Глава первая

Свет переносит информацию

У человека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен — это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об окружающем его мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря уже об осязании, обонянии и вкусе.

Далее человек заметил «посторонний источник света» — солнце. Он использовал огонь, а затем различные виды искусственных световых источников для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световой источник, так и процесс модуляции света. Он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптиче­ской системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую ка­бельную линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляции преобразование ме­ханического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс — демодуляцию: преобразование опти­ческого сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.

Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового об­раза в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи.

Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, явля­ется скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспо­соблен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может сле­дить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду.

Используют в качестве световых приемников технические устройства — фотоэле­менты или фотодиоды.

2 , 3

Простое световое переговорное устройство:

1-микрофон; 2,3-усилители; 4-телефон

Глава вторая

От спектра к когерентности

2.1 Что такое свет?

Сегодня знание природы света углубилось незначительно. Физики сошлись лишь во мнении о том, что свет объединяет в себе оба свойства: корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.

2.2 Цвет, длина волны, частота — три характерных параметра света

Важным параметром света является его длина волны. Под этим подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными максимумами последова­тельности колебаний.

Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его частотой.

l = с / ¦ или ¦ = с / l,

где l. - длина волны; ¦ - частота, 1 / с или герц (сокращенно Гц).

2.3 Спектры источников света

Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве пере­датчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде всего на свойст­вах обычных источников света.

В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения области длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии излучения. Длины волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е. являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутри области излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно от видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположены так, что они не различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света. Который, в свою очередь, может стать спектром поглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектра излучения.

2.4 Естественный свет в опытах по интерференции

Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой, это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают и оба процесса складываются и усиливаются. Однако если между обоими процессами имеется разность фаз или раз­личие по расстоянию точно на половину длинны волны, т. е. совпадает максимум одного колебания с минимумом другого и оба имеют одинаковую мощность, то процессы гасят друг друга.

Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не ин­терферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают случайные и быст­рые колебания, называется некогерентностью. Хотя световые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитными колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно более высокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством некогерентности.

Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их коле­баний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства когерентности не мог­ли бы функционировать мощные электрические системы связи.

Глава третья

ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ

3.1 Как образуется некогерентный свет

Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и несинхронно, т. е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.

Обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на определенных расстояниях, т. е. при определенных длинах волн. Расположение этих линий зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.

Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:

¦ =R (1/n2-1/m2)

где n, m - целые числа; R - константа, не зависящая от состава газа, R = 3,29 • 1015 Гц.

Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения. Ко­личественное значение кванта излучения h= 6,63 * 10-34c2 было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможным порциям энергии h¦, где ¦ - частота энергии излучения. Из ранее приведенных рассуждений выте­кает знаменитая атомная модель Бора. Вокруг тяжелого положительного ядра на опреде­ленных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы - электроны. У водорода - элемента с наиболее простым строением атома - имеется только один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.

Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть под­нят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно Бору как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 9 и т. д. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка, тогда начальная ор­бита Бора остается без электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являют­ся для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвра­щается на первоначальную орбиту - прямо или «по ступенькам». И подобно тому, как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласно уравнению Планка проявляется как излучение определенных частот.