью, где установлен отражатель. Ниже описаны американская и советская лазерные системы, а также важнейшие результаты, полученные во время сеансов лазерной локации Луны.

§ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАЗЕРНОГО ПЕРЕДАТЧИКА ФИРМЫ «КОРАД» (США)

Длительность импульса рубинового лазера при быстрой модуляции добротности его резонатора обычно составляет от 30 до 50 не. Для лазерной локации Луны необходимы более короткие импульсы, длительность которых не превышает нескольких наносекунд. В фирме «Корад» создан так называемый импульсный лазер бегущей волны (Pulse Transmission Mode Laser) [1].

Рис. 31.1. Схема рубинового лазера (генератора) и трехкаскадного усилителя для получения наносекундных импульсов света с энергией 5 Дж [3].

Пиковая мощность импульса достигала 1,1 ГВт. 1 — усилитель на рубине, 2 — телескопическая система, 3 — генератор, 4 — выходной пучок, 5 — призма Глана, 6 — ячейка Поккельса, 7 — рубин.

Идея такого лазера предложена Вайлстеке 12]. Детальное описание лазера было дано Рундлем [3] в 1969 г. на лазерном коллоквиуме в Париже. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять лунный лазер:

а) энергия импульса около 5 Дж,

б) начальная расходимость пучка 1,4 мрад,

в) полуширина спектра импульса 0,1 А.

г) повторяемость длины волны излучения ±0,05 А,

д) частота повторения вспышек в минуту,

е) срок службы рубина вспышек.

Требование связано с применением постоянных узкополосных фильтров в системе детектора. Схема лазерной установки, созданной на фирме «Корад», показана на рис. 31.1. Лазер бегущей волны работает следующим образом. В момент интенсивной оптической накачки генератора флюоресцентное излучение рубина с горизонтальной поляризацией пропускается через поляризатор Глана, что предотвращает генерацию. Когда инверсия населенностей в рубине достигает максимума, подается напряжение на ячейки Поккельса, что приводит к запаздыванию между обыкновенной и необыкновенной волнами на Происходит поворот плоскости поляризации света на 90°, и теперь призма Глана направляет лазерный пучок на полностью отражающее зеркало. Благодаря внезапному увеличению добротности резонатора возбуждается лазерная генерация. Когда импульс достигает максимума, напряжение на ячейках Поккельса снижается до нуля. Излучение покидает генератор и попадает в трехкаскадный усилитель на рубине. Начальный пучок диаметром 5 мм с помощью телескопической системы расширяют до диаметра 20 мм, чтобы увеличение плотности мощности излучения не привело к повреждению элементов усилителя. Полуширина импульса (в единицах времени) равна удвоенному времени прохождения света через резонатор длиной Следует обратить внимание на то, что система, изображенная на рис. 31.1, не имеет выходного зеркала. Зеркало с коэффициентом отражения 95% состоит из двух

Рис. 31.2. Серия импульсов от генератора (вверху) и те же импульсы на выходе усилителя (внизу) [3].

эталонов Фабри — Перо, которые играют роль селектора продольных мод. Общая длина рубиновых стержней усилителя 37,2 см. Стержни имеют центральный канал диаметром 4,7 мм, что существенно снижает влияние тепловых эффектов. Известно, что изменяющаяся во времени «тепловая линза» в активном элементе увеличивает расходимость лазерного пучка.

На рис. 31.2 показаны серия импульсов генератора (вверху) и те же импульсы после трехкаскадного усилителя (внизу). Средняя энергия импульса на выходе равна 5,7 Дж ±4%, диаметр пучка — 2 см. Срок службы рубиновых элементов около 3000 вспышек.