Текст книги "Беседы о физике и технике"

Автор книги: Николай Глухов

Соавторы: Петр Самойленко,Николай Камышанченко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

Теперь мы можем окончательно заключить, что физической основой лазеров являются: эффект индуцированного (вынужденного) излучения; создание термодинамического неравновесия в активных средах, сопровождающееся инверсией и дающее возможность усиливать световые волны; применение оптического резонатора, накапливающего кванты излучения и формирующего упорядоченную структуру электромагнитного поля, создающего его высокую когерентность.

КАКОВА ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА?

Функциональная схема любого оптического квантового генератора (ОКГ) изображена на рис. 46. Здесь 1 – активная среда, 2 – система накачки, 3 – оптический резонатор, 4 – возможные дополнительные элементы. Резонатор выделяет в пространстве оптическую ось ОО₁ генератора, вдоль которой испускается лазерное излучение.

Рис. 46. Функциональная схема оптического квантового генератора (ОКГ)

ЧТО ИСПОЛЬЗУЮТ В КАЧЕСТВЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В ЛАЗЕРАХ?

В различных лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые ОКГ), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные ОКГ), полупроводники (полупроводниковые ОКГ). Активная среда включает в себя небольшое количество атомов, ионов или молекул, называемых активными центрами. В полупроводниковых ОКГ роль высвечивающихся возбужденных активных центров играют электронно-дырочные пары.

Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые ОКГ), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных ОКГ), либо инжекция неравновесных носителей через р-n-переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка (полупроводниковые ОКГ).

Что касается оптического резонатора, то он представляет собой комбинацию из двух зеркал, одно из которых должно быть в некоторой степени прозрачно по отношению к генерируемому излучению.

Внутрь резонатора помещают дополнительные элементы. Их задача – обеспечить определенный режим работы ОКГ (например, непрерывную генерацию, импульсный режим свободной генерации или импульсный режим гигантских импульсов), модулировать лазерное излучение (т. е. вносить в него определенную полезную информацию).

КАКИЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ ЛАЗЕРЫ? В КАКИХ РЕЖИМАХ ОНИ РАБОТАЮТ?

В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (от 200 до 20000 нм, т. е. от глубокого ультрафиолета до далекой инфракрасной области). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса τ ~= 10^-12 с, а также могут давать и непрерывное излучение.

Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 10¹⁸ Вт/см² (интенсивность Солнца составляет «всего» 7∙10³ Вт/см²).

Сначала остановимся на твердотельных лазерах. Среди них наиболее известны рубиновый лазер и лазеры на стекле, в частности неодимовый лазер (наиболее мощный твердотельный лазер). Активная среда таких ОКГ всегда состоит из двух компонент: основной с кристаллическим или аморфным диэлектриком и примесной (в количестве от нескольких десятых, сотых до нескольких процентов от основной компоненты). Все физические процессы, приводящие к генерации когерентного излучения, происходят в атомах примеси, тогда как основная компонента является средой, которая оберегает активные центры от перегрева, внешних механических перегрузок и является также высокооптически прозрачной основой, несущей излучающие вкрапления атомов или ионов примеси. Для создания инверсии используют оптическую накачку от специальных мощных ламп-вспышек.

ПО КАКОЙ СХЕМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ работают по трех– или четырехуровневой схеме. Коэффициент полезного действия этого типа ОКГ определяется эффективностью превращения электрической энергии в световую (35–50 %), эффективностью поглощения световой энергии активным стержнем (30–50 %), эффективностью использования энергии, поглощенной стержнем (5—10 %), и составляет 0,1–2 %. Твердотельные ОКХ обладают достаточно высокой мощностью излучения при относительно малой длине активной среды.

Первый твердотельный рубиновый лазер (основным элементом такого ОКГ является рубиновый стержень высокой оптической однородности) был создан в 1960 г. Рубин представляет собой по химическому составу оксид алюминия Al₂О₃ (корунд) с примесью ионов хрома (0,03—0,05 %), окрашивающих корунд в розовый цвет. Таким образом, ионы хрома и являются активными центрами, в которых осуществляются все физические процессы генерации излучения.

Рубиновый стержень обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,5–2 см и длиной 4,5—24 см.

На рис. 47 показан характерный общий вид твердотельного ОКГ. Здесь 1 – активный стержень, 2 – зеркала оптического генератора, представляющие собой специально обработанные торцы активного стержня, 3 – лампа-вспышка (возможны также конструкции, использующие лампу непрерывного горения), 4 – эллиптический отражатель. В современных лазерах для более эффективной концентрации световой энергии лампы на активном стержне осветитель и рубиновый стержень располагают в фокусах эллипса.

Рис. 47. Твердотельный рубиновый лазер

Ионы хрома, входящие в состав рубина, до вспышки находятся на самом нижнем невозбужденном уровне. Два возбужденных состояния ионов лежат в зеленой и синей областях спектра.

Поглощая зеленый или синий свет, содержащийся в излучении лампы-вспышки, ионы переходят в возбужденное состояние, т. е. на уровень £У (см. рис. 43). Время жизни ионов на этом уровне менее 1∙10^-7 с. Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень E₂, отдавая некоторую часть энергии решетке кристалла, нагревая ее. На этом уровне ион может находиться относительно долго (~ 10^-3 с).

При достаточно мощной вспышке можно перебросить на метастабильный уровень за 10^-3 с достаточное количество частиц и получить инверсию населенности между метастабильным и невозбужденными уровнями иона. Переход частиц с уровня E₃ на уровень E₂ происходит без испускания электромагнитных волн, тогда как переход с метастабильного на основной уровень происходит с испусканием света в красной области спектра (λ = 694,3 нм).

При инверсии населенности рубин приобретает способность усиливать красный свет. В качестве ламп накачки используют мощные газоразрядные лампы спиральной или трубчатой конструкции. Длительность вспышки порядка 1∙10^-3 с, а сама лампа питается от батарей конденсаторов емкостью до 10 000 мкФ, заряженных до нескольких тысяч вольт. Обычно большие лазеры дают в импульсе энергию до 1000 Дж, что соответствует импульсной мощности до 1 МВт.

В качестве другого примера твердотельного ОКГ может служить неодимовый лазер, активная среда которого представляет собой стекло с примесью атомов неодима. Лазер функционирует по четырехуровневой схеме и дает излучение в инфракрасной области с λ = с/v₃₂ = 1060 нм (здесь с – скорость света, т. е. скорость распространения электромагнитных волн).

В КАКОМ РЕЖИМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ (как, впрочем, и любой лазер) могут работать как в стационарном или непрерывном, так и в импульсном режимах. Для осуществления стационарного режима работы лазера плоские торцы рубинового или неодимового стержня покрывают слоями серебра так, чтобы один торец имел высокий (~ 1) коэффициент отражения, а другой был бы полупрозрачным. В этом режиме создание инверсии и генерация происходят одновременно, т. е. накачка образует инверсную заселенность энергетических уровней, а генерация непрерывно ее «уничтожает».

Однако существуют способы «накопления» инверсии, а затем «выстреливания» излучения за очень короткое время порядка 1∙10^-8 с (10 нc). Такой импульсный режим предусматривает применение одного непрозрачного, а другого полностью прозрачного зеркал резонатора. В то время как действует лампа накачки, при полностью прозрачном торце лазера на выходе излучения (правый торец стержня на рис. 47) многократный переход индуцированного излучения и его усиление невозможны, т. е. инверсия не «перерабатывается» в излучение и происходит рост заселенности инверсных уровней.

Если теперь, когда инверсия уже велика, правый торец станет частично отражающим («заменится» полупрозрачным зеркалом), возникнет усиление и будет генерирован импульс излучения. Заметим, что в этом режиме мощность излучения не превышает мощности, выделяемой при стационарном (непрерывном) режиме.

НО СУЩЕСТВУЕТ ЕЩЕ И РЕЖИМ ГИГАНТСКИХ ИМПУЛЬСОВ?

В режиме гигантских импульсов излучение реализуется в виде мощных одиночных или повторяющихся импульсов, пиковая мощность которых достигает 10⁶—10¹⁰ МВт при длительности порядка 10^-12 с.

В этом случае при накачке и «накоплении» инверсии оба торца лазера непрозрачны – генерация нарастает до значительных размеров. Затем одно из препятствий излучению (с правого конца стержня) «убирается» и мощный импульс беспрепятственно устремляется наружу. Для обеспечения условий импульсного режима генерации применяют дополнительные элементы (4 на рис. 46) различной конструкции – оптические затворы. В простейшем случае это может быть синхронизированный с импульсами накачки вращающийся прерыватель светового пучка или вращающееся зеркало резонатора. Для создания режима гигантских импульсов более совершенными оказываются пассивные и электрооптические затворы.

Рассмотрим вкратце для примера работу пассивного затвора, представляющего собой жидкость, просветляющуюся под действием генерируемого излучения. После включения импульса накачки начинает создаваться инверсия населенностей энергетических уровней, однако затвор непрозрачен и генерация отсутствует. Появляющиеся фотоны за счет спонтанных переходов частотой hv₂₁ = (E₂ – E₁)/h поглощаются активными центрами жидкости, и начинается просветление затвора. При частичном просветлении затвора начинается генерация излучения, число фотонов с частотой hv₂₁ резко возрастает, затвор быстро и окончательно просветляется. В результате возникает гигантский импульс лазерного излучения. По окончании действия импульса накачки затвор снова становится непрозрачным – до следующего импульса накачки, т. е. действие пассивного затвора полностью регулируется импульсами накачки. В качестве просветляющихся жидкостей применяют фталоцианин в нитробензоле, криптоцианин в нитробензоле и др.

РАССКАЖИТЕ О ГАЗОВЫХ ОКГ.

Активные центры в газовых ОКГ могут иметь разную физическую природу: либо это нейтральные атомы (атомные газовые ОКГ), либо ионы (ионные газовые ОКГ), либо молекулы (молекулярные газовые ОКГ).

В атомных газовых ОКГ энергетические уровни атомов находятся на расстоянии от 0,1 до 2 эВ, чему соответствует оптическое излучение в инфракрасной и видимой областях спектра (λ = 500÷10 000 нм).

В ионных газовых ОКГ переходы происходят между уровнями ионов. Расстояние между рабочими уровнями составляет от 2 до 10 эВ, чему соответствует излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (λ = 100÷500 нм).

В молекулярных газовых ОКГ переходы осуществляются между колебательными и вращательными уровнями молекул; расстояние между рабочими уровнями от 0,01 до 0,1 эВ, чему соответствует излучение в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и инфракрасной области спектра (λ= 10⁶÷10⁴ нм).

Активная среда газовых ОКГ расположена внутри газоразрядной трубки, а для накачки используют импульсные или стационарные виды разрядов.

Газы обладают высокой оптической однородностью и прозрачностью, это позволяет изготовлять длинные газоразрядные трубки (от нескольких десятков сантиметров до нескольких и даже десятков метров).

На рис. 48 приведена принципиальная схема газоразрядной трубки ОКГ на гелий-неоне (активная среда – гелий-неон, активные центры – атомы неона).

Рис. 48. Газовый ОКГ на гелий-неоне

Используется тлеющий разряд постоянного тока. Зеркала резонатора расположены вне газоразрядной трубки.

Для ОКГ на гелий-неоне характерны следующие параметры: выходная мощность 0,01 Вт, коэффициент полезного действия 0,01 %.

Одним из самых мощных современных: лазеров является молекулярный газовый ОКГ на углекислом газе. Активная среда в нем – смесь углекислого газа (около 1 мм рт. ст.), молекулярного азота (1 мм рт. ст.) и гелия (около 5 мм рт. ст.); активные центры – молекулы СО₂. Используется тлеющий разряд, в верхний рабочий уровень молекулы СО₂ заселяется за счет электронного возбуждения и неупругих столкновений с молекулами азота (время жизни этого уровня 10^-1 с).

Для ОКГ этого типа характерны мощность порядка 10 кВт и КПД 10–20 %, генерируется инфракрасное излучение с λ = 1060 нм.

Кроме твердотельных и газовых существуют также жидкостные и полупроводниковые ОКГ, наиболее перспективные из которых позволяют получать излучение в широком интервале длин волн (от ультрафиолетовых до инфракрасных) при высокой мощности и КПД (порядка 30 % и более).

14. Лазеры за работой

Термоядерный синтез и лазеры. Кажется, что одно к другому не имеет никакого отношения. Что между ними общего? Однако не будем спешить. Напомним, что в результате слияния тяжелых изотопов водорода – дейтерия D и трития Т – выделяется огромное количество энергии. Этот процесс, обладающий высокой энергоемкостью (~1∙10¹¹ Дж/г), носит название реакции термоядерного синтеза. Для того чтобы произошла эта реакция, ядра необходимо сблизить на расстояние (~1∙10^-12 см. Преодолеть кулоновский барьер отталкивания ядер можно только одним способом – разогнать отталкивающиеся ядра до очень высоких скоростей, т. е. сообщить им большую кинетическую энергию.

Пожалуй, единственно возможный в физике путь осуществить условие, позволяющее многим ядрам вступать в реакцию синтеза, – это получить нагретый до очень высоких температур газ из дейтерия и трития. Температура газа, обеспечивающая слияние ядер, должна быть не менее 10⁸ К.

НО ВЕДЬ ГАЗ, РАЗОГРЕТЫЙ ДО ТАКИХ ТЕМПЕРАТУР, ПРИОБРЕТАЕТ НОВЫЕ СВОЙСТВА?

При такой температуре электроны отрываются от ядер. Смесь ядер дейтерия и трития и соответственно оторванных от ядер электронов есть термоядерная плазма.

Для того чтобы в этой плазме при достижении температуры 10⁸ К началась термоядерная реакция, необходимо выполнение определенного соотношения: nτ >10¹⁴ (критерий Лоусона). Здесь n – концентрация ядер (ионов) дейтерия и трития, а τ – время существования плазмы в горячем состоянии.

Таким образом, получение дейтериево-тритиевой плазмы с T >= 1∙10⁸ К и с параметрами n и τ, удовлетворяющими критерию Лоусона, лежит в основе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Осуществление управляемого термоядерного синтеза может обеспечить человечеству «вечное» энергетическое изобилие, поскольку запасы высококалорийного (10¹¹ Дж/г) термоядерного топлива практически бесконечны.

КАК ПЫТАЮТСЯ РЕШИТЬ ПРОБЛЕМУ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА?

К решению этой грандиозной задачи, являющейся в науке задачей № 1, ученые идут двумя путями. Первый исторически связан с удержанием нагретой электрическим разрядом плазмы в магнитном поле. Эти относительно «медленные» процессы (τ ~= 0,1÷1с) воспроизводятся, например, в широко известных установках, разработанных советскими учеными, типа ТОКАМАК.

Другой путь – это получение термоядерных микровзрывов (τ ~= 10^-9 с) в сгустке термоядерной плазмы. Следовательно, получение термоядерных микровзрывов связано с необходимостью быстро нагревать и сжимать малые порции DT-вещества (импульсный или инерциальный процесс синтеза). Импульсное направление в проблеме УТС возникло в 1962 г., когда Н.Г.Басов и О. Н. Крохин высказали идею об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Это направление получило название лазерного термоядерного синтеза. Использование лазеров в УТС предопределяется возможностью фокусировки лазерного луча на площадку малых размеров (1∙10^-2 см и меньше), высокой мощностью излучения, достигающей в настоящее время 10¹³—10¹⁴ Вт (10—100 ТВт). Такая высокая мощность лазерного излучения позволяет обеспечить колоссальное удельное энерговыделение (~ 10¹⁶—10¹⁷ Вт/см³). Столь высокое значение энергии в единичном объеме превосходит возможности других источников энергии и дает возможность осуществить мгновенный нагрев малых порций вещества до высоких температур и значительных давлений, так как давление всегда пропорционально тепловой энергии, приходящейся на единичный объем вещества.

Возникшая с появлением мощных лазеров физика УТС по мере развития лазерной техники (увеличения мощности и энергии когерентного излучения) накапливала все более и более удивительные открытия и быстро превращалась в совершенно новую область науки. Были открыты и изучены эффекты оптического пробоя (1964), лазерного испарения вещества и передачи механического импульса мишени (1964–1966), лазерного нагрева твердого вещества до высоких температур (1964–1966), обнаружены термоядерные реакции в плазме, образованной излучением мощного неодимового лазера (1968).

На повестке дня стоят проблемы создания лазерных систем нового поколения (мегаджоульного уровня) для достижения эффективной термоядерной вспышки и разработки термоядерного реактора. Внедрение его в мировую энергетику и является конечной целью лазерно-термоядерного направления науки и техники.

НЕ БУДЬ ЛАЗЕРОВ, НЕ БЫЛО БЫ И ГОЛОГРАФИИ?

Развитие голографии, принципы которой были разработаны в 1947 г. английским ученым Габором, является выдающимся достижением в области лазерной техники.

Известно, что голография представляет собой метод получения объемных изображений путем восстановления структуры световой волны, отраженной от предмета.

Метод голографической записи и воспроизведения изображений коренным образом отличается от обычного фотографирования, основанного на построении на фотопластинке плоского изображения предмета с помощью оптических объектов по законам геометрической оптики. При получении голограммы необходимости в использовании объективов для построения изображений нет.

На самой голограмме не обнаруживается какого-либо сходства с оригиналом: она выглядит как хаотически сложное распределение черных и белых интерференционных полос, равномерно расположенных по всей плоскости фотопластинки. Лишь с появлением лазеров стало возможным получение четких и ясных голограмм.

КАК ПОЛУЧАЮТ ГОЛОГРАММУ?

Чтобы получить голограмму, необходимо иметь две интерферирующие монохроматические когерентные световые волны. Одна волна обычно исходит от объекта и падает на фотопластинку (объектная волна). Другая волна носит название опорной (рис. 49). Таким образом, в голографии, как и при фотографировании, решается вопрос о записи информации, которую несет световая волна, отраженная от объекта.

Информация об объекте содержится частично в амплитуде (амплитудная информация), частично в фазе волны (фазовая информация). При фотографировании на пластинке (пленке) фиксируется интенсивность волны (амплитудная информация об объекте), тогда как в голографии на фотопластинке записывается и амплитудная, и фазовая информация. Основным условием получения высококачественных голограмм является высокая когерентность опорной и объектной волн, что и достигается применением лазера. Действительно, четкую интерференционную картину на фотопластинке получают, используя для освещения предмета и создания опорной волны один и тот же лазер.

На рис. 49 приведена схема записи голограммы, которая не требует особых пояснений, а на рис. 50 – схема считывания (воспроизведения) голограммы.

Рис. 49. Схема записи голограммы

Рис. 50. Схема считывания (воспроизведения) голограммы

При считывании голограммы проявленную фотопластинку освещают тем же лазерным светом от того же источника, который использовали ранее для получения опорной волны, и наблюдатель видит за пластинкой (как за окном) восстановленное изображение предмета (объекта) во всех трех его измерениях.

Таким образом, можно сформулировать ряд важных положений:

1. Процесс голографии является двухступенчатым. На первой стадии голограмму записывают, на второй – считывают. При считывании голограммы воссоздается исходная объектная волна, как если бы сам объект отражал свет.

2. Информация об объекте записывается интегрально: каждая точка видимой поверхности объекта записывается по всей поверхности голограммы, и, следовательно, информацию об объекте можно получить во многих случаях даже от части поверхности голограммы, если по какой-то причине другая часть поверхности безвозвратно испорчена.

3. В отличие от фотографии метод голографии не требует применения линзовых систем.

В последнее время все большее распространение получает так называемая изобразительная голография, сформировавшаяся в самостоятельное направление, под которым понимают весь комплекс научных исследований и технику изготовления голограмм, предназначенных для демонстрации в музейных экспозициях, на выставках, в учебном процессе и в рекламных целях.

ИЗВЕСТЕН ТАКЖЕ ОРИГИНАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ГОЛОГРАММ, ПРЕДЛОЖЕННЫЙ Ю. Н. ДЕНИСЮКОМ.

Речь идет о методе получения отражательных объемных голограмм, регистрируемых во встречных пучках.

Этот метод был предложен Денисюком в 1958 г. в его кандидатской диссертации и осуществлен в первой голограмме (1962), в которой интеренференционная картина была записана не только по поверхности, но и в глубине фотослоя и, согласно своему названию («голо» – полная, «грамма» – запись), отражала все стороны зафиксированной им картины, в том числе и объемность.

Схема установки, используемой для получения голограмм большого размера (до 1–2 м²) по методу Денисюка, приведена на рис. 51.

Рис. 51. Установка для записи голограмм по методу Ю. Н. Денисюка

Луч света от лазера 1 с помощью зеркала 2 и расширяющего пучок объектива 3 освещает фотопластинку 4 и расположенный за ней предмет 5. Падающий на пластинку свет является опорным пучком, а рассеянный предметом – объектным.

Обычно схему собирают на каменных или металлических плитах 6 с пневматическими амортизаторами 7 и на массивном основании 8 (для создания нечувствительности к вибрациям, оказывающим в этой схеме губительное действие на качество голограммы).

Изображение восстанавливают в свете, длина волны которого совпадает с излучением лазера, создающего опорную волну.

МОЖНО ЛИ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАММ ПОЛУЧАТЬ ЦВЕТНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ?

Если голограмму освещать последовательно различными волнами видимого диапазона волн, то наблюдаемые изображения каждый раз будут окрашены в разные цвета.

Цветное изображение предмета можно получить, если при изготовлении голограммы использовать три монохроматических лазера, соответствующих разным длинам волн (например, красным, желтым и синим). В этом случае запись может производиться на обычную эмульсию, а при считывании цветного изображения предмета освещение голограммы (по внешнему виду не отличающейся от черно-белой) должно производиться тремя опорными волнами, соответствующими указанным цветам лазеров.

Пока, правда, в изобразительной голографии, предпочтение все же отдается нелазерным источникам света, так как здесь имеется в виду не только доступность и низкая стоимость таких источников (что в общем-то немаловажно), но и то, что в этом случае не наблюдается эффект зернистости изображения, присущий лазерному излучению.

МОЖНО ЛИ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАММ ПОЛУЧИТЬ ДВИЖУЩЕЕСЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ – КИНО?

Перспективным направлением в развитии голографии является не только получение с помощью объемных голограмм многоцветных изображений, но и создание истинно объемного кино (пока для систем индивидуального пользования, самолетных тренажеров для слепой посадки и т. п.).

Первая экспериментальная демонстрация систем голографического кинематографа была в СССР осуществлена в 1976 г.

На экране размером 0,6х0,8 м демонстрировался в течение 2 мин фильм, записанный на пленке шириной 70 мм.

Возможно, не в таком уж далеком будущем будут созданы ателье, где можно будет заказать объемный цветной и высокохудожественный свой портрет.

Важность применения лазеров в голографии определяется тем, что голограммы в принципе обеспечивают возможность создания систем памяти с огромной плотностью информации в единичном объеме.

РАССКАЖИТЕ О ДРУГИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЛАЗЕРОВ.

Очень перспективно применение лазеров для решения радиотехнических задач – в системах связи, локации и т. д. Широко используют лазеры в системах межспутниковой связи. Замена земных ретрансляторов на лазерные, развитие лазерной локации Луны и планет – непременное условие современных земных и космических проблем.

Возможность получать с помощью лазеров световые пучки мощностью до 10⁶—10¹⁰ МВт/см² при фокусировке излучения в пятно диаметром ~ 10—100 мкм (0,01–10 мм) делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами.

ЛАЗЕР МОЖЕТ ОБРАБАТЫВАТЬ МАТЕРИАЛЫ?

В современном промышленном производстве лазер-труженик успешно сверлит и режет металлы, сверлит отверстия в алмазах с точностью до 0,01 %, сваривает металлы, осуществляет их плавление (без существенного испарения), выполняет много других работ, требующих большой точности (например, операции при изготовлении пленочных микросхем).

А ВЕДЬ ЛАЗЕР ЕЩЕ И ЛЕКАРЬ?

Существенно новые возможности открыл лазер в медицине.

Остросфокусированный луч лазера является идеальным скальпелем и одновременно прекращает кровотечение. Уже сделаны десятки тысяч операций внутренних органов, глаза; лазер лечит болезни, ранее не поддававшиеся лечению.

Замечательные свойства лазерного луча позволяют создавать не только промышленные или медицинские приборы, но и высококачественные образцы культурно-бытового назначения. Так, наша промышленность в 1987 г. впервые предложила лазерный видеопроигрыватель «Русь-501 Видео», воспроизводящий цветное телеизображение с тонкого оптического диска.

КАКИЕ НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЯВИЛИСЬ В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ В РАЗВИТИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ?

Развитие нелинейной оптики привело к созданию целого класса новых нелинейных кристаллов, меняющих свои свойства в электрическом поле лазерного луча. На их основе были созданы устройства, эффективно преобразующие проходящий через них лазерный свет в когерентное излучение другой частоты – генераторы световых гармоник и так называемые параметрические генераторы с плавной перестройкой частоты.

Большого применения достигли приборы (одно из направлений нелинейной оптики), в которых инфракрасное излучение преобразуется в видимый диапазон света. Это так называемые электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

В ЧЕМ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ?

Инфракрасное излучение от объекта (световое изображение), попадая на фотокатод ЭОП, преобразуется в электронное, а затем с помощью люминесцирующего экрана преобразуется в световое, но уже в видимой части спектра.

ЭОП обладает двумя очень ценными свойствами, благодаря которым его широко применяют в мореплавании, авиации, в военном деле, астрономии и других областях.

Во-первых, ЭОП чувствителен к более широкому участку спектра, чем глаз человека. Во-вторых, ЭОП может работать как усилитель яркости, что позволяет вести наблюдения при естественном ночном освещении (примерно 1∙10^-4 лк) без искусственной подсветки.

Электронно-оптический усилитель обеспечивает повышение яркости более чем в 100 раз, тогда как такое усиление яркости обычными средствами невозможно.

НАВЕРНОЕ, ЭТО СВОЙСТВО ЭОП ПОЛЕЗНО И В АСТРОНОМИИ?

Схема инфракрасного телескопа приведена на рис. 52.

Объектив О создает изображение рассматриваемого предмета на чувствительном для невидимых глазом лучей катоде К электронного преобразователя Э. Фотокатод работает на просвет, для чего его фоточувствительный слой достаточно тонок. Воздух из колбы удален, и фотоэлектроны движутся в ней практически без столкновений.

Электронное изображение S превращается в видимое на флуоресцирующем экране и рассматривается в окуляр Ок.

Для получения электронного изображения применяют электрические и магнитные электронные линзы, т. е. осуществляют, как говорят, электрическую или магнитную фокусировку. Интересно отметить, что еще в 1951 г. советскими учеными с помощью ЭОП было сфотографировано ядро Галактики, закрытое от прямых визуальных наблюдений мощными пылевыми облаками.

Рис. 52. Инфракрасный телескоп

НУ, И КОНЕЧНО, БЕЗ ЭОП НЕ БЫЛО БЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ?

Приборы ночного видения (рис. 53) состоят из трех основных частей: инфракрасного телескопа с электронно-оптическим преобразователем 3, шлема-каски 2 и блока питания 1.

В некоторых случаях, когда собственного естественного инфракрасного излучения рассматриваемых объектов недостаточно, осуществляется их подсветка инфракрасными прожекторами.

Рис. 53. Общий вид прибора ночного видения:

_{1 – блок питания, 2 – шлем-каска, 3 – перископические телескопы с электронно-оптическим и преобразователями}

ДА, КНИГА АЛЕКСЕЯ ТОЛСТОГО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОКАЗАЛАСЬ ПРОРОЧЕСКОЙ

Как видно из рассмотренного нами материала, жизнь всегда оказывается сложнее и многообразнее, чем предсказания фантастов; она намного богаче и гуманней тех задач, которые пытался решить инженер Гарин с помощью гиперболоида, и это мы видим по многочисленным мирным применениям лазерного луча.

К сожалению, лазер-разрушитель – это тоже реальность. Лазерное оружие не только создано, его готовят к применению в космосе. Таковы реалии времени, в котором мы живем: человечество тратит огромные средства на то, чтобы иметь возможность уничтожать само себя. Хочется верить, что новое политическое мышление, предложенное нашей страной, найдет сторонников во всем мире и огромные средства, которые пока еще тратятся на конфронтацию и вооружения, найдут другие, гуманные применения. Человечество от этого только выиграет.