ЕВОЛЮЦІЯ ОПТИЧНОГО ЗВ'ЯЗКУ

     Зв'язок у широкому розумінні цього слова означає взаємодію між об'єктами. Одним із видів оптичного зв'язку є передача енергії від одного об'єкта до іншого, наприклад, від Сонця до Землі або від наземного лазера до дрона. Іншою формою є передача інформації за допомогою світла, і такий оптичний зв’язок має довгу історію, яка почалася кілька тисячоліть тому, коли армії оголошували про свою перемогу чи поразку естафетою багать на пагорбах. У Стародавньому Римі поліровані металеві пластини використовували як дзеркала для передачі сигналів сонячними «зайчиками». У середні віки з'явилися перші оптичні лінії зв'язку, побудовані на просторовому кодуванні символів, наприклад, факелами, розташованими в певних вікнах вежі, а пізніше семафорами (подібно до сигналісту на флоті з прапорами в руках). У 1880 році американський винахідник Олександр Белл розробив свій «фотофон», який дозволив передавати телефонний сигнал сонячним випромінюванням за допомогою вібрації дзеркала, що коливається під дією голосу, і приймати сигнал з відстані кількох сотень метрів селеновим фотоелементом. Це була перша демонстрація передачі людського голосу за допомогою світла, яка відбулася за 19 років до появи радіозв'язку. Але насправді ера оптичного зв'язку почалася на початку 60-х років минулого століття з появою світлодіодів і лазерів.

   За останні десятиліття обсяг інформації, яку необхідно передавати по каналах зв'язку, значно зріс, що пов'язано з розвитком і потребами космічної техніки, телебачення, мобільного зв'язку та Інтернету. Ще в 1956 році, за рік до запуску першого супутника, американський вчений і письменник Джон Пірс, винахідник деяких ультрависокочастотних ламп і терміна «транзистор», попереджав: «Говорячи про проблеми майбутнього зв'язку , ми повинні взяти до уваги деякі положення... Одне з них – пропускна здатність... Протягом багатьох років ми спостерігаємо... безперервне зростання потреби у все більшій пропускній здатності. Ми пройшли довгий шлях від телеграфу, який обмежений смугою пропускання в кілька десятків герц, до передачі голосу, яка вже вимагає смуги в кілька тисяч герц, до телебачення з необхідною смугою в кілька мільйонів герц».

    У 1970-х і 1980-х роках були створені і випробувані різні варіанти лазерного зв'язку у вільному просторі: між наземними точками, між супутником або літаком і наземною точкою, між літаком і підводним човном і т. д. Для прихованого оптичного зв'язку в польових умовах були розроблені біноклі, в яких на основі однієї половини створювався оптичний трансивер, а іншою половиною наводили на трансивер абонента. За потужності інфрачервоного світлодіода в кілька міліват дальність такої лінії зв'язку сягала   1 км.

    У 2005 році була продемонстрована можливість безпечного зв'язку між наземною станцією і супутником, який знаходився на низькій орбіті. Захищений характер передачі інформації забезпечував квантовий розподіл ключів, технологія, яка дозволяє обмінюватися інформацією по відкритих каналах зв’язку, попередньо створивши загальний ключ у вигляді заплутаних станів поляризації фотонів. Особливість цієї технології полягає в тому, що спроба втручання в канал зв'язку руйнує загальний квантовий стан абонентів і стає помітною.

    Квантовий зв'язок між двома дронами був продемонстрований у 2021 році. Один з дронів поширював заплутані фотони, а інший виконував роль оптичного ретранслятора. Застосування ретранслятора дозволило відновити форму хвильового фронту лазерного променя і збільшити дальність зв'язку. У майбутньому подібні системи можуть бути використані для створення мобільних квантових мереж.

    У 1979 році були проведені перші експерименти з використанням відбитого випромінювання інфрачервоних світлодіодів для зв'язку з множинним доступом у приміщеннях.

    У 2007 році німецький професор Гаральд Хаас запропонував оптичний аналог Wi-Fi – технологію Li-Fi. У назві цього виду зв'язку Wi (Wireless – бездротовий) замінили на Li (Light - світловий). У 2011 році на конференції «TED Global» Хаас продемонстрував передачу відеосигналу за допомогою світла, що виходить від світлодіода.

    1990-ті роки ознаменувалися бурхливим розвитком оптоволоконного зв'язку. За три десятиліття оптичні втрати в кварцовому волокні вдалося зменшити з 1000 дб/км до 0,1 дБ/км, що зробило реальним будувати на ньому оптичні лінії зв’язку. З'явилася технологія WDM (Wavelength Division Multiplexing – мультиплексування за довжинами хвиль), що дозволило передавати по оптичному волокну більше сотні сигналів одночасно.

 Від «небесних ліхтариків» до БПЛА

         Історія безпілотних літальних апаратів (БПЛА) розпочалася за два тисячоліття до нашої ери у стародавньому Китаї. Першими БПЛА були «небесні ліхтарики» (або як їх ще називають «китайські ліхтарики») – кульки, виготовлені з паперу або шовку і наповнювані гарячим повітрям від запаленої свічки. Спочатку використовувалися у військових цілях як сигнальні пристрої, але дуже швидко набули святкового і навіть ритуального характеру (буддійські монахи слали подяку Будді, а миряни – вкладали записочки з молитвами та бажаннями). У наш час «небесні ліхтарики» використовують по всьому світу як атрибути свята.

          У 1849 р. під час облоги Венеції, яка виборювала незалежність від Австрії, австрійською армією були застосовані некеровані повітряні кулі  з годинниковими механізмами скидання бомб. Зрозуміло, що точність скидання сильно залежала від напрямку та сили вітру.

     Перші спроби повітроплавання за допомогою повітряних куль, наповнених гарячим повітрям, були здійснені у 1783 році у Франції братами Жозефом та Етьєном Монгольф’є. В одному з перших науково-фантастичних творів – романі французького письменника Жюля Верна «П’ять тижнів на повітряній кулі» (1863 р.) описується подорож героїв роману над  Африкою.

          На початку XX ст. були створені дирижаблі – керовані повітряні кулі (правда, вже не кулястої, а видовженої форми). Подорож через Атлантику стала реальністю. Дирижаблі стали здійснювати трансатлантичні пасажирські та вантажні перевезення. Гордість німецької науково-технічної думки дирижабль «Гінденбург» перевозив до 100 чоловік, але катастрофа 1937 р. поклала край подальшому використанню дирижаблів для пасажирських перевезень. «Гінденбург», заповнений воднем, вибухнув під час пристиковування до аеродромної мачти. Причиною вибуху міг бути електричний розряд між електростатично зарядженою оболонкою дирижабля та заземленою мачтою. Ера дирижаблів, принаймні в СРСР, закінчилася у 1950-х, коли їх ще піднімали у великих містах 1 травня та 7 листопада з підвішеним червоним прапором.

        У кінці XIX ст. зароджуються два напрямки техніки, які суттєво вплинули на подальший хід історії і зрештою привели до створення сучасних БПЛА.

У 1884 р. російський інженер та винахідник  Андрій Можайський будує невеликий біплан з паровим двигуном, але спроби підняти його у повітря виявилися невдалими. Але вже у 1903 р. це вдається американцям, братам Уїлбуру та Орвілу Райт на біплані з бензиновим двигуном власної конструкції. І хоча літак був у повітрі 12 секунд і пролетів лише 36 метрів, це був перший авіапереліт людини.

Німецький фізик Генріх Герц експериментально підтверджує існування електромагнітних хвиль у 1888 р., а вже в 1895 р. італійський інженер та винахідник Гуглієльмо Марконі передає цими хвилями повідомлення на відстань 2 км.

          Перший квадракоптер було створено у 1907 р. братами Жаком та Луї Бреге (знову братами!). І хоча він піднявся у повітря на півметра і для його вирівнювання потрібно було чотири людини, усі подальші конструкції квадракоптерів стали його копіями.

У 1917 р. у Великій Британії випробовують БПЛА військового призначення  Ruston Proctor Aerial Target, систему радіокерування якого розробив Нікола Тесла. Телевізійну камеру для британського БПЛА створив у 1929 р. угорський фізик та винахідник Кальман Тіхань.  У цьому ж році він розробив прилад нічного бачення (інфрачервону камеру) для британської системи протиповітряної оборони (ППО).

        Так розпочиналася історія БПЛА, які несподівано стали грізною зброєю на полі бою сучасної війни. 

 

РЯТІВНІ ЗНАННЯ

             Знання законів фізики іноді може врятувати життя. Американський фізик та винахідник сербського походження Нікола Тесла згадує у своїй автобіографії випадок з дитинства. 14-річний хлопчина любив плавати у місцевій річці, яка була перегороджена дамбою і на якій стояв млин. Зазвичай рівень води над дамбою був декілька сантиметрів, і потік води біля кам’яної кладки не був дуже стрімкий. Нікола часто допливав до дамби, відштовхувався від неї і плив назад. Але цього разу рівень води над дамбою піднявся і швидкий потік води підхопив хлопця і поніс на дамбу. Усі намагання протистояти цьому потоку були марними. Ніколу притисло до дамби, стисло легені, так що він ледве міг дихати, і він з останніх сил тримався за кладку дамби, щоб не бути перекинутим через неї і не полетіти з водопадом униз на камені. Коли він уже був готовий здатися, з пам’яті винирнула картинка з підручника фізики, яка ілюструвала, що сила тиску потоку на об’єкт пропорційна діючій площі потоку, тобто площі поверхні об’єкта, підставленій під потік. Зібравши усі свої сили, Нікола розвернувся боком до потоку води і зразу ж помітив, що дихати стало легше. Зберігаючи таке положення тіла відносно потоку, хлопець став ворушити притислим до кладки ліктем і потроху рухатися вздовж дамби. Через деякий час вкрай знесилений він дістався берега, де його і знайшли непритомного, з подряпаним до крові боком.

 

 «Лазер-шпигун»

Наприкінці 1940-х років радянський винахідник Лев Термен розробив пристрій, який дозволяв за допомогою пучка інфрачервоного випромінювання, спрямованого ззовні на вікно та відбитого на фотоприймач, підслуховувати розмову, яка відбувається у приміщенні. Через двадцять років на цьому принципі були створені «лазери-шпигуни» зі значно більшою дальністю дії. Один з таких пристроїв був продемонстрований у 1970 р. на виставці в Лондоні.

          Л. Термен створив у 1919 р. один із перших у світі електромузичних інструментів – терменвокс, який зробив його всесвітньо відомим. Терменвокс мав дві антени, в електромагнітному полі яких переміщення рук виконавця дозволяло змінювати висоту та гучність звуку (антени були ємностями коливальних контурів звукового генератора). Перебуваючи з 1928 по 1938 р. у США, концертами з використанням терменвоксу Термен заробив гроші на 99-річну аренду будинку в Нью-Йорку, де розмістилися радянські торгові представництва та спецслужби. Розробив сигналізацію для двох американських тюрем. 

    У 1938 р. Термен був відкликаний у СРСР та заарештований як ворог народу. З 1940 р. до кінця восьмирічного терміну ув’язнення працював разом з іншими «ворогами народу» у спеціальному  конструкторському бюро («шарашці») А. Туполева над створенням нових типів літаків. Наприкінці ув’язнення винайшов підслуховувальні пристрої, які багато років працювали у посольствах західних країн, за що був нагороджений Сталінською премією першого ступеня. У 1947 р. був реабілітований. 

    Охоронні системи сигналізації Термена були встановлені у Кремлі, Ермітажі та деяких західних музеях. Останні роки свого життя Л. Термен присвятив удосконаленню та популяризації терменвоксу.

 ІСТОРІЯ ФОТОПРИЙМАЧА

Появу в електроліті струму під дією світла (фотогальванічний ефект) помітив у 1839 р. французький фізик Едмон Беккерель. У 1873 р. англійський вчений Вілобі Сміт виявив, що освітлення кристала селену зменшувало його електричний опір (явище фотопровідності).

У 1887 р. англійським фізиком Артуром Шустером було помічено, що заряджене тіло розряджається швидше, якщо поблизу нього проскакують іскри. У тому ж році німецький фізик Генріх Герц показав, що освітлення розрядного проміжку ультрафіолетовим випромінюванням робить електричний розряд більш інтенсивним. Автор теорії електролітичної дисоціації шведський фізико-хімік Сванте Ареніус у 1888 р. створив перший фотоелемент, розмістивши у відкачаній скляній трубці два платинових електрода. При підключенні до електродів батареї та гальванометра і освітленні електродів випромінюванням електричного розряду, запаленого поблизу трубки, гальванометр реєстрував протікання струму. Аналогічні досліди з електродами, розміщеними у повітрі, провів у тому ж році російський фізик Олександр Столєтов. Природу зовнішнього фотоефекту пояснив у 1905 р. німецький фізик Альберт Ейнштейн (Нобелівська премія з фізики 1921 р.). 

Багаторічні експерименти з фотоелектронної емісії, виконані німецькими фізиками Хансом Гейтелем та Йоганом Ельстером, дозволили їм створити у 1910 р. промисловий зразок вакуумного фотоелемента і впровадити його в техніку.

Перший фотоелектронний помножувач був створений у 1934 р. радянським фізиком Леонідом Кубецьким. Помножувач з фотокатодом на основі Ag-O-Cs та системою емітерів вторинних електронів мав квантову ефективність до 0,4% та підсилював фотострум більш, ніж у тисячу разів.

 ІСТОРІЯ СВІТЛОДІОДА

Електролюмінесценцію твердого тіла першим спостерігав у 1858 р. німецький фізик Юліус Плюккер, який у 1859 р. відкрив катодні промені.  У 1897 р. німецьким фізиком Карлом Брауном був створений перший осцилограф на електронно-променевій (катодній) трубці. До речі, саме Браун у 1874 р. виявив випрямну дію контакту метал-напівпровідник і отримав у 1899 р. патент на кристалічний детекторний випрямляч. Браун суттєво удосконалив радіопередавач італійського винахідника Гульєльмо Марконі, що дозволило останньому у 1901 р. передати через Атлантичний океан кодом Морзе першу радіограму. „За видатний внесок у створення безпровідної телеграфії” Браун та Марконі отримали у 1909 р. Нобелівську премію.

У 1907 р., російським фізиком та винахідником Борисом Розінгом був запатентований „Спосіб електричної передачі зображень на відстань”, яким закладався фундамент електронної системи телебачення. Використані ним фотоелемент для передачі зображення та електронно-променева трубка з люмінесцентним екраном в якості приймача зображення дозволила уже в 1911 р. передати телевізійне зображення в запропонованій Розінгом електронній системі телебачення. Розінг першим використав електронний промінь для розгортки зображення.

До електронної розгортки існувала електромеханічна розгортка зображення диском Ніпкова, запропонована у 1884 р. німецьким інженером Паулем Ніпковим.

Електроніка фактично почалася зі створення у 1901 р. англійським фізиком Оуеном Ричардсоном першої електронної лампи (Нобелівська премія 1928 р. „за дослідження явищ термоемісії і у першу чергу за відкриття закону, який носить його ім’я”). Бурхливий розвиток низьковольтної напівпровідникової електроніки почався після винаходу у 1948 р. транзистора (американські фізики Уїльям Шоклі, Джон Бардін та Уолтер Браттейн; Нобелівська премія 1956 р. „за дослідження напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту”). Постало питання про створення низьковольтних твердотільних джерел світла, які можна було б використовувати для візуального відображення інформації, наприклад, індикації стану транзисторних пристроїв, генерації знаків та телевізійних зображень. Однією з причин швидкого переходу від вакуумної електроніки до твердотiльної електроніки було запровадження у США податку на об’єм вакууму в електронних приладах, що спонукало виробників електронної апаратури спочатку до мініатюризації електронних приладів, а потім і до розробки твердотільних аналогів підсилювальних, генераторних та індикаторних ламп.

У 1907 р. англійський дослідник Генрі Раунд повідомляє про світіння карборунду (кристала карбіду кремнію SiC) при прикладанні напруги між двома точками його поверхні. Дослідження радянським вченим Олегом Лосєвим (1923 р.) світіння, яке виникало у карборундному кристалі контактного детектора започаткувало вивчення можливості створення напівпровідникових джерел світла. У 1936 р. французьким фізиком Жоржем Дестріо було відкрите явище передпробійної  електролюмінесценції в порошку сульфіду цинку ZnS, легованому різними домішками.

Спостереження електролюмінесценції карборунду, про яке у 1907 р. Генрі Раунд повідомляв у своєму короткому листі  редакцію журналу «Electrical World», розглядалося ним самим як курйозний факт. Для одного з піонерів радіозв’язку, це був лише побічний ефект у пошуках матеріалів для детекторів, призначених для виділення з модульованих коливань сигналу, який на той час передавався кодом Морзе. Ніяких подальших досліджень цього ефекту Раунд  не проводив.

17-річний Олег Лосєв у 1920 р. починає працювати у Нижегородській радіолабораторії. Не маючи спеціальної освіти, але захоплений зі школи безпровідним зв’язком, Лосєв досліджує матеріали для контактних детекторів (один з двох контактів був металічним або вугільним вістрям). У 1922 р. ним був створений перший гетеродинний радіоприймач (кристадин), в якому кристал окису цинку ZnO слугував і підсилювачем, і генератором коливань (за рахунок негативного диференціального опору; подібну ж властивість мав тунельний діод,  створений у 1958 р. японським фізиком Лео Есакі, за що у 1973 р. ним була отримана Нобелівська премія). Хоча кристадин (кристалічний гетеродин) і не був запатентований, пристрій та його юний винахідник стали широко відомі широкому колу вітчизняних та зарубіжних фахівців. У 1923 р. Лосєв, як свого часу і Г. Раунд, спостерігав світіння карборунду в контактному детекторі. Він першим зрозумів важливість та перспективи спостережуваного явища, яке після його досліджень стали називати на Заході „світінням Лосєва”. Дослідження першого напівпровідникового джерела світла були викладені Лосєвим у 1927–1930 рр. у серії статей. У 1929 р. Лосєв отримав патент на винахід під назвою «Світлове реле». Лосєв запропонував використовувати „світний карборундний детектор” для бінарного запису інформації на рухому фотопластинку при телеграфному або телефонному прийомі. Таким чином, Олег Лосєв є деякою мірою винахідником і світлодіода, і оптичної дискової пам’яті.

У 1951 р. американський дослідник К. Леховец з колегами продовжив вивчення світіння Лосєва і дійшов висновку, що воно викликане інжекцією носіїв заряду p-n-переходом.  У 1955 р. американський фізик Р. Браунштейн дослідив інфрачервоне рекомбінаційне випромінювання, яке виникало в кристалі арсеніду галію GaAs внаслідок інжекції. Згадані дослідження привели до створення у 1962 р. у США червоних лазерних діодів та світлодіодів. Спочатку Н. Холоняком  був створений лазерний діод на сплаві GaAs_1–xP_x, а трохи пізніше Д. Старкієвичем та Д. Алленом був розроблений світлодіод на фосфіді галію, легованому цинком, GaP:Zn.

Американський вчений Нік Холоняк зробив значний внесок у технологію напівпровідникової електроніки. Він першим створив прилади на основі сплавів напівпровідників ІІІ та V груп елементів періодичної таблиці, використавши для цього метод газової епітаксії, запропонований ним у 1960 р.  

У 1963 р. американським дослідником Х. Нельсоном була розроблена технологія рідинної епітаксії напівпровідникових плівок на підкладках. У 1964 р. з’явилася технологія молекулярно-променевої епітаксії: Р. Скулар та Дж. Земел за допомогою молекулярного пучка нанесли на кристал хлористого натрію NaCl плівку сульфіду свинцю PbS. Нові матеріали з керованою структурою фосфід-арсенід галію GaAs_1–xP_x та  арсенід галію-алюмінію Al_xGa_1–xAs, отримувані шляхом епітаксії, дозволили у широких межах змінювати ширину забороненої зони напівпровідників, підбираючи відносний вміст x одного з компонентів у сплаві. При цьому змінювалася і довжина хвилі випромінювання.

Проведені у 60–70-х роках минулого століття дослідження подвійних сполук третьої та п’ятої груп періодичної таблиці елементів (типу A^IIIB^V, таких як GaP, GaAs, GaSb, GaN, AlN, InP), а також другої та шостої груп (типу A^IIB^V, таких як SiC, ZnS, ZnSe, ZnO) створили передумови для масового випуску світлодіодів з ультрафіолетовим, видимим та інфрачервоним випромінюванням.

У 1968 р. з’являються перші гетероструктурні лазери, а у 1969 р. – гетероструктурні світлодіоди. У 2000 р. американський фізик Герберт Кремер та російський фізик Жорес Алфьоров за роботи у галузі створення гетероструктур, започатковані ними у 1963 р., отримують Нобелівську премію.

Тривалий час у серійних світлодіодів найбільш короткохвильовим було зелене випромінювання. У 1990 р. японський дослідник Судзі Накамура створив високоефективний синій світлодіод на основі InGaN, з появою якого значно розширилася сфера застосування світлодіодів (підсвічування рідкокристалічних дисплеїв, триколірні світлодіодні дисплеї тощо). Створені останнім часом  яскраві сині світлодіоди, поєднані з жовтим люмінофором, випромінюють біле світло і з часом замінять звичайні лампи.

Перші дослідження можливості створення органічного світлодіода були проведені ще  у 60-х роках минулого століття, але високі напруги і мала яскравість перших органічних світлодіодів здавалося робили їх неперспективними. Ситуація різко змінилася у 1987 р. після створення С. Тангом та С. Ван-Слайком  низьковольтних органічних світлодіодів з яскравістю понад 1000 кд/м². Дисплеї на органічних світлодіодах, переважаючи рідкокристалічні дисплеї практично за всіма технічними параметрами, поступово почали витісняти останні з ринку побутової електроніки.

 ІСТОРІЯ ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ КАМЕРИ 

Першим перетворювачем оптичного зображення в електричний сигнал (і навпаки) був дуже простий електромеханічний пристрій, запропонований у 1884 р. німецьким інженером Паулем Ніпковим. Розкладання зображення на елементи (пікселі) здійснював диск Ніпкова з отворами, розташованими у радіальному напрямку таким чином, що за один оберт кожен отвір зчитував свій фрагмент зображення, одномоментно пропускаючи на фотоприймач тільки один піксель. Це дозволяло використовувати у пристрої найпростіший фотоприймач – фоторезистор. Цікаво, що відтворити зображення можна було за допомогою такого ж диску, спостерігаючи через нього електричне джерело світла, на яке подавали підсилений електричний сигнал з фоторезистора. У наш час диск Ніпкова знайшов застосування в конфокальній мікроскопії надвисокої роздільної здатності та в швидкісній фотографії.

Електронну систему телебачення (з електронною розгорткою зображень) запатентував у 1907 р.  російський фізик Борис Розінг, що дозволило у 1911 р. передати за допомогою цієї системи телевізійне зображення. Ідея електронного телебачення була підхоплена учнем Розінга – Володимиром Зворикіним, якого під час громадянської війни в Росії доля закинула в США. Лише у 1929 р. Зворикіну вдалося зайнятися реалізацією повністю електронного телебачення. Цьому сприяло знайомство з Давидом Сарновим, який ще до революції в юному віці покинув разом з батьками Росію і якому судилося стати в 1930 р. президентом найбільшої у світі компанії з виробництва електронної техніки – RCA, а до того, у 1926 р. –  одним із засновників NBC, спочатку – радіомовної, а потім і першої телевізійної компанії США. У 1931 р. Зворикін створив приймальну телевізійну трубку – кінескоп, а в 1934 р. – передавальну трубку – іконоскоп. Світлочутлива мішень іконоскопа мала мозаїчну структуру, в якій пікселєм слугувала крапелька срібла на поверхні тонкої діелектричної пластини, сенсибілізована цезієм. Така крапелька разом із суцільним срібним покриттям протилежного боку пластини створювала світлочутливий конденсатор, фотоелектричний заряд з якого зчитувався електронним променем.

У 1953 р. в США розпочалися перші в світі кольорові передачі в системі аналогового кольорового телебачення NTSC (англ. National Television Standards Committee – Національний комітет з телевізійних стандартів США).

У 1961 р. американським вченим Юджіном Лоллі була описана конструкція мозаїчного датчика зображення, призначеного для астронавігації. Елементом датчика слугував напівпровідниковий координатний фотоприймач з поперечним фотоефектом. Лоллі запропонував перетворювати вихідні аналогові сигнали мозаїчних датчиків у цифрові фотознімки космічних об’єктів і здійснювати за допомогою цих знімків керування міжпланетними польотами. Концепція Лоллі була пізніше використана американським та європейським космічними агентствами.

У 1963 р. дослідником американської фірми Fairchild Imaging Френком Венлесом була запропонована КМОН-технологія виготовлення логічних схем, яка завдяки відсутності споживання КМОН-схемою електронергії в статичному режимі стала швидко витісняти біполярну технологію і у 80-х роках минулого століття стала основною технологією виготовлення інтегральних схем.

Ідею цифрового фотоапарату запропонували у 1969 р. Віллард Бойль та Джордж Сміт, дослідники американської компанії Bell Laboratories. Вони використали для реєстрації зображень винайдений ними прилад із зарядовим зв’язком (ПЗЗ), який виглядав як лінійка з елементів пам’яті, в які можна було вносити електричні заряди, а потім зчитувати їх послідовним переміщенням зарядів вздовж лінійки (так званий зсувний регістр). Накопичення фотоелектричних зарядів в лінійці з семи МОН-елементів було продемонстровано дослідниками Bell Labs в 1970 р., що відкрило шлях до створення сканера та цифрового апарата.  За винахід ПЗЗ ці вчені були удостоєні у 2009 р. Нобелівської премії з фізики.

У 1973 р. американська фірма Fairchild почала промисловий випуск чорно-білих ПЗЗ-матриць, які налічували 100×100 елементів. У 1976 р. цією ж фірмою була випущена перша промислова цифрова камера, яка була з’єднана з комп’ютером і використана для контролю виробничого процесу.

Перша кольорова відеокамера на основі ПЗЗ-матриці була випущена у 1980 р. японською фірмою Sony. У 1981 р. ця ж фірма випустила перший кольоровий електронний фотоапарат з роздільною здатністю 0,28 Мпікселів («статичну» відеокамеру, яка знімала у покадровому режимі) і записувала дані в аналоговому форматі NTSC на двохдюймовий магнітний диск. Низька роздільна здатність (525 рядків) дозволяла лише спостерігати зображення на екрані монітора і була недостатньою для друку фотознімків.

У 1982 р.  Sony випустила перші камкордери – відеокамери з записом відеосигналу  на  відеокасету  (магнітну  стрічку).  Велика  заслуга   у   створенні кольорової цифрової камери належить досліднику фірми Sony Кацуо Івама.

Перший      повністю    цифровий     фотоапарат    було   створено    у 1988 р. японською фірмою  Fuji  у 1988 р., але їх масовий випуск було розпочато лише у 1990 р. фірмою Sony.

Відмінність між цифровим фотоапаратом та цифровою відеокамерою мінімальна і лежить переважно в площині електроніки, тому їх часто називають узагальнюючим терміном «цифрова камера».

У 40-х роках минулого століття почалися активні дослідження впливу шумів на телевізійні зображення. Американський фізик Альберт Роуз, один з творців телевізійних систем в RCA,  показав, що для надійного виявлення людиною невеликого об’єкта у зашумленому зображенні яскравість об’єкта має принаймні у 5 разів перевищувати стандартне відхилення потужності шуму (критерій Роуза). У 1946 р. Роуз для того, щоб підкреслити, що частина фотонів, поглинутих датчиком зображення, трансформується в зображення, а частина – в шуми, ввів поняття корисної квантової ефективності, яку пізніше стали називати виявною квантовою ефективністю.

        

НОБЕЛІВСЬКА ПРЕМІЯ ЗА КВАНТОВУ ТЕЛЕПОРТАЦІЮ 

    Нобелівську премію з фізики у 2022 отримали Ален Аспект, Джон Клаузер і Антон Зейлінгер ("за експерименти із заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та новаторство квантової інформаційної науки"). 

Ейнштейн критично ставився до ймовірнісного характеру квантової механіки та до невизначеностей, які виникають в ній при квантових вимірюваннях. Він вважав закони квантової механіки неповними і шукав можливості це довести у нескінченних дискусіях з Н. Бором, який відстоював концепцію квантової невизначеності як фундаментального принципу існування  матерії. У 1935 р. з’являється стаття Альберта Ейнштейна, Бориса Подольського та Натана Розена, з описанням уявного експерименту, який нібито заперечував справедливість принципу невизначеності Гейзенберга. Суть експерименту ось у чому.

    Нехай внаслідок розпаду частинки С, імпульс р_С якої відомий, утворюються дві однакові частинки А та В. Імпульси частинок згідно із законом збереження імпульсу повинні задовольняти співвідношенню р_А + р_В = р_С. Вимірявши імпульс частинки А, ми за цим співвідношенням можемо знайти імпульс частинки В. Вимірявши координату частинки В і знаючи її імпульс, ми отримуємо одночасно значення і координати, і імпульсу частинки, що забороняється принципом невизначеності Гейзенберга. У фізиці це називають парадоксом ЕПР (Ейнштейна-Подольського-Розена) або аргументом ЕПР на користь неповноти квантової механіки, наявності в ній схованих параметрів.

    Якщо припустити все ж таки справедливість принципу невизначеності, то дану ситуацію можна пояснити наявністю зв’язку між частинками А та В, який призводить до того, що вимірювання імпульсу частинки А викличе збурення її стану і миттєву зміну стану частинки В, тобто координати обох частинок стануть невизначеними. Таке пояснення парадоксу ЕПР дає копенгагенська інтерпретація.

    Частинки зі зв’язаними станами називаються сплутаними частинками (англ. entangled particles) або частинками зі сплутаними станами; вони описуються єдиною хвильовою функцією, незалежно від відстані між ними, а передача збурення від частинки до частинки і миттєва зміна стану частинок внаслідок вимірювання називається редукцією (колапсом) хвильової функції. Оскільки хвильова функція не несе ніякого фізичного змісту, то і про передачу сигналу від частинки до частинки з надсвітловою швидкістю не йдеться.

У 1964 р. ірландським фізиком Джоном Беллом були отримані співвідношення (нерівності Белла), які дозволяють на основі статистичної обробки результатів квантових вимірювань зробити висновок щодо справедливості або квантової механіки з її імовірнісним характером поведінки частинок, або теорій, в яких за допомогою виявлення схованих параметрів в квантово-механічному описанні мікросвіту можна буде точно знайти імпульси і координати частинок. Теорема Белла стверджує, що можна експериментально довести, чи є імовірнісний характер квантової механіки наслідком наявності в ній неврахованих параметрів.

Джон Клаузер розвинув ідеї Джона Белла та реалізував в практичному експерименті. Це довело, що квантову механіку не можна замінити теорією, яка використовує приховані змінні.

У 1982 р. французький фізик Алан Аспект з колегами здійснив експеримент, який підтвердив, спираючись на нерівності Белла, копенгагенську інтерпретацію квантової механіки.

У 2004 р. групі Антона Зейлінгера вдалося провести квантову телепортацію, яка дозволила перемістити квантовий стан від однієї частинки до іншої на відстані.

          Прокинувся того ранку від частих поштовхів вітру, від яких здригнулися шибки десь у коридорі. Подумалося - гроза. Але за хвилину нічну тишу розірвав знайомий з далеких 70-х, коли служив в авіаційному полку під Ангарськом, свист двох винищувачів, які низько пройшли над Києвом кудись у бік Борисполя. Зрозумів: це не вітер, це не гроза. Це ВІЙНА. 

            Залишу усі свої емоції для героїв роману "Дополненная реальность любви",  долі яких вимушений тепер трохи змінити. А тут нехай залишається тільки наука, кафедра та мої думки про освіту.

Лазер потужністю 3 петавати (1 петават = 10¹⁵ Вт), найпотужніший у США, готується відправити свої перші імпульси на експериментальну мішень в Мічиганському університеті.  Лазер дістав назву «Зевс» (ZEUS = Zetawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System – лазерна система генерації ультракоротких імпульсів з потужністю, еквівалентній  зетавату, 1 зетават = 10²¹ Вт). Зетават  - це не потужність самого лазерного випромінювання. Мішенями для лазерного променя будуть розігнані пучки електронів, які під впливом світла прискоряться і набудуть  потужності у декілька зетават. Це необхідно для досліджень у галузі фізики високих енергій, вивчення властивостей елементарних та субатомних частинок. Наприклад, за допомогою ZEUS можна буде змоделювати гарячу плазму навколо магнетарів, астрономічних об'єктів із дуже високою щільністю та активних ядер галактик.

Крім фундаментальних фізичних досліджень установка може нести прикладну функцію. Для рентгенографії м'яких тканин необхідна велика потужність випромінювання, що шкодить здоров'ю через високу сумарну поглинену дозу. Прискорені за допомогою установки електрони випускають потужне рентгенівське випромінювання, але протягом кількох мільярдних часток секунди. Таким чином, за допомогою такого джерела рентгенівського випромінювання можна буде отримувати якісні знімки з невеликою сумарною дозою опромінення, поглиненого об'єктом.

До речі, більш потужною, ніж американська, є китайська установка  SULF (13 петават), запущена у 2020 р.

x