Текст книги "Солнечный луч"
Автор книги: Вилен Барабой
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 18 страниц)
...и невозможное становится возможным
Рассказ об удивительных способностях лазерного луча не окончен. Монохроматичность и когерентность и особенно концентрация энергии достигают в лазерном луче невиданных размеров. А количественные изменения рано или поздно приводят к появлению новых признаков, свойств, явлений – нового качества. Таков всеобщий закон объективной диалектики природы, неоднократно подтверждавшийся и подтверждающийся по мере развития научного познания. Лазерный луч – еще одно тому доказательство.
Как влияет мощный световой поток на свойства вещества? Как ведет он себя в прозрачной среде, которая его не поглощает? Над этими вопросами впервые задумался выдающийся советский физик-оптик, будущий президент Академии наук СССР Сергей Иванович Вавилов. В то время, 30—50 лет назад, источники света были маломощными, о лазерах и не мечтали. Законы оптики казались незыблемыми, как египетские пирамиды. Г. Г. Слюсарев в своей книге «О возможном и невозможном в оптике», вышедшей на самом пороге лазерного века, категорически утверждал: невозможно сжигание предметов на большом расстоянии; невозможно получение параллельных пучков светового излучения, переносящих энергию на значительные расстояния; явления преломления и отражения света обратимы (за вычетом рассеяния и поглощения) и т. п.
Лазерный луч ниспроверг все эти и многие другие, дотоле незыблемые твердыни, открыл новую главу науки о свете, получившую название «нелинейной оптики». Лишь С. И. Вавилов пророчески предвидел возможность нелинейных явлений при использовании очень мощных световых потоков. Удивительные физические особенности лазерного излучения нашли выражение в целом ряде новых оптических явлений. Выше уже шла речь о том, что луч лазера можно сфокусировать в пятнышко менее микрона в диаметре. Обычный, немонохроматический луч сфокусировать в точку принципиально невозможно: каждая волна, каждый диапазон частот образует в этом случае свой фокус, а общее пятнышко окажется достаточно большим (явление хроматической аберрации). Луч лазера, сделав невозможное возможным, ниспроверг один из запретов классической оптики.
Но революция в оптике, начатая с созданием оптических квантовых генераторов, этим не ограничивается. Один из классических законов оптики, экспериментально найденный Столетовым и сформулированный Эйнштейном, утверждает, что выбить электрон из металла (фотоэлектрический эффект) может свет определенной частоты и длины волны. Если длина волны света становится больше какой-то величины (так называемого красного порога), то фотоэффект не наблюдается, сколько бы мы ни увеличивали интенсивность освещения. Эйнштейн дал объяснение этому явлению с позиций квантовой теории: каждый фотон света самостоятельно и независимо от других фотонов взаимодействует с электроном, отдавая ему свою энергию. Если этой энергии достаточно для преодоления внутриатомного взаимодействия – электроны вылетают, образуя фототок. Если энергия каждого кванта недостаточна для выбивания электрона – эффекта не будет, как бы много фотонов с малой энергией ни падало на металл. Итак, считалось твердо установленным, что увеличением количества света нельзя компенсировать недостатки его качества, нельзя преодолеть красный порог.
С открытием лазеров рухнул и этот запрет. Сверхплотное и когерентное излучение оптических квантовых генераторов взаимодействует с веществом иначе, чем обычный свет. Фотоны в лазерном луче летят столь плотным потоком, что они могут одновременно реагировать с одним атомом, с одним электроном. Становятся возможны двух– и многофотонные процессы (еще один наглядный пример перехода количества в качество), исчезает красный порог: одновременное действие двух фотонов соответствует эффекту одного фотона с удвоенной частотой колебаний (с вдвое более короткой волной). Кванты красного света слишком малы, чтобы вызвать фотоэффект. Но ЛУЧ рубинового лазера – тоже красный – вызывает интенсивную фотоионизацию, вплоть до полного отрыва электронов от ядер, с превращением вещества в плазму.
Согласно строгим квантовым законам, открытым Н. Бором, атом поглощает и испускает излучение строго определенных частот, энергия квантов которого точно соответствует разности энергетических уровней атома. Многофотонные процессы, характерные для лазерного излучения, ниспровергли и этот запрет: теперь важно, чтобы энергия суммы фотонов (двух, трех или более) соответствовала разности уровней. В связи с этим закон сохранения и превращения энергии, полностью сохраняя силу, приобретает новую форму.
Сорок лет назад С. И. Вавилов и В. Л. Левшин наблюдали первый нелинейный эффект – изменение коэффициента поглощения вещества под действием света. В обычных условиях, сколько бы света ни падало на вещество, его поглощающая способность остается прежней – своеобразная бочка Данаид! Но ведь возбужденный атом, поглотивший электрон, приобретает новые квантовые, а значит, и оптические свойства. Поглотить еще один квант того же света он уже обычно не может. Пока число таких возбужденных атомов в веществе относительно невелико, их изменившиеся свойства внешне не проявляются. Но мощный световой поток и в этом случав должен привести к качественно новым явлениям. В опыте Вавилова и Левшина при поглощении урановым стеклом света мощной искры прозрачность стекла под влиянием сильного освещения возрастала.
С открытием лазера стало ясно, что опыт Вавилова – не исключение: мощный световой поток как бы прокладывает себе дорогу в веществе, изменяя дотоле незыблемую константу – коэффициент поглощения. Новый эффект самоканализации сразу же нашел применение. Для получения гигантских импульсов в лазерах с модулированной добротностью стали применять не механические, а оптические затворы: при достаточно высоком уровне возбуждения кристалла возникают нелинейные явления, и затвор, дотоле непрозрачный, открывается сам.
Аналогичная судьба постигла еще одну константу классической оптики – показатель преломления. Свет, как известно,– электромагнитные колебания, электромагнитное поле. Синхронность, однофазность световых колебаний в лазерном луче и большая плотность энергии в нем создают напряженность электрического поля до миллионов вольт на сантиметр. Такое поле оказывает сильное влияние на электроны атомов вещества, через которое проходит луч. Если частота и амплитуда колебаний электронов близки к частоте световых колебаний, то проходящий лазерный луч, вызывая резонансные колебания электронов вещества, изменяет, модулирует себя: возникает волна удвоенной частоты. Подбор кристаллов делает возможным превращение невидимого света неодимового лазера (лежащего в ближней инфракрасной области с длиной волны 10·600 А) в видимый ( 
= 5300 А) зеленый луч; а красный свет рубинового лазера может быть таким же образом превращен в ультрафиолетовый с коэффициентом полезного действия, близким к 50%!
Принцип удвоения частоты уже используется практически для получения лазеров, работающих в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Тот же эффект при прохождении в кристалле двух разных световых потоков дает более сложный эффект взаимной модуляции; рождаются две новые волны: одна с частотой, равной сумме, другая – разности частот первичных волн. Это явление используется для получения радиоволн, ультракоротких и миллиметровых.
Изменение показателя преломления вещества под влиянием мощного светового потока приводит к еще одному необыкновенному явлению: лазерный луч, проходящий в однородной прозрачной среде, самофокусируется! При этом плотность лучистой энергии в пучке света еще более возрастает. И если в прозрачной среде попадаются хоть малейшие неоднородности, поглощение в них хотя бы ничтожной части энергии вызывает растрескивание, разрыв стекла или другого прозрачного материала.
В свое время выдающемуся русскому физику П. Н. Лебедеву пришлось потратить годы и проявить поистине ювелирное мастерство, чтобы доказать реальность светового давления. А лазер и здесь сделал невозможное возможным, сложное и абстрактное – простым и наглядным. Лазер мощностью всего 0,25 вт – лилипут в мире великанов – в состоянии удерживать на своем луче, направленном вертикально вверх, стеклянный шарик диаметром 0,025 мм. А в фокусе луча мощного импульсного лазера давление превышает тысячу тонн на квадратный сантиметр! Перечень революционных свойств лазерного луча можно было бы продолжить. К их числу относится, например, возникновение в веществе ультра– и гиперзвуковых колебаний. Но и сказанного достаточно, чтобы понять, что с созданием оптических квантовых генераторов в учении о свете открылась новая глава.
Луч-исследователь и луч-труженик
Мы познакомились пока с устройством лишь одного, правда, наиболее распространенного лазера – рубинового. Но сегодня семья лазеров уже весьма многочисленна и продолжает расти не по дням, а по часам. Познакомимся же с наиболее интересными ее членами.
Если заменить рубин бариевым стеклом с добавкой ионов элемента неодима, мы получим лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, с длиной волны 10600 А (1,06 мкм). Неодимовый лазер более экономичен, его КПД более 4% и значительно превышает таковой рубинового лазера. Из неодимового стекла можно получать стержни любой величины и создавать лазеры большой мощности – до нескольких тысяч джоулей. В качестве активного вещества – рабочего тела лазеров используется также стекло с добавкой атомов иттербия, гадолиния, гольмия, тербия и других редкоземельных элементов. Лазер на кристалле флюорита, активированном диспрозием, излучает на волне 2,35 мкм, на кристалле иттрий-алюминиевого граната, активированном неодимом, излучает на той же волне, что и лазер на неодимовом стекле – 1,06 мкм, но не в импульсном, а в непрерывном режиме при комнатной температуре. Существуют и другие типы лазеров.
В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используются растворы окислов и комплексных соединений все тех же редкоземельных металлов. Жидкостные лазеры удобны тем, что они проще в изготовлении, не нуждаются в специальной системе охлаждения (достаточно обеспечить циркуляцию жидкости в установке); подбирая растворенные соединения, можно легко изменять длину волны излучения. Однако мощность жидкостных лазеров невелика. Жидкостные лазеры на красителях обладают свойством плавно изменять частоту генерируемых световых колебаний (в определенных пределах).
Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. Одно из их достоинств – необыкновенная даже в мире лазеров монохроматичность – она еще в 100 тыс. раз выше, чем у рубинового лазера. Гелий-неоновый лазер излучает на волне 6328 А красный свет. Аргоновый – в сине-зеленой области (4880 и 5145 А). Углекислотный лазер, обладающий высоким коэффициентом полезного действия – до 15—25%,– излучает в длинноволновой инфракрасной области (10,6 мкм). Наконец, лазер на азоте – первый ультрафиолетовый лазер с длиной волны 3371 А.
Особую группу образуют полупроводниковые лазеры. Хотя активное вещество в них представляет собой твердое тело, но принцип генерации света отличается от такового у твердотельных лазеров: вместо световой накачки используется электрическое возбуждение. Их кпд наиболее высок – до 60—70%. В магнитном поле удается изменять частоту излучаемого ими света. Мощность полупроводниковых лазеров пока невелика.
Работы по созданию новых типов лазеров ведутся во многих странах. И если вспомнить, что первый лазер был создан всего в 1960 г., нельзя не признать, что сделано уже немало. Лазер прочно вошел в арсенал науки, техники, промышленности, сельского хозяйства и медицины. Рассмотрим коротко, что уже дает и может дать человечеству в самом ближайшем будущем использование лазерного луча.
Высокая концентрация лучистой энергии в лазерном импульсе, а также возможность фокусировки луча позволяет создать столь значительное, хотя кратковременное и локальное, повышение температуры, что самые тугоплавкие вещества, рекордсмены прочности испаряются, попав в фокус излучения. Это свойство лазерного луча широко и разносторонне используется в технике.
Пробивание отверстий малого диаметра в таких твердых материалах, как алмаз, корунд, особо прочные сорта стали, металлокерамические изделия, лазерный луч производит несравненно проще, быстрее, производительнее и дешевле, чем любые другие инструменты. Для получения сверхтонкой проволоки, например, нагретые заготовки металла протягиваются через крохотные отверстия в алмазной фильере. Сверлить эти отверстия до последнего времени удавалось лишь с помощью алмазного же порошка, на что уходило много времени и дорогостоящего сырья. Лазерный луч сокращает время пробивания отверстия с 2—3 дней до 2—3 минут; он сверлит отверстия очень малого размера (до 0,009 мм), получить которые другим способом невозможно. В результате производительность труда и экономия материалов увеличиваются в тысячи раз. Отечественная установка «Квант-9» обладает всеми этими преимуществами, пробивая отверстия тоньше волоса.
В микроэлектронике, производстве интегральных схем лазерный луч осуществляет травление, т. е. удаляет крохотные излишки металла; повышает точность изготовления прецизионных сопротивлений, испаряя избыточный материал; производит резку и пайку тончайших проводов и деталей внутри вакуумных приборов, не нарушая вакуума. Советская установка «ТИЛУ-1» дает в год сотни тысяч рублей экономии.
Лазерный луч, испаряя в ничтожные доли секунды крохотную частичку вещества, образует облачко пара. Через секунду-другую оно рассеивается, и если не упустить времени, то на фотопластинке спектрографа это облачко оставит след в виде набора линий, по которым специалисты определят элементарный состав изучаемой пробы. Лазерный микроанализ успешно работает в биологии, медицине, позволяет определить химический состав участка хромосомы или человеческого волоса, сыворотки крови или ткани опухоли; в криминалистике (примесь какого-либо вещества позволяет установить происхождение и принадлежность вещественного доказательства); в живописи (химический состав краски может подсказать возраст картины); в геологии (где серийный анализ проб облегчает по следам металла отыскание его месторождения) и т. п.
Лазерный луч под контролем ЭВМ осуществляет автоматическую резку металла, раскрой стальных и алюминиевых листов, тканей и кожи, причем выполняет все эти операции несравненно быстрее и точнее человека. Для резки наиболее удобны лазеры непрерывного действия, например углекислотные.
Сварка металлических швов – одна из новых областей применения лазера. Чтобы луч плавил металл, а не испарял его, нужно было увеличить длительность лазерного импульса с десятитысячных до сотых долей секунды. Для этого пришлось замедлить разряд конденсаторов и растянуть свечение лампы накачки. При переходе от точечной сварки к сварке швов сферические фокусирующие зеркала заменили цилиндрическими, и луч лазера стал собираться не в точку, а в линию. Советские сварочные лазерные установки «СУ-1», «СЛС-10», «Квант-10», «УЛ-2» обеспечивают высококачественную скоростную (до 2—5 см/сек) сварку металлов, сваривают золото и кремний, золото и германий, алюминий и никель, тантал и медь.
Широки возможности использования лазерного излучения в связи в качестве средства передачи информации. Радиоволновой диапазон, используемый для радио– и телесвязи, в настоящее время переполнен. Интенсивно развивающееся цветное телевидение сулит новые трудности, так как объем передаваемой информации резко возрастает и требует увеличения диапазона занимаемых частот.
Частота видимого света в миллион раз выше частоты радиоволнового диапазона, и область оптических частот принципиально может вместить соответственно больший объем передаваемой информации. Для того чтобы луч мог переносить информацию, нужно его пометить, т. е. изменить, промодулировать. Естественно, что луч правильной, когерентной структуры, в котором все волны идут «в ногу», строго синхронно и синфазно, для приобретения информационного значения нуждается в минимальных метках-модуляциях и в состоянии перенести несравненно больший объем сведений, чем луч обычного света, и без того отличающийся несинхронной и некогерентной структурой, несущий всякого рода искажения. Вот почему излучение лазера – идеальное средство связи. Модуляция частоты лазерного света в пределах всего 1% создает диапазон, достаточный, по подсчетам специалистов, для передачи по крайней мере 1 млрд. телефонных разговоров, не мешающих друг другу.
Каким же образом можно промодулировать лазерный луч? В обычной радиотелефонной связи звуковые волны нашего голоса, падающего на микрофон, порождают электрический ток переменной интенсивности, модулирующий основной радиосигнал, В телевидении роль модулятора выполняет электронный луч, интенсивность которого меняется в зависимости от яркости отдельных строк и участков изображения. Простейший способ модуляции лазерного луча осуществляется с помощью оптического затвора, степень пропускания которого меняется с приложенным напряжением, колеблющимся за счет сигналов от микрофона. В этом случае модулируется интенсивность лазерного луча, но может изменяться и частота.
Преимущество лазерной связи – это также малая расходимость, строгая направленность луча; отсюда высокая экономичность (радиостанция излучает по всем направлениям) и возможность работы на одной волне многих излучателей. Наконец, высокая частота колебаний лазерного луча делает возможной передачу на одной волне тысяч телепрограмм и миллионов телефонных разговоров, не мешающих друг другу.
Но на пути практического создания лазерных систем связи есть по крайней мере два серьезных и пока не преодоленных препятствия. Во-первых, световой луч в атмосфере подвержен влиянию дымки, тумана, облачности, пыли, и это снижает надежность связи, вызывая рассеяние световых волн. Инфракрасное излучение в этом отношении более надежно, так как меньше ослабляется атмосферными помехами. Экспериментальные системы лазерной связи на короткие расстояния существуют, в том числе и в Москве. Однако серьезную конкуренцию существующим системам связи лазерный луч сможет составить лишь в том случае, если для его распространения будет создана система труб с достаточно высоким вакуумом – своеобразных световодов, светорелейных линий. Возможно, система лазерной связи будет поднята в высокие слои атмосферы или в космос, свободный от атмосферных помех.
Во-вторых, препятствием для дальней лазерной связи является кривизна земной поверхности. Длинные радиоволны преодолевают это препятствие за счет дифракции, короткие – отражаясь от ионосферы. Лазерный луч – световой, и он распространяется строго прямолинейно, т. е. в пределах видимости. Это препятствие можно преодолеть, лишь пользуясь одним из двух названных выше способов.
Что касается существующих типов лазеров, то импульсные (твердотельные и жидкостные) установки не годятся для связи – импульсный сигнал труднее модулировать, «нагружать» информацией. У полупроводниковых лазеров область излучаемых частот слишком широка. Газовые лазеры хороши, но мощность их пока невелика. Таким образом, предстоит еще немалый путь, чтобы принципиальную возможность воплотить в реальное техническое решение. Но путь тот будет пройден – сомнений в этом нет. Уже в ближайшие годы возможно создание лазерных систем связи между искусственными спутниками земли, космическими кораблями и орбитальными станциями, а также между самолетами, летящими на большой высоте. А существующие экспериментальные системы уже сейчас обеспечивают связь в пределах примерно полутора десятков километров.
Ведутся работы и над конструкциями лазерного телевизора. Японские ученые, особенно интенсивно работающие в этой области, нашли, что вместо электронно-лучевой трубки – самой громоздкой части современного телевизора – можно использовать кристалл двуокиси теллура, модулируя отклонение светового луча путем воздействия ультразвуковых колебаний, изменяющих показатель преломления кристалла. Японская фирма «Хитати» уже демонстрировала в г. Осака на всемирной выставке «Экспо-70» экспериментальную систему цветного телевидения, в которой проекция на огромный экран (3X4 м) осуществляется с помощью трех лазеров – криптонового (красного) и двух аргоновых (зеленого и синего). Видеосигналы передаются от обычной цветной телекамеры, усиливаются и модулируют лазерные сигналы. Благодаря применению лазеров цветовая передача изображения резко улучшается. Горизонтальная и вертикальная развертка обеспечивается системой из 40 зеркал.
Другая важная область практического использования лазерного излучения – производство точных и прецизионных измерений: расстояния до Луны (с помощью установленного на Луне отражателя точность повышена до 50 м), дрейфа континентов (с помощью отражателей и специального спутника), движения ледников, толщины облачности, для геодезических измерений, определения расстояния до цели. Луч лазера может быть использован и для обнаружения пожаров – дым и токи нагретого воздуха способны слегка отклонять его траекторию. Установка лазера в сейсмоопасном месте (на коренных породах) может облегчить предсказание землетрясений – по отклонению пятикилометрового луча. Наконец, лазерный визир используется при прокладке трубопроводов через водохранилища и реки, при бурении тоннелей и скважин. Лазерный визир использовался и при строительстве Останкинской телебашни – для своевременного выявления отклонений от вертикальной линии.
Специалистами широко обсуждаются перспективы передачи энергии на большие расстояния с помощью лазерного луча. В качестве световодов испытываются стеклянные волокна с полированной зеркальной поверхностью (волоконная оптика) и кварцевые трубки, заполненное четыреххлористым этиленом. Но потери энергии в таких световодах довольно значительны. Реальна также опасность их разрушения поглощенным светом. Передача же без световодов принципиально возможна главным образом за пределами плотных слоев атмосферы.
В военном деле лазерный луч используется для обнаружения и уничтожения самолетов и ракет противника, в системах наведения и самонаведения на цель ракет, бомб, снарядов, для скрытого ведения воздушной разведки в ночное время, аэрофотосъемки (инфракрасный лазер). Лазер может быть деталью дистанционного взрывателя и, наконец, сжигать на расстоянии военные объекты, в том числе движущиеся,– задача, привлекавшая внимание людей еще в древности и воплощенная в фантастических проектах – сначала в зеркалах Архимеда, а затем в «Гиперболоиде инженера Гарина» А. Н. Толстого.
Большое будущее, видимо, ожидает лазер еще в одной области применения: в голографии. Этот вид объемной фотографии, содержащей всю информацию о предмете («голо» – по-латыни весь), был теоретически предсказан в 1948 г. английским физиком Д. Табором. Если зафиксировать на фотопластинке дифракционную картину, возникшую при прохождении света мимо препятствия в виде точки, а затем пропустить через пластинку точно такой же пучок света, на экране вновь возникнет та же точка. Но теоретические предположения Габора осуществить было невозможно – пучок света с его хаотической структурой воспроизвести вторично не удавалось.
Лазерный луч и в этом случае сделал невозможное возможным. Монохроматичный и когерентный свет лазеpa проходил через предмет, дифрагируя на отдельных его точках, и падал на фотопластинку. На ту же пластинку падала часть лазерного пучка, прошедшая предварительно через систему призм или зеркал в обход предмета. Фотопластинка, содержащая в причудливом переплетении дифракционных колец и линий всю информацию о предмете (она-то и называется голограммой), при подсвечивании аналогичным лазерным лучом дает на экране объемное изображение предмета. Более того, каждый кусок разбитой голограммы также способен при подсветке дать объемное изображение всего предмета. Использование этого принципа сулит качественно новые возможности для кино и телевидения. Однако технические трудности значительны, и на их преодоление потребуется, вероятно, пять—десять лет.
Принцип голографии может найти применение и в цветном телевидении, и в особой конструкции микроскопа. Направления использования лазеров в будущем трудно исчерпать. Остановимся подробнее на некоторых возможностях их применения в биологии и медицине.
