Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров

Лазер – это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вызывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интересного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекательном, из которой выходит тоненький луч – зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить? Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направлению – нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер – источник необыкновенного света, который может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить движущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза и т. д.

В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним: для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от источника в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожектора луч становится раза в два шире. Лазеру же собирающие зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазерного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал – около 10^-5 рад, и тем не менее, на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, испущенный с Земли, даст пятно диаметром примерно 3 км.

Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Преломляясь в призме, луч белого света превращается в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазерный луч – в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Благодаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись информации с высокой плотностью – крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации – сотни мегабайт.

В-третьих, лазер – самый мощный источник света. В узком интервале спектра кратковременно (10^-11 с) достигается мощность излучения 10¹²–10¹³ Вт с одного квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же площади равна только 7 ^. 10³ Вт, причем суммарно по всему спектру. На узкий интервал, равный ширине спектральной линии лазерного излучения, приходится у Солнца всего лишь 0, 2 Вт/см². Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, составляет 10¹⁰–10¹² В/см; она превышает напряженность поля внутри атома.

Названные удивительные свойства лазерного излучения придали свету новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха».

В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер – рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркального кожуха. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота генерации импульсных лазеров может достигать более 10 млн вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное. Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощность – тысячи ватт. Мощность эту можно повысить, увеличив размеры активного лазерного элемента. А можно позади этого элемента поставить еще один лазерный стержень с лампой-вспышкой, т. е. еще один лазер, но без зеркал. Импульс света первого лазера заставит срабатывать второй. Оба световых импульса, сложившись, удваивают мощность вспышки. Но размеры стержня нельзя увеличивать беспредельно: чем больше стержень, тем больше потери света в нем. Поэтому стержни даже из лучших материалов нет смысла делать длиннее 50–60 см. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для многих целей, о некоторых из них рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое излучение, его дают газовые лазеры. Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в том же 1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры работают на многих газах и парах. Все они дают непрерывное излучение в очень широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного света.

Однако на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Молекулы газа возбуждены и готовы к работе: температура в камере сгорания доходит до тысячи с лишним градусов, а давление – до 20 атм. Раскаленные газы из камеры сгорания вытекают через расширяющееся реактивное сопло, иногда называемое соплом Лаваля. В нем газ разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясь между зеркалами, молекулы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч мощностью 150–200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.

Но не только газовые лазеры дают непрерывное излучение. Его дает и полупроводниковый лазер, который вдохнул жизнь в оптическую запись. О ее возможностях рассказано выше, о ней имеют представление многие пользователи персональных компьютеров, державшие в руках лазерный диск, который привлекателен не только своим внешним видом, но и своей информационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни тысяч страниц текста.

Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия – соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В последнее время проводятся интенсивные работы, направленные на создание полупроводникового лазера, способного генерировать непрерывное излучение большой мощности.

Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах. А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов; плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостные лампы могут излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолетового до инфракрасного света – и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя. В последнее время разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в возбужденное состояние при действии энергии накачки химических реакций.

Волоконно-оптическая связь

На пути использования лазерного луча встали трудности: как передать его. Возникла интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти вперед. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню – толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки, волоконный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.

В последнее время успешно развивается волоконная оптика – раздел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи. но и целые картины. При помощи световодов можно менять размеры изображения: если взять волокно, расширяющееся от начала к концу, изображение увеличится, если сужающееся – уменьшится. Гибкихе волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их: световод вводится внутрь через небольшое отверстие, свет от рампы попадает туда тоже по световоду. Таким образом можно осматривать не только машину, можно заглянуть в желудок человека и посмотреть, не угрожает ли ему язва или другая неприятность.

По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.

И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства – белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.

Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазерным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.