La plupart des lecteurs connaissent bien le concept de « laser », formé de l'anglais « laser » (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Les lasers inventés au milieu du 20e siècle sont bien entrés dans notre vie, même si leur travail dans la technologie moderne est souvent invisible pour les gens ordinaires. Le principal vulgarisateur de la technologie est devenu les livres et les films de science-fiction, dans lesquels les lasers sont devenus une partie intégrante de l'équipement des combattants du futur.
En réalité, les lasers ont parcouru un long chemin, étant principalement utilisés comme moyens de reconnaissance et de désignation de cibles, et ce n'est que maintenant qu'ils devraient prendre leur place en tant qu'arme du champ de bataille, modifiant peut-être radicalement son apparence et l'apparence des véhicules de combat.
Moins connu est le concept de " maser " - un émetteur d'ondes électromagnétiques cohérentes de l'ordre du centimètre (micro-ondes), dont l'apparition a précédé la création des lasers. Et très peu de gens savent qu'il existe un autre type de sources de rayonnement cohérent - "saser".
"Faisceau" de son
Le mot "saser" est formé de la même manière que le mot "laser" - amplification du son par émission stimulée de rayonnement et désigne un générateur d'ondes sonores cohérentes d'une certaine fréquence - un laser acoustique.
Ne confondez pas un saser avec un "projecteur audio" - une technologie pour créer des flux sonores directionnels, à titre d'exemple, nous pouvons rappeler le développement de Joseph Pompey du Massachusetts Institute of Technology "Audio Spotlight". Le projecteur audio "Audio Spotlight" émet un faisceau d'ondes dans la gamme des ultrasons qui, en interagissant de manière non linéaire avec l'air, augmentent leur longueur au son. La longueur du faisceau d'un projecteur audio peut aller jusqu'à 100 mètres, cependant, l'intensité sonore y diminue rapidement.
Si dans les lasers, il y a une génération de quanta - photons de lumière, alors dans les sasers, leur rôle est joué par les phonons. Contrairement à un photon, un phonon est une quasiparticule introduite par le scientifique soviétique Igor Tamm. Techniquement, un phonon est un quantum de mouvement vibratoire d'atomes de cristal ou un quantum d'énergie associé à une onde sonore.
«Dans les matériaux cristallins, les atomes interagissent activement les uns avec les autres et il est difficile de considérer des phénomènes thermodynamiques tels que les vibrations d'atomes individuels - d'énormes systèmes de milliers de milliards d'équations différentielles linéaires interconnectées sont obtenus, dont la solution analytique est impossible. Les vibrations des atomes du cristal sont remplacées par la propagation d'un système d'ondes sonores dans la substance, dont les quanta sont des phonons. Le phonon appartient au nombre de bosons et est décrit par la statistique Bose - Einstein. Les phonons et leur interaction avec les électrons jouent un rôle fondamental dans les concepts modernes de la physique des supraconducteurs, des processus de conduction thermique et des processus de diffusion dans les solides. »
Les premiers sasers ont été développés en 2009-2010. Deux groupes de scientifiques ont présenté des méthodes d'obtention de rayonnement laser - en utilisant un laser à phonons sur des cavités optiques et un laser à phonons sur des cascades électroniques.
Un prototype de résonateur optique saser conçu par des physiciens du California Institute of Technology (USA) utilise une paire de résonateurs optiques en silicium sous forme de tores d'un diamètre extérieur d'environ 63 micromètres et d'un diamètre intérieur de 12, 5 et 8, 7 micromètres, dans lequel est introduit un faisceau laser. En modifiant la distance entre les résonateurs, il est possible d'ajuster la différence de fréquence de ces niveaux pour qu'elle corresponde à la résonance acoustique du système, ce qui entraîne la formation d'un rayonnement laser d'une fréquence de 21 mégahertz. En modifiant la distance entre les résonateurs, vous pouvez modifier la fréquence du rayonnement sonore.
Des scientifiques de l'Université de Nottingham (Royaume-Uni) ont créé un prototype de saser sur des cascades électroniques, dans lequel le son traverse un super-réseau contenant des couches alternées d'arséniure de gallium et de semi-conducteurs en aluminium de plusieurs atomes d'épaisseur. Les phonons s'accumulent comme une avalanche sous l'influence d'une énergie supplémentaire et sont réfléchis plusieurs fois à l'intérieur des couches du super-réseau jusqu'à ce qu'ils quittent la structure sous forme de rayonnement saser d'une fréquence d'environ 440 gigahertz.
Les sasers devraient révolutionner la microélectronique et la nanotechnologie, comparable à celle des lasers. La possibilité d'obtenir un rayonnement avec une fréquence de la gamme térahertz permettra d'utiliser des sasers pour des mesures de haute précision, d'obtenir des images tridimensionnelles de macro-, micro- et nanostructures, de modifier les propriétés optiques et électriques des semi-conducteurs à une la vitesse.
L'applicabilité des sasers dans le domaine militaire. Capteurs
Le format de l'environnement de combat détermine le choix du type de capteurs les plus efficaces dans chaque cas. Dans l'aviation, le principal type d'équipement de reconnaissance est constitué de stations radar (radars), utilisant des longueurs d'onde millimétriques, centimétriques, décimétriques et même métriques (pour les radars au sol). Le champ de bataille terrestre nécessite une résolution accrue pour une identification précise des cibles, ce qui ne peut être réalisé qu'au moyen d'une reconnaissance dans la plage optique. Bien sûr, les radars sont également utilisés dans la technologie au sol, ainsi que les moyens de reconnaissance optique sont utilisés dans l'aviation, mais encore, le biais en faveur de l'utilisation prioritaire d'une certaine gamme de longueurs d'onde, selon le type de format d'environnement de combat, est assez évident.
Les propriétés physiques de l'eau limitent considérablement la plage de propagation de la plupart des ondes électromagnétiques dans les domaines optique et radar, tandis que l'eau offre des conditions nettement meilleures pour le passage des ondes sonores, ce qui a conduit à leur utilisation pour la reconnaissance et le guidage des armes de sous-marins (PL) et les navires de surface (NK) dans le cas où ces derniers combattent un ennemi sous-marin. En conséquence, les complexes hydroacoustiques (SAC) sont devenus le principal moyen de reconnaissance des sous-marins.
Les SAC peuvent être utilisés en mode actif et passif. En mode actif, le SAC émet un signal sonore modulé, et reçoit un signal réfléchi par un sous-marin ennemi. Le problème est que l'ennemi est capable de détecter le signal du SAC beaucoup plus loin que le SAC lui-même ne captera le signal réfléchi.
En mode passif, le SAC « écoute » les bruits émanant des mécanismes d'un sous-marin ou d'un navire ennemi, détecte et classe les cibles en fonction de leur analyse. L'inconvénient du mode passif est que le bruit des derniers sous-marins est en constante diminution, et devient comparable au bruit de fond de la mer. En conséquence, la portée de détection des sous-marins ennemis est considérablement réduite.
Les antennes SAC sont des réseaux discrets phasés de formes complexes, constitués de plusieurs milliers de transducteurs piézocéramiques ou à fibre optique qui fournissent des signaux acoustiques.
Au sens figuré, les SAC modernes peuvent être comparés aux radars à réseaux d'antennes passives (PFAR) utilisés dans l'aviation militaire.
On peut supposer que l'apparition des sasers permettra de créer des SAC prometteurs, qui peuvent conditionnellement être comparés aux radars à réseaux d'antennes actives en phase (AFAR), devenus la marque de fabrique des derniers avions de combat
Dans ce cas, l'algorithme de fonctionnement des SAC prometteurs basés sur des émetteurs Saser en mode actif peut être comparé au fonctionnement des radars d'aviation avec AFAR: il sera possible de générer un signal avec un diagramme de directivité étroit, d'assurer un creux dans le directivité au brouilleur et auto-brouillage.
Peut-être réalisera-t-on la construction d'hologrammes acoustiques tridimensionnels d'objets, qui pourront être transformés pour obtenir une image et même la structure interne de l'objet étudié, ce qui est extrêmement important pour son identification. La possibilité de formation de rayonnement directionnel rendra difficile pour l'ennemi la détection d'une source sonore lorsque le SAC est en mode actif pour détecter des obstacles naturels et artificiels lorsqu'un sous-marin se déplace dans des eaux peu profondes, détectant des mines marines.
Il faut comprendre que le milieu aquatique influencera nettement plus le "faisceau sonore" que l'influence de l'atmosphère sur le rayonnement laser, ce qui nécessitera le développement de systèmes de guidage et de correction laser performants, et de toute façon il ne sera pas comme un "faisceau laser" - la divergence du rayonnement laser sera beaucoup plus grande.
L'applicabilité des sasers dans le domaine militaire. Arme
Malgré le fait que les lasers soient apparus au milieu du siècle dernier, leur utilisation comme armes permettant la destruction physique de cibles ne devient une réalité que maintenant. On peut supposer que le même sort attend les sasers. Au moins, des "canons sonores" similaires à ceux décrits dans le jeu informatique "Command & Conquer" devront attendre très, très longtemps (si la création de tels est possible).
En faisant une analogie avec les lasers, on peut supposer qu'à l'avenir, sur la base des sasers, des complexes d'autodéfense peuvent être créés, dont le concept est similaire au système de défense aéroporté russe L-370 "Vitebsk" ("Président-S"), conçu pour contrer les missiles dirigés contre un avion avec des têtes autodirectrices infrarouges à l'aide d'une station de suppression optique-électronique (OECS), qui comprend des émetteurs laser qui aveuglent la tête autodirectrice du missile.
À son tour, le système d'autodéfense embarqué des sous-marins basé sur des émetteurs Saser peut être utilisé pour contrer les torpilles et les mines ennemies avec un guidage acoustique.
conclusions
L'utilisation des sasers comme moyen de reconnaissance et d'armement de sous-marins prometteurs est très probablement une perspective au moins à moyen terme, voire lointaine. Néanmoins, les bases de cette perspective doivent être jetées dès maintenant, créant ainsi une base pour les futurs développeurs d'équipements militaires prometteurs.
Au 20e siècle, les lasers sont devenus une partie intégrante des systèmes modernes de reconnaissance et de désignation de cibles. Au tournant des XXe et XXIe siècles, un chasseur sans radar AFAR ne peut plus être considéré comme le summum du progrès technologique et sera inférieur à ses concurrents dotés d'un radar AFAR.
Au cours de la prochaine décennie, les lasers de combat vont radicalement changer la face du champ de bataille sur terre, dans l'eau et dans les airs. Il est possible que les sasers n'aient pas moins d'influence sur l'apparence du champ de bataille sous-marin au milieu et à la fin du 21e siècle.
