История лазера - Марио Бертолотти

Клистрон работает на совершенно другом принципе по сравнению с системами, использовавшимися до него для генерации высоких частот. В нем электроны сбиваются в сгустки, которые снабжают энергией объемный резонатор.

Объемный резонатор состоит из полости проводящего материала, в которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например куб, это соотношение гласит (как мы уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось на микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн с одного места в цепи до другого нужно направлять их в подходящие металлические структуры. Волноводы, как их стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, и волна распространяется в них за счет отражений от стенок. Эти волноводы могут быть и антеннами, если они имеют открытый конец.

Радар

Микроволновые устройства и технологии получили мощный импульс развития между 1930 и 1945 гг. из-за необходимости получения ультракоротких волн, нужных для разработок и создания радаров (аббревиатура, введенная американцами: radio detection and ranging).

Принцип работы радара очень прост: импульс радиоволн посылается на цель, частично отражается обратно к приемнику, где и регистрируется. Посылаемый и отраженный импульсы визуализируются на осциллоскопе, и, измеряя временной интервал между моментами, когда импульс был послан и когда пришел обратно, можно определить расстояние до цели.

Еще Герц и другие наблюдали, что радиоволны могут отражаться металлическими предметами. В 1904 г. немецкий инженер Хулсмейер получил патент на использование этого свойства для обнаружения препятствий при плавании кораблей. Он построил устройство, с которым получил хорошие результаты в Роттердамском порту. Но никто не заинтересовался разработкой этой системы, которая была слишком передовой для того времени.

Результаты первых экспериментов по ионосферному радиозондированию атмосферы, которые провел Эплтон (1925 г.) с целью доказать существование ионизованных слоев в атмосфере, способных отражать микроволны, оживил идею использовать методы, основанные на отражении радиоволн, для локализации объектов, расположенных на больших расстояниях. Принцип использования импульсов излучения, что является характерной особенностью современного радара, впервые был реализован в 1925 г. Д. Брейтом (1899—1981) и М.А. Тьювом (1901-1982) из Вашингтонского Института Карнеги для измерения высоты ионосферы. Итак, ряд экспериментов по применению принципа локализации земных объектов и определения расстояний до них начался в Европе и США. При проведении исследований, связанных с использованием микроволн для связи, было найдено, что можно обнаружить присутствие судов и самолетов путем регистрации энергии, которую они отражают.

В США, в Исследовательской лаборатории Военно-морского флота (NRL), уже с 1920-х гг. была известна возможность обнаружения движущихся объектов путем отражения электромагнитных волн. В. Делмар Гершбергер и его сотрудники использовали для этой цели магнетроны, изготовленные фирмами «Вестингауз» и RCA, для проведения экспериментов на сантиметровых волнах. Были получены успешные результаты. Однако в то время было мало квалифицированных специалистов, чтобы довести устройства до практического использования.

Разработки радаров в Великобритании

В Великобритании, в 1934 г., желание защитить страну от воздушного нападения привело Г. Э. Вимперса, директора исследований при Министерстве авиации к обращению за советом к А. В. Хиллу (1886—1977), видному физиологу из Кембриджа, который получил в 1922 г. Нобелевскую премию по физиологии, и который был офицером артиллерии в Первой мировой войне. Конкретно, задавался вопрос о возможности уничтожения вражеских самолетов. Результатом обсуждений было обращение Вимперса 12 ноября 1934 г. к Государственному секретарю по военно-воздушным силам с просьбой организовать комитет для рассмотрения того, насколько последние успехи в науке и технике могут быть использованы для усиления противовоздушной обороны» Вимперс предложил, чтобы председателем этого комитета был профессор Г. Т. Тизард (1885—1959), декан химического факультета Империал Колледжа. А членами предлагалось назначить Хилла и профессора П. М. С, Блэккета (1897—1974), который характеризовался «как морской офицер в войне (1914-18), который с тех пор проявил себя своей работой в Кембридже, как один из лучших молодых научных лидеров». Эта характеристика была вполне оправдана, так как в 1948 г. Блэккет получил Нобелевскую премию по физике «за развитие метода камеры Вильсона и открытие с ее помощью в области ядерной физики и космических лучей». Комитет был немедленно создан и 28 января 1935 г. состоялось первое заседание. Вимперс обратился с запросом к Суперинтенданту радиоисследовательского отдела Национальной Физической лаборатории Роберту Ватсон-Ватту (1892—1973), нельзя ли выводить из строя вражеские самолеты или их экипажи с помощью интенсивных пучков радиоволн. Ватсон-Ватт немедленно ответил, что произвести такие «лучи смерти» нереально, но вместо этого возможно обнаруживать вражеские самолеты. Он представил расчеты, показывающие, что энергию, отражаемую самолетом, облучаемого мощным пучком радиоволн, можно использовать для этой цели. Немедленно была проведена работа по демонстрации, которая дала прекрасные результаты 26 февраля 1935 г. Она была настолько успешной, что было начато сооружение системы радиолокационных станций. Было продемонстрировано обнаружение корабля на расстояние около 30 км и возможность обнаружения самолета на расстояние 160 км. Роберт Ватсон-Ватт написал фундаментальное уравнение радара, которое показывает, что максимальное расстояние, на котором можно обнаружить самолет, пропорционально линейным размерам антенны и только лишь корню четвертой степени из мощности. Это означает, что для увеличения дальнодействия радара в 2 раза нужно увеличивать мощность в 16 раз.

Расстояние также увеличивается при уменьшении длины волны, но это не представляло интереса для Ватсона-Ватта. В то время не было генераторов высокой мощности, работающих на длине волны меньшей чем 10 м. Поэтому была выбрана длина волны 50 м, руководствуясь тем соображением, что радиоволны будут хорошо отражаться от бомбардировщика, когда размах его крыльев будет приблизительно равен половине длины волны. Но вскоре было установлено, что радиолокационные станции создают взаимные интерференционные помехи, и длина волны была уменьшена до 26 м, а затем и до 13 м.

К сентябрю 1938 г. побережье в районе устья Темзы было покрыто сетью радаров, и радары были также установлены на главных британских линкорах. Благодаря этому Великобритания смогла противостоять врагу и получить преимущества в битве с немецкими военно-воздушными силами во Второй мировой войне (август 1940 г.), а установка радаров на кораблях позволила британскому флоту добиться впечатляющих успехов (сражение у мыса Матапан, март 1941 г.).

В марте 1935 г. корабли британского флота могли обнаруживать самолеты лишь с помощью биноклей с увеличением 7х. А вскоре после Мюнхенского кризиса (1938 г.) они могли обнаружить самолет на расстоянии до 100 км благодаря радару.

Разработки радаров для флота продолжались в течение всей войны, иногда сопровождаясь некоторыми странностями. Один эпизод может показать нам, как в то время плохо понималось использование радиоволн, а некоторые эффекты казались таинственными. В 1943 г. немцы стали атаковать английские военные корабли летающими бомбами, управляемыми по радио. Это вызывало страх среди команды. Однажды флотские специалисты, случайно, во время одной из таких атак в Бискайском заливе включили электрические бритвы и к своему, а также и всей команды, изумлению, увидели, что бомба стала поворачиваться в небе, а затем направилась в сторону самолета, который запустил ее. Немедленно Адмиралтейство разослало приказ включать все имеющиеся на корабле электрические бритвы и размахивать ими против летающих снарядов. Эффективность этой меры не зарегистрирована в официальных бумагах, но она, определенно, повышала моральный дух команды.

После разработки цепи радаров, защищающих Темзу, Ватсон-Ватт и его сотрудники обратили свое внимание на радар для установки его на самолете. Радары второго поколения с длиной волны 1,5 м имели размеры, позволяющие установить их на самолетах, предназначенных для обнаружения подводных лодок, всплывающих ночью. Каждый согласится, что длина волны 10 см еще лучше, и поэтому старались освоить этот диапазон длин волн. Одна из причин улучшения — резкое уменьшение размеров аппаратуры и повышение эффективности определения целей. 12 августа 1940 г. впервые был испытан радар для самолета, работающий на длине волны 10 см.