icon-star icon-cart icon-close icon-heart icon-info icon-pause icon-play icon-podcast icon-question icon-refresh icon-tile icon-users icon-user icon-search icon-lock icon-comment icon-like icon-not-like icon-plus article-placeholder article-plus-notepad article-star man-404 icon-danger icon-checked icon-article-edit icon-pen icon-fb icon-vk icon-tw icon-google
Владислав Черных
Мучают вопросы? Узнай

Что такое лазер и где он используется?

  • 2500
  • 3

Что такое лазер и где он используется?

Е
Если составить список самых значимых и впечатляющих научных достижений ХХ века, лазер наверняка войдёт в первую десятку наряду с атомной энергией, полётами в космос и генной инженерией. При этом обнаружится, что представления среднестатистического обывателя о лазерах сводятся к картинкам из читанных в раннем детстве «Войны миров» и толстовского «Гиперболоида». Этакий убийственный луч смерти, испепеляющий всё живое и придуманный фантастами задолго до появления первого оптического квантового генератора – так называется это устройство «по паспорту». Слово же «ЛАЗЕР» пришло к нам из английского языка и является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, т.е. «Усиление света при помощи вынужденного излучения». Давайте попробуем разобраться, что это означает.

Учёные давно мечтали создать тонкий, нерасходящийся луч света, который мог бы переносить большую энергию и служить инструментом или оружием. Привычными оптическими способами получить такое оказалось невозможным, и лучи смерти гуляли лишь по страницам фантастических произведений. Прорыв в этой области наметился в первой половине ХХ века, когда стала разрабатываться квантовая механика. В 1954-м году советские учёные Н.Басов и А.Прохоров параллельно с американцем Ч.Таунсом создали микроволновой квантовый генератор. И только к 1960-му году учёным удалось создать первый квантовый генератор, порождающий световой луч.

Принцип работы лазера весьма сложен, в очень-очень упрощённом виде его можно описать так – существуют вещества, которые способны как бы запасать в себе световую (в первых лазерах) или химическую, электрическую энергию и отдавать её коротким мощным импульсом или же в виде постоянного излучения. Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, механистически атом можно представить себе, как массивное ядро в центре и летающие вокруг него по орбитам электроны. При помощи сильного внешнего источника энергии электроны могут перескакивать на более высокие орбиты, делая атом возбуждённым. Если рядом с таким атомом пролетит фотон - частица света, электрон спрыгнет обратно, отдавая наружу ещё один фотон, в точности похожий на пролетевший.

Для нас важно именно то, что фотоны в данном случае идентичны друг другу. Они имеют одну длину волны, т.е. цвет, одинаково поляризованы и движутся в одном направлении. Физики называют их когерентными. Пролетая через вещество, содержащее возбуждённые атомы (активную среду), они «зовут с собой» всё новые и новые фотоны, количество их лавинообразно нарастает. Для того чтобы процесс не затухал, в лазерах применяют особый оптический резонатор, не дающий квантам света сразу покидать активную среду и гоняющий их туда-сюда, пока свет не усилится в нужной степени.

Первый лазер имел в качестве активной, или рабочей среды, цилиндрический кристалл очень чистого рубина, покрытый с торцов зеркальным напылением. При помощи мощной газоразрядной лампы, примерно такой, как в фотовспышке, производилась накачка кристалла энергией. Потом кристалл начинал испускать фотоны, но благодаря зеркалам усиливалось только излучение, параллельное оси рубина. Одно из зеркал частично пропускало свет, и фотоны узким потоком вылетали наружу, образуя лазерный луч.

Рубиновый лазер недолго оставался в одиночестве, очень скоро физики научились использовать в качестве активной среды смеси газов, полупроводники, органические красители и ещё много чего. В зависимости от природы применяемого вещества свойства излучения сильно различаются. Существуют лазеры импульсные и непрерывные, «красные, зелёные, жёлтые, лиловые» и прочие, в том числе работающие в невидимых частях спектра, сверхмощные промышленные или слабенькие, стоящие в музыкальных проигрывателях и лазерных указках. Сфера применения этих устройств огромна и затрагивает практически все области науки и техники.

Разумеется, в первую очередь новое изобретение заинтересовало военных, желающих получить в распоряжение пресловутый «луч смерти». Но очень скоро выяснилось, что боевое применение лазеров сильно осложнено громоздкостью и хрупкостью конструкции и большим расходом электроэнергии. К тому же любая дымка или туман снижали их эффективность.

Впрочем, лазеры всё же нашли свою нишу в военном деле – они применяются в высокоточных системах наведения, дальномерах, прицелах и тому подобных устройствах. Во время «холодной войны» в США разрабатывались проекты мощнейших рентгеновских орбитальных лазеров, накачивающихся ядерным взрывом. В СССР же была почти доведена до готовности лазерная боевая орбитальная станция «Скиф». В настоящее время проводятся эксперименты с установкой сверхмощных лазеров на самолётах, но боевая ценность их пока под вопросом.

Что же касается мирного применения квантовых генераторов, то здесь им удалось развернуться вовсю. Мощные лазеры применяют в промышленности для резки тугоплавких материалов, сварки, закалки, легирования металлов. В медицине используется лазерная коррекция зрения, лазерные скальпели, сварка тканей когерентным лучом. Активно развиваются средства связи на основе волоконной оптики, где тоже не обойтись без лазеров. Миниатюрные лазерные диоды стоят в оптическом приводе каждого компьютера или музыкального центра, в компьютерных мышках и принтерах.

Только благодаря изобретению лазера стала возможной голография – способ записи всех оптических свойств объекта с целью получения его объёмного изображения. Никого уже не удивляют лазерные световые шоу. В обиход входят высококачественные лазерные дисплеи.

Наиболее перспективной областью применения квантовых генераторов считается энергетика будущего. Уже более полувека физики пытаются создать термоядерный реактор, который вытеснил бы нынешние небезопасные «атомные котлы». Попытки зажечь управляемую реакцию синтеза с положительным выходом энергии упираются в необходимость обеспечить высокие температуры – свыше миллиона градусов. В термоядерных бомбах этих температур достигают посредством взрыва инициирующего ядерного запала, но в реакторах такой способ непригоден.

Выход нашли в применении мощных лазеров, которые фокусируются на маленькой мишени из реагирующих веществ – дейтерия и трития, или дейтерия и гелия-3. Энергия выделяется в результате серии очень маленьких термоядерных взрывов. Пока до практического применения этой схемы ещё далеко, но к середине века учёные обещают создать безопасные серийные реакторы с лазерной накачкой.

Космические исследования - это ещё одна перспективная область использования лазеров. Их можно применять для дистанционного зондирования космических тел, обеспечения сверхдальней связи между исследовательскими аппаратами. Есть проекты, предусматривающие разгон межпланетных зондов при помощи лазерного луча, направленного с Земли или орбитальной станции.

За несколько десятков лет лазерные технологии переместились из научных лабораторий во все области человеческой деятельности. Нет сомнений, что нас ещё ждут новые открытия, связанные с когда-то грозным фантастическим «лучом смерти», а ныне универсальным инструментом, способным легко и непринуждённо выполнять некогда сложные или вообще недоступные манипуляции. Остаётся надеяться, что дальнейшее развитие лазера будет происходить преимущественно в мирной области.

mas
Евгений Багдерин

Отличная, полезная статья, все четко и ясно изложено. Без общего представления о природе света, понять принцип лазерного излучения не просто.

deb
Иван Иванов

статья открытие, очень многое не знал, приятно читать что то новое, спасибо

mas
Марк Блау

Статья написана ясно и просто, дает четкое представление о том, что такое лазер и почему он сейчас так распространен во всех областях жизни и техники.

Вам необходимо или зарегистрироваться, чтобы оставлять комментарии
выбор читателя

Выбор читателя

16+