Den meisten Lesern ist der Begriff "Laser" bekannt, der sich aus dem englischen "Laser" (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) ableitet. Mitte des 20. Jahrhunderts erfundene Laser haben unser Leben gründlich erfasst, auch wenn ihre Arbeit in der modernen Technologie für den Normalbürger oft unsichtbar ist. Der wichtigste Popularisierer der Technologie sind Science-Fiction-Bücher und -Filme geworden, in denen Laser zu einem festen Bestandteil der Ausrüstung der Kämpfer der Zukunft geworden sind.
In Wirklichkeit haben Laser einen langen Weg zurückgelegt, hauptsächlich als Aufklärungs- und Zielbestimmungsmittel verwendet, und erst jetzt sollten sie ihren Platz als Waffe des Schlachtfelds einnehmen und ihr Aussehen und das Erscheinungsbild von Kampffahrzeugen möglicherweise radikal verändern.
Weniger bekannt ist das Konzept eines "Masers" - ein Strahler kohärenter elektromagnetischer Wellen im Zentimeterbereich (Mikrowellen), dessen Erscheinen der Entstehung von Lasern vorausging. Und nur wenige wissen, dass es eine andere Art von Quellen kohärenter Strahlung gibt - "Saser".
Klangstrahl
Das Wort „Saser“ist ähnlich dem Wort „Laser“gebildet – Schallverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission und bezeichnet einen Generator kohärenter Schallwellen einer bestimmten Frequenz – einen akustischen Laser.
Verwechseln Sie einen Saser nicht mit einem "Audio-Spotlight" - einer Technologie zur Erzeugung gerichteter Klangströme, als Beispiel können wir uns an die Entwicklung von Joseph Pompey vom Massachusetts Institute of Technology "Audio Spotlight" erinnern. Der Audio-Spotlight „Audio Spotlight“sendet einen Wellenstrahl im Ultraschallbereich aus, der in nichtlinearer Wechselwirkung mit Luft deren Schalllänge vergrößert. Die Strahllänge eines Audioprojektors kann bis zu 100 Meter betragen, die Schallintensität nimmt jedoch schnell ab.
Wenn in Lasern Lichtquanten - Photonen - erzeugt werden, spielen in Sasern Phononen ihre Rolle. Im Gegensatz zu einem Photon ist ein Phonon ein Quasiteilchen, das vom sowjetischen Wissenschaftler Igor Tamm eingeführt wurde. Technisch gesehen ist ein Phonon ein Quantum der Schwingungsbewegung von Kristallatomen oder ein Energiequantum, das mit einer Schallwelle verbunden ist.
„In kristallinen Materialien interagieren Atome aktiv miteinander, und es ist schwierig, solche thermodynamischen Phänomene als Schwingungen einzelner Atome in ihnen zu betrachten - es werden riesige Systeme von Billionen miteinander verbundener linearer Differentialgleichungen erhalten, deren analytische Lösung unmöglich ist. Die Schwingungen der Atome des Kristalls werden durch die Ausbreitung eines Systems von Schallwellen in der Substanz ersetzt, deren Quanten Phononen sind. Das Phonon gehört zur Zahl der Bosonen und wird durch die Bose-Einstein-Statistik beschrieben. Phononen und ihre Wechselwirkung mit Elektronen spielen eine grundlegende Rolle in modernen Konzepten der Physik von Supraleitern, Wärmeleitungsprozessen und Streuprozessen in Festkörpern.
Die ersten Saser wurden 2009-2010 entwickelt. Zwei Wissenschaftlergruppen stellten Methoden zur Gewinnung von Laserstrahlung vor – mit einem Phononenlaser auf optischen Hohlräumen und einem Phononenlaser auf elektronischen Kaskaden.
Ein von Physikern des California Institute of Technology (USA) entworfener Prototyp eines optischen Resonator-Sasers verwendet ein Paar optischer Resonatoren aus Silizium in Form von Tori mit einem Außendurchmesser von etwa 63 Mikrometern und einem Innendurchmesser von 12, 5 und 8, 7 Mikrometern, in die ein Laserstrahl eingespeist wird. Durch Veränderung des Abstandes zwischen den Resonatoren ist es möglich, die Frequenzdifferenz dieser Ebenen so einzustellen, dass sie der akustischen Resonanz des Systems entspricht, wodurch Laserstrahlung mit einer Frequenz von 21 Megahertz entsteht. Durch Ändern des Abstands zwischen den Resonatoren können Sie die Frequenz der Schallabstrahlung ändern.
Wissenschaftler der University of Nottingham (Großbritannien) haben einen Prototyp eines Sasers auf elektronischen Kaskaden geschaffen, bei dem Schall durch ein Übergitter mit abwechselnd mehreren Atomen dicken Schichten aus Galliumarsenid und Aluminiumhalbleitern dringt. Phononen sammeln sich wie eine Lawine unter dem Einfluss zusätzlicher Energie an und werden innerhalb der Übergitterschichten mehrfach reflektiert, bis sie als Saserstrahlung mit einer Frequenz von etwa 440 Gigahertz die Struktur verlassen.
Von Sasern wird erwartet, dass sie die Mikroelektronik und Nanotechnologie revolutionieren, vergleichbar mit der von Lasern. Die Möglichkeit, Strahlung mit einer Frequenz im Terahertz-Bereich zu erhalten, wird es ermöglichen, Saser für hochpräzise Messungen zu verwenden, dreidimensionale Bilder von Makro-, Mikro- und Nanostrukturen zu erhalten, die optischen und elektrischen Eigenschaften von Halbleitern in hohem Maße zu verändern Geschwindigkeit.
Die Anwendbarkeit von Sasern im militärischen Bereich. Sensoren
Das Format der Kampfumgebung bestimmt die Wahl des jeweils effektivsten Sensortyps. In der Luftfahrt sind die wichtigsten Aufklärungsgeräte Radarstationen (Radare), die Millimeter-, Zentimeter-, Dezimeter- und sogar Meter-Wellenlängen (für bodengestütztes Radar) verwenden. Das Bodengefechtsfeld erfordert zur genauen Zielerkennung eine erhöhte Auflösung, die nur durch Aufklärung im optischen Bereich erreicht werden kann. Natürlich werden Radare auch in der Bodentechnik sowie optische Aufklärungsmittel in der Luftfahrt verwendet, aber dennoch ist die Tendenz zugunsten der vorrangigen Nutzung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, je nach Art des Kampfumgebungsformats, ziemlich groß offensichtlich.
Die physikalischen Eigenschaften von Wasser schränken die Ausbreitungsreichweite der meisten elektromagnetischen Wellen im optischen und Radarbereich erheblich ein, während Wasser deutlich bessere Bedingungen für den Durchgang von Schallwellen bietet, was zu ihrer Verwendung zur Aufklärung und Lenkung von Waffen von U-Booten führte (PL) und Oberflächenschiffe (NK), falls diese einen Unterwasserfeind bekämpfen. Dementsprechend wurden hydroakustische Komplexe (SAC) zum wichtigsten Mittel zur Aufklärung von U-Booten.
SACs können sowohl im aktiven als auch im passiven Modus verwendet werden. Im aktiven Modus sendet das SAC ein moduliertes Tonsignal aus und empfängt ein von einem feindlichen U-Boot reflektiertes Signal. Das Problem ist, dass der Feind das Signal vom SAC viel weiter erkennen kann, als der SAC selbst das reflektierte Signal auffängt.
Im passiven Modus "hört" der SAC auf Geräusche, die von den Mechanismen eines U-Bootes oder feindlichen Schiffes ausgehen, und erkennt und klassifiziert Ziele basierend auf ihrer Analyse. Der Nachteil des passiven Modus besteht darin, dass der Lärm der neuesten U-Boote ständig abnimmt und mit dem Hintergrundgeräusch des Meeres vergleichbar wird. Dadurch wird die Erfassungsreichweite feindlicher U-Boote deutlich reduziert.
SAC-Antennen sind phasengesteuerte diskrete Arrays komplexer Formen, die aus mehreren tausend piezokeramischen oder faseroptischen Wandlern bestehen, die akustische Signale liefern.
Bildlich gesprochen sind moderne SACs vergleichbar mit Radaren mit passiven Phased Antenna Arrays (PFAR), die in der militärischen Luftfahrt eingesetzt werden.
Es ist davon auszugehen, dass mit dem Aufkommen von Sasern vielversprechende SACs entstehen werden, die bedingt mit Radaren mit aktiven Phased Antenna Arrays (AFAR) verglichen werden können, die zu einem Markenzeichen der neuesten Kampfflugzeuge geworden sind
In diesem Fall kann der Betriebsalgorithmus vielversprechender SACs auf Basis von Saser-Emittern im aktiven Modus mit dem Betrieb von Luftfahrtradaren mit AFAR verglichen werden: Es wird möglich sein, ein Signal mit einem engen Richtcharakteristikmuster zu erzeugen, einen Einbruch in die Richtcharakteristik zum Störsender und Selbst-Jamming.
Vielleicht wird die Konstruktion dreidimensionaler akustischer Hologramme von Objekten realisiert, die transformiert werden können, um ein Bild und sogar die innere Struktur des untersuchten Objekts zu erhalten, die für seine Identifizierung äußerst wichtig ist. Die Möglichkeit der Bildung gerichteter Strahlung wird es dem Feind erschweren, eine Schallquelle zu erkennen, wenn sich das SAC im aktiven Modus befindet, um natürliche und künstliche Hindernisse zu erkennen, wenn sich ein U-Boot in seichtem Wasser bewegt und Seeminen erkennt.
Es muss klar sein, dass die aquatische Umgebung den "Schallstrahl" wesentlich stärker beeinflusst als die Atmosphäre die Laserstrahlung, was die Entwicklung leistungsstarker Laserführungs- und Korrektursysteme erfordert, und dies auf jeden Fall nicht sein wird wie ein "Laserstrahl" - die Divergenz der Laserstrahlung wird viel größer sein.
Die Anwendbarkeit von Sasern im militärischen Bereich. Waffe
Trotz der Tatsache, dass Laser Mitte des letzten Jahrhunderts auftauchten, wird ihr Einsatz als Waffen zur physischen Zerstörung von Zielen erst jetzt Realität. Es ist davon auszugehen, dass den Sasern das gleiche Schicksal bevorsteht. Zumindest "Klangkanonen", wie sie im Computerspiel "Command & Conquer" abgebildet sind, werden sehr, sehr lange warten müssen (sofern überhaupt möglich).
In Analogie zu Lasern kann davon ausgegangen werden, dass auf Basis von Sasern in Zukunft Selbstverteidigungskomplexe erstellt werden können, ähnlich dem Konzept des russischen Luftverteidigungssystems L-370 "Witebsk" ("Präsident-S"), entwickelt, um Raketen abzuwehren, die mit Infrarot-Zielsuchköpfen auf ein Flugzeug gerichtet sind, wobei eine optisch-elektronische Unterdrückungsstation (OECS) verwendet wird, die Laserstrahler umfasst, die den Raketensuchkopf blenden.
Das auf Saser-Strahlern basierende Bord-Selbstverteidigungssystem von U-Booten wiederum kann dazu verwendet werden, feindliche Torpedo- und Minenwaffen mit akustischer Anleitung abzuwehren.
Schlussfolgerungen
Der Einsatz von Sasern als Mittel zur Aufklärung und Bewaffnung vielversprechender U-Boote ist wahrscheinlich zumindest mittelfristig oder sogar in weiter Ferne. Dennoch müssen jetzt die Grundlagen für diese Perspektive geschaffen werden, um eine Grundlage für zukünftige Entwickler vielversprechender militärischer Ausrüstung zu schaffen.
Im 20. Jahrhundert sind Laser ein fester Bestandteil moderner Aufklärungs- und Zielbestimmungssysteme geworden. An der Wende des 20. und 21. Jahrhunderts kann ein Jäger ohne AFAR-Radar nicht mehr als Gipfel des technologischen Fortschritts gelten und wird seinen Konkurrenten mit einem AFAR-Radar unterlegen sein.
Im nächsten Jahrzehnt werden Kampflaser das Gesicht der Schlachtfelder zu Lande, zu Wasser und in der Luft radikal verändern. Es ist möglich, dass Saser das Erscheinungsbild des Unterwasser-Schlachtfeldes Mitte und Ende des 21. Jahrhunderts nicht weniger beeinflussen werden.
