Большая Советская Энциклопедия (ОП)

Оптическая связь

Опти'ческая связь , связь посредством электромагнитных колебаний оптического диапазона (как правило, 10¹³ —10¹⁵гц ). Использование света для простейших (малоинформативных) систем связи имеет давнюю историю (см., например, Оптический телеграф ). С появлением лазеров возникла возможность перенести в оптический диапазон разнообразные средства и принципы получения, обработки и передачи информации, разработанные для радиодиапазона. Огромный рост объёмов передаваемой информации и вместе с тем практически полное исчерпание ёмкости радиодиапазона придали проблеме освоения оптического диапазона в целях связи исключительную важность. Основные преимущества О. с. по сравнению со связью на радиочастотах, определяемые высоким значением оптической частоты (малой длиной волны): большая ширина полосы частот для передачи информации, в 10⁴ раз превышающая полосу частот всего радиодиапазона, и высокая направленность излучения при входных и выходных апертурах , значительно меньших апертур антенн в радиодиапазоне. Последнее достоинство О. с. позволяет применять в передатчиках оптических систем связи генераторы с относительно малой мощностью и обеспечивает повышенную помехозащищенность и скрытность связи.

Структурно линия О. с. аналогична линии радиосвязи . Для модуляции излучения оптического генератора либо управляют процессом генерации, воздействуя на источник питания или на оптический резонатор генератора, либо применяют дополнительные внешние устройства, изменяющие выходное излучение по требуемому закону (см. Модуляция света ). При помощи выходного оптического узла излучение формируется в малорасходящийся луч, достигающий входного оптического узла, который фокусирует его на активную поверхность фотопреобразователя. С выхода последнего электрические сигналы поступают в узлы обработки информации. Выбор несущей частоты в системе О. с. — сложная комплексная задача, в которой должны учитываться условия распространения оптического излучения в среде передачи, технические характеристики лазеров, модуляторов, приёмников света , оптических узлов. В системах О. с. находят применение два способа приёма сигналов — прямое детектирование и гетеродинный приём. Гетеродинный метод приёма, обладая рядом преимуществ, главные из которых — повышенная чувствительность и дискриминация фоновых помех, в техническом отношении много сложнее прямого детектирования. Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.

В зависимости от дальности действия системы О. с. можно разделить на следующие основные классы: открытые наземные системы ближнего радиуса действия, использующие прохождение излучения в приземных слоях атмосферы; наземные системы, использующие закрытые световодные каналы (волоконные световоды , светонаправляющие зеркально-линзовые структуры) для высокоинформативной связи между АТС, ЭВМ, для междугородной связи; высокоинформативные линии связи (главным образом ретрансляционные), действующие в ближнем космическом пространстве; дальние космические линии связи.

В СССР и за рубежом накоплен определённый опыт работы с открытыми линиями О. с. в приземных слоях атмосферы с использованием лазеров. Показано, что сильная зависимость надёжности связи от атмосферных условий (определяющих оптическую видимость) на трассе распространения ограничивает применение открытых линий О. с. относительно малыми расстояниями (несколько километров) и лишь для дублирования существующих кабельных линий связи, использования в малоинформативных передвижных системах, системах сигнализации и т.п. Однако открытые линии О. с. перспективны как сродство связи между Землёй и космосом. Например, с помощью лазерного луча можно передавать информацию на расстояние ~10⁸ км со скоростью до 10⁵бит в сек , в то время как микроволновая техника при этих расстояниях обеспечивает скорость передачи только ~10 бит в сек . В принципе, О. с. в космосе возможна на расстояниях до 10¹⁰км , что немыслимо для иных систем связи; однако построение космических линий О. с. технически весьма сложно.

В земных условиях наиболее перспективны системы О. с., использующие закрытые световодные структуры. В 1974 показана возможность изготовления стеклянных световодов с затуханием передаваемых сигналов не более нескольких дб /км . При современном уровне техники, используя полупроводниковые диодные излучатели, работающие как в лазерном (когерентном), так и в некогерентном режимах, кабели со световолоконными жилами и полупроводниковые приёмники, можно построить магистрали связи на тысячи телефонных каналов с ретрансляторами, располагаемыми на расстояниях около 10 км друг от друга. Интенсивные работы по созданию лазерных излучателей со сроками службы ~10—100 тыс. ч , разработка широкополосных высокочувствительных приёмных устройств, более эффективных световодных структур и технологии изготовления световодов большой протяжённости, по-видимому, сделают О. с. конкурентоспособной со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Можно ожидать, что О. с. займёт важное место в общегосударственной сети связи наряду с др. средствами. В перспективе системы О. с. со световодными линиями по своим информационным возможностям и стоимости на единицу информации могут стать основным видом магистральной и внутригородской связи.

Лит.: Чернышев В. Н., Шереметьев А. Г., Кобзев В. В., Лазеры в системах связи, М., [1966]; Пратт В. К., Лазерные системы связи, пер. с англ., М., 1972; Применение лазеров, пер. с англ., М., 1974.

А. В. Иевский, М. Ф. Стельмах.

Оптическая сила

Опти'ческая си'ла , характеризует преломляющую способность осесимметричных линз и систем таких линз. О. с. есть величина, обратная фокусному расстоянию системы: j= n ’/f ’ = –n /f , где n ’ и n — преломления показатели сред, расположенных соответственно за и перед системой; f и f ’ — заднее и переднее фокусные расстояния системы, отсчитываемые от её главных плоскостей (см. Кардинальные точки оптической системы). Для системы, находящейся в воздухе (n = n ’ » 1), j равна 1/f ’. Следовательно, О. с. системы (или отдельной линзы) тем больше, чем сильнее эта система преломляет лучи света (чем меньше её фокусное расстояние). О. с. измеряется в диоптриях (м^–1 ); она положительна для собирающих систем и отрицательна для рассеивающих. Особенно широко понятием О. с. пользуются в диоптрике глаза и очковой оптике (см. также Линза ,Очки ).

Оптическая теорема

Опти'ческая теоре'ма , устанавливает связь между уменьшением интенсивности волны, распространяющейся в среде, и полным сечением рассеяния этой волны. О. т. первоначально была сформулирована в физической оптике и выражала мнимую часть показателя преломления (описывающую поглощение света) через полное сечение рассеяния света на рассеивающих центрах — осцилляторах. В квантовой механике О. т. вытекает из т. н. условия унитарности (условия равенства единице полной вероятности всех возможных процессов, происходящих в системе) и связывает мнимую часть амплитуды упругого рассеяния вперёд, Imf (0), с полным сечением s рассеяния частицы (на силовом центре или на др. частице):

Imf (0) =

(р — импульс налетающей частицы в системе центра инерции). О. т. используется для установления связи между непосредственно измеряемыми на опыте характеристиками рассеяния частиц.

В. П. Павлов.

Оптическая толщина

Опти'ческая толщина' (оптическая толща) среды t, безразмерная величина, характеризующая ослабление оптического излучения в среде за счёт совместного действия поглощения света и рассеяния света (но без учёта эффектов усиления излучения, обусловленного многократным рассеянием). Для оптически однородной среды t = el , где e — объёмный ослабления показатель среды (равный сумме показателей поглощения и рассеяния), l — геометрическая длина пути светового луча в ней; в неоднородной среде, в которой e зависит от координат, t = `oedl (интегрирование производится вдоль пути луча света). Через О. т. записывается модифицированный закон Бугера (см. Поглощение света ), учитывающий, помимо поглощения света, и его рассеяние: F = F_{e ^–1 (F и F — соответственно поток излучения , падающий на среду в виде параллельного пучка лучей, и поток, выходящий из среды по тому же направлению). Часто (это разграничение условно) слой вещества, для которого t > 1, называются оптически толстым, слой с t < 1 — оптически тонким. О. т. слоя среды связана с его прозрачностью Т соотношением t = – ln Т , а с его регулярной оптической плотностью D = – lg Т соотношением D = 0,434 t. В общем случае t есть функция частоты n (длины волны l) излучения: t = t(n) = t*(l). Однако часто выделяют значение О. т. для излучения одной единственной частоты (О. т. для монохроматического потока излучения). Понятием О. т. широко пользуются, описывая процессы рассеяния и поглощения света, при изучении мутных сред , в теории переноса излучения (в частности, в астрофизике и физике земной атмосферы) и т.д.}

Оптически-активные вещества

Опти'чески-акти'вные вещества' , среды, обладающие естественной оптической активностью . О.-а. в. подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара', камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке). Кристаллы О.-а. в. всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы, см. Энантиоморфизм ). Оптической активности правой и левой форм О.-а. в. 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы О.-а. в. 1-го типа).

Молекулы правого и левого О.-а. в. 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия ,Стереохимия ), т. е. по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (О.-а. в. 1-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствии какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента — всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах и связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к О.-а. в. 1-го типа термины «левый» и «правый» — L и D — условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов — l и d — для О.-а. в. 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».) Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусств, путём из D-amинокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L– никотин в несколько раз ядовитее D– никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

Широкая распространённость в природе, активное участие в процессах жизнедеятельности и высокая чувствительность методов исследования, основанных на дисперсии оптической активности, объясняют особый интерес к О.-а. в.

С. Г. Пржибельский.

Оптические двойные звёзды

Опти'ческие двойны'е звёзды , звёзды, находящиеся почти на одном луче зрения, но удалённые друг от друга в пространстве на значительные расстояния. На небесной сфере О. д. з. расположены рядом, имея вид двойных звёзд . Отличаются от последних тем, что не составляют физической системы.