Автор: Тарасов Л.В.
Теги: электротехника распространение знаний: факты, фантазии и фальсификации ограничения в распространении знаний сохранение знаний в тайне квантовая радиотехника физика электроника лазеры
ISBN: 5-256-00131-0
Год: 1988
Текст
Л. В. ТАРАСОВ
Знаком ьтесь-
лазеры!
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
Л. В. ТАРАСОВ
Знаком ьтесь-
лазеры;
Москва «Радио и связь» 1988
Scan AAW
ББК 32.86
Т19
УДК 621.373.826:001.92
Рецензенты, доктор физ.-мат. наук В. Г. Дмитриев,
доктор физ.-мат. наук И. Н. Компанец
Редакция литературы по электронной технике
2403000000-107
Т---------------
046(01)-88
КБ-27-16-87
ISBN 5-256-00131-0
© Издательство «Радио и связь», 1988
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. ФАНТАСТИКА И ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ................
И вот он наступил (6). Как это представляли в начале века
писатели-фантасты (9). Листая газеты (13).
Глава первая. ЛАЗЕРЫ ВОКРУГ НАС........................
Этот удивительный лазерный луч (24). Лазерный луч в роли
сверла (29). Обработка материалов лазерным лучом (32).
Лазерная технология - технология XXI века (40). Лазерный
луч в роли хирургического скальпеля (43). Пресс-конферен-
ция в Медицинском лазерном центре (48). Лазерный луч -
уникальный измерительный инструмент (56). Лазерная лока-
ция (62). Лазер на стройплощадке и взлетно-посадочной по-
лосе (68). Лазерный контроль загрязнений атмосферы и
океанов (72). Лазерная спектроскопия (79). Лазерная сор-
тировка атомов и молекул (83).
Глава вторая. КАКОЙ ОН - ЭТОТ ЛАЗЕР ?..................
Анатомия лазера (88). Взаимодействие света с атомами и
молекулами (92). Физика лазера (98). Историческая справ-
ка (105). Какие бывают лазеры (110). Отдельно о полупро-
водниковых лазерах (124). Какие бывают резонаторы лазе-
ров (131). Что значит’’управлять” лазерным лучом? (135).
Простая техника, но сложная физика (139). ’’Гигантские
импульсы” (143). ’’Растягивание” лазерного импульса (147).
Регулярная последовательность импульсов (149). Пикосе-
кундные импульсы (151).
Вместо заключения. ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ФАНТАС-
ТИКА ..................................................
5
23
87
155
На пути к лазерному термоядерному синтезу (156). От обра-
ботки вещества к обработке поля (164). Перспективы даль-
ней и сверхдальней лазерной связи (172). Вместо электри-
ческих проводов оптические волокна (179). В преддверии
’’лазерной революции” в химии (183). Фантазии на лазерную
тему (186).
ВВЕДЕНИЕ. ФАНТАСТИКА И ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ
"Свершились все мечты, что были так далеки.
Победный ум прошел за годы сотни миль.
При электричестве пишу я эти строки,
И у ворот, гудя, стоит автомобиль."
В. Я. Брюсов
И ВОТ ОН НАСТУПИЛ...
И вот он наступил - XX
век.
Уже самое его начало бы-
ло отмечено величайшими достижениями человечес-
кого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-
химического общества А. С. Попов продемонстриро-
вал изобретенное им устройство связи без проводов,
а год спустя аналогичное устройство предложил италь-
янский техник и предприниматель Г. Маркони. Так
родилось радио. Его изобретатель - А. С. Попов-был
награжден золотой медалью на Всемирной выставке
в Париже в 1900 г. В конце уходящего века был создан
автомобиль с бензиновым двигателем, который при-
шел на смену изобретенному еще в XVIII в. паровому
автомобилю. К началу XX столетия уже действовали
линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене.
17 декабря 1903 г. американские инженеры братья
Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м на созданном
ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский
инженер И. И. Сикорский сконструировал и построил
первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя
«Илья Муромец». Авиация-это великолепное детище
нового века-сделала свои первые шаги.
Не менее потрясающими оказались достижения
в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух
веков было сделано пять открытий. В 1895 г. немецкий
физик В. Рентген открыл новый вид излучения, на-
званный позднее его именем; за это открытие он
получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким
образом, первым в истории нобелевским лауреатом.
В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель
открыл явление радиоактивности - Нобелевская пре-
мия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Том-
сон открыл электрон и в следующем году измерил его
заряд-Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г.
на заседании Немецкого физического общества Макс
Планк дал вывод формулы для испускательной спо-
собности черного тела; этот вывод опирался на совер-
шенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой
теории-одной из основных физических теорий XX
века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн-ему тогда
было всего 26 лет - опубликовал специальную теорию
6
относительности. Все эти открытия производили оше-
ломляющее впечатление и многих повергали в за-
мешательство - они никак не укладывались в рамки
существовавшей физики, требовали пересмотра ее ос-
новных представлений. Едва начавшись, новый век
возвестил о рождении новой физики, обозначил не-
видимую грань, за которой осталась прежняя физика,
получившая отныне название «классическая».
Конечно, новая физика возникла не в один год
и даже не в десятилетие. Ее становление было дли-
тельным и во многих отношениях мучительным про-
цессом-ведь ломались старые устои, ставились под
сомнение привычные, веками, казалось бы, проверен-
ные представления. Нет, они не выбрасывались на
свалку истории, не списывались в архив. Они диалек-
тически пересматривались - уточнялись степень и гра-
ницы их применимости, определялось их место в
рождающейся системе новых представлений. Так, ста-
рая добротная механика Ньютона оказалась всего
лишь частным случаем более общих физических тео-
рий-теории относительности и квантовой теории.
Опираясь на новую физику, человек XX столетия смог
более глубоко постичь законы природы; он предпри-
нял успешный штурм мира атомов и молекул, при-
ступил к исследованию первооснов материи-элемен-
тарных частиц.
Новые фундаментальные знания привели и к новым
техническим достижениям - началось то, что мы се-
годня называем научно-технической революцией. Раз-
витие вакуумной, а позднее-с начала 50-х годов-по-
лупроводниковой электроники позволило создать
весьма совершенные системы радиосвязи, радиоуправ-
ления, радиолокации. В 1948 г. был изобретен тран-
зистор, в начале 60-х годов на смену ему пришли
интегральные схемы - родилась микроэлектроника.
Развитие атомной и ядерной физики привело к созда-
нию атомных электростанций (с 1954 г.) и судов с атом-
ными двигателями (с 1959 г.). Телевидение, быстродей-
ствующие вычислительные машины, разнообразные
компьютеры, промышленные роботы - такова наша
сегодняшняя действительность. Как правило, мы уже
не задумываемся, что ничего этого не было еще каких-
нибудь сорок-тридцать лет назад. Нас уже почти не
удивляют поразительные успехи космической техники.
Мы привыкли к запускам искусственных спутников
7
Земли (их число давно перевалило за тысячу); становят-
ся все более привычными полеты космонавтов на
пилотируемых космических кораблях, их многоднев-
ные вахты на орбитальных станциях. Мы познакоми-
лись с обратной стороной Луны, получили фотосним-
ки поверхности Венеры, Марса, Юпитера, а совсем
недавно сумели с близкого расстояния, что называется
«в упор», поглядеть на комету Галлея.
Каким поистине могущественным стал человек в
XX веке! Перед свершениями его разума меркнет
богатая фантазия Жюля Верна и Герберта Уэллса.
Впечатляет даже простое перечисление наиболее вы-
дающихся достижений науки и техники нашего века.
Электроника, атомная техника, авиация и ракетная
техника, космонавтика, кибернетика и вычислительная
техника, астрофизика, генетика... И, конечно, лазерная
техника. Лазеры существуют всего четверть века. Но
уже сегодня лазерная техника находит широкое при-
менение во многих сферах народного хозяйства; с
каждым годом масштабы и область применения ла-
зеров увеличиваются.
Да, XX век действительно можно называть «по-
бедным веком». И всё же... Когда братья Райт создали
в самом начале века первый в мире аэроплан, они
наивно полагали, что теперь положен конец войнам-
ведь с воздуха можно уничтожить любой город, раз-
бомбить любой дворец, любую резиденцию. Бессмыс-
ленно воевать, когда все стали так уязвимы. И что же?
В 1914 г. разразилась первая, а в 1939 г. вторая миро-
вая война. На протяжении всего столетия почти без
перерывов Землю сотрясают региональные войны,
вспыхивающие то в одном месте, то в другом. Нет,
само по себе то или иное выдающееся изобретение не
может покончить с войнами. Важно, в чьих руках оно
окажется. Энергия атомного ядра все шире исполь-
зуется сегодня в атомных электростанциях; однако ее
могут использовать также и в «сверхбомбах» - подоб-
но тому, как это однажды (в 1945 г.) уже было сде-
лано...
И вот сегодня человек получил в свое распоряжение
всемогущий луч лазера. На что употребит он это новое
завоевание разума? Чем станет лазер: универсальным
инструментом, надежным помощником или, напротив,
грозным космическим оружием, новейшим разруши-
телем?
8
КАК ЭТО ПРЕДСТАВЛЯЛИ В
НАЧАЛЕ ВЕКА ПИСАТЕЛИ-
ФАНТАСТЫ
«Густой черный дым поднимался вверх и смеши-
вался с клубами пара над рекой. Прикосновение
теплового луча, скользившего по Уэйбриджу, вы-
зывало вспышки ослепительного белого пламени,
за которыми следовала дымная пляска языков
огня. Ближайшие дома все еще стояли не тро-
нутыми, ожидая своей участи, сумрачные, туск-
лые, окутанные паром, а позади них метался
огонь... Вдруг белые вспышки теплового луча
стали приближаться ко мне. От его прикосно-
вения рухнули охваченные пламенем дома; де-
ревья с громким треском обратились в огненные
столбы. Луч скользил вверх и вниз по береговой
тропинке, сметая разбегавшихся людей, и нако-
нец спустился до края воды, ярдах в пятидесяти от
того места, где я стоял. Потом перенесся на
другой берег, к Шеппертону, и вода под ним
закипела и стала обращаться в пар.»
Этот отрывок взят из романа Уэллса «Война миров»,
вышедшего в свет в 1898 г. В романе описывается
война человечества с фантастическими марсианами.
В погоне за жизненным пространством марсиане вы-
саживаются на Землю и предпринимают попытку за-
воевать ее, истребить людей. В их арсенале мощное
оружие - тепловой луч, который способен испепелить
все на своем пути.
Герберт Уэллс не касается устройства и принципа
работы «генератора теплового луча». Писатель огра-
ничивается осторожными замечаниями:
«Многие полагают, что марсиане как-то концен-
трируют интенсивную теплоту внутри абсолютно
не проводящей тепло камеры. Эту конденсиро-
ванную теплоту они бросают параллельными лу-
чами на тот предмет, который они избрали целью,
при посредстве полированного параболического
зеркала из неизвестного вещества, подобно тому
как зеркало маяка отбрасывает снопы света.»
Сразу же заметим, что с физической точки зрения
подобное «объяснение» несостоятельно: нельзя гово-
9
рить о «конденсации» или «концентрации» теплоты,
поскольку сама по себе теплота не является какой-либо
субстанцией. Тепловой луч марсиан следовало бы
рассматривать не как поток «конденсированной тепло-
ты», выбрасываемой из некоторой «камеры», а как
остронаправленный пучок инфракрасного излучения
необычайно высокой интенсивности. Между прочим,
подобные пучки сегодня являются реальностью-это
есть излучение мощных лазеров на углекислом газе
(так называемых СО2-лазеров). Разумеется, было бы
несправедливо требовать от писателя, который к тому
же не являлся физиком, чтобы он в конце XIX века мог
предвидеть лазер на углекислом газе, созданный в 60-х
годах XX века.
Мощный световой луч! В своих мечтах человек
с давних времен видел в нем могучего помощника,
легко разрушающего темницы и преграды, способного
защитить от любого недруга. К нему обращались
и писатели-фантасты конца XIX-начала XX веков.
Правда, в фантастических романах этот луч оказывал-
ся, как правило, в руках сил зла, которые использовали
его для разрушения, для приобретения власти над
людьми. Как и марсианский тепловой луч, это были
«лучи смерти». Словно писатели хотели предостеречь-
показать, к каким ужасным последствиям могут при-
вести завоевания разума, если ими завладеют без-
ответственные политики, преступники, безумцы. В ро-
ли таких «врагов человечества» у Герберта Уэллса
выступают марсиане. У Александра Беляева (в романе
«Прыжок в ничто», написанном в 1934 г.) в такой роли
выступает капиталист Пинч, предлагающий приме-
нить в борьбе с большевиками «лучи смерти», посылая
их со звездолета. У Алексея Толстого (в романе
«Гиперболоид инженера Гарина», 1926-1927 гг.) све-
товой луч оказывается в руках международного аван-
тюриста Гарина, возмечтавшего стать всемирным дик-
татором.
Световой луч в фантастическом романе «Гипер-
болоид инженера Гарина» очень похож на луч совре-
менного мощного лазера. Надо признать, что писатель
довольно точно описал действие такого луча, если
использовать его в качестве оружия. Вспомним, на-
пример, такую сцену из романа:
ю
«...И сейчас же на таинственном корабле, на носо-
вой башне появился луч. Он был тонок, как вя-
зальная игла, ослепительно белый, и шел из
купола башни, не расширяясь. Никому в ту минуту
не приходило в голову, что перед нами самое
страшное оружие, когда-либо выдуманное чело-
вечеством. Луч описал петлю в воздухе и упал на
носовую часть нашего пакетбота. Послышалось
ужасающее шипение, вспыхнуло зеленоватое пла-
мя разрезаемой стали. Дико закричал матрос,
стоявший на юте. Носовая надводная часть пакет-
бота обрушилась в море. Луч поднялся, задрожал
в вышине и, снова опустившись, прошел парал-
лельно над нами. С грохотом на палубу пова-
лились верхушки обеих мачт».
В романе Гарин постепенно совершенствует гипер-
болоид, все более увеличивая мощность луча. Вот
описание результатов испытания одной из первона-
чальных моделей гиперболоида:
«В дубовой доске, стоящей торчмя, были про-
деланы отверстия диаметром в десятую долю
миллиметра, будто от укола иголкой. Посредине
доски выведено большими буквами «П. П. Гарин».
Шельга повернул доску, и на обратной стороне
оказались те же навыворот буквы: каким-то не-
понятным способом трехдюймовая доска была
прожжена этой надписью насквозь.»
Таким был в воображении писателя-фантаста гиперболоид инженера
Гарина. Световые лучи от угольных пирамидок попадают на поверх-
ность гиперболического зеркала А и, отразившись от нее, фокусиру-
ются на поверхности гиперболического зеркала В, изготовленного из
фантастического тугоплавкого материала, названного шамонитом.
От зеркала В лучи отражаются в виде идеального "лучевого шнура"
Итак, разрезана доска толщиной около 8 см
(1 дюйм = 2,54 см), причем ширина реза менее милли-
метра. Отвлечемся на минуту от фантастического ро-
мана А. Толстого и обратимся к монографии «При-
менение лазеров в машиностроении и приборострое-
нии» (К. И. Крылов, В. Т. Прокопенко, А. С. Митрофа-
нов.-Л.: Машиностроение, 1978). На 140-й странице
монографии упоминается, в частности, лазерная уста-
новка на основе СО2-лазера мощностью 200 Вт. Чита-
ем: «При резке доски толщиной в 50 мм ширина реза
составляет 0,75 мм». Ну чем это не гиперболоид инже-
нера Гарина?
Существенно повысив мощность своего гипербо-
лоида, Гарин применил его для пробивания глубокой
шахты, ведущей к заветному подземному золоту. Со-
временные лазеры пока не могут пробивать шахты
и тоннели; однако проводящиеся в наши дни исследова-
ния по применению лазеров при проходке горных
пород дают вполне обнадеживающие результаты.
Впрочем, об этом мы еще поговорим позднее.
Итак, гиперболоид инженера Гарина, придуманный
А. Толстым в 20-х годах, действительно можно рас-
сматривать как прообраз лазера, созданного в 60-х
годах. Правда, имеются два существенных различия
между фантастическим гиперболоидом и реальным
лазером. Первое касается принципа действия этих
приборов. Вспомним, как описывает принцип работы
своего прибора инженер Гарин:
«Весь секрет в гиперболическом зеркале А, на-
поминающем формой зеркало обыкновенного
прожектора, и в кусочке шамонита В, сделанном
также в виде гиперболической сферы. Лучи света,
падая на внутреннюю поверхность гиперболичес-
кого зеркала, сходятся все в одной точке-в фо-
кусе гиперболы. Я помещаю в фокусе гипербо-
лического зеркала вторую гиперболу, очерчен-
ную, так сказать, навыворот-гиперболоид вра-
щения, выточенный из тугоплавкого, идеально
полирующегося минерала-шамонита; залежи его
на севере России неисчерпаемы. Что же полу-
чается с лучами? Лучи, собираясь в фокусе зерка-
ла А, падают на поверхность гиперболоида В и
отражаются от него математически параллельно,-
иными словами, гиперболоид В концентрирует
12
все лучи в один луч, или в «лучевой шнур»... Во
время первых опытов я брал источником света
несколько обычных стеариновых свечей. Я до-
водил «лучевой шнур» до толщины вязальной
спицы и легко резал им дюймовую доску. Тогда
же я понял, что вся задача-в нахождении ком-
пактных и могучих источников лучевой энергии.
За три года работы была создана вот эта угольная
пирамидка. Энергия пирамидок настолько велика,
что «лучевой шнур» способен в несколько секунд
разрезать железнодорожный мост...»
Не станем придираться к тому, что, строго говоря,
следовало использовать не гиперболоиды, а парабо-
лоиды, что таинственного минерала шамонита вообще
нет в природе и что чудодейственные угольные пира-
мидки являются всего лишь плодом фантазии писате-
ля. Главное возражение заключается в другом. По
мысли автора романа, специальная система фокуси-
ровки из двух зеркал-гиперболоидов способна сфор-
мировать «математически параллельный световой
шнур». Это неверно. Законы оптики исключают воз-
можность получения такого «шнура» за счет фоку-
сировки, сколь бы изощренной она ни была. Уже по
этой причине принцип работы гиперболоида надо
признать несостоятельным с точки зрения физики.
Принцип работы лазера совсем иной. Какой именно?
Об этом мы обстоятельно поговорим в свое время и
тогда еще раз вернемся (для сравнения) к гипербо-
лоиду Гарина.
Второе различие между лазером и гиперболоидом
связано с областью применения этих приборов. Ги-
перболоид - это орудие разрушения и порабощения; он
используется Гариным для завоевания власти. Что же
касается лазеров, то сегодня они применяются только
в мирных целях-в медицине, для обработки мате-
риалов, в системах обработки информации, в конт-
рольно-измерительной технике, в научных исследова-
ниях и т.д.
ЛИСТАЯ ГАЗЕТЫ
Первый лазер был создан
в 1960 г.-и сразу началось бурное развитие лазерной
техники. В сравнительно короткое время появились
13
разнообразные типы лазеров и лазерных устройств,
предназначенных для решения конкретных научных и
технических задач.
Возьмите несколько подшивок газет-хотя бы толь-
ко за 1985-й год. Не спеша полистайте их. И вы сами
убедитесь (а возможно, будете даже удивлены), на-
сколько глубоко вошли лазеры в нашу сегодняшнюю
действительность.
«Луч лазера в роли гравера»-так называется за-
метка, помещенная в «Московской правде» от 10
января:
«Лазеры в промышленности уже не новинка. Но
лазерная установка «Квант», управляемая микро-
компьютером, пока единственная в своем роде.
Ее луч по команде ЭВМ выводит буквы и цифры
на металле, пластмассе, стекле, словно тончай-
ший инструмент в искусных руках гравера. Новая
установка незаменима для маркировки продук-
ции... Минимальный размер шрифта, который
способен «отпечатать» лазер,-полмиллиметра, а
максимальный-до метра.
Приборы, управляющие лазерным лучом, откло-
няют его в ту или иную сторону в зависимости от
заданной программы. Изменить ее можно в ходе
работы с помощью дисплея, меняя текст на эк-
ране.»
В «Вечерней Москве» от 21 января в заметке «Лазер
в рабочей спецовке» написано о том, что в Институте
автогенного машиностроения создано устройство для
резания лазерным лучом. Это устройство названо
«Искрой». Оно предназначено для фигурного раскроя
металлических листов, а также для изготовления слож-
ных деталей из пластмасс и других материалов.
Устройство оснащено системой числового программ-
ного управления. В заметке, в частности, говорится:
«Острый лазерно-кислородный «нож» работает
с ювелирной точностью. Края разреза не оплав-
ляются. Готовые детали не требуют дополнитель-
ной обработки. Сегодня закончились испытания
опытного образца устройства. Оно получило вы-
сокую оценку специалистов. Ему предстоит тру-
14
диться в автомобилестроении, судостроении, в
других отраслях народного хозяйства.»
А вот еще одна заметка на такую же тему, посвящен-
ная другой лазерной установке («Вечерняя Москва» от
13 марта):
«Считанные минуты требуются установке «Луч»
для того, чтобы вырезать из металлического листа
с помощью лазера деталь любой конфигурации.
Воспроизвести обводы будущего изделия с вы-
сокой точностью помогает программное управ-
ление, которым оснащен этот агрегат, заменив-
ший тяжелый ручной труд нескольких рабочих
в одном из цехов ЗИЛа...»
В «Правде» от 8 февраля кратко сообщается об
использовании лазера для корректировки движения
горного комбайна (заметка «Лазер для комбайна»).
Конструкторами Копейского машиностроительного
завода имени С. М. Кирова в содружестве с учеными
создан опытный образец проходческо-очистного ком-
байна «Урал-20 КСМ», предназначенного для работы
в калийных шахтах.
«Комбайн отличается не только повышенной
мощностью, но и более совершенной системой
автоматизации, позволяющей в случае надоб-
ности управлять им дистанционно, без присутст-
вия людей в забое. Если раньше движение ком-
байна корректировалось «дедовским» способом-
по отвесам, то сейчас эту функцию выполняет луч
лазера».
В Бердянске на Азовском море принят в эксплуата-
цию мощный лазерный маяк. Он установлен на пе-
реднем створном знаке морского торгового порта. Об
этом мы читаем в заметке «Курс по лучу лазера»,
опубликованной в «Правде» от 21 марта. Обычно,
когда судно подходит к акватории порта, на борт
поднимается лоцман, чтобы вместе с капитаном по-
вести корабль к месту швартовки. Раньше так было
и в Бердянском порту. Теперь же роль лоцмана выпол-
няет лазерный луч, включаемый службой надзора:
15
«Если судно отклоняется от середины подходного
канала, лазерный пучок становится прерывистым.
В зависимости от частоты его миганий становится
ясно, какие надо внести коррективы. Мощный
лазерный излучатель позволяет проводить суда
даже при тумане, когда не видно ориентиров.
Новую установку, которая дешевле створных зна-
ков прежней конструкции и экономичнее в ра-
боте, создали ученые и специалисты Одесского
высшего инженерного морского училища.»
«Правда» от 30 мая сообщает о создании вблизи
Шатуры Научно-исследовательского центра по техно-
логическим лазерам при Академии наук СССР-сокра-
щенно НИЦТЛАН. Центр будет разрабатывать, соз-
давать и исследовать надежные, экономичные, удоб-
ные в эксплуатации технологические лазеры, т.е. ла-
зеры, предназначенные для различных операций по
обработке материалов. Будут разрабатываться также
лазерные системы в комплексе с традиционным обо-
рудованием и роботизированными центрами-это ус-
корит решение задачи создания гибко перестраива-
емых автоматизированных производств. В заметке,
озаглавленной «Центр лазеров», приводится беседа
с директором НИЦТЛАНа Г. Абельсиитовым, кото-
рый, в частности, сказал:
«Наш Центр будет способен не только разра-
ботать, но и изготовить в заводских условиях
опытно-промышленную партию лазеров, «до-
вести» их в производственных условиях и затем
передать для тиражирования в промышленность.
Кроме того, на нас возложена координация про-
водимых в стране исследований в области ла-
зерной техники и технологии для народного хо-
зяйства. Это очень сложная и многосторонняя
задача. Ведь различные технологические процес-
сы могут быть осуществлены одним и тем же
лазером. Именно универсальность и высокая
производительность лазера позволяют использо-
вать его сразу на нескольких технологических
операциях.»
Листаем подшивку «Правды» дальше и вдруг обна-
руживаем заметку с необычным интригующим назва-
16
нием «Лазер на чердаке» («Правда» от 23 июня). Речь
идет о лазере, установленном на чердаке 27-этажного
дома на Черкизовской улице в Москве и предназна-
ченном для контроля загрязнений воздуха. В этой
необычной лаборатории трудятся ученые Института
прикладной геофизики. Вот что сказал корреспонденту
газеты старший инженер А. Н. Николаев:
«Лазерный луч шестицветного спектра посылают
на отражатель, которым является зеркало, уста-
новленное на доме напротив. Прибор показывает,
что интенсивность возвратившегося света оказы-
вается различной в разное время суток. Свет
поглощают частицы двуокиси азота, основным
источником которого являются транспорт и пред-
приятия. По мере увеличения содержания дву-
окиси азота в воздухе интенсивность возвратив-
шегося света падает. Основное назначение ла-
зерной установки-контроль выбросов предприя-
тиями и другими источниками. Если показания
приборов превысят допустимые цифры, руковод-
предприятия будут предъявлены требования
сократить выбросы в атмосферу».
В «Правде» от 6 октября привлекает внимание
статья академика А.М. Прохорова «Лазеры служат
науке». Выдающийся советский ученый говорит об
использовании лазерного луча для диагностики плаз-
мы, иначе говоря, для измерения различных харак-
теристик плазмы. Этот новый перспективный метод
диагностики плазмы разработан большим коллекти-
вом советских ученых; в него вошли сотрудники Ин-
ститута общей физики АН СССР, Физического ин-
ститута имени П.Н. Лебедева АН СССР, Института
атомной энергии имени И. В. Курчатова, Института
ядерной физики Сибирского отделения АН СССР,
Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе,
Института высоких температур АН СССР и Харь-
ковского физико-технического института.
«Для реализации богатейших возможностей ла-
зера потребовалось создать специализированные
диагностические системы, использующие совре-
менные оптические элементы, электронно-опти-
ческие преобразователи и усилители света, а так-
17
же автоматизированные средства сбора и обра-
ботки данных. В результате оказалось возмож-
ным достаточно подробно изучать эволюцию вы-
сокотемпературной плазмы, время жизни кото-
рой может достигать миллиардных долей секун-
ды, а пространственные масштабы развивающих-
ся в ней процессов измеряются микрометрами.
С помощью лазерных методов диагностики были
получены отличающиеся большой достовернос-
тью данные о процессах нагрева и распада плаз-
мы, развитии в ней колебаний и волн, такие
фундаментальные характеристики плазмы, как
теплопроводность и электропроводность. Эти из-
мерения привели к обнаружению ряда новых фи-
зических явлений на плазменных установках са-
мых различных типов, расширили представления
о свойствах и поведении высокотемпературной
плазмы.»
В «Правде» от 13 декабря помещена заметка «Ла-
зеры и полиграфия». Корреспондент обращает вни-
мание читателей на то, что эффективность современ-
ного полиграфического производства повышается не-
достаточно быстро. Дело в том, что газетные полосы
и страницы книг рождаются в результате многоопера-
ционных фотохимических и фоторепродукционных
процессов, требующих значительных материальных
затрат и больших производственных площадей. При-
менение лазеров дает возможность заменить трудо-
емкие многооперационные процессы однооперацион-
ными, которые легко могут управляться с помощью
ЭВМ. В 1980 г. в СССР начат серийный выпуск ла-
зерных полиграфических установок.
«Их опытная эксплуатация показала, что время
предпечатной подготовки газеты сокращается с 8
до 5 ч, затраты на выпуск уменьшаются на 40%.
Одновременно улучшаются условия труда, эко-
номится значительное количество серебросодер-
жащей фототехнической пленки. И, пожалуй,
главное: создаются условия для широкой авто-
матизации полиграфического производства. Схе-
ма такого производства была промоделирована
во ВНИИ полиграфии на примере выпуска газет.
Выглядит она так.
18
Рукописи с помощью клавишных машин вводятся
в ЭВМ с показом текста на дисплее. При этом
задаются требуемый шрифт, кегль, ширина ко-
лонок, редактируется текст. Одновременно с по-
мощью лазерного гравировального автомата в
ЭВМ вводятся иллюстрации, которые надо раз-
местить на полосе. ЭВМ, произведя электронный
набор, выводит все материалы на большой дис-
плей электронной верстки. Оператор размещает
материалы в требуемом порядке, и готовая по-
лоса выводится на лазерный гравировальный ав-
томат, который изготавливает офсетную печат-
ную форму. Эта форма поступает на машину для
печатания тиража.
Использование автоматизированной системы по-
зволяет упростить весь редакционно-издатель-
ский процесс и открывает перспективы радикаль-
ной интенсификации полиграфического произ-
водства и повышения эффективности издатель-
ского процесса».
Сколько различных прекрасных профессий оказа-
лось у лазерного луча! Он разрезает металлические
листы, помогает корректировать движение горного
комбайна, работает в качестве маяка, контролирует
степень загрязненности атмосферного воздуха, изме-
ряет характеристики плазмы, устраивает революцию
в полиграфическом производстве... А ведь это лишь
малая толика того, что сегодня делает лазерный луч.
Перед нами «Правда» от 19 декабря. В ней опубли-
кован документ исключительной важности - Комп-
лексная программа научно-технического прогресса
стран-членов СЭВ до 2000 года. Этот документ
подписан главами Правительств Болгарии, Венгрии,
Вьетнама, ГДР, Кубы, Монголии, Польши, Румынии,
Советского Союза, Чехословакии. В числе первооче-
редных задач Программа отмечает, в частности,
«создание серии технологических лазеров и их
применение для операций резки, сварки, размер-
ной и термической обработки, раскроя.»
Читая об этом, вспоминаем газетное сообщение о
создании при АН СССР Центра по технологическим
лазерам...
19
Но что это? В «Московской правде» от 28 июня
небольшая заметка «В плену «звездных миражей».
Начинаем ее читать-и в памяти невольно оживает
Петр Петрович Гарин, как бы сошедший со страниц
фантастического романа Алексея Толстого.
«Лазерный луч, посланный с наземной станции
военно-воздушных сил на острове Мауи, про-
ткнув сотни километров околоземного простран-
ства, вонзился в зеркало, установленное на борту
космического корабля, и, отраженный от него,
устремился на перехват ракеты «противника»...
Это не фрагмент из голливудской серии «звезд-
ных войн», а иллюстрация событий реальных,
имевших место несколько дней назад в ходе
полета американского космического корабля
многоразового использования «Дискавери» по
программе «Спейс шаттл»... Среди других задач
полета важнейшей было проведение испытания
одного из возможных компонентов системы про-
тиворакетной обороны с элементами космическо-
го базирования-лазерной установки».
А вот совсем маленькое сообщение в «Правде» от 19
сентября:
«Как сообщил Пентагон, 6 сентября на ракетном
полигоне Уайт-Сэндс (штат Нью-Мексико) было
проведено первое приближенное к реальным бое-
вым условиям испытание мощной лазерной уста-
новки. Ее лучом была уничтожена находившаяся
в вертикальном наземном положении ракета «Ти-
тан-1».
Подобные сообщения вызывают глубокую тревогу.
Неужели лазерные лучи и в самом деле станут когда-
нибудь «лучами смерти»? Неужели окажутся пророчес-
кими слова писателя о «самом страшном оружии,
когда-либо выдуманном человечеством»?
Люди не должны допустить этого. Они просто не
имеют права допустить такое. В стихотворении Юлии
Друниной «Звездочка», посвященном памяти амери-
канской девочки Саманты Смит («Правда» от 6 октяб-
ря), есть прекрасные строки:
20
«Дитя Америки хотело
Земную колыбель спасти.
Дитя погибло... Но успело
Умы и души потрясти.
Пускай дрожат от взрывов звезды,
Пусть лазерный крадется меч-
Мы тоже верим, что не поздно
Безумный заговор пресечь.»
Удивительное изобретение человека XX века-ла-
зер-может и должен использоваться только на благо
людей. Не лазерный меч, а лазерный инструмент, не
совершенное оружие, а универсальный помощник,
мирный труженик! Сегодня лазер именно таков. Таким
он и должен остаться навсегда.
Давайте же познакомимся с ним поближе.
ГЛАВА ПЕРВАЯ. ЛАЗЕРЫ ВОКРУГ НАС
"Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?
Что было^бы? Пришла бы снова
Хаоса мрачная пора.
Лучам приветственное слово! .
Адам Мицкевич
ЭТОТ УДИВИТЕЛЬНЫЙ
ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ
Человек никогда не хотел
жить в темноте; он изобрел много разнообразных
источников света -от канувших в прошлое стеарино-
вых свечей, газовых рожков и керосиновых ламп до
ламп накаливания и ламп дневного света, которые
сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился
еще один источник света-лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отли-
чие от всех других источников, он вовсе не предназна-
чается для освещения. Конечно, при желании лазеры
могут применяться в качестве экстравагантных све-
тильников. Однако использовать лазерный луч в целях
освещения столь же нерационально, как отапливать
комнату сжигаемыми в камине ассигнациями. В отли-
чие от других источников света, лазер генерирует
световые лучи, способные гравировать, сваривать, ре-
зать материалы, передавать информацию, осуществ-
лять измерения, контролировать процессы, получать
особо чистые вещества, направлять химические реак-
ции. .. Так что это поистине удивительные лучи.
В чем же причина удивительных свойств лазерного
луча? Для объяснения этих свойств в научном языке
есть специальный термин -когерентность. Ученые ска-
жут, что свет от лампы накаливания некогерентен,
а лазерное излучение когерентно-и всё им понятно.
Человеку же, недостаточно просвещенному в области
физики, надо, очевидно, пояснить, что такое некоге-
рентный или когерентный свет.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы
несложно. Вполне понятно, что поток света, распрост-
раняющийся от любого источника, есть суммарный
результат высвечивания великого множества элемен-
тарных излучателей, каковыми являются отдельные
атомы или молекулы светящегося тела. В случае лам-
пы накаливания каждый атом-излучатель высвечивает-
ся, никак не согласуясь с другими атомами-излучателя-
ми, поэтому в целом получается световой поток, кото-
рый можно назвать внутренне неупорядоченным, хао-
тическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же
гигантское количество атомов-излучателей высвечива-
ется согласованно-в результате возникает внутренне
24
упорядоченный световой поток. Это есть когерентный
свет.
Подозреваем, что подобное пояснение не удовлет-
ворит нашего читателя. Скорее всего, у него появятся
новые вопросы. В чем состоит взаимное согласование
высвечиваний разных атомов? Почему согласование
есть в лазере и почему его нет в лампе накаливания?
Что это такое-внутренне упорядоченный или неупоря-
доченный световой поток?
Так обычно и бывает: ответ на один вопрос порож-
дает несколько новых вопросов. Когда мы говорим:
атомы высвечиваются взаимно согласованно, то под-
разумеваем, что испущенные разными атомами волно-
вые цуги (вместо волновых цугов можно рассматри-
вать фотоны) согласованы друг с другом по фазе,
имеют одинаковую частоту и одинаковое направление
движения. Сразу оговоримся: в жизни не бывает
идеального (полного) согласования-всегда есть ка-
кой-то разброс по фазам, частотам, направлениям
(просто в лазере этот разброс очень мал, а в лампе
накаливания велик). Ответ на второй из вопросов,
появившихся у читателя, мы дадим во второй части
книги. Третий вопрос сводится, по сути дела, к вопросу
о том, как выглядят когерентный и некогерентный
световые пучки, чем они отличаются друг от друга.
Здесь хотелось бы привести следующее образное заме-
чание, принадлежащее академику АПН СССР
В. А. Фабриканту:
25
«В раскаленной нити лампы накаливания, в ярком
светящемся шнуре ртутной лампы царит полный
хаос. То здесь, то там вспыхивают возбужденные
атомы, испускающие цуги световых волн. Эти
вспышки отдельных атомов никак не согласованы
между собой. Свечение таких источников напоми-
нает гул неорганизованной, чем-то возбужденной
толпы. Совсем иная картина в лазере. Здесь все
похоже на стройный хор-сначала вступают одни
хористы, затем другие, и сила звучания могуче
нарастает. Хор грандиозен по числу участников,
как это бывает на праздниках песни в Прибалтике.
Расстояния между отдельными группами хорис-
тов настолько велики, что слова песни долетают
с заметным запозданием от одной группы к дру-
гой. Дирижера нет, но это не мешает стройности
общего звучания, так как хористы сами подхваты-
вают песню в нужные моменты. То же происходит
с атомами лазера. Цуги волн, испускаемые от-
дельными атомами, согласованы друг с другом.
Каждый возбужденный атом начинает свою «пес-
ню» в унисон с дошедшей до него «песней» друго-
го атома. Вот это и есть когерентность.»
Добавим, что внутренне упорядоченный, иными
словами, когерентный световой пучок отличается, во-
первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых,
исключительно малой расходимостью. Это понятно,
поскольку разные атомы при взаимной согласованнос-
ти испускают волновые цуги одинаковой (точнее гово-
ря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти
одинакового) направления движения.
Идеально монохроматический свет-свет строго
определенной частоты - есть, конечно, идеализация; он
встречается лишь на страницах учебников. Любой
реальный световой пучок характеризуется некоторым
разбросом частот Av. Пусть v-среднее значение часто-
ты пучка. Ясно, что чем меньше отношение Av/v, тем
выше степень монохроматичности света. У лазерных
лучей Av/v = 10"6-10"8; за счет специальных мер мож-
но получить Av/v « 10"10. Практически это излучение
вполне можно рассматривать как излучение одночас-
тотное.
Высокая степень когерентш сти лазерного луча
проявляется также в его крайне ь алой расходимости.
26
Угол расходимости луча может быть доведен до наи-
меньшего возможного значения; оно определяется
дифракцией света и равно отношению длины световой
волны к диаметру пучка. Длина волны измеряется
микрометрами, а диаметр светового пучка миллимет-
рами; значит, указанный угол расходимости порядка
10“ 3 рад, что соответствует примерно угловой минуте.
Если пучок некогерентен, его невозможно хорошо
сфокусировать. Мешает как немонохроматичность та-
кого пучка, так и его большая расходимость. Иное
дело когерентный пучок. Конечно, даже его нельзя
сфокусировать в точку. Но можно сфокусировать в
пятнышко диаметром порядка длины световой волны,
т. е. порядка 1-10 мкм.
Когерентные лазерные пучки позволяют осуществ-
лять очень сильную концентрацию световой энергии в
пространстве. Существуют мощные лазеры (например,
СО2-лазеры), непрерывно генерирующие излучение
мощностью порядка 1 кВт и даже больше. Допустим,
что луч СО2-лазера мощностью 1 кВт имеет диаметр
1 мм. Легко подсчитать, что интенсивность такого
пучка составляет 105 Вт/см2. Этой интенсивности до-
статочно, чтобы плавить многие металлы. Фокусируя
лазерный луч, можно еще сильнее увеличить его интен-
сивность. При фокусировке в пятно диаметром, ска-
жем, 30 мкм получим интенсивность порядка 1О10
Вт/см2. Этого достаточно, чтобы не только плавить,
но и испарять любые материалы. Для сравнения заме-
тим, что среднее значение интенсивности солнечного
света вблизи земной поверхности составляет всего
0,1 Вт/см2.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно
представляем себе яркий и тонкий световой шнур или
световую нить. Помните в «Гиперболоиде инженера
Гарина»: «Он был тонок, как вязальная игла, ослепи-
тельно белый, и шел из купола башни, не расширяясь».
Нечто подобное можно увидеть в действительности,
если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот
лазер маломощный-настолько, что его луч можно
спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепи-
тельно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он
был лучше виден, надо создать в лаборатории полу-
мрак и легкую задымленность. Луч почти не расши-
ряется и везде имеет практически одинаковую интен-
сивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и
27
заставить его описать сложную изломанную траекто-
рию в пространстве лаборатории. В результате возник-
нет эффектное зрелище - комната, как бы «перечеркну-
тая» в разных направлениях яркими красными прямы-
ми нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь
эффектно. Например, луч СО2-лазера вообще неви-
дим-ведь его длина волны попадает в инфракрасную
область спектра. Кроме того, не следует думать, что
лазерный луч-это обязательно непрерывный поток све-
товой энергии. В большинстве случаев лазеры генери-
руют не непрерывный световой пучок, а световые
импульсы.
Вот, например, лазер на рубине. Чтобы он начал
генерировать, надо включить устройство возбуждения
(его называют устройством накачки)-газоразрядную
лампу, дающую яркие световые вспышки. Вспышки
следуют друг за другом с интервалами, которые изме-
ряются долями секунды, но могут составлять секунды
и даже минуты. Длительность вспышки порядка мил-
лисекунды. Каждая вспышка приводит к рождению
импульса лазерного излучения, имеющего примерно
такую же длительность. При этом энергия лазерного
импульса составляет 1-100 Дж, а максимальная мощ-
ность 103-105 Вт.
Мощность лазерного импульса можно значительно
повысить за счет уменьшения его длительности. При-
нимая специальные меры, получают так называемые
гигантские лазерные импульсы. Они имеют длитель-
ность порядка 10 8 с; их мощность достигает 108 Вт.
Можно сделать и так, что вместо гигантского импуль-
са будет испускаться регулярная последовательность
сверхкоротких импульсов длительностью всего 10“12 с,
имеющих мощность до 1012 Вт; импульсы следуют
друг за другом с интервалом порядка 10“9 с. Попро-
буйте представить себе, на что похож такой лазерный
луч. Лазер как бы «стреляет» следующими одна за
другой короткими «пулеметными очередями». Каж-
дый отдельный выстрел в такой «очереди»-это свето-
вой импульс. Помножив его длительность (10“12 с) на
скорость света (3 • 108 м/с), получим расстояние 0,3 мм.
Это расстояние примерно в десять раз меньше ширины
светового луча. Получается, что лазер «стреляет» в
данном случае этакими «световыми лепешками». Что
касается световой мощности каждой «лепешки», то она
28
в сотни раз превышает мощность знаменитой Крас-
ноярской ГЭС. Вот каким необычным может оказать-
ся лазерный луч!
Заметим, что даже при непрерывном возбуждении
лазера его луч часто представляет собой не непрерыв-
ный световой пучок, а последовательность световых
импульсов. Характерная частота следования импуль-
сов составляет обычно 1-10 кГц (до десяти тысяч
импульсов в секунду). Длительность отдельного им-
пульса 10"7-10-6 с, а максимальная мощность
104-105 Вт.
Современная лазерная техника позволяет регулиро-
вать длительность, энергию и даже форму лазерных
импульсов. Регулируется и частота следования им-
пульсов; это очень важно, так как от частоты следова-
ния импульсов существенно зависит средняя мощность
лазерного излучения. О том, как управляют лазерны-
ми импульсами, будет рассказано позднее.
ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ В РОЛИ
СВЕРЛА
Сверление отверстий в ча-
совых камнях-с этого начиналась трудовая деятель-
ность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые
используются в часах в качестве подшипников сколь-
жения. При изготовлении таких подшипников требует-
ся высверлить в рубине - материале весьма твердом
и в то же время хрупком-отверстия диаметром всего
0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция
выполнялась обычным механическим способом с ис-
пользованием сверл, изготовленных из тонкой рояль-
ной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло
делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно
совершало при этом около ста возвратно-поступатель-
ных перемещений. Для сверления одного камня требо-
валось до 10-15 мин.
Начиная с 1964 г. малопроизводительное механи-
ческое сверление часовых камней стало повсеместно
заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «ла-
зерное сверление» не надо понимать буквально; лазер-
ный луч не сверлит отверстие-он его пробивает, вызы-
вая интенсивное испарение материала. В настоящее
время лазерное сверление часовых камней является
обычным делом. Для этой цели применяются, в част-
29
ности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в
камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается
серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих
энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазер-
ной установки в автоматическом режиме-камень в
секунду. Это в тысячу раз выше производительности
механического сверления!
Вскоре после своего появления на свет лазер полу-
чил следующее задание, с которым справился столь же
успешно,-сверление (пробивание) отверстий в алмаз-
ных фильерах. Возможно, не все знают, что для полу-
чения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольф-
рама используется технология протягивания металла
сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие
отверстия высверливают в материалах, обладающих
особо высокой твердостью,-ведь в процессе протяги-
вания проволоки диаметр отверстия должен сохра-
няться неизменным. Наиболее тверд, как известно,
алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую про-
волоку сквозь отверстие в алмазе-сквозь так называе-
мые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных
фильер удается получать сверхтонкую проволоку,
имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить
тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как
алмаз? Механически это сделать очень трудно-для
механического сверления одного отверстия в алмазной
фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказа-
лось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из
нескольких мощных лазерных импульсов.
Сегодня лазерное сверление широко применяется
не только для особо твердых материалов, но и для
материалов, отличающихся повышенной хрупкостью.
Лазерное сверло оказалось не только мощным, но
и весьма деликатным «инструментом». В качестве
примера расскажем о проблеме сверления отверстий в
подложках микросхем, изготавливаемых из глинозем-
ной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой
причине механическое сверление отверстий в подложке
микросхемы производили, как правило, на «сыром»
материале. Обжигали керамику уже после сверления.
При этом происходила некоторая деформация изде-
лия, искажалось взаимное расположение высверлен-
ных отверстий. Проблема была решена с появлением
лазерных сверл. Используя их, можно работать с
керамическими подложками, которые уже прошли об-
30
Так выглядит в разрезе от-
верстие в алмазной фильере.
Лазерными импульсами про-
бивают черновой канал в ал-
мазной заготовке. Затем, об-
рабатывая канал ультразву-
ком, шлифуя и полируя,
придают ему необходимый
профиль. Проволока, полу-
чаемая при протягивании че-
рез фильеру, имеет диа-
метр d
Эти аккуратные отверстия
диаметром 0,3 мм пробиты в
пластинке из глиноземной
керамики толщиной 0,7 мм
с помощью СО2-лазера
жиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень
тонкие отверстия-диаметром всего 10 мкм. Заметим,
что механическим сверлением такие отверстия полу-
чить нельзя.
То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не
вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не
оказалось достойных конкурентов, особенно когда
речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких
отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень
хрупких или очень твердых материалах. Прошло срав-
нительно немного времени и стало ясно, что лазерный
31
луч может успешно применяться не только для сверле-
ния, но и для многих других операций по обработке
материалов. Так что сегодня мы можем говорить о
возникновении и развитии новой технологии - лазер-
ной.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ
Видный советский уче-
ный, один из основателей квантовой электроники,
академик Н.Г. Басов писал в 1982 г.:
«История техники свидетельствует о том, что мас-
совое внедрение новых технологических процес-
сов всегда оказывало революционизирующее
воздействие на промышленность. Так было при
появлении методов скоростного резания, холод-
ной штамповки, точного литья, электродуговой
сварки-перечень примеров легко продолжить. В
настоящее время промышленная технология во
всем мире, по-видимому, находится в преддверии
нового качественного скачка, обусловленного
широким внедрением лазеров.»
Современная лазерная технология включает, наря-
ду с пробиванием отверстий, также резание материа-
лов, сварку, различные виды термообработки, скрай-
бирование, маркировку и ряд других процессов обра-
ботки материалов. Лазерный луч оказался в полном
смысле слова «мастером на все руки». Впечатляет
исключительное разнообразие не только процессов
обработки, но и обрабатываемых материалов. Лазер-
ным лучом можно обрабатывать практически любой
материал.
Лазерная резка. Лазерным лучом можно резать
решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину,
пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы
металла. При этом можно получать аккуратные разре-
зы по сложным профилям. При резке возгорающихся
материалов место разреза обдувают струей инертного
газа; в результате получается гладкий, необожженный
край среза. Для резки обычно используют непрерывно
генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения
зависит от материала и толщины заготовки. Напри-
32
мер, для резки досок толщиной 5 см применялся СО2-
лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла
всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.
Для резки металлов нужны лазеры мощностью в
несколько киловатт. Требуемую мощность можно сни-
зить, применяя метод газолазерной резки -когда одно-
временно с лазерным лучом на разрезаемую поверх-
ность направляется сильная струя кислорода. При
горении металла в кислородной струе (за счет происхо-
дящих в этой струе реакций окисления металла) выде-
ляется значительная энергия; в результате может ие-
на рисунке изображен про-
цесс вырезания квадратных
отверстий в листе нержавею-
щей стали толщиной 0,5 мм
с помощью СО2-лазера. Мощ-
ность лазера 200 Вт. Скорость
резания примерно 2 м/мин.
Если длина стороны одного
отверстия равна 10 мм, то за
1 мин лазерный луч может
вырезать (при условии, что
им управляет ЭВМ) до пяти-
десяти отверстий
При газолазерной резке ла-
зерный луч работает сов-
местно с сильной струей кис-
лорода. Место разреза под-
вергается одновременно
воздействию сфокусирован-
ного лазерного луча и кисло-
родной струи
34
пользоваться лазерное излучение мощностью всего
100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и
уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгора-
ния металла.
Продемонстрируем применение лазерной резки
двумя примерами, взятыми из совершенно разных
областей народного хозяйства. Первый пример-ла-
зерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка
включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фоку-
сировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устрой-
ство для натяжения и перемещения ткани. В процессе
раскроя луч перемещается по поверхности ткани со
скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светово-
го пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой
ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, напри-
мер, в течение часа раскроить материал для 50 костю-
мов. Раскрой выполняется не только быстро, но и
весьма точно; при этом края разреза оказываются
гладкими и упрочненными. Второй пример - автомати-
зированное разрезание листов алюминия, стали, тита-
на в авиационной промышленности. Так, СО2-лазер
мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной
5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную
струю, получают примерно тот же результат при
мощности излучения 100-300 Вт.
Лазерная сварка. В развитии лазерной сварки выде-
ляют два этапа. Вначале развивалась точечная свар-
ка-на основе импульсных лазеров на рубине и на
стекле с неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-
ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непре-
рывное излучение или последовательность часто пов-
торяющихся импульсов, стала развиваться шовная
сварка.
Примеры точечной лазерной сварки: соединение
никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава
на основании транзистора, приваривание тонких мед-
ных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное
соединение микроэлектронных компонентов. Шовная
лазерная сварка непрерывным излучением мощностью
около 100 Вт применяется для герметизации корпусов
приборов, приваривания наконечников к лопастям га-
зовых турбин и кромок из закаленной стали к полот-
нам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловатт-
ных лазеров производят автоматизированную шовную
сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб
35
газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла
используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки
кварца - мощностью до 300 Вт.
Лазерная сварка успешно конкурирует с известны-
ми способами сварки, например с электродуговой и
сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми
преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со
свариваемым образцом, а значит, нет опасности за-
грязнения его какими-либо примесями. В отличие от
электронно-лучевой сварки, для которой нужен ва-
куум, лазерная сварка производится в обычных усло-
виях. Она позволяет производить быстро и с высокой
точностью проплавление локально: в данной точке или
вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому
воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно,
в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в
непосредственной близости от элементов, чувствитель-
ных к нагреву. Сопоставим данные электродуговой и
лазерной сварок одного погонного метра стального
листа толщиной 20 мм (эти данные получены в Лабо-
ратории лазерной обработки Автозавода имени
И. А. Лихачева). Скорость электродуговой сварки со-
ставила 15 м/ч, тогда как лазерная сварка характеризу-
ется скоростью 100 м/ч. При этом для получения
прочного шва при электродуговой сварке необходимо
выполнить 5-8 проходов, а при лазерной сварке доста-
точно всего одного прохода. Ширина шва при электро-
дуговой сварке 20 мм. Лазерная сварка дает более
аккуратный шов шириной всего 5 мм.
В качестве примера отметим лазерную сварку кар-
данных валов автомобилей на Автозаводе имени
И. А. Лихачева в Москве. Сварку осуществляют СО2-
лазером мощностью 5 кВт. Благодаря применению
лазерной сварки срок службы валов повысился в три
раза. Приведем отрывок из статьи «Лазеры на Авто-
ЗИЛе», опубликованной в журнале «Химия и жизнь»
(№ 7, 1982 г.):
«Одно из самых уязвимых мест карданной пере-
дачи-место сварки трубы с вилкой. И дело даже
не в прочности сварного шва. Операция электро-
дуговой сварки занимает не больше полутора
минут. Но за такое время детали успевают сильно
нагреться, вилка деформируется. Всего на деся-
тые доли миллиметра, но этого достаточно, чтобы
36
в новой карданной передаче был заложен порок,
приводящий к преждевременному износу Через
50-60 тысяч километров пробега начинается хо-
рошо знакомое водителям биение и постукива-
ние-кардан выходит из строя, не пройдя и трети
срока до капитального ремонта автомобиля.
Лазерная сварка позволит увеличить срок службы
карданной передачи. Почему? Потому что более
чем вдвое уменьшается площадь сварного шва, в
несколько раз-время сварки. Детали не успевают
нагреться, значит, и не деформируются.»
На рисунке справа вилка карданной передачи, сваренная обычной
электродуговой сваркой. Слева такая же вилка, сваренная лазерным
лучом. Даже невооруженным глазом видно более высокое качество
лазерной сварки
37
С помощью лазерного луча
можно производить сварку
через стеклянную перегород-
ку. В частности, можно сва-
ривать детали в камере, за-
полненной инертным газом.
Сварка в атмосфере инерт-
ного газа может представ-
лять особый интерес, так
как в этом случае исключа-
ются реакции окисления
Допустим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария—
перегорел или оборвался какой-то провод, нарушился контакт. Труб-
ка вышла из строя. Казалось бы, беда непоправима — ведь поломка
произошла внутри стеклянного баллона, в вакууме. Однако можно
воспользоваться лазерным лучом. Направляя его в нужную точку
сквозь стекло баллона и должным образом фокусируя, можно вы-
полнить необходимый сварочный ремонт
Термообработка. Когда лазерный луч падает на
поверхность металла, происходит быстрое нагревание
тонкого приповерхностного слоя именно в том месте,
куда нацелен луч. Луч переместился - и тотчас про-
38
изошло остывание нагретого участка. Это используют
для закалки поверхностных слоев, приводящей к суще-
ственному повышению их прочности. Лазерная закал-
ка позволяет избирательно увеличивать прочность
именно тех участков поверхности и тех деталей, кото-
рые в наибольшей мере подвергаются износу. Так.
лазерную закалку применяют в автомобилестроении:
для упрочнения головок цилиндров двигателей, на-
правляющих клапанов, шестерен, распределительных
валов и т. д. На Московском автозаводе имени Ленин-
ского комсомола производится поверхностная закалка
корпуса заднего моста автомобиля «Москвич» с по-
мощью СО2-лазера. На АвтоЗИЛе лазерная закалка
применяется для упрочнения головки блока цилинд-
ров.
Для повышения твердости поверхности применяют
лазерное легирование. Соответствующие присадки в
виде порошка предварительно наносят на обрабатыва-
емую поверхность. При облучении лазером происхо-
дит плавление и проникновение порошка присадок в
материал детали в пределах тонкого приповерхностно-
го слоя. Термообработку обычно проводят непрерыв-
но генерирующим СО2-лазером мощностью порядка
1 кВт.
Размерная обработка в микроэлектронике. В настоя-
щее время лазерный луч всё чаще используют для
точной подгонки параметров тонкопленочных схем и
для изготовления отдельных элементов схемы. С по-
мощью лазера можно изготовить пленочную схему-
со всеми входящими в нее резисторами, конденсатора-
ми, индуктивностями. Применяя лазерный луч, можно
изготовить фотошаблон для напыления компонентов
микросхемы на подложку. Во всех этих случаях произ-
водится испарение материала под действием мощного
лазерного излучения.
Предположим, что на диэлектрическую подложку
микросхемы нанесена напылением тонкая металличес-
кая пленка. Перемещая вдоль поверхности пленки
сфокусированное на нее лазерное пятно, испаряют
определенные участки пленки и тем самым создают
нужный «рисунок» схемы. Приведем пример конкрет-
ной лазерной установки на основе лазера на гранате с
неодимом. Лазер генерировал последовательность им-
пульсов с частотой 400 импульсов ежесекундно. Дли-
тельность отдельного импульса составляла 10“7 с,
39
мощность в максимуме 1 кВт. Лазерный луч фокуси-
ровали в пятно диаметром 10 мкм. При перемещении
луча (со скоростью 2 мм/с) происходило испарение
узкой полоски металлической пленки; в результате на
поверхности подложки возникали участки, практичес-
ки полностью очищенные от металла.
Другие процессы обработки. Всем знакомы алмаз-
ные резцы, применяемые для резания оконного стекла.
Такое использование алмазных резцов - пример про-
цесса обработки, называемого скрайбированием. Этот
процесс заключается в нанесении на поверхности хруп-
кого материала канавки или пробивании последова-
тельности близко расположенных отверстий, после
чего материал можно легко надломить и расколоть
вдоль соответствующей линии. Сегодня достаточно
широко применяется лазерное скрайбирование с ис-
пользованием СО2-лазеров, работающих в непрерыв-
ном режиме или режиме быстро повторяющихся им-
пульсов.
После того как деталь или изделие изготовлены, на
них наносят штамп (клеймо) с информацией, каса-
ющейся характеристик изделия, времени и места его
изготовления. Эта операция называется маркировкой.
С ней хорошо справляется лазерный луч. Практически
он оказывается незаменимым при маркировке изде-
лий, отличающихся хрупкостью или имеющих малые
размеры, а также в тех случаях, когда требуется
высокая скорость маркировки.
Отметим также лазерную зачистку проводов. Излу-
чение СО2-лазера хорошо поглощается изоляцией про-
вода и отражается от металлической поверхности; в
результате изоляция испаряется и остается чистый
провод. Достигается прекрасная чистота поверхности
без какого-либо вредного воздействия на сам провод
(не образуются «задиры», не происходит обрыв тонко-
го провода).
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ -
ТЕХНОЛОГИЯ XXI ВЕКА
Лазерная технология сде-
лала пока только первые шаги. Но, надо признать,
шаги эти весьма впечатляющи. Это шаги ребенка,
которому суждено стать гигантом. Можно не сомне-
ваться, что лазерная технология будет занимать пере-
40
довые позиции в промышленном производстве XXI
века.
В одной из статей, посвященных лазерной техноло-
гии, академик Н. Г. Басов пишет:
«Лазерный луч-это уникальный тепловой источ-
ник, способный нагреть облучаемый участок дета-
ли за столь малое время, в течение которого
тепло не успевает «растекаться». Нагреваемый
участок может быть при этом размягчен, рекри-
сталлизован, расплавлен, наконец его можно ис-
парить. Дозируя тепловые нагрузки путем регули-
ровки мощности и продолжительности лазерного
облучения, можно обеспечить практически любой
температурный режим и реализовать различные
виды обработки.»
Итак, попробуем сухо и строго перечислить основ- .
ные преимущества лазерной обработки материалов,,
все то, что и определяет ее перспективность. Получит-
ся следующий довольно внушительный перечень.
1. Разнообразие возможных операций обработки и
обрабатываемых материалов. Следует отметить, что
лазерным лучом можно выполнять и такие операции,
которые вообще нельзя или очень трудно выполнить
механически.
2. Высокая скорость выполнения операций.
3. Возможность полной автоматизации операций
и, как следствие, существенное повышение производи-
тельности труда. Следует подчеркнуть, что лазерный
луч, как никакой другой инструмент, прекрасно сочле-
няется с ЭВМ и промышленными роботами. Нетрудно
предсказать, как в общих чертах будет выглядеть
производство XXI века. Практически все производст-
венные процессы будут управляться с помощью ЭВМ,
а сами процессы будут выполнять промышленные
роботы, использующие различные инструменты и
прежде всего лазерный луч.
4. Высокое качество обработки: прочность сварных
швов, гладкость срезов, отсутствие загрязнений обра-
батываемой поверхности и т. д.
5. Возможность высокоточной прецизионной обра-
ботки. Имеются в виду такие ювелирные операции, как
размерная обработка микросхем, микросварка, проби-
вание тончайших отверстий и т. д.
41
6. Избирательность воздействия-когда обрабаты-
ваются лишь строго определенные участки поверхнос-
ти, а соседние участки не подвергаются при этом
каким-либо воздействиям. В этом проявляется исклю-
чительная «деликатность» лазерного луча. Во всякий
момент времени он воздействует лишь на определен-
ный участок, имеющий микроскопические размеры.
7. Возможность осуществления дистанционной об-
работки того или иного изделия. Например, лазерным
лучом можно производить сварку через стеклянную
перегородку, скажем, внутри вакуумного баллона.
Молодым читателям этой книги предстоит активно
трудиться в XXI веке. Они будут свидетелями (а
некоторые и участниками) процесса широчайшего про-
никновения лазерной технологии в самые различные
отрасли промышленности. Можно не сомневаться, что
лазеры решительным образом изменят весь облик
обрабатывающей промышленности. Но этим дело не
ограничится. Заняв прочные позиции в обработке ма-
териалов, лазерная технология распространится затем
на производство материалов. Получат дальнейшее раз-
витие лазерные методы разделения изотопов, получе-
ния особо чистых веществ; возникнет лазерная метал-
лургия.
Мысленно заглянем в завтрашний день. Не только
на обрабатывающих предприятиях, но буквально везде
мы встречаемся с удивительным тружеником - мощ-
ным лазерным лучом. Он легко и быстро очищает
поверхность зданий от грязи, вытесняя старомодный
пескоструйный способ очистки, точно и виртуозно
обрабатывает образцы природных камней, разрушает
твердые породы, помогая прокладывать тоннели в
горах, рыть глубокие шахты...
Стоп! Может быть, проходка горных пород с по-
мощью лазерного луча-чистая фантазия? Неужели и
впрямь можно реализовать эту дерзкую идею, родив-
шуюся в голове писателя-фантаста в начале нашего
столетия? Откроем журнал Академии наук СССР
«Квантовая электроника» (1975, т. 2, № 1, с. 37).
«...Кратковременное предварительное облучение
горных пород излучением С02-лазеров, работаю-
щих в непрерывном режиме с плотностью мощ-
ности 102—105 Вт/см2, снижает прочность горных
пород в 1,5-10 раз и резко увеличивает скорость
42
проходки скальных участков обычными методами
механического разрушения. В связи с этим иссле-
дование воздействия лазерного излучения на ми-
нералы группы кварца, являющиеся одними из
основных компонентов горных пород (гранитов,
песчаников, кварцитов и др.), поможет выясне-
нию специфических особенностей механизма
разрушения горных пород и будет способствовать
более эффективному использованию лазеров в
горном деле.»
Эксперименты с мощным СО2-лазером, выполненные
в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова,
показали, что энергоемкость разрушения образцов
кварцита, альбинита, гранита, мрамора составляет
100 Дж/см3. Уже сегодня имеются непрерывно генери-
рующие лазеры мощностью до 100 кВт. Нетрудно
подсчитать, что луч такого лазера способен разрушить
кубометр горной породы примерно за 20 мин. Кто
знает, какими будут сверхмощные лазеры завтрашнего
дня? Вполне возможно, что эти лазеры сделают реаль-
ной высокопроизводительную проходку горных пород
световым лучом.
Но вернемся из завтрашнего дня в день нынешний.
Пока еще предстоит немало потрудиться для того,
чтобы лазерная технология действительно заняла то
место, на которое она претендует. А для этого надо
преодолеть ряд «узких мест». Главными из них явля-
ются следующие: сравнительно низкий коэффициент
полезного действия лазеров, всё еще недостаточная
надежность мощных лазеров, высокая стоимость ла-
зерных установок. Темпы дальнейшего развития ла-
зерной технологии будут в значительной степени зави-
сеть от того, как быстро удастся преодолеть эти «узкие
места».
ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ В РОЛИ
ХИРУРГИЧЕСКОГО
СКАЛЬПЕЛЯ
Представьте себе опера-
ционную, где рядом с операционным столом находит-
ся СО2-лазер мощностью в несколько десятков ватт.
Излучение лазера поступает в шарнирный световод-
43
систему полых раздвигающихся трубок, внутри кото-
рых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По
световоду излучение попадает в выходную трубку,
которую держит в своей руке хирург. Он может пере-
мещать ее в пространстве, свободно поворачивая в
разных направлениях и тем самым посылая лазерный
луч в нужное место. На конце выходной трубки есть
маленькая указка; она служит для наведения луча-
ведь сам луч, напомним, невидим. Луч фокусируется
в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от
конца указки. Это и есть лазерный хирургический скаль-
пель.
В фокусе лазерного луча концентрируется энергия,
достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испа-
рить биологическую ткань. Перемещая «лазерный
скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отли-
чается виртуозностью: вот он почти неуловимым дви-
жением руки приблизил конец указки к рассекаемой
ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше;
указка быстро и равномерно перемещается вдоль ли-
Так выглядит серийно вы-
пускаемая в СССР лазерная
хирургическая установка
"Скальпель-1". Внутри кор-
пуса установки находится
СО2-лазер мощностью 20 Вт.
По световоду, состоящему
из нескольких зеркал, лазер-
ный луч через рукоятку под-
водится к операционному
полю. Шарнирные соедине-
ния световода позволяют пе-
ремещать рукоятку в трех
измерениях
45
Лазерный скальпель в руке
хирурга. Хорошо видна ма-
ленькая указка на конце
выходной трубки. Условно
показан выходящий из труб-
ки лазерный пучок (в дей-
ствительности он невидим)
нии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется.
Глубина разреза зависит от скорости резания и от
степени кровенаполнения ткани. В среднем она состав-
ляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не
в один, а в несколько приемов, рассекая как бы
послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный
скальпель не только рассекает ткани, но может также
сшивать края разреза, иными словами, может произво-
дить биологическую сварку.
Рассечение производят сфокусированным излучени-
ем (хирург должен держать выходную трубку на таком
расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокуси-
руются лучи, оказалась на поверхности ткани). При
мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусирован-
ного светового пятна 1 мм достигается интенсивность
(плотность мощности) 2,5 кВт/см2. Излучение прони-
кает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно,
объемная плотность мощности, идущая на нагрев
ткани, достигает 500 кВт/см3. Для биологических тка-
ней это очень много. Происходит их быстрое разогре-
вание и испарение-налицо эффект рассечения ткани
лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для
чего достаточно немного отодвинуть конец выходной
трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить
интенсивность, скажем, до 25 Вт/см2, то ткань испа-
ряться не будет, а будет происходить поверхностная
коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и
46
используют для сшивания разрезанной ткани. Биоло-
гическая сварка осуществляется за счет коагуляции
жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках опери-
руемого органа и специально выдавливаемой в проме-
жуток между соединяемыми участками ткани.
Лазерный скальпель - удивительный инструмент. У
него есть много несомненных достоинств. Одно из них
мы уже указали - возможность выполнения не только
рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие
достоинства.
Лазерный луч делает относительно бескровный
разрез, так как одновременно с рассечением ткани
коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на
пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды
должны быть не слишком крупными; крупные сосуды
необходимо предварительно перекрыть специальными
зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч
позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый учас-
ток. Заметим, что лезвие обычного скальпеля всегда в
какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле.
Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не
оказывая на нее механического давления. В отличие от
операции обычным скальпелем, хирург в данном слу-
чае может не придерживать ткань рукой или инстру-
ментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолют-
ную стерильность - ведь с тканью взаимодействует
здесь только излучение. Луч лазера действует локаль-
но; испарение ткани происходит только в точке фокуса.
Прилегающие участки ткани повреждаются при этом
значительно меньше, чем при использовании обычного
скальпеля. Как показала клиническая практика, рана
от лазерного скальпеля относительно быстро заживля-
ется.
Практическое использование лазеров в хирургии
началось в СССР в 1966 г. в Институте хирургии
имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был
успешно применен в операциях на внутренних органах
грудной и брюшной полостей.
В 1981 г. издательство «Медицина» выпустило в
свет монографию «Лазеры в клинической медицине».
Это труд большого коллектива советских ученых. На
150-й странице можно найти описание результатов
операций, выполненных в 1970 г. под руководством
профессора С. Д. Плетнева. Приведем это описание
как один из конкретных примеров, показывающих, что
47
применение лазерного скальпеля в медицинской прак-
тике становится обычным делом:
«С помощью СО2-лазера выполнили 13 различ-
ных вмешательств на желудке и кишечнике (раз-
рез, резекция). Для разрезов тонкой и толстой
кишок при выходной мощности лазера 9-11 Вт
достаточно было провести лучом один, реже два
раза (для толстой кишки), а для желудка два-три
раза. Стенка кишки лучом лазера рассекалась
легко, края разреза были ровными и сухими,
покрыты пленкой коричневого цвета. Кровотече-
ния из стенок кишки ни разу не отмечалось.
Стенка желудка также легко рассекалась лучом
лазера. Никаких осложнений, связанных с приме-
нением лазера, не наблюдалось. Заживление раз-
резов стенки желудка и кишечника заканчивалось
к 25-30-м суткам с образованием ровных беле-
соватых рубцов, мало отличимых от окружающих
тканей.»
Несколько лет назад в Москве состоялось открытие
Института лазерной хирургии. Об этом сообщила
газета «Вечерняя Москва» 29 апреля 1986 г. Директор
нового института профессор О. К. Скобелкин в своем
интервью корреспонденту газеты рассказал об успеш-
ных применениях лазеров в современной хирургии. Он
подчеркнул, что у нас в стране уже осуществляется
серийный выпуск лазерных хирургических установок
«Скальпель-1», «Скальпель-2», «Ромашка»; готовятся
к внедрению новые установки - «Радуга» и «Разбор».
ПРЕСС-КОНФЕРЕНЦИЯ В
МЕДИЦИНСКОМ ЛАЗЕРНОМ
ЦЕНТРЕ
Вообразим себя участни-
ками пресс-конференции, на которой ученые отвечают
на вопросы журналистов, касающиеся применения ла-
зеров в современной медицине. Сразу оговоримся, что
в действительности такой пресс-конференции не было,
равно как и нет (пока!) Медицинского лазерного цент-
ра. Пресс-конференция придумана автором, однако
ответы на поставленные вопросы отражают реальную
ситуацию.
48
Вопрос. Какие специалисты проявляют к лазерам
особый интерес?
Ответ. Возможности медицинского применения
лазерной техники интересуют многих специалистов.
Это прежде всего хирурги, офтальмологи, онкологи,
терапевты. Впрочем, пожалуй, практически нет ни
одной области клинической медицины, где не пригоди-
лись бы лазеры. Так что лазеры представляют интерес
для всех специалистов.
Вопрос. В каких хирургических операциях применя-
ется лазерный луч?
Ответ. В настоящее время лазеры успешно при-
меняются в хирургии брюшной полости, кожно-плас-
тической хирургии, хирургии гнойных заболеваний.
Хирургия брюшной полости включает три группы
операций: на полых органах желудочно-кишечной
трубки, на органах желчевыводящей системы и на
паренхиматозных органах (печени, поджелудочной же-
лезе, селезенке). Лазерный луч начали использовать
также в кардиологии (например, для лечения ишеми-
ческой болезни сердца) и в нейрохирургии. Лазерный
скальпель взяли на вооружение урологи.
Надо подчеркнуть, что во всем мире интерес к
лазерной хирургии возрастает необычайно быстро.
Если на первом Международном симпозиуме по лазер-
ной хирургии, который состоялся в 1975 г., было всего
около 50 участников, то на IV Конгрессе Международ-
ного общества лазерных хирургов (Токио, 1981 г.)
присутствовало уже 1200 делегатов из всех развитых
стран. На симпозиуме 1975 г. делались сообщения
фактически лишь о единичных клинических случаях; в
Токио в 1981 г. ряд клиник информировал о сотнях и
тысячах успешных операций, выполненных лазерным
лучом.
Вопрос. Говорят, что лазерным лучом можно про-
изводить некоторые внутриполостные операции без
вскрытия. Как это делается?
Ответ. Как известно, лазерное излучение можно
передавать по гибкому диэлектрическому волокну.
Свет бежит по тонкому волокну, следуя всем его
изгибам. Из таких волокон компонуют жгут, имею-
щий диаметр всего около 1 мм. Этот жгут может быть
введен внутрь различных органов, например, через рот
в пищевод и далее в желудок. Одни волокна в жгуте
используются для того, чтобы осветить внутреннюю
49
поверхность органа, другие-чтобы передать изобра-
жение того или иного участка поверхности, третьи -
чтобы направить на соответствующий участок доста-
точно мощное излучение. Очевидно, подобные опера-
ции, когда не надо производить вскрытие полости,
являются операциями принципиально нового типа. Их
с успехом применяют, в частности, для остановки (за
счет коагуляции) кровотечений из язв в пищеваритель-
ном тракте. В СССР создана специальная лазерная
медицинская установка, позволяющая делать подоб-
ные операции. Она снабжена эндоскопом и гибким
волоконным световодом диаметром 1,5 мм и длиной
более 2 м; диаметр отдельных волокон 5-10 мкм. В
установку входит лазер на аргоне, непрерывно генери-
рующий зелено-голубое излучение мощностью 7 Вт.
Интенсивность лазерного излучения на выходе эндо-
скопа достигает 250 Вт/см2. Эндоскоп оптически свя-
зан с видеокамерой, которая в сочетании с видеомаг-
нитофоном и телевизионной системой обеспечивает
запись и воспроизведение изображения внутренней
стенки органа.
Вопрос. Какое применение находят лазеры в оф-
тальмологии?
Ответ. Исключительно большое. Офтальмология
исторически явилась первой областью клинической
медицины, в которой лазеры начали широко приме-
няться. В настоящее время интенсивно развивается
новое направление в медицине-лазерная микрохирур-
гия глаза. Исследования в этом направлении ведутся в
Одесском институте глазных болезней имени В. П. Фи-
латова, в Московском НИИ глазных болезней имени
Г.Л. Ф. Гельмгольца, в Московском НИИ микрохи-
рургии глаза и во многих других «глазных центрах»
СССР.
Первые применения лазеров в офтальмологии бы-
ли связаны с лечением отслоения сетчатки. Внутрь
глаза через зрачок посылаются световые импульсы от
рубинового лазера (энергия импульса порядка 0,1 Дж,
длительность 0,1 с). Фокусируя излучение на отслоив-
шиеся участки сетчатки, производят «приваривание»
сетчатки к глазному дну за счет коагуляции. Операция
проходит быстро и безболезненно. Лазерным лучом
лечат сегодня не только отслоение сетчатки, но и ряд
других серьезных глазных заболеваний, грозящих че-
ловеку слепотой. Среди этих заболеваний выделим
50
глаукому, катаракту, диабетическую ретинопатию,
злокачественную опухоль сосудистой оболочки.
Вопрос. Нельзя ли пояснить для неспециалистов, в
чем сущность и причины перечисленных заболеваний?
Ответ. Что такое глаукома? Чтобы ответить на
этот вопрос, напомним, что пространство между хрус-
таликом и роговицей глаза заполняет специфическая
внутриглазная жидкость. Ее производит маленькая
железа, находящаяся у края радужной оболочки.
Жидкость омывает переднюю часть хрусталика и за-
тем выводится из глаза через своеобразную дренаж-
ную систему радужной оболочки. Внутриглазная жид-
кость непрерывно производится железой и непрерывно
выводится из глаза через радужную оболочку. Если
дренажная система радужной оболочки нарушается,
происходит задержка и накопление внутриглазной
жидкости, возрастает ее давление, появляются острые
боли-развивается глаукома. Заболевание приводит к
ухудшению зрения, а затем и к слепоте. Другое серьез-
ное глазное заболевание-катаракта. Оно проявляется
в помутнении и даже полной потере прозрачности
хрусталика вследствие нарушения питания глазных
тканей, травм глаза и других причин. Диабетическая
ретинопатия - поражение сетчатки глаза, а также сосу-
дистой оболочки в связи с сосудистыми и обменными
нарушениями, возникающими у больных сахарным
диабетом.
Глаз человека в разрезе- 1 —
хрусталик (созданная приро-
дой двояковыпуклая линза),
2 — роговица, 3 — радужная
оболочка с отверстием в
центре (зрачком), 4 — коль-
цевая мышца, 5 — внутри-
глазная жидкость, 6 - стек-
ловидное тело, 7 — сосуди-
стая оболочка, состоящая из
питающих глаз кровеносных
сосудов, 8 — сетчатка (све-
точувствительный слой), 9 —
зрительный нерв
51
Вопрос. Как с помощью лазера излечивают глау-
кому?
Ответ. Традиционные хурургические методы лече-
ния глаукомы достаточно сложны, сильно травмируют
глаз, требуют длительной госпитализации больного.
Вскоре после появления лазера возникла мысль вос-
пользоваться для лечения глаукомы лазерным лучом -
«прожечь» им протоки в радужной оболочке и тем
самым восстановить ее дренажные свойства, обеспе-
чить нормальный отток внутриглазной жидкости.
Прошло, однако, некоторое время, и выяснилось, что
прожигание радужной оболочки вызывает воспали-
тельные процессы, которые ликвидируют сделанные
протоки. Исследования советских медиков во главе с
академиком М. М. Красновым показали, что надо не
прожигать, а пробивать протоки в радужной оболочке.
Иначе говоря, импульсы лазерного излучения должны
оказывать на оболочку не тепловое, а механическое
воздействие (за счет образования ударной волны). Для
этого нужно, чтобы лазерный импульс был чрезвычай-
Операция по излечению глаукомы производится амбулаторно. Ис-
пользуется серийно выпускаемая в СССР офтальмологическая уста-
новка "Ятаган" с импульсным лазером на рубине. Энергия излуче-
ния, содержащаяся в серии из нескольких лазерных импульсов, око-
ло 0,1 Дж. Длительность отдельного импульса 5 • 10" 8 с Диаметр ла-
зерного пятна 0,3 — 0,5 мм
52
но коротким; его длительность должна быть порядка
всего 10“7 с. Воздействие таких импульсов на глазные
ткани дает минимальные коагуляционные и воспали-
тельные эффекты. Для лечения глаукомы (а также
катаракты) в СССР создана лазерная офтальмологи-
ческая установка «Ятаган»; в ней используется импуль-
сный лазер на рубине. Установка запатентована в
США, Великобритании, Канаде, ФРГ, Франции, Ита-
лии и других странах. Лазер необычайно упростил
операцию по излечению глаукомы. Вся операция зани-
мает тецерь 10-15 мин и проводится амбулаторно.
Вопрос. Можно ли излечивать лазерным лучом
злокачественные опухоли?
Ответ. Можно. Лазерное облучение как новое
средство лечения рака применяется в СССР во многих
лечебных заведениях. Исследование возможностей та-
кого лечения ведется в течение вот уже двух десятков
лет в Московском научно-исследовательском онколо-
гическом институте имени П.А. Герцена, Институте
проблем онкологии АН УССР, Ленинградском инсти-
туте онкологии имени Н. Н. Петрова и других онколо-
гических центрах. В этих исследованиях используются
различные лазеры: например СО2-лазеры в непрерыв-
ном режиме мощностью до 100 Вт, гелий-неоновые
лазеры в непрерывном режиме мощностью до 40 мВт,
непрерывно генерирующие гелий-кадмиевые лазеры,
импульсные лазеры на азоте и другие. Разработаны и
применяются три метода воздействия лазерного излу-
чения на опухоли: лазерное облучение (облучение опу-
холи расфокусированным лазерным лучом, приводя-
щее к гибели раковых клеток), лазерокоагуляция (раз-
рушение опухоли умеренно сфокусированным лучом),
лазерная хирургия (иссечение опухоли сфокусирован-
ным лучом). При использовании лазеров удается изле-
чивать рак кожи, слизистых оболочек, различных внут-
ренних органов.
Вопрос. Выяснен ли физико-биологический меха-
низм воздействия лазерного излучения на опухоль?
Ответ. К сожалению, здесь многое пока еще неяс-
но. Особенно, когда рассматривается воздействие из-
лучения малой интенсивности. Эффект воздействия
такого излучения на опухоль в существенной мере
зависит от длины волны. Установлено, что при одной
длине волны излучение убивает раковые клетки, лиша-
ет их способности размножаться, тогда как при другой
53
длине волны излучение может, напротив, иницииро-
вать рост раковых клеток. Всё это пока не имеет
удовлетворительного объяснения.
Вопрос. Что такое «лазерная биостимуляция»?
Ответ. Серьезной проблемой для врачей издавна
была проблема сращивания костей после переломов.
Оказалось, что процесс сращивания костей можно
заметно ускорить, если провести десяток-другой сеан-
сов облучения места перелома гелий-неоновым лазе-
ром мощностью всего 10 мВт. Другой пример-лече-
ние трофических язв. Они образуются при заболева-
ниях вен; кожа голени краснеет, зудит, начинает крово-
точить. Традиционные терапевтические и хирургичес-
кие методы лечения трофических язв сложны и не
всегда эффективны. И здесь неожиданно пришел на
помощь гелий-неоновый лазер. Оказалось, что для
полного заживления язвы часто достаточно 20-25
десятиминутных сеансов облучения. Такой же чудес-
ный эффект наблюдается при облучении гелий-неоно-
вым лазером долго не заживающих травматических и
послеожоговых ран.
Все это позволяет говорить о том, что красный луч
гелий-неонового лазера каким-то образом стимулиру-
ет биологические процессы в человеческом организме,
что и приводит к излечению. Вот тут и появился
термин «лазерная биостимуляция». Механизм биости-
муляции в настоящее время еще не вполне ясен.
Вопрос. Не следует ли в данной связи отметить
метод лечения светоукалыванием?
Ответ. Этот метод находит всё более широкое
практическое применение. Речь идет о воздействии
излучением маломощного лазера на биологически ак-
тивные точки поверхности тела человека. Светоукалы-
вание следует рассматривать как недавно возникший
своеобразный вариант известного способа лечения иг-
лоукалыванием. Светоукалыванием лечат различные
заболевания, связанные с расстройством нервной и
сосудистой систем, снимают головные боли и боли при
радикулите, регулируют кровяное давление.
Вопрос. Что дают лазеры для развития диагностики
заболеваний?
Ответ. Широкое применение лазерной техники для
диагностики различных заболеваний-это дело недале-
кого будущего. Но уже сегодня делаются первые шаги.
Так, с помощью гелий-неонового лазера мощностью
54
0,1 Вт удалось получить фотоснимки кровеносных со-
судов руки. Заметим, что с помощью рентгеновских
лучей такие снимки получить нельзя. Возможно, что
лазеры позволят в будущем просвечивать всю систему
кровеносных сосудов человека и тем самым выявлять
различные изменения в них. Можно привести еще один
пример из области лазерной диагностики. Известно,
что для успешного лечения рака важно раннее обнару-
жение злокачественной опухоли. Для этой цели годит-
ся ультрафиолетовый лазерный луч. Под действием
такого луча некоторые химические соединения, накап-
ливающиеся в пораженных опухолью тканях, начина-
ют светиться. По характеру свечения можно опреде-
лить не только сам факт возникновения и вид опухоли,
но и ее размеры и даже примерное время зарождения.
Вопрос. Заменит ли лазер бормашину?
Ответ. Возможно, что недалеко то время, когда
бормашину заменит лазерный луч. Исследования по-
казали, что лазерное излучение действует на больной
зуб избирательно: оно поглощается больными участ-
ками зуба и отражается от здоровых. Иными словами,
излучение лазера разрушает пораженную кариесом
зубную ткань и не разрушает при этом соседних
здоровых участков зуба. Можно не сомневаться, что
лазеры будут применяться не только для лечения
больных зубов, но и для предупреждения зубных
заболеваний. Установлено, что в результате облучения
инфракрасным лазерным лучом эмаль зубов делается
более стойкой к кариесу. Происходит нечто вроде
термообработки, повышающей прочность поверхнос-
ти зуба.
Но всё это в недалеком будущем. А сегодня стома-
тологи используют лазерное излучение для лечения
заболеваний слизистой оболочки полости рта. Излуче-
ние гелий-неонового лазера останавливает воспали-
тельные и в то же время стимулирует восстановитель-
ные процессы, инициирует размножение клеток слизис-
той оболочки.
Вопрос. Каковы основные проблемы лазерной
медицины?
Ответ. Проблем, конечно, много. Но главная
проблема в том, чтобы исследовать механизмы воз-
действия лазерного излучения на биологические объек-
ты. Тепловое и ударное воздействия излучения на
ткань можно понять исходя из известных законов
55
физики. Однако этих законов недостаточно, чтобы
объяснить различные явления, которые наблюдаются
в живой ткани после облучения, например отек и
воспаление. Пока еще мы не знаем, какая именно
длина волны лазерного излучения наиболее подходит
для тех или иных клинических целей, какой именно
режим генерации и какая мощность излучения являют-
ся наилучшими в том или ином конкретном случае. Всё
это предстоит исследовать и понять в ближайшие
десятилетия.
ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ-
УНИКАЛЬНЫЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
ИНСТРУМЕНТ
Это ничуть не преувеличе-
ние. Возьмите, например, монографию «Лазерные из-
мерительные системы» под редакцией Д. П. Лукьяно-
ва, выпущенную изд-вом «Радио и связь» в 1981 г.
Посмотрите оглавление. Вы увидите, что лазеры при-
меняются для измерения расстояний, скоростей, уско-
рений, углов поворота, угловых скоростей. Из всего
этого перечня оставим только расстояния и скорости и
расскажем, как осуществляется их измерение с по-
мощью лазерного излучения.
Лазерный дальномер. В наше время строится мно-
жество сооружений, где при огромных габаритах (из-
меряемых сотнями метров и километрами) требуется
исключительно высокая точность компоновки узлов и,
в частности, высокая точность измерения расстояний.
Примерами таких сооружений являются гигантские
радиотелескопы с антеннами диаметром до сотен мет-
ров, стапели современных морских судов и авиалайне-
ров, мосты, туннели и т. д. При строительстве подоб-
ных сооружений, а также при решении различных
геодезических задач требуется измерять и контролиро-
вать расстояния от сотен метров до нескольких кило-
метров с точностью до миллиметров, а иногда и долей
миллиметра. С этой задачей прекрасно справляются
лазерные дальномеры с непрерывным излучением;
обычно их называют геодезическими дальномерами.
Лазер в таком дальномере генерирует непрерывное
излучение, интенсивность которого модулируют во
времени с некоторой частотой, скажем, по закону
56
синуса. Промоду лированное излучение представляет
собой световое поле, амплитуда которого (для любого
фиксированного момента времени) периодически изме-
няется вдоль направления распространения - в соот-
ветствии с синусоидальной огибающей. Излучение
проходит расстояние, которое требуется измерить, от-
ражается назад, проходит это расстояние вторично и
попадает в прибор, называемый фазометром. Двойной
проход по трассе (туда и обратно) требует какого-то
времени, поэтому возникает соответствующий сдвиг
(запаздывание) фазы огибающей возвратившегося пуч-
ка по отношению к фазе огибающей исходного пучка.
Фазометр измеряет это запаздывание фазы; по нему и
рассчитывается искомое расстояние.
В качестве примера укажем советский геодезиче-
ский дальномер «Кварц» на основе гелий-неонового
лазера мощностью 2 мВт. Частота модуляции излуче-
ния равна 750 МГц. Дальность действия до 1 км;
погрешность измерения расстояния составляет всего
0,2 мм.
Лазерный интерферометр. В современной измери-
тельной технике нередко требуется измерять расстоя-
ния в несколько метров или десятков метров с точ-
ностью до десятков и единиц микрометров. Это необ-
ходимо, в частности, для автоматизированного конт-
роля точности перемещения движущихся узлов различ-
ных станков. Вот, например, фрезерный станок. Обра-
батываемую заготовку закрепляют на подвижном сто-
ле, который поступательно перемещается относитель-
но вращающейся фрезы. Применяются также иные
варианты-когда заготовка неподвижна, а поступа-
тельно перемещается суппорт с фрезой. При фрезеро-
вании очень важна высокая точность перемещения
стола или суппорта. На авиационном заводе, напри-
мер, при изготовлении лонжеронов (основных «сило-
вых» элементов каркаса крыльев и фюзеляжа) требует-
ся прецизионное фрезерование по большой площади;
при этом суппорт станка перемещается на расстоянии
до нескольких десятков метров. И вот такие перемеще-
ния надо измерять и контролировать с точностью до
микрометров! Для этого используются лазерные ин-
терферометры.
Поясним качественно, не при эегая к формулам, как
действует лазерный интерфером тр. Луч, выходящий
из гелий-неонового лазера, расще лчют полупрозрач-
58
ным зеркалом на два луча - опорный и измерительный;
эти лучи в конечном счете встречаются и интерфери-
руют друг с другом в фотоприемнике. Опорный луч
проходит от зеркала-расщепителя до фотоприемника
строго определенный путь. Измерительный луч идет к
отражателю, установленному на перемещающемся
суппорте станка, а затем возвращается и попадает в
фотоприемник. Предположим, что в какой-то момент
времени оба луча-опорный и измерительный-встре-
тились в фотоприемнике в одинаковой фазе. Значит, в
этот момент фотоприемник зарегистрирует максимум
интенсивности света. Но вот суппорт сдвигается-тут
Оптическая схема лазерного интерферометра, с помощью которого
можно контролировать перемещения обрабатываемой на станке де-
тали: 1 — лазер, 2 — полупрозрачное зеркало, расщепляющее исход-
ный лазерный луч на опорный луч А и измерительный луч В,3— не-
подвижно закрепленное полностью отражающее зеркало, 4 — уголко-
вый отражатель, установленный на перемещающейся детали, 5 — фо-
топриемник, 6 — электронное устройство обработки данных. Свето-
вые лучи, отраженные зеркалом 3 и отражателем 4, встречаются в
фотоприемнике 5. Регистрируемая фотоприемником интенсивность
света зависит от разности фаз этих лучей, т. е. от разности Д£ путей
£и и Го, проходимых рассматриваемыми лучами (см. правую часть
рисунка). При изменении ДГ на X/2 (X — длина волны излучения)
интенсивность света в фотоприемнике изменяется от максимальной
до минимальной. Предположим, что при некотором перемещении
уголкового отражателя максимумы (и минимумы) интенсивности
света в фотоприемнике сменились ТУ раз. Это означает, что деталь пе-
реместилась на расстояние Х/У/2. Число N подсчитывает электронное
устройство
59
же изменяется длина пути, проходимого измеритель-
ным лучом от расщепителя до фотоприемника. Как
только этот путь изменится на половину длины свето-
вой волны, интерференция лучей в фотоприемнике
будет происходить уже не в фазе, а в противофазе - фо-
топриемник зарегистрирует темноту. Еще на половину
длины волны изменился путь измерительного луча-и
в фотоприемнике снова светло; очередная половина
длины волны-опять темно. И так далее: светло, тем-
но, светло, темно... Остается лишь позаботиться, что-
бы некое электронное устройство подсчитывало,
сколько раз происходила смена света и темноты-и
тогда можно узнать, сколько длин волн укладывается
на том или ином перемещении суппорта. Таким обра-
зом, перемещения суппорта измеряются здесь в длинах
волны света!
На практике лазерный интерферометр работает
обычно в комплексе с устройством программного
управления станком. Поэтому одновременно с контро-
лем перемещений суппорта возможна автоматическая
коррекция этих перемещений. Такая коррекция нужна,
чтобы скомпенсировать погрешности, связанные, на-
пример, с неточностью установки заготовки на столе
или с износом режущего инструмента в процессе рабо-
ты станка.
Лазерный анемометр. Одна из основных задач аэро-
динамики и гидродинамики-исследование картины
обтекания тел быстрым потоком газа или жидкости.
Необходимо уметь экспериментально определять мо-
дуль и направление скорости потока газа (жидкости) в
разных точках потока. Обычно для определения ско-
рости газа вносят в исследуемую область потока так
называемую трубку Пито-прибор, измеряющий дав-
ление газа в данной точке. Применяют также термо-
анемометры, позволяющие судить о скорости потока
по интенсивности теплоотдачи проволоки, нагревае-
мой электрическим током (слово «анемометр» про-
исходит от греческого «анемос», что означает «ветер»;
анемометр - измеритель ветра или, как принято по-
нимать,-измеритель скорости воздушного потока). В
обоих методах в поток вносится зонд (в виде трубки
Пито или нагретой проволоки), который возмущает
поток. В этом большой недостаток данных методов.
Более интересен метод, в котором используется
рассеяние лазерного излучения частицами, вводимыми
60
в поток газа или жидкости. Дело в том, что в результа-
те рассеяния на движущихся частицах свет изменяет
свою частоту. Это изменение пропорционально ско-
рости потока. Оно зависит также от угла между
направлением исходного (нерассеянного) светового
пучка и направлением скорости потока: пропорцио-
нально косинусу этого угла.
Опишем одну из схем лазерного анемометра. Луч
от гелий-неонового лазера расщепляется на два луча,
которые направляются в точку наблюдения (в точку,
где измеряется скорость потока) под разными углами
к направлению потока. Фотоприемник улавливает
только то излучение, которое рассеялось в точке на-
Схема лазерного анемометра, использующего гелий-неоновый лазер
мощностью примерно 10 мВт (1 — лазер, 2 — фотоприемник, 3 — по-
ток) . Исходный лазерный луч преобразуется системой зеркал в два
взаимно пересекающихся луча (лучи А и В), точкой пересечения лу-
чей (точка О) является та точка потока, в которой требуется изме-
рить скорость. Фотоприемник улавливает только ту часть излучения,
рассеянного в точке О, которая распространяется перпендикулярно
направлению потока. Улавливаемое фотоприемником излучение
содержит две рассеянные волны: одна возникает в результате рассе-
яния светового пучка А, другая — пучка В. Первая имеет частоту
Pi = р[1 — sin (а/2) (u/v) ], вторая —частоту v2 =» [1 + sin (а/2) {u/v) ],
где v — частота лазерного излучения, и — скорость света в потоке,
U — скорость потока в точке О, а. — угол между пучками А и В. Рас-
сматриваемые световые волны интерферируют, в итоге фотоприем-
ник регистрирует колебания интенсивности света, имеющие частоту,
равную разности частот интерферирующих световых волн (так назы-
ваемую частоту биений) : f = v2 — = 2v sin (a/2) (u/v). В соответ-
ствующем устройстве (оно не указано на рисунке) колебания свето-
вой интенсивности преобразуются в электрический сигнал, модули-
рованный с частотой биений f. Измеряя частоту сигнала /, рассчиты-
вают скорость и
61
блюдения. В этой точке пересекаются два исходных
световых луча, поэтому фотоприемник улавливает две
рассеянные волны. Рассеянные волны интерферируют;
в результате фотоприемник регистрирует колебания
интенсивности света, имеющие частоту, равную раз-
ности частот интерферирующих волн. По этой раз-
ности частот и вычисляют скорость потока в точке
наблюдения.
Лазерные анемометры обладают рядом преиму-
ществ. В процессе измерения они не вносят в поток
каких-либо искажений; излучение лазера имеет в дан-
ном случае малую мощность и, следовательно, практи-
чески не нагревает поток. Очень широк диапазон из-
меряемых скоростей-от ничтожных скоростей поряд-
ка долей микрометра в секунду (с такой скоростью
растут растения и движутся ледники) до скоростей
порядка 10 км/с (такие скорости в десятки раз пре-
вышают скорость звука в воздухе). Для измерений
характерна локальность: их можно выполнять в преде-
лах области диаметром всего 10 мкм. Возможные
температуры потока лежат в широком интервале-от
температур криогенных жидкостей до температур го-
рячей плазмы. Наконец, лазерный метод измерения
скорости отличается высоким быстродействием, что
позволяет исследовать быстропротекающие процессы
в газах и жидкостях.
Благодаря всем этим достоинствам лазерные ане-
мометры нашли уже сегодня очень широкое примене-
ние. Они используются при изучении особенностей
конвекции жидкости, турбулентных течений в различ-
ных жидкостях и газах, ударных волн в сверхзвуковых
газовых потоках. Их применяют также для исследова-
ния высокотемпературных потоков плазмы и сверх-
охлажденных потоков криогенных жидкостей, при ана-
лизе движения крови по кровеносным сосудам и при
изучении движения ледников. Лазерные анемометры
с полным основанием могут быть названы универсаль-
ными измерителями скорости.
ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ
Осенью 1965 г. группа со-
ветских ученых выполнила уникальный эксперимент:
определила расстояние до Луны с точностью до 200 м.
62
Ученые использовали лазер на рубине, генерировав-
ший гигантские импульсы длительностью 5 10“8 с.
Для посылки лазерных импульсов к Луне и последую-
щего приема импульсов, отраженных лунной поверх-
ностью, применялся оптический телескоп Крымской
обсерватории с диаметром главного зеркала 260 см. В
1969 г. на поверхность Луны высадились американские
астронавты с «Аполлона-11», а в 1970 г. на лунную
поверхность опустился управляемый с Земли совет-
ский космический аппарат «Луноход-1». Астронавты и
луноход доставили на Луну специальные светоотража-
тели-катафоты. Катафот, или, иначе, уголковый от-
ражатель предназначен для того, чтобы возвращать
падающий на него световой луч назад-в направлении,
строго параллельном первоначальному направлению
луча. Такой способностью обладает, например, уго-
лок, образованный тремя плоскими зеркалами, ориен-
тированными под прямыми углами друг к другу.
Используя отражение посылаемых с Земли коротких
лазерных импульсов от уголковых отражателей, на-
ходящихся на лунной поверхности, ученые смогли
определить расстояние от Земли до Луны (точнее
говоря, от зеркала земного телескопа до лунного
отражателя) с погрешностью, не превышающей не-
скольких десятков сантиметров. Чтобы представить
себе, насколько высока такая точность, надо вспом-
нить, что Луна находится на расстоянии 380000 км от
63
Установленный на поверхности Луны лазерный отражатель представ-
ляет собой квадрат с длиной стороны 45 см, состоящий из 100 от-
дельных уголковых отражателей. Предусмотрена возможность изме-
нения ориентации плоскости квадрата — с учетом местоположения
отражателя на лунной поверхности
Земли. Погрешность измерения дальности, равная
40 см, в 109 раз меньше указанного расстояния!
Но зачем измерять расстояние до Луны со столь
огромной точностью? Неужели это делается только из
«спортивного интереса»? Конечно, нет. Такие измере-
ния выполняют не для того, чтобы поточнее узнать
расстояние от земного телескопа до лунного отража-
теля, а для того, чтобы поточнее определить измене-
ния этого расстояния в течение некоторого промежут-
ка времени, например в течение недели, месяца, года.
Исследуя графики, описывающие изменение расстоя-
ния со временем, ученые получают информацию для
ответа на ряд вопросов, имеющих большую научную
важность: как распределена масса в недрах Луны? С
какой скоростью сближаются или расходятся земные
континенты? Как изменяется со временем положение
магнитных полюсов Земли?
Вот поэтому и существуют в мире несколько десят-
ков лазерно-локационных систем космического назна-
64
чения. Они осуществляют локацию Луны, а также
искусственных спутников Земли геодезического назна-
чения. В качестве примера укажем лазерно-локацион-
ную систему Физического института имени П. Н. Лебе-
дева АН СССР, предназначенную для локации Луны.
Лазер на рубине генерирует гигантские световые им-
пульсы длительностью 10 8 с и с энергией порядка
0,1 Дж. Импульсы проходят через квантовый усили-
тель, после чего их энергия увеличивается до 3 Дж.
Затем световые импульсы попадают на 260-см зеркало
телескопа и отправляются к Луне. Погрешность изме-
рения расстояния до Луны составляет в данном случае
90 см. За счет сокращения длительности импульса до
2-109 с погрешность уменьшена до 25 см. В качестве
еще одного примера отметим лазерно-локационную
систему Космического центра в США, предназначен-
ную для локации искусственных спутников Земли. В
ней используется импульсный рубиновый лазер, гене-
рирующий импульсы длительностью 4-10" 9 с и с энер-
гией 0,25 Дж. Погрешность измерения расстояния со-
ставляет 8 см.
Упрощенная оптическая схе-
ма лазерно-локационной си-
стемы Физического институ-
та АН СССР: 1 — лазер на
рубине, 2 — квантовый уси-
литель света, 3 - главное
зеркало телескопа диамет-
ром 260 см
65
1 - «87
Лазерные локаторы устанавливают не только на
земной поверхности, но и на летательных аппаратах.
Представим себе, что происходит сближение двух кос-
мических кораблей и предстоит их автоматическая
стыковка. Необходимо точно контролировать взаим-
ное положение кораблей, точно измерять расстояние
между ними. Для этого на одном из кораблей устанав-
ливают лазерный локатор. В качестве примера рас-
смотрим локатор на основе СО2-лазера, генерирующе-
го регулярную последовательность световых импуль-
сов с частотой следования 50 кГц. Лазерный луч скани-
руется построчно (подобно электронному лучу в теле-
визионной трубке) в пределах телесного угла 5 х 5°;
время обзора лучом этого сектора пространства со-
ставляет 10 с. Лазерный локатор осуществляет поиск и
опознавание стыкуемого аппарата в указанном секторе
пространства, непрерывное измерение его угловых ко-
ординат и дальности, обеспечивает точное маневриро-
вание - вплоть до момента стыковки. Всеми операция-
ми локатора управляет бортовая ЭВМ.
Лазерные локаторы сегодня используют как в кос-
монавтике, так и в авиации. В частности, они могут
выполнять роль точных измерителей высоты. Заме-
тим, что лазерный высотомер применялся на косми-
ческих кораблях «Аполлон» для картографирования
поверхности Луны.
Основное назначение лазерных локаторов-такое
же, как и радиолокаторов: обнаружение и опознавание
удаленных от наблюдателя объектов, слежение за пе-
ремещением этих объектов, получение информации о
характере объектов и их движении. Как и в радиолока-
ции, в оптической локации для обнаружения объекта
и получения информации о нем используются импуль-
сы излучения, отраженные объектом. При этом у
оптической локации есть ряд преимуществ перед ра-
диолокацией. Лазерный локатор позволяет более точ-
но определять координаты и скорость объекта. Более
того, он дает возможность выявлять размеры объекта,
его форму, ориентацию в пространстве. На экране
лазерного локатора можно наблюдать видеоизображе-
ние объекта.
Преимущества лазерной локации связаны с острой
направленностью лазерных пучков, высокой частотой
оптического излучения, исключительно малой дли-
тельностью световых импульсов. Действительно, ост-
66
ронаправленным лучом можно буквально «ощупать»
объект, «просмотреть» разные участки его поверхнос-
ти. Высокая частота оптического излучения позволяет
более точно измерить скорость объекта. Напомним,
что если объект движется на наблюдателя (от на-
блюдателя), то отраженный им световой импульс бу-
дет иметь уже не исходную частоту, а более высокую
(более низкую) частоту. Это есть хорошо известный
как в оптике, так и в акустике эффект Доплера; этот
эффект лежит в основе обсуждавшихся ранее лазерных
анемометров. Изменение частоты отраженного им-
пульса (доплеровское смещение частоты) пропорцио-
нально скорости объекта (точнее, проекции скорости
на направление от наблюдателя к объекту) и частоте
излучения. Чем выше частота излучения, тем больше
измеряемое локационной аппаратурой доплеровское
смещение частоты и, следовательно, тем точнее может
быть определена скорость объекта. Наконец, отметим
важность использования в локации достаточно корот-
ких импульсов излучения. Ведь измеряемое с по-
мощью локатора расстояние до объекта пропорцио-
нально промежутку времени от отправления зонди-
рующего импульса до приема отраженного импульса.
Чем короче сам импульс, тем более точно можно
определить этот промежуток времени, а значит, и
расстояние до объекта. Недаром в космической лазер-
ной локации используются световые импульсы дли-
тельностью порядка 10~8 с и меньше. Напомним, что
при длительности импульса 10“8 с погрешность при
локации Луны составила 90 см, а при длительности
импульса 2 10-9с погрешность уменьшилась до
25 см.
Впрочем, у оптических локационных систем есть и
недостатки. Конечно, довольно удобно «осматривать»
объект с помощью узкого остронаправленного луча
лазера. Однако не так-то просто с помощью такого
луча обнаружить объект; время обзора контролируе-
мой области пространства оказывается в данном слу-
чае относительно большим. Поэтому оптические лока-
ционные системы часто используют в комплексе с
радиолокационными. Последние обеспечивают быст-
рый обзор пространства, быстрое обнаружение цели, а
оптические системы затем измеряют параметры обна-
руженной цели, осуществляют слежение за целью.
Кроме того, при распространении оптического излуче-
67
ния через естественную среду - атмосферу или воду-
возникают проблемы, связанные с воздействием среды
на световой луч. Во-первых, свет частично поглощает-
ся в среде. Во-вторых, по мере распространения из-
лучения по трассе происходит непрерывно нарастаю-
щее искажение волнового фронта светового пучка
вследствие турбулентности атмосферы, а также рассея-
ния света на частицах среды. Все это ограничивает
дальность действия наземных и подводных оптических
локационных систем и ставит их работу в зависимость
от состояния среды и, в частности, от погодных
условий.
ЛАЗЕР НА СТРОЙПЛОЩАДКЕ
И ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ
ПОЛОСЕ
Современные строители
возводят высотные здания, телевизионные башни вы-
сотой в сотни метров, прокладывают километровые
туннели, сооружают мосты и эстакады длиной от
сотен метров до нескольких километров, строят соору-
жения с горизонтальными плоскостями площадью в
сотни тысяч квадратных метров (взлетно-посадочные
полосы, фундаменты современных производственных
цехов и т. д.). При проведении подобных строительных
работ очень важно точно фиксировать опорные на-
правления и плоскости в пространстве-горизонталь-
ные, вертикальные, под определенными углами. Для
этого строителям нужен лазерный луч.
В настоящее время в строительстве используется
большое число лазерных геодезических приборов. Их
называют лазерными нивелирами, лазерными теодо-
литами, лазерными зенит-центрирами и т. д. Напом-
ним, что нивелирование-это определение высот точек
земной поверхности или точек сооружения относитель-
но некоторого исходного уровня; теодолиты применя-
ются для измерения на местности горизонтальных и
вертикальных углов, а зенит-центрирами называют
приборы вертикального проектирования. Во всех ла-
зерных геодезических приборах используется хорошо
видимый луч; обычно работают с красным лучом
гелий-неонового лазера. Лазерный луч фиксирует в
пространстве опорную прямую линию, указывающую
68
какую-либо ось будущего сооружения. Относительно
этой опорной прямой производят разметку и компо-
новку узлов конструкции. Быстро сканируя лазерный
луч в определенной плоскости, можно создать хорошо
наблюдаемую опорную световую плоскость. Особые
точки будущей конструкции могут быть фиксированы
в пространстве пересечением двух лазерных лучей.
Останкинская телевизионная башня в Москве имеет
высоту более 530 м. При ее строительстве применялся
отечественный лазерный зенит-центрир ЛЗЦ-1 с ге-
лий-неоновым лазером мощностью 10 мВт и расхо-
димостью луча 10 угл. мин. Прибор обеспечивал про-
ектирование точек с погрешностью 10 мм (в попереч-
ном к лучу направлении) на расстоянии 500 м. Направ-
ленный вертикально вверх узкий лазерный луч пре-
красно контролировал вертикальность строящейся те-
лебашни. Он позволял выявлять отклонения башни от
вертикали как в результате строительных погрешно-
стей, так и под действием ветра и одностороннего
нагрева башни солнечными лучами.
В качестве примера лазерного нивелира с вращаю-
щимся лазерным лучом укажем шведский прибор
«Геоплан-300». Во время работы прибора фиксируется
хорошо наблюдаемая горизонтальная плоскость; ее
создает лазерный луч, вращающийся вокруг верти-
кального направления с частотой вращения 10 об./с.
Дальность действия луча около 200 м. Горизонтальная
световая плоскость фиксируется в пространстве с по-
грешностью менее 1 см по вертикали.
Следует отметить, что обычно геодезический кон-
троль является длительным и трудоемким процессом.
Поэтому важно не только то, что лазерный луч обеспе-
чивает высокую точность контроля, но и то, что он
существенно ускоряет процесс контроля, позволяет
его автоматизировать. Предположим, что ведется про-
ходка строго прямого туннеля. В начале туннеля уста-
новлен лазер, луч которого распространяется вдоль
туннеля; направление луча строго фиксировано в про-
странстве. На проходческом щите закреплен отража-
тель. Если щит ориентирован правильно, то отражен-
ный лазерный луч попадет в фотоприемник. При
малейших отклонениях щита во время его работы
будет нарушаться прием отраженного луча. По соот-
ветствующим сигналам, поступающим от фотоприем-
ника, может автоматически включаться устройство
69
Схема лазерного нивелира
"Геоплан-300": 1 — гелий-
неоновый лазер, 2 — колли-
матор для уменьшения сте-
пени расходимости лазерно-
го луча, 3 — пентапризма,
превращающая вертикальный
лазерный луч в горизонталь-
ный, 4 — полый вал двига-
теля, обеспечивающий ежесе-
кундно более десяти оборо-
тов пентапризмы, а следова-
тельно, и горизонтального
лазерного луча, ‘5 — уровни
для контроля правильности
установки прибора (для кон-
троля горизонтальности плос-
кости, фиксируемой враща-
ющимся лучом)
Схема лазерного контроля проходки туннеля: 1 — проходческий
щит, 2 — гелий-неоновый лазер, 3 — отражатель, установленный на
щите, 4 — фотоприемник. Предположим, что произошло отклонение
от заданного направления проходки, в результате слегка изменилась
ориентация проходческого щита, а значили закрепленного на нем
отражателя. Теперь отраженный от щита лазерный луч уже не попа-
дет в фотоприемник. Эта ситуация показана на рисунке штриховы-
ми линиями
Система лазерных лучей, помогающая пилоту уверенно произвести
ночную посадку. Лучи 1, 2 и 3 задают курсовую плоскость, лучи 4 и
5 — глиссадную плоскость
Вид на взлетно-посадочную полосу, открывающийся пилоту во вре-
мя посадки самолета. На рисунке рассмотрены девять случаев. В
центре показан вид на полосу в нормальной ситуации — когда само-
лет снижается точно по курсу и по глиссаде. Любое отклонение от
курса или от глиссады существенно изменяет вид на полосу
корректировки ориентации щита, которое своевремен-
но исправит случайно возникшие отклонения.
В последние годы взлетно-посадочные полосы в
аэропортах начали оборудоваться лазерами. Это дела-
ется для повышения безопасности полетов на совре-
менных реактивных авиалайнерах. В СССР разработа-
на и создана лазерная система контроля ночной посад-
ки самолетов-«Глиссада» (так называется траектория
самолета во время его снижения). Впервые эта система
стала использоваться в аэропорту Киева. В определен-
ных точках вблизи взлетно-посадочной полосы уста-
навливаются гелий-неоновые лазеры. Ориентирован-
ные в пространстве определенным образом, лучи ла-
зеров (они хорошо видны в сумерки и ночью) образу-
ют систему линейных ориентиров, геодезически «при-
вязанную» к взлетно-посадочной полосе. Система за-
дает летчику следующие навигационные параметры:
курс посадки (курсовую плоскость), глиссаду снижения
(глиссадную плоскость); боковые границы полосы,
удаление от полосы. Летчику с воздуха видны пять
красных лучей; три из них контролируют перемещение
самолета по курсу (они задают курсовую плоскость), а
два задают глиссадную плоскость. Если самолет идет
точно по курсу и по глиссаде, летчик наблюдает
характерную картину из пяти лучей. Если самолет
начинает сбиваться с курса или с глиссады, эта картина
резко искажается, и сразу становится ясно, как надо
выправить траекторию самолета.
ЛАЗЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ
И ОКЕАНОВ
Проблема загрязнения
воздуха в больших городах и индустриальных районах
становится в наши дни все более острой. В выхлопных
газах автомобилей, реактивных двигателей современ-
ных авиалайнеров, в выбрасываемых в атмосферу
отходах промышленного производства содержится
много соединений, вредных для здоровья людей: дву-
окись серы (SO2), окись углерода, или, иначе, угарный
газ (СО), углекислый газ (СОД окись азота (NO),
метан (СН4), сероводород (H2S) и пр. Возрастает
содержание в воздухе частичек сажи и пыли, водяных
капелек с растворенными в них различными химичес-
72
кими соединениями. Вспомним в связи с этим тревож-
ные сообщения о выпадании кислотных дождей.
Чтобы обнаружить наличие в атмосфере тех или
иных загрязнений, надо взять пробы воздуха и про-
вести химический анализ этих проб. К сожалению,
такой анализ требует обычно значительного времени.
К тому же не всегда просто взять пробу воздуха.
Представьте, например, что вам надо взять и притом
быстро пробу воздуха за только что пролетевшим
авиалайнером на высоте в несколько километров. Или
взять пробу воздуха вблизи отверстия заводской тру-
бы высотой более ста метров.
Подобные трудности не возникают, если вместо
химического анализа пробы воздуха произвести зонди-
рование атмосферы лазерным лучом. Лазерный конт-
роль загрязнений атмосферы получил в настоящее
время широкое распространение как в СССР, так и за
рубежом. Он имеет ряд весьма существенных досто-
инств. Во-первых, этот метод контроля является ди-
станционным; он может легко осуществляться на рас-
стояниях до нескольких километров, а в отдельных
случаях и до десятков километров. Во-вторых, лазер-
ный контроль отличается высокой степенью чувстви-
тельности. Он позволяет обнаружить загрязнение ат-
мосферы тем или иным соединением даже тогда, когда
доля этого соединения в атмосфере составляет всего
10”9-10"10. В-третьих, анализ химического состава
загрязнений производится в данном случае очень быст-
ро, так что можно отслеживать изменение состава
загрязнений во времени.
На практике применяют две схемы лазерного зон-
дирования атмосферы. В первой лазерный луч посыла-
ют по подлежащей контролю трассе к фотоприемнику,
который находится в конце трассы. Возможен вариант,
когда в конце трассы установлен отражатель, а фото-
приемник совмещен с лазером; при этом лазерный луч
проходит трассу дважды-туда и обратно. Во второй
схеме лазерный луч посылается в контролируемую
область воздушного пространства. Фотоприемник,
совмещенный, как правило, с излучателем, улавливает
излучение, которое возвращается из области простран-
ства, облучаемой лазером. Такую схему лазерного
контроля состояния атмосферы называют лидаром.
Лидар можно рассматривать как разновидность лазер-
ного локатора.
73
Две схемы лазерного контроля состава атмосферных загрязнений по
поглощению излучения: 1 — источник лазерного излучения с пере-
страиваемой частотой, 2 — приемник излучения, позволяющий сни-
мать зависимость интенсивности принимаемого излучения от частоты
Лидар — своеобразный лазерный локатор: 1 — лазер, 2 — зеркало фо-
топриемника
При использовании первой схемы измеряют интен-
сивность^ лазерного луча после прохождения им трас-
сы. Существенно, что такие измерения выполняют не
для одной частоты, а для различных частот излучения.
Поэтому необходимо, чтобы лазер генерировал сразу
на нескольких частотах или, что еще лучше, чтобы
частоту излучения можно было плавно перестраивать.
Существуют лазеры с плавной перестройкой частоты
(в пределах некоторого интервала частот). Имеются
также специальные приборы, в которых происходит
преобразование лазерного излучения определенной
частоты в излучение разных частот; эти частоты мож-
но непрерывно перестраивать в довольно широком
диапазоне значений. Такие приборы называют пара-
метрическими генераторами света. Они работают в
комплекте с лазером, при этом излучение лазера по-
ступает в параметрический генератор света. Но вер-
немся к контролю состава атмосферы. Каждое хими-
ческое соединение поглощает свет определенной часто-
ты или нескольких определенных частот. Измеряя
интенсивность излучения (после прохождения трассы)
для разных частот, иначе говоря, измеряя частотную
зависимость интенсивности излучения, можно по зна-
чениям частоты, при которых наблюдаются резкие
уменьшения («провалы») интенсивности, делать за-
ключение о наличии в атмосфере тех или иных хими-
ческих соединений. В результате поглощения излуче-
ния молекулами этих соединений и возникают «прова-
лы» в интенсивности на соответствующих частотах.
Используя схему лидара, регистрируют фотопри-
емником: отраженное лазерное излучение (например,
излучение, отраженное от поверхности облака или
скопления аэрозольных частиц); излучение, рассеянное
аэрозольными частицами или отдельными молекула-
ми; излучение, испускаемое теми или иными молекула-
ми после поглощения ими лазерного излучения (люми-
несцентное излучение).
Как можно контролировать состав атмосферы, ис-
следуя рассеяние света ее частицами? Дело в том, что
при рассеянии света на тех или иных молекулах проис-
ходит изменение частоты света, причем для разных
молекул это изменение различно. Атомы в молекуле
совершают колебания; эти колебания характеризуются
определенной для данного химического соединения
частотой или набором из нескольких частот. В прос-
75
тейшем случае, когда молекула состоит всего из двух
атомов, имеется одна колебательная частота; обозна-
чим ее через v0. Пусть на газ из таких молекул падает
лазерный пучок частоты v. В результате рассеяния
света на колеблющихся молекулах возникнет излуче-
ние на частотах v — v0 и v 4- v0. Такое рассеяние света
называют комбинационным. Итак, будем зондировать
атмосферу лазерным лучом определенной частоты и
измерять спектральный состав света, рассеянного на-
зад к фотоприемнику. По наблюдаемым в рассеянном
свете сдвигам частоты (или сдвигам волны) можно
судить о наличии в атмосфере тех или иных соедине-
ний. Предположим, что используется лазер на рубине;
его излучение имеет длину волны 0,694 мкм. Допустим
далее, что в рассеянном излучении наряду с длиной
волны 0,694 мкм зарегистрированы длины волн 0,798 и
0,785 мкм. Наблюдаемые сдвиги длины волны
(0,798 - 0,694 = 0,104 мкм и 0,785 - 0,694 = 0,091 мкм)
указывают на присутствие в атмосфере соответственно
молекул СО и NO, т. е. угарного газа и окиси азота.
Заметим, что для контроля состава атмосферы по
комбинационному рассеянию света удобнее использо-
вать (по ряду причин) лазерное излучение длиной
волны около 0,3 мкм. Поэтому на практике само
излучение рубинового лазера в атмосферу обычно не
посылают, а предварительно пропускают это излуче-
ние через специальный кристалл (так называемый не-
линейный кристалл), где оно преобразуется во вторую
гармонику, т. е. в излучение с удвоенной частотой. В
атмосферу посылают вторую гармонику излучения
рубинового лазера; ее длина волны равна 0,347 мкм.
В лидарах наряду с комбинационным рассеянием
света используется явление люминесценции. Поглощая
лазерное излучение некоторой частоты, молекулы сре-
ды затем высвечивают излучение другой (всегда мень-
шей) частоты; это и есть люминесценция. Частота, на
которой наблюдается люминесценция, имеет одно или
несколько определенных значений для данного хими-
ческого соединения. Исследуя спектральный состав
люминесцентного излучения, можно выявить наличие
в атмосфере тех или иных соединений.
В качестве примера укажем лидар для контроля
промышленных загрязнений атмосферы, созданный в
Институте спектроскопии АН СССР в Москве. Лидар
использует комбинационное рассеяние света. Он имеет
76
Схема лидара, созданного в
Институте спектроскопии
АН СССР: 1 — лазер на гра-
нате с неодимом, 2 — нели-
нейные кристаллы, 3 — си-
стема линз для расширения
лазерного пучка, 4 — при-
емное зеркало диаметром
80 см, 5 — спектрограф
лазер на гранате с неодимом, который генерирует
излучение длиной волны 1,06 мкм. Прежде чем отпра-
виться в атмосферу, излучение проходит последова-
тельно через два нелинейных кристалла и преобразует-
ся в четвертую гармонику с длиной волны 0,266 мкм;
она-то и отправляется в атмосферу. Дальность дейст-
вия лидара около 100 м, протяженность зондируемого
слоя атмосферного воздуха примерно 20 м. Лидар
посылает зондирующие импульсы с энергией 1 мДж
при частоте повторения 50 Гц. Рассеянное назад излу-
чение улавливается приемным зеркалом диаметром
80 см и затем поступает в спектрограф-для выявления
его спектрального состава.
В настоящее время исследуются возможности более
широкого применения лазеров для контроля состояния
и загрязнений атмосферы. Один из основных центров
этих исследований в СССР - Институт оптики атмо-
сферы АН СССР в Томске. Исследования показали,
что лазеры можно успешно применять не только для
контроля химического состава загрязнений атмосфе-
77
ры. Лидары четко выявляют границы областей повы-
шенной загрязненности атмосферы, например частица-
ми дыма из заводских труб. Они позволяют изучать
перемещения этих областей, изменение их формы со
временем. С помощью лазеров измеряют также стан-
дартные метеорологические параметры атмосферы:
температуру, плотность, влажность, скорость ветра.
Наконец, возможно лазерное зондирование облаков:
точное измерение их нижней границы, исследование
зарождения и развития облака, изучение пространст-
венной структуры облаков. Лазерную локацию об-
лачности производят как с земной поверхности, так и
со специально оборудованных самолетов.
Летающие лидары оказались весьма полезными не
только для исследования облачности, но также для
контроля состава морской воды вблизи ее поверх-
ности, для выявления загрязнений поверхности морей
и океанов.
Морская вода-сложная среда, в которой присутст-
вуют различные минеральные и органические вещест-
ва, а также мелкие водоросли и биологическая взвесь,
называемые планктоном. Наряду с лесами планктон,
рассеянный по огромной поверхности океанов, являет-
ся той естественной лабораторией, где совершается
великий процесс фотосинтеза-процесс, без которого
была бы невозможна жизнь на Земле. К несчастью, в
наше время поверхность океанов все более загрязняет-
ся, главным образом нефтепродуктами. Загрязнения
отравляют морскую воду, нарушают протекающие в
ней естественные процессы, губительно сказываются
на процессах фотосинтеза. Прикрытый сверху нефтя-
ной пленкой, планктон утрачивает способность к фото-
синтезу.
Лазерное зондирование поверхности моря или
океана с борта самолета, который летит со скоростью
около 400 км/ч на высоте в несколько сотен метров,
позволяет довольно легко выявить области жизнеспо-
собного планктона, а также участки водной поверх-
ности, покрытые пленкой нефти. В процессе лазерного
зондирования регистрируют: а) то конкретное место
поверхности океана, куда в данный момент был послан
лазерный луч (и откуда, следовательно, пришло излу-
чение-отклик); б) интенсивность отклика; в) спект-
ральный состав отклика. В качестве зондирующего
излучения применяют, например, импульсы лазера на
78
азоте (длина волны 0,34 мкм) или импульсы второй
гармоники лазера на гранате с неодимом (0,53 мкм).
Излучение-отклик может представлять собой излуче-
ние люминесценции, возникшей в приповерхностных
слоях морской воды в результате поглощения в них
лазерного излучения. Если, например, излучение лю-
минесценции имеет длину волны 0,68 мкм, то в данном
месте поверхности океана находится жизнеспособный
планктон. Планктон, утративший способность к фото-
синтезу, или пленка нефти люминерцируют на иных
длинах волн. Сканируя лазерным лучом по водной
поверхности, простирающейся под крылом самолета,
можно быстро определить границы участка, богатого
планктоном, или, напротив, границы участка, покрытого
нефтяной пленкой. При этом по интенсивности излуче-
ния люминесценции можно судить о плотности припо-
верхностного слоя планктона или о толщине нефтяной
пленки.
ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Спектроскопией называ-
ют раздел физики, посвященный спектрам электромаг-
нитного (в частности, оптического) излучения, испус-
каемого или поглощаемого различными веществами.
Спектроскопия позволяет исследовать структуру энер-
гетических уровней как свободных атомов и молекул,
так и образованных из них макроскопических систем.
При этом исследуются также квантовые переходы
между различными энергетическими уровнями. В ре-
зультате ученые получают важную информацию о
составе, строении, физических свойствах тех или иных
веществ.
Возможности спектроскопии оптического диапазо-
на необычайно расширились с появлением лазеров. В
традиционной спектроскопии, где используются не-
лазерные источники света, например электрический
разряд или пламя, всегда имеют дело со спектром
вещества, который образуется в результате квантовых
переходов между огромным числом энергетических
уровней. Применяя лазерное излучение с высокой сте-
пенью монохроматичности, можно избирательно ини-
циировать переходы всякий раз между определенными
уровнями или группами уровней. Плавно перестраивая
частоту лазерного излучения, можно «просмотреть»
79
различные квантовые переходы. Это позволяет очень
точно исследовать спектр данного вещества, выявить
детали, которые не обнаруживаются при проведении
традиционного спектрального анализа.
Одно из важных практических применений лазер-
ной спектроскопии - контроль загрязнений атмосфер-
ного воздуха и морской воды. Об этом мы только что
рассказывали. Остановимся теперь на другом приме-
нении - лазерном микроспектральном анализе; его ис-
пользуют, в частности, в современной криминалисти-
ческой практике.
Криминалистам часто приходится подвергать ана-
лизу следы крови, краски, лака, губной помады, та-
бачного пепла, металла и т.п., обнаруженные на тех
или иных предметах, на одежде потерпевшего или
лица, подозреваемого в совершении преступления. К
сожалению, количество вещества в подобных случаях,
как правило, столь ничтожно, что обычный хими-
ческий анализ оказывается невозможным. Затруднен
или невозможен в таких случаях и спектральный ана-
лиз с использованием традиционных методов (приго-
товление пробы с последующим возбуждением ее
спектра испускания с помощью электрической искры,
дуги, электронного пучка). Здесь на помощь кримина-
листу приходит лазерный луч.
Лазерный микроспектральный анализ проводят
следующим образом. Под микроскопом фокусируют
на поверхность исследуемого вещества мощный лазер-
ный импульс (световое пятно имеет диаметр около
10 мкм). Вещество на облучаемом участке испаряется,
в этом месте возникает плазма. Излучение плазмы
фокусируют на входную щель спектрографа. Сущест-
венно, что в данном случае не нужно готовить какие-
либо пробы вещества. Для анализа достаточно всего
10”6 г вещества; при этом надежно выявляют наличие
в веществе до нескольких десятков химических элемен-
тов. Криминалист может работать с исключительно
слабыми следами вещества, даже с теми капельками
жира, которые содержатся в отпечатках пальцев на
посуде или других предметах. Анализ проводится
быстро, его результаты (спектр вещества) можно сфо-
тографировать и иметь в качестве документа.
Благодаря исключительной локальности воздейст-
вия на исследуемый образец лазерный луч оказался
незаменимым при спектральном анализе в археологии,
81
где подчас приходится иметь дело с уникальными
образцами. Лазерный импульс практически не оказы-
вает на исследуемый образец разрушающего действия.
После него на поверхности образца остается микро-
скопический кратер диаметром порядка 10 мкм, кото-
рый невооруженным глазом не увидишь. В настоящее
время лазерный микроспектральный анализ находит
довольно широкое применение. К нему обращаются не
только в криминалистике и археологии, но и при
разведке месторождений полезных ископаемых, при
исследованиях состава метеоритов, в металлографии,
медицине, биологических исследованиях и т.д.
Особое направление в лазерной спектроскопии свя-
зано с использованием пикосекундных лазерных им-
пульсов. Посылая мощный пикосекундный импульс
света в вещество, можно вызвать там те или иные
сверхбыстрые процессы. С помощью относительно
слабых пикосекундных импульсов можно затем эти
процессы исследовать.
Большое внимание уделяется в настоящее время
пикосекундной спектроскопии первичных процессов
фотосинтеза. Под термином «фотосинтез» объединя-
ется совокупность сложных биологических или, лучше
сказать, биохимических процессов, происходящих в
зеленых листьях растений, морских водорослях, не-
которых типах бактерий. Первичные процессы фото-
синтеза включают: поглощение света Молекулами хло-
рофиллов и вспомогательными пигментами; перенос
поглощенной энергии к так называемым реакционным
центрам, в которых происходит разделение электри-
ческих зарядов; стабилизацию разделенных зарядов,
являющуюся подготовительным этапом к последую-
щим окислительно-восстановительным реакциям. Пе-
редача энергии в «реакционные центры» и разделение
зарядов в «центрах» совершаются очень быстро-за
время от 10"12 до 10"9с. До появления лазеров,
генерирующих пикосекундные импульсы, ученые не
имели «инструмента» для детального исследования
столь быстрых процессов. Теперь такой «инструмент»
есть. В настоящее время соответствующие исследова-
ния интенсивно ведутся как в СССР, так и за рубежом.
В СССР первый пикосекундный лазерный спектро-
флюориметр для изучения первичных процессов фо-
тосинтеза был создан на кафедре биофизики Москов-
ского государственного университета в 1975 г. Пико-
82
секундные лазерные импульсы позволили выявить
структуру «реакционных центров», прозондировать
промежуточные состояния, уточнить картину протека-
ния первичных процессов фотосинтеза.
ЛАЗЕРНАЯ СОРТИРОВКА
АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Лазерный луч демонстри-
рует мощь и вместе с тем способность выполнять
ювелирную работу. Читатель имел возможность убе-
диться в этом на многих рассмотренных ранее приме-
рах. Но, пожалуй, особенно ювелирной представляется
работа лазерного луча по сортировке атомов и моле-
кул. Дело в том, что с помощью лазерного излучения
можно производить отбор атомов и молекул нужного
сорта и таким путем-«по одному атому, по одной
молекуле»-собирать макроскопические количества то-
го или иного вещества. Это позволяет получать особо
чистые вещества, практически не содержащие каких-
либо примесей. В таких веществах весьма нуждается
современная электронная техника. Лазерная сортиров-
ка атомов (молекул) в тысячи раз снижает долю
примесей в веществах, которые предварительно были
очищены с помощью традиционных (нелазерных) ме-
тодов. В результате удается получать (и притом в
макроскопических количествах) вещества, в которых
доля примесей не превышает 10-12-не более одного
атома примеси на тысячу миллиардов атомов основ-
ного вещества!
Идея лазерной сортировки атомов и молекул в
общих чертах довольно проста. Известно, что атомы
(молекулы) разного сорта поглощают свет на разных
частотах. Предположим, что лазерный луч имеет стро-
го определенную частоту, которая соответствует энер-
гии возбуждения или ионизации атомов примеси (но не
атомов основного вещества). При облучении вещества
таким лазерным лучом будут поглощать свет и воз-
буждаться или ионизироваться только атомы примеси.
Ну, а отсортировать (отделить) возбужденные или, что
еще лучше, ионизированные атомы от остальных ато-
мов относительно нетрудно. Подчеркнем, что лазерное
излучение в данном случае должно не только быть
высоко монохроматическим, но и иметь нужную час-
83
тоту. Здесь необходимы лазеры с плавно перестраивае-
мой частотой. Для очистки данного вещества частоту
такого лазера наилучшим образом настраивают на
частоту возбуждения или ионизации тех частиц, кото-
рые подлежат удалению.
Лазерную сортировку атомов используют не толь-
ко для особо высокой очистки вещества, но и для
разделения изотопов одного и того же химического
элемента. Проблема разделения изотопов очень важна.
Для различных промышленных, медицинских и науч-
ных целей часто требуется вещество, обогащенное
каким-либо определенным изотопом данного химиче-
ского элемента. Чтобы получить такое вещество, надо
разделить изотопы, например выделить и затем нако-
пить нужный изотоп. Особенно важна проблема разде-
ления изотопов в атомной энергетике. Речь идет о
разделении изотопов урана. Естественный уран содер-
жит в основном изотоп 238U и только 0,7% изотопа
235U. Однако для ядерных реакторов важен как раз
изотоп 235U. Разработаны и применяются различные
методы разделения изотопов урана и среди них -
лазерный метод. Специалисты рассматривают лазер-
ное разделение изотопов урана как весьма перспектив-
ный и экономически эффективный метод.
Рассмотрим, как это осуществляется на практике.
Представим себе пучок атомов естественного урана,
вылетающих из нагреваемого сплава урана. Пучок
облучают точно подстроенным излучением непрерыв-
но генерирующего лазера на красителе (длина волны
лазерного излучения 0,59154 мкм). Это излучение по-
глощается атомами изотопа 235 и не поглощается
атомами изотопа 238. В результате поглощения лазер-
ного излучения атомы изотопа 235 возбуждаются.
Пучок атомов урана облучается также ультрафиолето-
вым излучением на длине волны 0,2-0,3 мкм. Ультра-
фиолетовое излучение поглощают только возбужден-
ные атомы урана, при этом они ионизируются. Таким
образом, наряду с нейтральными атомами урана в
пучке оказываются ионы урана, причем эти ионы
относятся только к изотопу 235. Пучок, содержащий
нейтральные атомы и ионы, попадает в масс-спектро-
метр. Там под действием магнитного поля ионы (ведь
они являются заряженными частицами) отклоняются в
сторону, что и позволяет выделить их из пучка.
84
В рассмотренном примере в основе лазерного раз-
деления изотопов лежал процесс избирательной иони-
зации, причем процесс этот был двухступенчатым: на
первой ступени избирательное возбуждение и лишь на
второй ионизация. Возможны также иные физические
механизмы лазерного разделения изотопов. Напри-
мер, можно использовать избирательную диссоциа-
цию молекул. Поглощая лазерное излучение, моле-
кулы «нужного» изотопа диссоциируют на атомы.
Атомы, являясь химически активными реагентами,
вступают в химическую реакцию со специально вводи-
мыми в смесь молекулами. В образующихся при этом
молекулах нового химического соединения присутству-
ют атомы только «нужного» изотопа; затем это соеди-
нение отделяют и тем самым разделяют изотопы.
Применяется также метод, когда возбужденные лазер-
ным излучением молекулы или атомы «нужного» изо-
топа сами вступают в определенные химические реак-
ции, образуя легко отделяемые соединения.
ГЛАВА ВТОРАЯ. КАКОЙ ОН - ЭТОТ ЛАЗЕР?
"Во всем мне хочется дойти
До самой сути.
В работе, в поисках пути,
В сердечной смуте.
До сущности протекших дней,
До их причины,
До оснований, до корней,
До сердцевины."
Б. Л. Пастернак
АНАТОМИЯ ЛАЗЕРА
Как выглядит лазер? На
что он похож? Такие вопросы мы задали нескольким
людям, не имевшим никакого отношения к лазерной
технике. Все они уверенно ответили, что по внешнему
виду лазер напоминает этакий «пенал» цилиндриче-
ской или прямоугольной формы длиной около метра;
излучение выходит из торца «пенала». Действительно,
так выглядят многие лазеры и, в частности, широко
используемые на практике лазеры на рубине и гранате
с неодимом, гелий-неоновый лазер, некоторые типы
СО2-лазеров. Вместе с тем существуют лазеры, кото-
рые явно не подходят под такое описание. В качестве
примера можно указать миниатюрные полупроводни-
ковые лазеры, свободно умещающиеся на ладони, или
газодинамические лазеры-гиганты, длина которых до-
стигает нескольких десятков метров, а масса измеряет-
ся тоннами. Вообще, надо подчеркнуть, лазеры отли-
чаются большим разнообразием. Существует огром-
ное число разных типов лазеров; они различаются не
только характеристиками генерируемого ими излуче-
ния, но также внешним видом, размерами, особен-
ностями конструкции.
О том, какие бывают лазеры, мы подробнее по-
говорим позднее. Пока же отметим, что несмотря на
многообразие все лазеры имеют одну и ту же и притом
весьма простую принципиальную схему. Она содержит
всего три основных узла,-активный элемент, устрой-
ство накачки, оптический резонатор.
«Сердце» лазера-его активный элемент. У одних
лазеров он представляет собой кристаллический или
стеклянный стержень цилиндрической формы. У дру-
гих-это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой
находится специально подобранная газовая смесь. У
третьих-кювета со специальной жидкостью. Соответ-
ственно различают лазеры твердотельные, газовые и
жидкостные.
Рассмотрим подробнее, что такое активный эле-
мент твердотельного лазера. Отдаленно он похож на
кекс с изюмом. Роль кекса (по-научному его именуют
матрицей или основой) играет кристалл диэлектрика
или стекло. «Изюминками» являются атомы или, точ-
нее, ионы, специально вводимые в виде небольшой
88
примеси в кристалл в процессе его изготовления. Их
называют активными центрами. Подчеркнем - всякий
лазер имеет активный элемент, во всяком активном
элементе есть активные центры. Именно в них и
зарождается лазерное излучение. Можно сказать, что
лазерный луч возникает как суммарный эффект друж-
ного высвечивания огромного множества активных
центров.
Заметим, что у полупроводниковых лазеров (где
активный элемент - кристаллик полупроводника или
контакт из двух полупроводников разного типа) актив-
ных центров нет; лазерное излучение рождается здесь в
результате соответствующих изменений состояния
электронного коллектива. Мы поговорим об этом
позднее.
Лазер на рубине-это лазер, в котором активным
элементом служит кристалл розового рубина. Здесь
основа-окись алюминия (А12О3), а активные центры-
ионы хрома (Сг3+). Доля ионов хрома составляет в
данном случае 0,05 %; благодаря им рубин имеет
розовую окраску.. В лазере на гранате с неодимом
активным элементом является кристалл алюмо-иттри-
евого граната (Y3A15O12), в который в качестве актив-
ных центров введены ионы неодима (Nd3 + ).
В гелий-неоновом лазере активный элемент - газо-
разрядная трубка, где под давлением около 1 мм
рт.ст. (1 мм рт. ст. — 130 Па) находится смесь гелия и
неона; парциальное давление неона в 5-10 раз меньше,
89
чем гелия. Активными центрами являются здесь ато-
мы неона. В СО2-лазере в газоразрядной трубке нахо-
дится смесь, состоящая из углекислого газа (СОД
молекулярного азота (N2) и разных небольших доба-
вок в виде гелия, паров воды и т.д.; активные
центры - молекулы СО2.
Из жидкостных лазеров наиболее широко применя-
ются лазеры на органических красителях. Красители-
сложные органические соединения, способные сильно
люминесцировать и притом в достаточно широкой
полосе частот. В лазерах чаще всего используют краси-
тель родамин 6G. Активный элемент таких лазеров-
кювета с растворителем (водой, спиртом, бензолом и
т.д.), в котором растворен краситель; активные цент-
ры - молекулы красителя.
Как уже говорилось, лазерное излучение рождается
в результате высвечивания активных центров. Необхо-
димо, очевидно, предварительно возбудить эти центры
или, образно выражаясь, накачать их энергией. Для
этого и предназначается устройство накачки.
В твердотельных лазерах применяется оптическая
накачка. Параллельно активному стержню помещается
газоразрядная лампа-вспышка. С помощью специаль-
ного отражателя световая энергия, испускаемая лам-
пой, собирается на активном стержне. Она частично
поглощается в нем, что и приводит к возбуждению
активных центров. Оптическая накачка используется
также в лазерах на красителях.
-о о
Три основных конструктивных элемента имеет твердотельный лазер:
1 — активный стержень, 2 — лампу-вспышку, 3 — отражатель. В попе-
речном разрезе отражатель — это эллипс. В фокусе эллипса находит-
ся лампа-вспышка, а в другом — активный стержень. Испускаемые
лампой-вспышкой световые лучи, отразившись от эллиптической по-
верхности отражателя, собираются на активном стержне
90
В газовых лазерах оптическая накачка, как правило,
не применяется. Здесь обычно используют возбужде-
ние с помощью электрического разряда в газе. Так, в
гелий-неоновом лазере возбуждение активных центров
(атомов неона) происходит при столкновениях частиц
в тлеющем разряде. Образующиеся в разряде быстрые
электроны возбуждают атомы гелия, а те, в свою
очередь, передают энергию возбуждения атомам нео-
на. Передача энергии от одних частиц к другим совер-
шается при их столкновениях друг с другом. Следует
отметить, что способы накачки газовых лазеров до-
вольно разнообразны. В частности, широко применя-
ется возбуждение активных центров за счет энергии,
освобождающейся при определенных химических реак-
циях (химические лазеры).
Пусть имеются активный элемент и устройство
накачки. Включим устройство накачки и тем самым
обеспечим возбуждение активных центров. Достаточно
ли этого для того, чтобы последовавшее за возбужде-
нием высвечивание активных центров привело к обра-
зованию лазерного луча? Легко сообразить, что этого
недостаточно. Ведь активные центры будут высвечи-
ваться во всевозможных направлениях; нам же требу-
ется, чтобы массовое высвечивание происходило в
каком-то определенном направлении. Значит, надо
выделить в пространстве (как-то задать, фиксировать)
направление, в котором бы совершалось дружное
высвечивание большинства возбужденных активных
центров. Эту задачу решает оптический резонатор
лазера. Он представляет собой систему специальных
зеркал; активный элемент находится внутри системы
зеркал, т.е. внутри оптического резонатора.
В простейшем случае резонатор образован всего
двумя плоскими взаимно параллельными зеркалами;
они находятся на торцах активного стержня или у
выходных концов газоразрядной трубки. Одно из зер-
кал может быть полностью отражающим; зато другое
должно частично пропускать излучение. Это второе
зеркало называют выходным; именно сквозь него и
выходит лазерный луч. Луч направлен перпендикуляр-
но плоскости зеркал, т.е. параллелен оси активного
стержня или оси газоразрядной трубки. Доля световой
энергии, проходящей через выходное зеркало (коэф-
фициент пропускания зеркала), различна для разных
лазеров. У гелий-неоновых лазеров она обычно состав-
91
ляет всего около 1%, а у лазеров на гранате с
неодимом может быть 50% и больше.
Итак, надо взять активный элемент, поместить его
в оптический резонатор и включить устройство на-
качки. Вот, собственно говоря, и всё-лазер работает.
Мы видим, таким образом, что анатомия лазера до-
вольно проста. Однако простота эта обманчива. В
действительности же за ней скрывается сложная карти-
на физических процессов, происходящих внутри актив-
ного элемента. Благодаря оптическому резонатору эти
процессы развиваются не хаотически, а «в нужном
направлении». В результате и рождается когерентный
лазерный луч. Нельзя понять лазер, не разобравшись в
сущности того, что именно совершается в активном
элементе и в оптическом резонаторе. Конструктивно
лазер довольно прост, зато он далеко не прост с точки
зрения физики происходящих в нем процессов. Зай-
мемся же теперь физикой лазера. А для этого прежде
всего обсудим, как взаимодействует свет с атомами и
молекулами.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА
С АТОМАМИ
И МОЛЕКУЛАМИ
Когда мы произносим
имя одного из величайших физиков Альберта Эйн-
штейна, то обычно связываем его с теорией относи-
тельности. Однако вклад Эйнштейна в развитие физи-
ки не ограничивается рамками теории относительно-
сти. Среди его работ есть, в частности, работы, кото-
рые оказались основополагающими для квантовой
электроники.
Мы имеем в виду две работы Эйнштейна, опубли-
кованные в 1916 г. Первая называется «Испускание и
поглощение излучения по квантовой теории», а вто-
рая-«К квантовой теории излучения». Ученый пока-
зал, что существуют два различных процесса испуска-
ния света атомами и молекулами вещества. Наряду с
«обычным» процессом испускания, известным как са-
мопроизвольное (спонтанное) испускание, должен на-
блюдаться, как утверждал Эйнштейн, процесс испуска-
ния, происходящий не самопроизвольно, а под воз-
действием излучения, уже имеющегося в окружающей
92
среде. Эйнштейн назвал этот второй процесс индуциро-
ванным (вынужденным) испусканием.
Прошли десятилетия, прежде чем ученые убеди-
лись, что «придуманное» Эйнштейном вынужденное
испускание не только действительно существует, но,
более того, при определенных условиях может играть
важную роль. Именно это испускание и лежит в основе
работы лазера. Само слово «лазер» составлено из
начальных букв английского словосочетания Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в
переводе на русский язык означает «усиление света
посредством вынужденного испускания».
Но будем рассматривать всё по порядку. Прежде
всего напомним читателю, что энергия атома (энергия
молекулы) квантуется. Иными словами, энергия ато-
ма (молекулы) не изменяется непрерывно, а принимает
лишь некоторые определенные значения. Этим значе-
ниям энергии соответствуют так называемые энерге-
тические уровни. Так и говорят: атом или молекула
находится на таком-то энергетическом уровне. Пере-
ход атома или молекулы с одного энергетического
уровня на другой совершается скачком; при этом
поглощается или, напротив, испускается соответст-
вующая порция излучения - квант света, или, иными
словами, фотон. При переходе атома на более высо-
кий энергетический уровень фотон поглощается (энер-
гия фотона идет на возбуждение атома). Если же атом
переходит на более низкий уровень, происходит ис-
пускание фотона (высвобождающаяся энергия возбуж-
дения атома идет на рождение фотона). Представим
себе целый набор энергетических уровней данного
атома. Возможные переходы атома показаны стрелка-
ми, каждая из которых начинается на том уровне, где
атом был раньше, и кончается на уровне, на котором
атом оказался в результате перехода. Переходы, по-
казанные стрелками, направленными снизу вверх, свя-
заны с поглощением фотонов (свет поглощается ато-
мами). Стрелки, направленные сверху вниз, обознача-
ют переходы с рождением фотонов (свет испускается
атомами). Вполне понятно, что энергия поглощенного
или испущенного фотона равна разности энергий уров-
ней атома, между которыми произошел данный пере-
ход. Напомним, что энергия фотона равна hv,
где v-частота света, //-постоянная Планка (h =
= 6,6-10”34 Джс).
93
Свет поглощается
Здесь изображена схема из трех энергетических уровней некоего ато-
ма; чем выше уровень, тем больше его энергия. Стрелками показа-
ны квантовые переходы атома с одного уровня на другой. При пере-
ходах снизу вверх происходит поглощение фотонов, при каждом та-
ком переходе исчезает фотон с энергией, равной разности энергий
данных уровней. При переходах сверху вниз происходит рождение
фотонов с соответствующей энергией
Рассмотрим простую физическую модель, где ве-
щество представлено атомами, имеющими только два
энергетических уровня. Обозначим энергию этих уров-
ней через £\ и Е2, причем пусть Ех < Е2. Предпо-
ложим, что на вещество падает свет, состоящий из
фотонов, каждый из которых имеет энергию Е2 —Ех.
Нетрудно сообразить, что частота такого света равна
{E2 — Ex)/h.
Пусть какой-то из атомов находится на нижнем
уровне Ех. Такой атом может поглотить фотон с
энергией Е2 — Ех и совершить скачок с уровня Ех на
уровень Е2. Это есть единичный акт поглощения света
веществом.
Что станет с атомом, который возбудился, т. е.
оказался на верхнем энергетическом уровне? Ясно, что
этот атом не может поглотить фотон. Но он может
под воздействием фотона возвратиться на уровень Ех.
При этом родится еще один фотон, имеющий энергию
Е2 — Ех. Это есть единичный акт вынужденного
испускания света. Его «вынуждает» или, лучше ска-
зать, инициирует фотон, играющий в данном случае
роль своеобразного «спускового механизма», который
«сталкивает» атом с верхнего энергетического уровня
на нижний. Существенно, что рождающийся фотон
(назовем его вторичным) будет точной копией первич-
ного фотона, инициировавшего переход атома с уров-
ня Е2 на уровень Ех. Оба фотона имеют одну и ту же
энергию, одно и то же направление движения.
94
Можно представить картину, когда первичный фо-
тон инициирует переход с уровня Е2 на уровень Ег
сразу во многих возбужденных атомах. В результате
появится не один вторичный фотон, а целая лавина
таких фотонов. Все они будут иметь одинаковую
энергию, все они будут лететь в одном направлении - в
направлении движения первичного фотона. Такая фо-
тонная лавина и образует когерентный световой пучок.
Напомним, что указанный пучок должен отличаться
высокой монохроматичностью и высокой направлен-
ностью. Монохроматичность лавины вынужденно ис-
пущенных фотонов обусловлена тем, что все фотоны в
ней имеют одну и ту же энергию (энергию первичного
фотона), а значит, и одну и ту же частоту. Высокая
направленность рассматриваемой фотонной лавины
обусловлена тем, что все фотоны летят в направлении,
заданном первичным фотоном. Таким образом, воз-
можность получения когерентных световых пучков
заложена в самой природе вынужденного испускания
света атомами и молекулами вещества.
Но вернемся к нашим двухуровневым атомам.
Оказавшийся на верхнем уровне, атом может воз-
вратиться на нижний уровень не обязательно под
воздействием некоего первичного фотона. Он может
возвратиться и «обычным способом», т. е. самопро-
извольно. В этом случае происходит спонтанное ис-
пускание света.
Сопоставим процессы вынужденного и спонтанно-
го испускания света. Первый процесс является управ-
ляемым-его инициирует первичный фотон, который
не только вызывает переход атома с верхнего уровня
на нижний, но и определяет направление движения
родившегося при этом переходе вторичного фотона.
Второй процесс имеет ярко выраженный случайный
характер: случаен момент перехода, случайно направ-
ление родившегося фотона. Если при вынужденном
испускании возникает лавина фотонов, дружно летя-
щих в одном направлении, то при спонтанном испуска-
нии фотоны разлетаются кто куда, к тому же моменты
их рождения случайны, не согласованы друг с другом.
Как уже отмечалось, в вынужденном испускании зало-
жена возможность получения когерентных световых
пучков. Спонтанное же испускание мешает получать
такие пучки.
95
Поглощение света
Вынужденное испускание света 2
Рисунок иллюстрирует три элементарных процесса, лежащих в осно-
ве взаимодействия света с атомами и молекулами вещества: 1 — фо-
тон поглощается, при этом атом переходит из основного состояния^
в возбужденное (переходит с уровня Ех на уровень Е2), 2 — фотон
инициирует переход атома из возбужденного состояния в основное,
происходит вынужденное испускание, в результате рождается еще
один фотон, 3 — атом из возбужденного состояния самопроизвольно
переходит в основное, возникает спонтанное испускание фотона. На
рисунке фотоны условно изображены в виде стрелок-звездочек
Итак, взаимодействие света с атомами и молекула-
ми вещества сводится в конечном счете к трем элемен-
тарным процессам: поглощению фотонов атомами
(молекулами) и двум процессам испускания фотонов-
вынужденному и спонтанному.
Теперь рассмотрим практическую ситуацию: свето-
вой пучок проходит сквозь вещество. Известно, что
проходящий сквозь вещество световой пучок будет
постепенно ослабляться. А нельзя ли сделать так,
чтобы по мере прохождения в веществе световой пучок
не ослаблялся, а, напротив, усиливался? Над этим
вопросом задумался в 1939 г. советский физик
В. А. Фабрикант.
96
Предположим, что вещество, сквозь которое рас-
пространяется световой пучок, состоит (простоты ра-
ди) из двухуровневых атомов. Часть атомов находится
на уровне Е2, остальные на уровне Ег. Фотоны в
световом пучке имеют энергию Е2 — Ег. Ясно, что
атомы на уровне Et будут поглощать фотоны пучка и
переходить на уровень Е2; в результате пучок должен
ослабляться. Атомы же, находящиеся на уровне Е2,
будут под воздействием фотонов пучка переходить на
уровень при этом появятся вторичные фотоны,
летящие в том же направлении, что и фотоны пучка, и,
значит, пучок должен усиливаться. Какой же процесс
окажется преобладающим - ослабление пучка за счет
поглощения фотонов атомами вещества или усиление
пучка за счет вынужденного испускания фотонов? Еще
Эйнштейн показал, что вероятность поглощения фото-
на атомом, находящимся на нижнем уровне, равна
вероятности того, что этот фотон вызовет вынужден-
ное испускание в атоме на верхнем уровне. Значит,
рассуждал В. А. Фабрикант, все дело в том, каких
атомов больше-тех, которые находятся на уровне
или же тех, которые на уровне Е2. Если атомов больше
на нижнем уровне, то чаще будут происходить акты
поглощения фотонов атомами-световой пучок будет
ослабляться. Если же большее число атомов окажется
на верхнем уровне, то чаще будут происходить акты
вынужденного испускания; в этом случае вынужденное
испускание света будет преобладать над поглощением
света и в результате световой пучок усилится. Обычно
чем выше уровень энергии, тем меньше на нем атомов.
Именно поэтому световой пучок ослабляется, проходя
сквозь вещество. Значит, для того, чтобы пучок усили-
вался, необходимо создать необычную ситуацию - сде-
лать так, чтобы на более высоком уровне энергии
оказалось больше атомов, чем на более низком уров-
не. Как теперь говорят, надо создать инверсную, иными
словами, обращенную населенность энергетических
уровней в веществе.
Итак, возможность усиления света в веществе была
найдена! Надо пропускать световой пучок через среду с
инверсной населенностью уровней. Для приготовления
такой среды можно воспользоваться, например, вспо-
могательным излучением, которое перебросит значи-
тельную часть атомов с нижних уровней на верхние.
Возможны, как уже отмечалось ранее, также другие
97
4 S87
пути возбуждения атомов, например электрический
разряд в газе.
Казалось, оставалось сделать совсем немного-и
вот он: усилитель света. Но началась Великая Оте-
чественная война. Научные исследования, не имевшие
непосредственного отношения к обороне страны, при-
шлось отложить до победы над врагом. После войны
В. А. Фабрикант вместе со своими сотрудниками
М.М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой возобновил иссле-
дования, прерванные войной. Эти исследования про-
водились в Московском энергетическом институте. И
вот в 1951 г. В. А. Фабрикант с сотрудниками подают
заявку на изобретение способа усиления излучения с
помощью вынужденного испускания. На заявку было
выдано свидетельство, где в разделе «Предмет изобре-
тения» записано:
«Способ усиления электромагнитных излучений
(ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и
радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что
усиливаемое излучение пропускают через среду,
в которой с помощью вспомогательного излуче-
ния или другим путем создают избыточную по
сравнению с равновесной концентрацию атомов,
других частиц или их систем на верхних энергети-
ческих уровнях, соответствующих возбужденным
состояниям.»
Так, благодаря исследованиям взаимодействия све-
та с атомами вещества, показавшим принципиальную
возможность усиления света при прохождении через
вещество, были сделаны первые шаги на пути к лазеру.
Пройдет чуть меньше десяти лет (с 1951 г. по 1960 г.),
и рождение лазера состоится. О том, что происходило
в это десятилетие, расскажем немного позже, а пока
обратимся к физике процессов, совершающихся внутри
лазера.
ФИЗИКА ЛАЗЕРА
Ранее мы познакомились
в общих чертах с устройством лазера и выяснили, как
свет взаимодействует с атомами вещества. Это позво-
ляет перейти теперь к объяснению физики лазера.
98
Физика лазера «начинается» в его активных цент-
рах. Пусть для определенности это будут активные
центры в лазере на рубине; как мы уже знаем, ими
являются ионы хрома. Рассматривая взаимодействие
света с атомами, для простоты полагали, что атомы
имеют всего два энергетических уровня. Ион хрома,
как и любой реальный ион или атом, имеет в действи-
тельности не два, а много уровней. Надо заметить
также, что ион хрома в данном случае не является
свободным, а находится в кристалле рубина; это при-
водит к тому, что энергетические уровни иона как бы
«размываются», превращаясь в энергетические поло-
сы. Впрочем, не следует особенно пугаться. Некоторые
энергетические полосы оказываются достаточно узки-
ми, так что их можно приближенно рассматривать как
энергетические уровни. Что же касается числа уровней
(полос) иона хрома, то для работы лазера на рубине
существенны только некоторые из них; в рассматри-
ваемом случае можно ограничиться схемой из двух
уровней и двух энергетических полос. Введем обозна-
чения: 1 и 2 для уровней, 3 и 4 для полос; обозначения
даны в порядке возрастания энергии. Уровень /-ос-
новной; в отсутствие накачки (когда лазер не работает)
практически все ионы хрома находятся на этом уровне.
Лазерное излучение рождается на переходах 2^1
ионов хрома; по этой причине уровень 2 называют
верхним рабочим уровнем, а основной уровень 1 играет
Эта схема энергетических
уровней * и полос объясняет
физику лазерной генерации
в рубине. Изображены уров-
ни и полосы активного цент-
ра — иона хрома. Верти-
кальные стрелки, направлен*
ные снизу вверх, обозначают
переходы, обусловленные
поглощением фотонов излу-
чения накачки. Косые стрел-
ки — самопроизвольные
безызлучательные переходы,
приводящие к накоплению
ионов хрома на верхнем
рабочем уровне. Двойная
стрелка — рабочий переход,
в результате которого рож-
дается лазерное излучение
100
в данном случае роль нижнего рабочего уровня. Раз-
ность энергий рабочих уровней соответствует длине
волны лазерного излучения 0,694 мкм (красный цвет).
Напомним, что в лазере на рубине (как и в любом
твердотельном лазере) применяется оптическая накач-
ка. Ксеноновая лампа-вспышка посылает мощные све-
товые импульсы на активный элемент. Поглотив фо-
тон из излучения накачки, ион хрома возбуждается: он
скачком поднимается с уровня 1 в полосу 3 (или в
полосу 4). Там он долго не задерживается и переходит
на уровень 2, отдавая избыток энергии колебаниям
кристаллической решетки рубина.
Обратим внимание читателя на следующее весьма
важное обстоятельство.Оказавшись на уровне 2, ион
хрома «застревает» там на относительно длительное
время, составляющее 10“4-10 ~3 с. Мы не оговори-
лись, назвав длительными промежутки времени, из-
меряемые тысячными долями секунды. Следует пом-
нить, что в мире атомов свои масштабы. Во всяком
случае, указанное время в десятки и сотни тысяч раз
больше, чем время, в течение которого ион хрома
находился в полосе 3 или 4. Уровень 2 называют
«долгоживущим» (слова «долго живет» надо относить,
очевидно, не к самому уровню, а к иону, который
попал на данный уровень) или, по-научному, мета-
стабильным. Метастабильность верхнего рабочего
уровня имеет для работы лазера принципиальное зна-
чение. Представим себе поток фотонов накачки, бом-
бардирующих активный элемент. Ионы хрома погло-
щают фотоны и один за другим перескакивают в
полосы 3 и 4, а оттуда на уровень 2. Так как уровень 2
метастабилен, то на нем будет накапливаться всё
больше и больше ионов хрома, и вскоре число ионов
на уровне 2 станет больше числа ионов, оставшихся на
уровне 1. В результате возникнет инверсная населен-
ность рабочих уровней. Активный элемент готов к
работе! Теперь достаточно «сигнала» (в виде фотона с
энергией, равной разности энергий уровней 2 и /),
чтобы произошел дружный переход ионов хрома с
уровня 2 на уровень /; при этом родится целая лавина
вынужденно испущенных фотонов.
Итак, под действием накачки метастабильный верх-
ний рабочий уровень «перегружается» активными
центрами и возникает инверсная населенность рабочих
уровней. Если через такую среду пропустить световой
101
импульс на длине волны, соответствующей разности
энергий рабочих уровней, то импульс, проходя через
среду, не ослабится, а, напротив, усилится (поскольку
вынужденное испускание преобладает здесь над по-
глощением света). Всё именно так и происходит в
приборах, называемых квантовыми усилителями све-
та. Лазер же является не усилителем. а генератором
света; здесь нет первичного светового импульса. По-
этому надо объяснить, как же начинается или, точнее
говоря, зарождается генерация лазерного излучения в
активном элементе с инверсной населенностью уров-
ней.
Здесь мы должны вспомнить о спонтанном испус-
кании света атомами вещества и, в частности, актив-
ными центрами. С него-то всё и начинается. Роль
первичных фотонов, инициирующих вынужденное ис-
пускание на переходе между рабочими уровнями, игра-
ют фотоны, которые возникли вследствие спонтанных
скачков активных центров с уровня 2 на уровень 1.
Каждый такой фотон рождается самопроизвольно.
Родившись, он инициирует рождение лавины вторич-
ных фотонов, дружно устремляющихся за ним.
Предвидим недоумение, которое может возникнуть
у внимательного читателя. Спонтанно рождающиеся
фотоны испускаются активными центрами несогласо-
ванно во времени и притом в самых разных направ-
лениях. Значит, в разных направлениях полетят и
соответствующие лавины вторичных фотонов. Каким
же образом получается лазерный луч?
Недоумение читателя совершенно понятно. Чтобы
получить лазерный луч, необходимо как-то упорядо-
чить описанную выше картину. Это делает оптический
резонатор. Мы уже рассказывали, что простейший
оптический резонатор-это два зеркала с общей опти-
ческой осью, которая и задает в пространстве направ-
ление лазерного луча. Активный элемент находится
между зеркалами. Если это твердый цилиндрический
стержень, то его ось совпадает с общей осью зеркал;
зеркала находятся на торцах стержня.
Теперь сообразим, как будут развиваться события в
активном стержне, помещенном между зеркалами.
Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направ-
лении оси стержня, пройдут внутри него относительно
большой путь, который к тому же многократно увели-
чивается вследствие отражений излучения от зеркал
102
резонатора. Взаимодействуя с возбужденными актив-
ными центрами (точнее говоря, с активными центра-
ми, накопившимися на верхнем рабочем уровне), эти
фотоны будут инициировать в конечном счете мощ-
ную лавину вынужденно испущенных фотонов. Можно
представить себе, как случайно родившийся в направ-
лении оси стержня фотон, двигаясь вдоль стержня,
«обрастает» вторичными фотонами и превращается в
световой импульс; дойдя до зеркала резонатора и
отразившись от него назад, этот импульс снова прохо-
дит по активному стержню и еще более усиливается - и
так много раз. Часть накопившейся в импульсе свето-
вой энергии покидает резонатор через выходное зер-
кало в виде лазерного импульса. Что же касается тех
спонтанных фотонов, которые родились не в направ-
лении оси стержня, а в других направлениях, то они
(равно как инициированные ими лавины вторичных
фотонов) пройдут внутри активного элемента сравни-
тельно короткий путь и довольно быстро «выйдут из
игры».
Здесь можно видеть, что происходит с фотонными лавинами, зарож-
дающимися от различных спонтанно испущенных фотонов. На верх-
нем рисунке фотонная лавина, зародившаяся в точке Л, достигает ле-
вого зеркала и отражается от него назад в активный элемент. На ниж-
нем рисунке эта лавина, распространяясь вдоль оси резонатора слева
направо, значительно усиливается и порождает выходное лазерное
излучение. Остальные показанные на рисунках лавины (лавины, за-
родившиеся в точках В, С, D, Е, F, G) развивались не в направлении
оси резонатора и поэтому быстро "вышли из игры"
103
- Что ж,- может заметить читатель.-Получается, что
лазерное излучение зарождается из спонтанного из-
лучения (иначе говоря, из шума) благодаря избира-
тельности усиления, т. е. благодаря тому, что усиление
излучения происходит преимущественно лишь вдоль
определенного направления?-Именно так и получает-
ся,-ответим мы нашему читателю. Фактически мы
встречаемся здесь с ситуацией, известной в кибернети-
ке под названием «отбор информации из шума». Ко-
герентное, иначе говоря, внутренне упорядоченное из-
лучение лазера как бы «отбирается» из изначального
«светового шума». Этот отбор осуществляют зеркала
резонатора. Можно сказать, что оптический резонатор
в известном смысле упорядочивает бурно развиваю-
щиеся в активном элементе процессы вынужденного
испускания, инициированные спонтанно родившимися
фотонами; он как бы направляет эти процессы в
«нужное русло» и в итоге формирует лазерный луч.
Можно видеть, таким образом, что оптический
резонатор играет в лазере принципиально важную
роль. Сама по себе среда, в которой создана инверсная
населенность уровней (и где, следовательно, вынуж-
денное испускание света преобладает над его поглоще-
нием), может работать только как усилитель света.
Чтобы превратить усилитель в генератор света, т. е.
получить лазер, необходимо поместить эту среду
внутрь оптического резонатора.
Теперь, когда мы выяснили, как работает лазер,
вернемся к идее гиперболоида инженера Гарина. На-
помним: там были два зеркала, имеющие форму ги-
перболоидов, обращенных друг к другу вогнутыми
сторонами. В принципе эти два зеркала могли бы
составлять оптический резонатор. То, что зеркала не
плоские, в данном случае непринципиально; в боль-
шинстве лазеров зеркала как раз не плоские (чаще
всего они сферические). Принципиально другое-то,
что у Гарина между зеркалами ничего нет. Чтобы
получить нечто, похожее на лазер, Гарин должен был
бы поместить свои знаменитые угольные пирамидки
между зеркалами, т. е. внутри резонатора. Впрочем, и
это не решило бы проблемы создания лазера. Ведь в
веществе пирамидок не были «предусмотрены» актив-
ные центры с метастабильным верхним рабочим уров-
нем, который бы «перегружался» за счет энергии,
выделяющейся при горении пирамидок. В гаринских
104
пирамидках не было инверсно населенных уровней и,
значит, вынужденное испускание света не могло здесь
преобладать над его поглощением. В лучшем случае
эти пирамидки могли бы использоваться как источник
вспомогательного излучения для накачки некоего ак-
тивного элемента. Итак, как мы убеждаемся, принцип
работы фантастического гиперболоида инженера Га-
рина не имеет в действительности ничего общего с
принципом работы лазера.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
История создания лазера
начинается с фундаментальных работ А. Эйнштейна,
опубликованных в 1916 г. О них мы уже рассказывали.
Следующий важный шаг на пути к лазеру сделали
В. А. Фабрикант с сотрудниками, получившие в 1951 г.
свидетельство на изобретение способа усиления из-
лучения за счет использования вынужденного испуска-
ния. Вскоре этот способ усиления излучения был ре-
ализован. Однако вначале он был реализован отнюдь
не в оптическом диапазоне, а в диапазоне сверхвысо-
ких частот.
В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по
радиоспектроскопии Н. Г. Басов и А. М. Прохоров со-
общили о принципиальной возможности создания
усилителя и генератора излучения в СВЧ-диапазоне.
Они назвали его «молекулярным генератором», по-
скольку предполагалось использовать в качестве ак-
тивной «среды» пучок молекул аммиака. Аналогичное
предложение об использовании вынужденного ис-
пускания для усиления и генерации СВЧ-излучения
было высказано американским физиком Ч. Таунсом.
В 1954 г. был создан молекулярный генератор,
названный вскоре мазером. Его разработали и создали
независимо и практически одновременно два коллекти-
ва ученых - советские ученые, работавшие в Физиче-
ском институте АН СССР под руководством Н. Г. Ба-
сова и А. М. Прохорова, и американские ученые, ра-
ботавшие в Колумбийском университете в США под
руководством Ч. Таунса. Созданный ими молекуляр-
ный генератор на пучке молекул аммиака генерировал
излучение на длине волны 1,25 см. В 1955 г. в журнале
Доклады АН СССР (т. 101, № 1) была опубликована
105
статья Н. Г. Басова и А. М. Прохорова «Теория мо-
лекулярного генератора и молекулярного усилителя
мощности».
Впоследствии от термина «мазер» и произошел
термин «лазер»-в результате замены буквы М (на-
чальная буква слова Microwave - микроволновый) на
букву L (начальная буква слова Light-свет). Появле-
ние мазера означало, что родилось новое направление
в науке и технике. Его назвали квантовой радио-
физикой. Позднее более предпочтительным стал тер-
мин «квантовая электроника».
За фундаментальные исследования в квантовой
электронике, увенчавшиеся созданием мазера, а затем
и лазера, Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американ-
ский физик Ч. Таунс были удостоены в 1964 г. Нобе-
левской премии по физике. Обратим внимание чита-
теля на то, что присуждение Нобелевской премии
произошло не сразу после создания лазера, а сущест-
венно позже, уже после того, как появились и завоева-
ли всеобщее признание лазеры. Вполне понятно, что,
выступая в 1964 г. с традиционными Нобелевскими
лекциями, лауреаты коснулись вопроса о том, почему
лазер был создан не одновременно с мазером, а лишь в
1960 г. Так, Ч. Таунс в своей Нобелевской лекции
говорил:
«Примерно до 1957 г. еще не приступали к полу-
чению когерентной генерации на частотах более
высоких, чем те, которые можно было бы полу-
чить от электронных генераторов, хотя время от
времени и рассматривали некоторые схемы, ис-
пользующие пучковые молекулярные мазеры для
далекого инфракрасного диапазона. Этот недо-
статок внимания к тому, что было первоначальной
целью создания мазера, происходил, пожалуй,
оттого, что первые шаги, связанные с микровол-
новыми генераторами, малошумящими усилите-
лями и их использованием в различных научных
экспериментах, оказались столь интересными,
что отвлекли внимание от возможностей получе-
ния высоких частот».
А.М. Прохоров высказался на этот счет более оп-
ределенйо:
107
«Казалось бы, что после создания мазеров в
радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые
генераторы в оптическом диапазоне. Однако это-
го не случилось. Они были созданы только через
шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две
трудности. Первая трудность заключалась в том,
что тогда не были предложены резонаторы для
оптического диапазона длин волн, и вторая-не
были предложены конкретные системы и методы
получения инверсной населенности в оптическом
диапазоне».
Упомянутые А.М. Прохоровым шесть лет как раз
и были заполнены исследованиями, позволившими
преодолеть отмеченные трудности и перейти в конеч-
ном итоге от мазера к лазеру. В 1955 г. Н.Г. Басов и
А. М. Прохоров обосновали применение оптической
накачки для создания инверсной населенности уров-
ней. В 1956 г. Н. Бломберген (США) выступил с пред-
ложением создать малошумящий усилитель на твер-
дом теле. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею исполь-
зования полупроводников для создания квантовых ге-
нераторов. При этом он предложил использовать в
качестве резонатора специально обработанные поверх-
ности самого полупроводникового образца. В том же
1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали
эффект оптического квантового усиления в опытах с
электрическим разрядом в газовой смеси, состоящей
из паров ртути, водорода, гелия. В 1958 г. А.М. Про-
хоров и независимо от него А. Шавлов и Ч. Таунс
(Колумбийский университет, США), а также Р. Дикке
(Принстон, США) теоретически обосновали возмож-
ность распространения нового метода усиления и гене-
рации излучения на более короткие волны-вплоть до
волн оптического диапазона. Одновременно они вы-
двинули идею применения в оптическом диапазоне не
объемных (как в СВЧ-диапазоне), а открытых резона-
торов. Заметим, что объемный СВЧ-резонатор пред-
ставляет собой полость с проводящими стенками,
причем линейные размеры полости должны быть по-
рядка длины волны излучения. Ясно, что использова-
ние объемных резонаторов в оптическом диапазоне
неприемлемо уже потому, что объем таких резонато-
ров должен был бы быть порядка всего 1 мкм3. В
отличие от объемных СВЧ-резонаторов открытые ре-
108
зонаторы лазеров (выше мы называли их оптическими
резонаторами) не имеют боковых стенок; сохранены
только торцевые отражатели, фиксирующие в про-
странстве ось резонатора. Линейные размеры откры-
тых резонаторов могут быть существенно больше
длины волны излучения.
В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова,
Б. М. Вула, Ю. М. Попова с теоретическим обоснова-
нием идеи полупроводниковых лазеров и условий их
создания. Наконец, в 1960 г. появилась обстоятельная
статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, где
были всесторонне рассмотрены принципы создания
и теория квантовых усилителей и генераторов в инфра-
красном и видимом диапазонах. В конце статьи авто-
ры писали:
«Отсутствие принципиальных ограничений позво-
ляет надеяться на то, что в ближайшее время
будут созданы генераторы и усилители в инфра-
красном и видимом диапазонах волн».
Таким образом, интенсивные теоретические и экс-
периментальные исследования, проводившиеся в
СССР и США, вплотную подвели ученых и инженеров
в конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на
долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г.
появилось сообщение о том, что ему удалось получить
на рубине генерацию излучения в оптическом диапазо-
не. Так мир узнал о рождении первого оптического
мазера - лазера на рубине. Этот первый лазер выгля-
дел весьма необычно-это был кубик рубина размера-
ми 1 х 1 х 1 см с двумя посеребренными противопо-
ложными гранями; в дальнейшем активный элемент
лазеров на рубине, как и других твердотельных лазе-
ров, изготовляли в форме цилиндра с зеркальными
покрытиями на торцах. В том же 1960 г. американским
физикам А. Джавану, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось
получить генерацию когерентного оптического излуче-
ния в электрическом разряде в смеси неона и гелия.
Так появился первый газовый лазер-широко приме-
няемый сегодня гелий-неоновый лазер. Спустя год
после создания первого газового лазера была получена
генерация в 10 различных газовых смесях на 40 рабо-
чих переходах, перекрывающих спектр от 0,6 до
109
12 мкм. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно
были созданы полупроводниковые лазеры.
Сразу же после появления первых образцов газовые
лазеры привлекли к себе особое внимание исследовате-
лей. Генерируемое ими излучение обладало более вы-
сокой когерентностью, чем излучение твердотельных,
а тем более полупроводниковых лазеров. К сожале-
нию, выходная мощность первых газовых лазеров
была очень низкой. Ситуация, однако, изменилась в
1966 г., когда К. Пател (США) создал первый лазер на
смеси углекислого газа и азота (СО2-лазер). Сохраняя
высокую когерентность излучения, присущую газовым
лазерам, СО2-лазеры в то же время позволяли полу-
чать высокую выходную мощность в непрерывном
режиме и при этом характеризовались относительно
большим коэффициентом полезного действия. Так на-
чался новый период в развитии оптики. Его называют
«лазерным периодом».
КАКИЕ БЫВАЮТ ЛАЗЕРЫ
Продолжая знакомиться с
лазерами, совершим экскурсию по обширному лазер-
ному хозяйству. Остановимся на различных типах
лазеров, отметим особенности их устройства, исполь-
зуемые в них активные среды и методы накачки.
Мы уже познакомились с лазерами, в которых
применяется оптическая накачка. Имеются в виду
твердотельные лазеры, а также лазеры на красителях.
Особенно подробно был рассмотрен лазер на рубине.
Широко применяемые на практике лазеры на гранате с
неодимом и лазеры на стеклах, активированных неоди-
мом, во многом аналогичны лазеру на рубине. Как уже
отмечалось, лазер на рубине генерирует излучение на
длине волны 0,69 мкм. Лазеры на гранате или стекле с
неодимом генерируют на длине волны 1,06 мкм. У
лазеров на красителях спектр генерируемых волн зани-
мает в общей сложности диапазон от 0,3 до 1,3 мкм.
Познакомимся теперь с другими типами лазеров.
Газоразрядные лазеры. Так называют лазеры на
разреженных газовых смесях (давление смеси 1-10 мм
рт. ст.), которые возбуждаются самостоятельным
электрическим разрядом. Различают три группы газо-
разрядных лазеров: а) лазеры, в которых генерируемое
ПО
излучение рождается на переходах между энергетичес-
кими уровнями свободных ионов (применяется термин
«ионные лазеры»); б) лазеры, генерирующие на перехо-
дах между уровнями свободных атомов; в) лазеры,
генерирующие на переходах между уровнями молекул
(так называемые молекулярные лазеры). Ионные лазе-
ры генерируют излучение, попадающее в видимую и
ближнюю ультрафиолетовую области спектра,-при-
мерно от 0,3 до 1 мкм. Лазеры на переходах в атомах
генерируют в более широком диапазоне-от 0,4 до
100 мкм; основное число рабочих переходов попадает
в диапазон 1-20 мкм.
Наиболее широк диапазон генерируемых волн у
молекулярных лазеров. Это объясняется тем, что у
молекулы очень много разных энергетических уровней.
Уровни атома или иона представляют энергию элект-
ронов, движущихся в поле атомного ядра. Подобные
уровни есть и у молекул; им соответствуют так назы-
ваемые электронные состояния молекул. Вместе с тем
у молекул есть много уровней, не связанных с движе-
нием электронов. Атомы в молекуле совершают коле-
бания; энергию колебаний представляют энергетичес-
кие уровни, называемые колебательными. Молекула
может вращаться вокруг себя; с энергией вращательно-
го движения молекулы связана система вращательных
энергетических уровней. Расстояния между вращатель-
ными уровнями двухатомных молекул в 10-100 раз
меньше расстояний между колебательными уровнями
и примерно в 1000 раз меньше расстояний между
электронными уровнями. Данному электронному со-
стоянию молекулы соответствует система колебатель-
ных уровней, при этом каждому колебательному уров-
ню отвечает система вращательных уровней. В целом
получается довольно сложная и богатая структура
молекулярных уровней.
Лазеры с рабочими переходами между вращатель-
ными уровнями, отвечающими одному и тому же
электронному и колебательному состоянию молекулы,
генерируют в инфракрасной области примерно от
10 мкм до нескольких сотен микрометров. Молекуляр-
ные лазеры, работающие на переходах между колеба-
тельными уровнями молекулы, генерируют инфра-
красное излучение в основном в диапазоне от 5 до
50 мкм. Молекулярные лазеры могут генерировать
также на переходах между электронными состояниями
112
молекулы. В этом случае излучение попадает в види-
мую и даже ультрафиолетовую части спектра-при-
мерно от 1 до 0,2 мкм.
Из огромного числа газоразрядных лазеров выде-
лим три: гелий-неоновый (как пример лазера, гене-
рирующего на переходах в атомах), аргоновый (ион-
ный лазер) и СО2-лазер (молекулярный лазер).
В гелий-неоновом лазере активная газовая смесь
состоит из двух атомарных газов-неона (эти атомы
являются активными центрами) и гелия. Газовая смесь
находится в специальной трубке, в которую введены
электроды - анод и катод. При подаче на электроды
напряжения около 1000 В в рабочем канале трубки
зажигается тлеющий разряд-трубка начинает светить-
ся ярким красным цветом. Образующиеся в разряде
быстрые электроны сталкиваются с атомами гелия и
неона и возбуждают их, передавая им часть своей
кинетической энергии. Сталкиваются также друг с
другом атомы гелия и неона. В частности, происходят
столкновения возбужденных атомов гелия с невозбуж-
Рисунок дает представление о том, как выглядит гелий-неоновый ла-
зер (1 — газоразрядная трубка, 2 — катод, 3 — анод, 4 — выходное
зеркало). Обратим внимание на то, что выходные окна газоразряд-
ной трубки наклонены к оси резонатора. Угол между осью резонато-
ра и перпендикуляром к плоскости выходного окна (угол а на ри-
сунке) называют углом Брюстера, tg а = п, где п — показатель пре-
ломления вещества, из которого сделано выходное окно. Используя
окна трубки, "срезанные" под углом Брюстера, достигают сразу две
цели. Во-первых, исключаются потери на отражение от поверхностей
выходных окон. Во-вторых, лазерное излучение оказывается поля-
ризованным в плоскости рисунка
113
денными атомами неона, при которых атомы гелия
передают свою энергию возбуждения атомам неона.
Эти столкновения играют решающую роль в создании
инверсной населенности рабочих уровней атомов не-
она. Дело в том, что за счет энергии электронов
заселяются как верхние, так и нижние рабочие уровни
атомов неона (заметим, что в отличие от рассматри-
вавшихся ранее ионов хрома, нижний рабочий уровень
атома неона не совпадает с основным уровнем); про-
цессы же передачи энергии возбуждения от гелия к
неону приводят к заселению именно верхних рабочих
уровней неона. Ясно, что эти процессы и создают
инверсную населенность рабочих уровней. Впрочем, не
следует полагать, что электронное возбуждение не
играет в данном случае никакой роли - благодаря ему
образуются возбужденные атомы гелия.
Гелий-неоновый лазер имеет три основных рабочих
перехода: на длинах волн 3,39 1,15 и 0,63 мкм. Правда,
на практике обычно принимают меры к тому, чтобы
генерация происходила только на длине волны 0,63
мкм. Этого можно добиться, если, например, сделать
торцы газоразрядной трубки из стекла, которое сильно
поглощает свет на длинах волн примерно от 1 мкм и
выше.
В аргоновом лазере генерация происходит на пере-
ходах между уровнями однократного иона аргона
(Аг+); основными являются переходы на длинах волн
Так выглядит аргоновый лазер: 1 — газоразрядная трубка, 2 —катод,
3 — анод, 4 — система водяного охлаждения, 5 — обводной канал га-
зоразрядной трубки
114
0,488 мкм (голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет).
Используется стационарный дуговой разряд постоян-
ного тока. Температура разряда выше 1000 К, поэтому
применяется система водяного охлаждения. Кроме
того, газоразрядная трубка снабжена обводным ка-
налом для выравнивания давления по ее длине (иначе
газ скоплялся бы в анодной части трубки вскоре после
включения разряда).
Заселение верхних и нижних рабочих уровней ионов
аргона совершается за счет электронного возбуждения,
т.е. в результате столкновений ионов с быстрыми
электронами, которые образуются в разряде. При этом
верхние рабочие уровни заселяются медленнее, чем
нижние. Зато нижние уровни значительно быстрее
очищаются, иными словами, ионы значительно бы-
стрее покидают эти уровни, спонтанно перескакивая на
еще более низко находящиеся уровни. Таким образом,
инверсная населенность рабочих уровней создается в
данном случае не за счет более интенсивного заселения
верхних рабочих уровней, а за счет более интенсивного
очищения нижних уровней.
Генерация в СО2-лазере происходит на переходах
между колебательными уровнями молекулы углекисло-
го газа (СО2); основными являются переходы на длинах
волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими актив-
ной газовой смеси являются углекислый газ и молеку-
лярный азот. Для накачки используют тлеющий разряд.
На рисунке представлен один из типов СО2-лазера (1 — газоразрядная
трубка, 2 — катод, 3 — аноды). Здесь через газоразрядную трубку
прокачивается газовая смесь из СО2 и N2. Прокачка позволяет избе-
жать нежелательного изменения химического состава активной сре-
ды, происходящего, в частности, в результате реакции 2СО2->2СО +
+ О2. В настоящее время широко применяют отпаянные СО2-лазеры
(без прокачки газовой смеси). Срок службы таких трубок может
быть достаточно большим — до 1000 ч и более
115
Столкновения с электронами, образующимися в разря-
де, приводят к возбуждению как молекул углекислого
газа, так и молекул азота. Возбуждение молекулы азота,
сталкиваясь с невозбужденными молекулами углекис-
лого газа, передают им свою энергию возбуждения.
Это и приводит в конечном счете к возникновению
инверсной населенности рабочих уровней молекул СО2.
Здесь мы встречаемся с ситуацией, аналогичной той,
которая имеет место в гелий-неоновом лазере. Там роль
вспомогательного или, как его называют обычно, бу-
ферного газа играл гелий; здесь в роли буферного газа
выступает азот. Заметим, что газоразрядные СО2-лазе-
ры позволяют получать в непрерывном режиме весьма
интенсивное излучение-световая выходная мощность
может достигать 10 кВт; СО2-лазеры характеризуются
также относительно высоким КПД-до 40%.
Эксимерные лазеры. Так называют газовые лазеры,
генерирующие на переходах между электронными со-
стояниями эксимерных (разлетных) малекул. К таким
молекулам относятся, например, молекулы Аг2, Кг2,
Хе2’ ArF, KrCl, ХеВг и др. Эти молекулы содержат
атомы инертных газов.
Как же так?-может удивиться читатель, взглянув на
перечень эксимерных молекул.-Меня учили, что атомы
инертных газов не вступают в химические реакции и не
образуют молекул! Недаром же применяется термин
«инертный газ». В действительности это не совсем так.
Просто для того, чтобы образовалась молекула с уча-
стием атомов инертных газов, необходимо затратить
определенную энергию. Атомы инертных газов вступа-
ют в химические реакции сугубо принудительно. Это
означает, что образующиеся молекулы могут существо-
вать только в возбужденных электронных состояниях.
Если эксимерная молекула «вздумает» возвратиться из
возбужденного в основное электронное состояние, она
немедленно развалится (разлетится) на составляющие
ее атомы. Именно поэтому эксимерные молекулы
называют также раз летными.
В эксимерном лазере активными центрами явля-
ются эксимерные молекулы. Верхним рабочим уров-
нем служит возбужденное электронное состояние мо-
лекулы, нижним - основное электронное состояние.
Очевидно, что нижний рабочий уровень всегда будет
пустующим.
116
Ведь как-только молекула перескочит с верхнего
уровня на нижний, она тут же разлетится на атомы,
перестанет существовать и, значит, тут же покинет
нижний уровень. Выходит, что у таких активных цент-
ров всегда будет наблюдаться инверсная населенность
рабочих уровней. Таким образом, проблема создания
инверсной населенности уровней сводится в рассмат-
риваемых лазерах к проблеме образования эксимер-
ных молекул. Ее решают, возбуждая инертный газ с
возможными примесями с помощью мощных им-
пульсных разрядов или интенсивных электронных пуч-
ков из ускорителей.
Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы
наиболее низкие значения генерируемых длин волн.
Так, в лазере на молекулах Хе2 наблюдалась генерация
на длине волны 0,172 мкм, в лазере на молекулах Кг2
0,147 мкм, в лазере на Аг2 0,126 мкм.
Электроионизационные лазеры. Мы уже говорили,
что газоразрядные лазеры имеют низкие значения
давления газовой смеси-не выше примерно 10 мм
рт.ст. А это означает, что в единице объема активной
среды содержится не так уж много активных цент-
ров-не более 1015-1016 см-3, т. е. в десятки тысяч раз
меньше, чем в твердотельных или жидкостных актив-
ных элементах. Вполне понятно, что мощность из-
лучения, высвечиваемого единицей объема активной
среды, будет тем больше, чем выше концентрация
активных центров. Значит, желательно повысить дав-
ление в газовых лазерах.
К сожалению, повышение давления в газоразряд-
ных лазерах чревато серьезными неприятностями. До-
статочно сказать, что при давлениях уже в несколько
десятков миллиметров ртутного столба электрический
разряд становится неустойчивым, он начинает раз-
виваться вдоль стенок трубки, не охватывая ее внут-
ренней области.
Проблему повышения давления в газовом лазере
можно решить, отказавшись от использования само-
стоятельного электрического разряда. Можно сделать,
например, так. Пусть некоторое ионизирующее излу-
чение порождает в активной среде свободные элект-
роны, а специально приложенное внешнее электри-
ческое поле эти электроны ускоряет. Далее все может
происходить по той же схеме, что и в газоразрядном
лазере: быстрые электроны возбуждают атомы или
117
молекулы активной газовой среды. Если раньше быст-
рые электроны создавались в электрическом разряде,
то теперь они создаются совместным действием двух
факторов - ионизирующего излучения и внешнего
электрического поля. Такой метод накачки позволяет
осуществлять эффективное (с КПД до 30%) прямое
преобразование энергии электрического поля в энер-
гию когерентного лазерного луча. При этом давление
газовой смеси может быть увеличено до 100 атм, в
связи с чем используется термин «лазеры на сжатых
газах». Существенное увеличение давления привело и к
значительному возрастанию выходной мощности ла-
зера-по сравнению с газоразрядными лазерами на
таких же активных средах она возросла в сотни тысяч
раз.
В качестве ионизирующего излучения используют
ультрафиолетовое излучение, электронный пучок из
ускорителя, пучки заряженных частиц, являющихся
продуктами ядерных реакций.
Для примера рассмотрим электроионизационный
СО2-лазер. Активная газовая смесь здесь такая же, что
Так выглядит в общих чертах электроионизационный С02-лазер с
ионизацией электронным пучком. Через тонкую фольгу 1 пучок
электронов 2 попадает в рабочий объем 3, находящийся между дву-
мя плоскими электродами (4 и 5). В рассматриваемом лазере фоль-
га является довольно уязвимым местом — ведь она разделяет ваку-
умный объем камеры ускорителя и рабочий объем, который нахо-
дится под высоким давлением
118
и в газорязрядном СО2-лазере; только теперь она
находится под высоким давлением. Роль ионизатора
выполняет обычно пучок электронов из ускорителя;
энергия электронов порядка 100 кэВ, плотность тока
пучка 10-4 А/см2. Сквозь металлическую фольгу
электронный пучок проходит в объем, заполненный
смесью углекислого газа и азота. Этот объем на-
ходится в пространстве между двумя плоскими элект-
родами. Созданные совместным действием ионизато-
ра и электрического поля быстрые электроны воз-
буждают молекулы СО2 и N2. Возбужденные моле-
кулы N2, сталкиваясь с невозбужденными молекулами
СО2, передают им энергию возбуждения, чем и обеспе-
чивается, как уже известно читателю, инверсная на-
селенность рабочих уровней молекул СО2.
Газодинамические лазеры. А нельзя ли возбуждать
колебательные и вращательные состояния молекул за
счет нагревания газовой смеси до достаточно высоких
температур, измеряемых тысячами градусов? Конечно,
можно. Однако простое повышение температуры газа
само по себе не может создать инверсную населен-
ность уровней: более низко расположенные уровни
всегда будут заселены сильнее. Здесь следует посту-
пить хитрее. Сначала нагреем газовую смесь до вы-
сокой температуры, а затем очень быстро охладим ее
(дав газу резко расшириться). Если нижние рабочие
уровни активных центров очищаются быстрее, чем
верхние (а так оно обычно и есть - ведь верхние уровни
являются, как известно, метастабильными), то в дан-
ном случае может возникнуть ситуация, когда нижние
уровни уже очистились и их населенность соответ-
ствует низкой температуре, а в то же время верхние
уровни еще не успели очиститься, так что их на-
селенность продолжает отвечать высокой температуре.
Ясно, что при этом возникнет инверсная населенность
рабочих уровней. Такова идея применяемой в газо-
динамических лазерах тепловой накачки.
Рассмотрим газодинамический СО2-лазер. Его ак-
тивная газовая смесь состоит из 90% азота и 10%
углекислого газа. В специальной камере эта смесь
нагревается до 1500 К под давлением 20-30 атм. Затем
она проходит через сопловый блок и очень быстро
расширяется в рабочем объеме (в объеме внутри ре-
зонатора лазера); при этом температура газа падает
примерно до 300 К, а давление уменьшается до
119
0,1 атм. На выходе из соплового блока скорость га-
зового потока достигает 1500 м/с. В рабочем объеме
происходит высвечивание молекул СО2, в результате
чего и возникает лазерный луч.
Разберемся в сущности происходящих на выходе из
сопла и в рабочем объеме процессов. Из камеры-
нагревателя в сопловый блок поступают молекулы
азота и углекислого газа, находящиеся в возбужденных
колебательных состояниях. В данном случае это воз-
буждение достигнуто не за счет столкновений с быст-
рыми электронами, а за счет нагревания газовой смеси.
После прохождения через сопловый блок резко воз-
растает энергия поступательного движения молекул.
Она черпается за счет энергии колебательного дви-
жения. Это означает, что при выходе из сопла проис-
ходит быстрое очищение колебательных уровней. Су-
щественно, что быстро очищаются не все колебатель-
ные уровни, а лишь нижние рабочие уровни молекул
СО2. Что же касается верхних колебательных уровней
этих молекул, а также колебательных уровней молекул
Такова упрощенная схема газодинамического С02-лазера. Основные
конструктивные элементы лазера: 1 — камера нагрева газовой сме-
си, 2 — сопловый блок, 3 — рабочий объем (объем резонатора), 4 —
диффузор. Из текста понятно назначение первых трех элементов.
Диффузор предназначен для торможения потока газа, выходящего
из соплового блока, и согласования его давления с давлением наруж-
ного воздуха
120
азота, то при очень быстром расширении газа они не
успевают сколь-либо заметно очиститься. Таким об-
разом, молекулы СО2 поступают в рабочий объем с
практически пустующими нижними рабочими уров-
нями. Верхние же уровни сохраняют свою начальную
населенность; более того, их населенность еще более
возрастает за счет передачи энергии от возбужденных
молекул азота. Последнее обстоятельство особенно
важно, так как азота в газодинамическом лазере около
90%. Можно сказать, что энергия когерентного ла-
зерного луча черпается в основном за счет колеба-
тельной энергии молекул азота.
Существующие газодинамические СО2-лазеры да-
ют рекордную мощность излучения в непрерывном
режиме-до 100 кВт. Правда, их КПД невысок; он не
превышает 1 %. Это объясняется рядом причин. Преж-
де всего бесполезно пропадает энергия поступатель-
ного движения частиц газового потока, выходящего из
сопла. Кроме того, с потоком газа уходит из ре-
зонатора (из рабочего объема) некоторое количество
возбужденных молекул азота, не успевших передать
энергию возбуждения молекулам СО2, а также ка-
кое-то количество возбужденных молекул СО2, не
успевших высветиться.
Химические лазеры. Одни химические реакции тре-
буют затраты энергии-иначе они не идут. В других
химических реакциях энергия не затрачивается, а, на-
против, высвобождается. Реакции, идущие с высво-
бождением энергии, называют экзоэнергетическими.
Они-то и представляют интерес для химических ла-
зеров. В этих лазерах энергия, высвобождающаяся при
химических реакциях, идет на возбуждение активных
центров и в конечном счете преобразуется в энергию
когерентного света.
В существующих химических лазерах широко ис-
пользуются экзоэнергетические реакции замещения. В
результате этих реакций образуются двухатомные мо-
лекулы в возбужденных колебательных состояниях.
Они либо высвечиваются сами, либо обеспечивают
высвечивание других молекул, которым передают
энергию возбуждения. В первом случае говорят о
прямом образовании инверсной населенности, во вто-
ром-о непрямом образовании. Приведем примеры
реакций замещения, которые используются в хими-
ческих лазерах:
121
F + H2 -► HF* + H, F + D2 -► DF* + D,
H + Cl2 -► HC1* + Cl, Cl + HJ -► HC1* + J.
Звездочка указывает на то, что молекула образуется в
возбужденном колебательном состоянии.
Сама по себе экзоэнергетическая реакция не требует
затрат энергии извне. Однако для того, чтобы она
началась, нужно получить какое-то количество хими-
чески активных реагентов; в данном случае ими яв-
ляются атомарные газы Н, F, Се и др. А для этого,
конечно, нужна энергия. Таким образом, на практике
не удается обойтись без определенных затрат энергии;
они идут на инициирование нужных реакций. Кроме
того, надо позаботиться, чтобы химические реакции
протекали достаточно быстро-иначе лазер не будет
работать. Скорость химической реакции пропорцио-
нальна концентрации реагентов, вступающих в реак-
цию; поэтому для ускорения реакции требуется соз-
дать достаточно большое число атомов химически
активных реагентов. Применяют различные способы
инициирования и ускорения реакций в химических
лазерах. Реагенты в атомарном состоянии получаются
при диссоциации молекул. Наиболее часто используют
диссоциацию под действием вспомогательного опти-
ческого излучения (фотодиссоциацию), диссоциацию
под действием пучка электронов, диссоциацию в им-
пульсе электрического разряда. Активные реагенты
могут создаваться также за счет определенных хи-
мических реакций. В качестве примера приведем реак-
цию
NO + F2 -► NOF + F. (1)
Отметим, что реакции, используемые в лазерах,
имеют цепной характер: химически активный реагент
воспроизводится в ходе реакции. Предположим, что в
смесь, содержащую молекулы D2 и F2, вводятся в
качестве химически активного реагента атомы F. В
такой смеси будет развиваться цепной процесс:
F + D2 -► DF* + D; D + F2 -► DF* + F;
F + D2 -+ DF* + D; ... (2)
При создании достаточно большого начального ко-
личества химически активного реагента этот цепной
процесс может стать настолько быстрым, что будет
обеспечено условие возникновения лазерной генерации
122
на переходах между колебательными уровнями мо-
лекул DF. За счет многократного использования опре-
деленного воспроизводимого в ходе цепного процесса
количества химически активного реагента можно во-
влечь в реакцию огромное число молекул D2 и F2 и
создать тем самым много возбужденных молекул DF*.
Имеется возможность превратить в энергию когерент-
ного света настолько большой запас химической энер-
гии, содержащейся во фтор-водородной смеси, что он
перекроет затраты на первоначальное создание хи-
мически активного реагента.
Впрочем, на деле все оказывается не столь прос-
тым. Химически активный реагент не воспроизводится
полностью; благодаря реакциям D + D -* D2 и
F + F -> F2 происходит постоянное его уменьшение.
Так что надо не только инициировать, но и под-
держивать химическую реакцию, создавая все время
новые химически активные частицы взамен вышедших
из игры. Кроме того, накоплению возбужденных мо-
лекул фтористого водорода мешают различные про-
123
цессы и, в частности, спонтанные переходы с верхних
колебательных уровней на нижние.
В качестве примера рассмотрим химический лазер
на фтор-водородной смеси с генерацией на переходах в
молекулах СО2. Лазер имеет две камеры: в одной
происходят химические реакции, в другой (рабочей
камере) высвечиваются молекулы СО2. Рабочая ка-
мера находится внутри оптического резонатора. В
первую камеру по одному каналу поступает смесь
молекулярного фтора и гелия, а по другому каналу
смесь окиси азота и углекислого газа. Благодаря ре-
акции (1) в камере образуется химически активный
реагент - атомарный фтор. Он взаимодействует с мо-
лекулами тяжелого водорода, которые вводятся в
камеру по третьему каналу; возникает цепной процесс
(2), приводящий к образованию возбужденных мо-
лекул DF*. Эти молекулы передают энергию возбуж-
дения молекулам СО2. Последние выносятся потоком
в рабочую камеру, где и высвечиваются. Таким об-
разом, активными центрами здесь служат молекулы
СО2; имеем дело с непрямым образованием инверсной
населенности. Гелий вводят для предотвращения пе-
регрева и самовоспламенения смеси фтора с водо-
родом, а также для очищения нижних рабочих уровней
молекул СО2. Очищение происходит в результате
столкновений атомов гелия с молекулами углекислого
газа.
ОТДЕЛЬНО О
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ЛАЗЕРАХ
Полупроводниковые ла-
зеры требуют отдельного разговора. Уж очень они
специфичны. Здесь всё особое: физика процессов, ме-
тоды накачки, конструкция. Вспомним, например, сде-
ланное ранее замечание о том, что у полупровод-
никовых лазеров нет как таковых активных центров.
Нельзя понять, как работает полупроводниковый
лазер, не зная хотя бы в общих чертах физики полу-
проводников. Предположим вопрос: чем отличается
электрон в атоме от электрона в кристалле? Не входя в
«тонкости», ответим на него так. В атоме энергия
электрона принимает строго определенные дискретные
значения; энергетические состояния электрона в атоме
124
описываются на языке уровней. В кристалле же вместо
системы уровней рассматриваются энергетические зо-
ны. Энергия электрона может принимать любое зна-
чение в пределах зоны. Одновременно в зоне может
находиться, хотя и очень большое, но все же конечное
число электронов, поэтому зона может быть пол-
ностью или неполностью заполненной электронами.
Зона начинает заполняться электронами снизу, т. е. в
направлении от более низких к более высоким зна-
чениям энергии. Степень заполнения зон электронами,
величина межзонных промежутков, возможное взаим-
ное перекрытие зон-всё это позволяет объяснить об-
щеизвестное деление твердых тел на металлы, ди-
электрики и полупроводники. Нас интересуют сейчас
только полупроводники, поэтому ограничимся энер-
гетическими состояниями электронов в полупровод-
никах. Начнем с чистого полупроводника, фактически
не содержащего каких-либо примесей.
Нам достаточно рассмотреть две энергетические
зоны-так называемую валентную и расположенную
над ней (по шкале энергий) зону проводимости. Между
зонами есть промежуток запрещенных значений энер-
гии шириной не более 1-3 эВ; его называют запре-
щенной зоной (не надо путать запрещенную зону с
энергетическими зонами!). Допустим, что температура
полупроводника равна абсолютному нулю. В этом
случае валентная зона должна быть полностью за-
полнена электронами, а зона проводимости должна
быть пустой. В действительности же температура всег-
да выше абсолютного нуля, поэтому можно говорить
о тепловом возбуждении электронов. Оно приводит к
тому, что часть электронов перескакивает из валент-
ной зоны в зону проводимости; таких электронов
будет тем больше, чем выше температура полупро-
водника. В результате в зоне проводимости появляется
некоторое (относительно небольшое) количество
электронов; в то же время валентной зоне до ее
полного заполнения теперь не хватает соответству-
ющего числа электронов.
Отсутствие электрона в валентной зоне удобно
представлять как наличие в ней положительно за-
ряженной частицы; ее называют дыркой. В беспри-
месном полупроводнике число электронов в зоне про-
водимости (в единице объема кристалла) точно равно
числу дырок в валентной зоне. Квантовый переход
125
Предположим, полупровод-
ник облучается светом такой
частоты, что энергия фото-
нов оказывается равной ши-
рине запрещенной зоны. Эти
фотоны могут инициировать
два типа переходов в полу-
проводнике: переходы элек-
тронов из валентной зоны в
зону проводимости и перехо-
ды электронов из зоны про-
водимости в валентную зо-
ну. В первом случае имеем
дело с поглощением света
в полупроводнике, а во вто-
ром — с вынужденным ис-
пусканием света
электрона через запрещенную зону снизу вверх можно
рассматривать как генерацию электронно-дырочной
пары - появление электрона в зоне проводимости и
одновременное появление дырки в валентной зоне.
Электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны
проводимости, а дырки у верхнего края валентной
зоны. Наряду с переходами через запрещенную зону
снизу вверх возможны также обратные переходы -
сверху вниз. Электрон может совершить скачок из
зоны проводимости обратно в валентную зону; такой
процесс называют рекомбинацией электрона и дырки.
Будем облучать полупроводник светом такой час-
тоты, чтобы энергия фотонов слегка превышала ши-
рину запрещенной зоны. Такой фотон может быть
поглощен электроном вблизи верхнего края валентной
зоны. В результате электрон совершит квантовый пе-
реход в зону проводимости. Практически с такой же
вероятностью фотон может инициировать встречный
процесс - переход в валентную зону электрона, нахо-
дившегося в зоне проводимости вблизи ее нижнего
края. При этом родится еще один фотон (вторичный),
причем в том же направлении, в каком летел пер-
вичный фотон. В первом случае имеем поглощение
света в полупроводнике, а во втором - вынужденное
испускание света. Возможно также самопроизвольное
возвращение электрона из зоны проводимости в ва-
лентную зону-спонтанное испускание света.
126
Для создания полупроводникового лазера необхо-
димо обеспечить преобладание процессов вынужден-
ного испускания света над процессами его поглощения.
Иначе говоря, надо сделать так, чтобы полупроводник
мог усиливать излучение. Легко сообразить, что для
этого надо получить инверсную населенность «рабо-
чих уровней», в качестве которых здесь выступают
нижний край зоны проводимости и верхний край ва-
лентной зоны. Концентрация электронов у нижнего
края зоны проводимости (т. е. на верхнем «рабочем
уровне») должна быть больше, чем у верхнего края
валентной зоны (на нижнем «рабочем уровне»). По-
лупроводник с инверсной населенностью (или, проще,
с инверсией) характеризуется достаточно высокой кон-
центрацией электронов у нижнего края зоны прово-
димости и соответственно высокой концентрацией ды-
рок у края валентной зоны; такие полупроводники
называют вырожденными. Забегая вперед, заметим,
что могут быть полупроводники, вырожденные только
по электронам проводимости или только по дыркам. В
беспримесных полупроводниках возможно лишь од-
новременное вырождение-и по электронам, и по дыр-
кам.
Инверсию в беспримесном полупроводнике можно
создать разными способами. Можно, например, ис-
пользовать оптическую накачку - облучать полупро-
водник интенсивным светом соответствующей часто-
ты. Более широко применяется, однако, не оптическая
накачка, а накачка электронным пучком. В связи с этим
рассмотрим полупроводниковый лазер с накачкой
электронным пучком.
Кристалл полупроводника бомбардируют потоком
электронов с энергией около 100 кэВ. Пролетая через
кристалл, электроны передают часть своей энергии
электронам валентной зоны и тем самым инициируют
их переходы в зону проводимости. Так как значи-
тельную часть своей энергии электроны, бомбарди-
рующие полупроводник, тратят на его нагревание, то
применяется принудительное охлаждение кристалла.
Заметим, что вопрос об охлаждении полупроводни-
ковых активных сред весьма принципиален. Дело в
том, что с повышением температуры электроны в зоне
проводимости начинают заселять всё более и более
высокие энергетические состояния, в результате чего
концентрация электронов у нижнего края зоны про-
127
водимости понижается. В то же время повышается
концентрация электронов вблизи верхнего края ва-
лентной зоны. В результате уменьшается степень ин-
версной населенности состояний, что, конечно, неже-
лательно. Многие полупроводниковые материалы ге-
нерируют лазерное излучение лишь при очень низких
температурах. Так, арсенид галлия (GaAs) требуется
обычно охлаждать до 80 К. Сульфид кадмия (CdS) и
селенид кадмия (CdSe) охлаждают в отдельных слу-
чаях до температуры жидкого гелия, т. е. до 4.2 К.
Различают два типа полупроводниковых лазеров,
накачиваемых электронным пучком,-лазеры с попе-
речной и лазеры с продольной накачкой. В первом
случае электронный пучок и генерируемое лазерное
излучение распространяются во взаимно перпендику-
лярных направлениях, во втором-во взаимно парал-
лельных направлениях. Наиболее проста конструкция
лазера с поперечной накачкой. Полупроводниковый
кристалл выполняют в форме прямоугольного парал-
лелепипеда. Пучок электронов падает перпендикуляр-
но на одну из граней этого параллелепипеда. Две его
другие противоположные грани отполированы и пред-
ставляют собой зеркала оптического резонатора.
Лазер на сульфиде кадмия генерирует излучение
длиной волны 0,49 мкм; КПД лазера 25%. При ох-
лаждении кристалла до 80 К пороговая плотность
тока электронного пучка составляет 0,4 А/см2, а при
охлаждении до 4,2 К она уменьшается до 0,03 А/см2.
Так можно представить по-
лупроводниковый лазер, на-
качиваемый электронным
пучком (вариант с попереч-
ной накачкой): 1 — полу-
проводниковый кристалл,
2 — отполированная грань,
3 — пучок электрона
128
До сих пор речь шла о беспримесных полупро-
водниках. Теперь поговорим о полупроводниках с
примесями. Сразу же подчеркнем, что внесение в
полупроводниковый кристалл тех или иных примесей
существенно изменяет его свойства. Примеси бывают
разные. Атомы одних примесей легко отдают в зону
проводимости по одному из своих электронов; такие
примеси называют донорными, а полупроводники с
такими примесями -«-полупроводниками. Атомы дру-
гих примесей, напротив, захватывают по одному
электрону из валентной зоны; это акцепторные при-
меси и соответственно полупроводники /?-типа, или
^-полупроводники. В энергетической схеме примесным
атомам соответствует энергетический уровень, распо-
лагающийся внутри запрещенной зоны. У «-полупро-
водника примесный уровень находится недалеко от
нижнего края зоны проводимости-на расстоянии
порядка всего 0,01 эВ, что примерно в сто раз меньше
ширины запрещенной зоны. Благодаря малости этого
расстояния донорная примесь легко отдает электроны
в зону проводимости; для этого достаточно сравни-
тельно небольшого теплового возбуждения, темпера-
тур порядка всего 10 К. Как правило, уже при тем-
пературах 30-50 К наступает, как говорят, истощение
примесного уровня. Это означает, что примесь «от-
дала» в зону проводимости все электроны, какие толь-
ко можно было «отдать» (иначе говоря, по электрону
отдали все без исключения атомы примеси). Даль-
нейшее увеличение концентрации электронов прово-
димости с ростом температуры происходит уже только
за счет междузонных переходов-из валентной зоны в
зону проводимости. Заметим, что если концентрация
примесей в «-полупроводнике достаточно высока (не
ниже примерно 1(г8 см-3), то при температурах в
несколько десятков градусов абсолютной шкалы мо-
жет возникнуть вырождение по электронам прово-
димости. Такой полупроводник называют вырожден-
ным «-полупроводником. Что касается ^-полупровод-
ников, то там примесный уровень находится вблизи
верхнего края валентной зоны и уже при незначи-
тельных температурах заполняется электронами из
этой зоны. Его насыщение электронами происходит
при температурах 30-50 К. При этом в валентной зоне
возникает концентрация дырок, которая может обес-
печить вырождение по дыркам (при концентрации
129
акцепторной примеси не ниже 1018 см-3). Такой по-
лупроводник называют вырожденным ^-полупровод-
ником.
Для создания инверсии можно привести в контакт
друг с другом два вырожденных полупроводника раз-
ного типа: «-полупроводник и р-полупроводник. Об-
ласть контакта принято называть рп-пере ходом.
Приложим к этой области электрическое напряжение
так, чтобы со стороны ^-полупроводника был « + », а
со стороны «-полупроводника « —». Под действием
поля электроны из «-полупроводника будут инжекти-
В л-полупроводнике электроны переходят с донорного примесного
уровня в зону проводимости, а в р-полупроводнике электроны пере-
ходят из валентной зоны на акцепторный примесный уровень
Так выглядит инжекцион-
ный полупроводниковый ла-
зер- р - р-полупроводник,
п л-полупроводник, 1 -
область р - л-перехода, 2 -
верхний электрод, 3 — ниж-
ний электрод
130
роваться (перемещаться) в область р- «-перехода; од-
новременно в эту же область будут инжектироваться
дырки из р-полупроводника. В указанной области
электроны и дырки будут рекомбинировать; иными
словами, там будут происходить переходы электронов
из зоны проводимости в валентную збну. На этих
переходах при наличии оптического резонатора воз-
можна лазерная генерация. Таков принцип работы
полупроводниковых лазеров, называемых инжекцион-
ными. В этих лазерах энергия когерентного излучения
черпается за счет энергии электрического поля, при-
ложенного к контакту двух разнородных примесных
полупроводников.
Наиболее широко применяется инжекционный ла-
зер на арсениде галлия. Вырожденный «-полупровод-
ник получают при внесении в арсенид галлия примеси
теллура; концентрация примеси примерно 5 • 101* см-3.
Вырожденный р-полупроводник получается при вне-
сении в арсенид галлия примеси цинка; концентрация
примеси порядка 1019 см-3. Генерация происходит на
длинах волн от 0,82 до 0,9 мкм. В инжекционном
лазере зеркалами оптического резонатора служат от-
полированные грани кристаллического образца, ориен-
тированные перпендикулярно плоскости р- «-перехо-
да, т.е. плоскости, по которой контактируют друг с
другом разнородные полупроводники. Инжекционные
лазеры отличаются своей миниатюрностью; линейные
размеры граней полупроводникового активного эле-
мента могут составлять всего 1 мм. Толщина излу-
чающей области (области перехода) равна 2 мкм.
Мощность излучения такого лазера порядка 10 мВт в
непрерывном режиме. Наибольшие мощности дости-
гаются при охлаждении до 4,2 К. Созданы образцы,
которые могут генерировать при комнатных темпе-
ратурах-за счет снижения мощности генерации. Ин-
жекционные лазеры характеризуются высоким КПД,
который может составлять 50-60%.
КАКИЕ БЫВАЮТ РЕЗОНАТОРЫ
ЛАЗЕРОВ
Мы познакомились с раз-
личными типами лазеров, отличающимися друг от
друга активной средой или способом накачки. Теперь
поговорим о том, какие бывают лазерные резонаторы.
131
Заметим, что для одного и того же типа лазера могут
использоваться различные резонаторы.
Два зеркала, поставленные у концов газоразрядной
трубки, зеркальные покрытия, нанесенные на торцы
активного стержня, полированные противоположные
грани полупроводникового кристалла - все эти резо-
наторы так не похожи друг на друга. И тем не менее
имеем здесь дело с одним и тем же типом резо-
наторов-так называемым двухзеркальным линейным
резонатором. Его называют линейным по той причине,
что оптические оси обоих зеркал образуют общую
прямую линию. Линейный резонатор может иметь три
или более зеркал; это позволяет повысить степень
монохроматичности излучения. В отдельных случаях
зеркала располагают так, что световой пучок при-
нимает вид ломаной линии. Такие резонаторы на-
зывают изломанными. Если ломаная линия оказыва-
ется замкнутой, то получается кольцевой резонатор.
В кольцевом резонаторе три или более зеркал
размещают в плоскости таким образом, чтобы све-
товой пучок, последовательно отражаясь от них, опи-
сывал контур плоской фигуры - треугольника в случае
трех зеркал, прямоугольника в случае четырех зеркал и
т. д. На одной из сторон фигуры находится активный
элемент. В таком резонаторе рождаются две световые
волны, бегущие по замкнутому контуру навстречу друг
другу -одна по часовой стрелке, другая против. Коль-
цевые резонаторы применяют в специальных прибо-
рах, называемых лазерными гироскопами. Внешне они
совсем не похожи на обычные гироскопы, но вы-
полняют такие же задачи. Лазерные гироскопы ши-
роко используются в качестве бортовой аппаратуры
ориентации и наведения в современной авиации и
космонавтике.
Возвращаясь к двухзеркальным линейным резона-
торам, отметим, что они подразделяются на устой-
чивые и неустойчивые. Оптический резонатор назы-
вают устойчивым, если он способен удерживать вбли-
зи своей оси оптическое излучение; в противном случае
резонатор называют неустойчивым. Устойчивость ре-
зонатора зависит от его геометрии-формы зеркал
(плоские, вогнутые, выпуклые), соотношения между
длиной резонатора и радиусами кривизны зеркал.
Очевидный пример неустойчивого резонатора - резо-
натор, образованный двумя выпуклыми сферическими
132
зеркалами. Ясно, что излучение не может удержи-
ваться в таком резонаторе.
В первые годы после появления лазеров полагали,
что лазерная генерация при использовании неустой-
чивого резонатора невозможна и, следовательно, та-
кие резонаторы практического интереса не представ-
ляют. Однако исследования продемонстрировали жиз-
неспособность лазеров с неустойчивыми резонатора-
ми. Как оказалось, такие резонаторы можно исполь-
зовать тогда, когда активная среда обладает доста-
точно большим усилением: не меньше 10-20% на
один проход по резонатору. Более того, был обна-
ружен ряд преимуществ неустойчивых резонаторов
перед устойчивыми. Прежде всего неустойчивые ре-
зонаторы позволяют получать пучки с очень высокой
степенью когерентности-эти пучки имеют практичес-
ки плоский волновой фронт. Кроме того, световое
поле в неустойчивом резонаторе равномерно запол-
няет весь его объем (тогда как в устойчивом ре-
зонаторе оно концентрируется вблизи оси резонатора).
Рассмотрим два конкретных примера: конфокаль-
ный резонатор (как пример устойчивого резонатора) и
резонатор телескопического типа (неустойчивый ре-
зонатор). Конфокальный резонатор образован двумя
вогнутыми сферическими зеркалами с одинаковым
радиусом кривизны, расположенными друг от друга на
расстоянии, равном этому радиусу. Рождающееся в
На рисунке показан конфокальный резонатор, внутри которого на-
ходится активный элемент 1, R — радиус кривизны каждого из зер-
кал 2 резонатора. Видно, что световое поле сконцентрировано вбли-
зи оси резонатора и что большая часть объема активного элемента не
вносит вклада в излучение лазера, т. е. "не работает"
133
резонаторе световое поле заполняет вблизи оси объем,
ограничиваемый поверхностью, представляющей со-
бой гиперболоид вращения. Представьте себе гипер-
болу, обращенную вершиной к оси резонатора, и пусть
эта гипербола вращается вокруг оси - она пишет в
пространстве поверхность, называемую гиперболои-
дом вращения. Поле в конфокальном резонаторе име-
ет любопытную особенность: оно «подстраивается»
под апертуры зеркал. При одинаковых апертурах ги-
перболоид симметричен относительно обоих зеркал.
При разных апертурах поле сосредоточивается в боль-
шей мере у зеркала с большей апертурой.
Резонатор телескопического типа образован вогну-
тым сферическим зеркалом большой апертуры и вы-
пуклым зеркалом с меньшей апертурой. Радиус кри-
визны выпуклого зеркала равен длине резонатора, а у
вогнутого втрое больше; фокус обоих зеркал находит-
ся в одной и той же точке. Поле в этом резонаторе
заполняет практически весь объем, фиксируемый дли-
ной резонатора и апертурой вогнутого зеркала. Его
Так выглядит неустойчивый резонатор телескопического типа: 1 —
активный элемент, 2 — вогнутое зеркало, 3 — выпуклое зеркало.
Через L обозначена длина резонатора (хотя, надо признаться, слово
"длина" в данном случае не совсем подходит), 0 — точка, в которой
находятся фокусы обоих зеркал. Показан ход световых лучей вну-
три резонатора. Лучи, идущие слева направо, параллельны оси резо-
натора — им соответствует плоская световая волна. Лучи, идущие от
выпуклого зеркала к вогнутому, имеют общую точку (точку 0) —
им соответствует сферическая световая волна. Можно видеть, что, в
отличие от конфокального резонатора, здесь световое поле полно-
стью заполняет объем активного элемента. Иными словами, здесь
"работает" весь объем активного элемента
134
можно рассматривать как совокупность сферических и
плоских волн; от выпуклого зеркала к вогнутому идут
сферические волны, а от вогнутого к выпуклому - плос-
кие. Они и покидают резонатор, образуя лазерный луч.
Как отмечалось ранее, резонатор формирует ла-
зерный луч. Это означает, что резонатор не только
обеспечивает генерацию, но и существенно воздейству-
ет на свойства генерируемого излучения (что, кстати
говоря, хорошо видно на примере неустойчивого ре-
зонатора). Значит, вопрос выбора резонатора отно-
сится к вопросам управления лазерным излучением.
Остановимся на этих вопросах более подробно.
ЧТО ЗНАЧИТ «УПРАВЛЯТЬ»
ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ?
Почти наверняка чита-
тель ответит, что это значит отклонять нужным об-
разом лазерный луч в пространстве, расщеплять его
при необходимости на несколько лучей, фокусировать
излучение на мишень. Всё это так. Однако управление
лазерным лучом этим отнюдь не исчерпывается.
Когда регулируют длительность лазерных импуль-
сов, частоту их повторения, энергию, то тем самым
тоже осуществляют управление лазерным излучением.
Иногда требуется удвоить или утроить частоту из-
лучения или плавно ее изменять. Это тоже есть управ-
ление лазерным лучом. Может потребоваться допол-
нительное увеличение степени монохроматичности из-
лучения или дополнительная стабилизация его час-
тоты. И это есть управление лазерным лучом. Таким
образом, понятие «управление лазерным лучом» ока-
зывается значительно шире, чем это может показаться
на первый взгляд.
Управлять излучением лазера можно по-разному.
Можно воздействовать на луч уже после того, как он
покинул резонатор лазера; в этом случае говорят о
внерезонаторном управлении. Можно также управлять
излучением, определенным образом воздействуя на
сам процесс лазерной генерации; эчо-внутрирезона-
торное управление. Внерезонаторное управление ис-
пользуют обычно для отклонения, расщепления, фо-
кусировки луча, для изменения его частоты. Внутри-
резонаторное управление применяют для целенаправ-
ленного изменения параметров лазерных импульсов.
135
Подчеркнем, что вопрос об управлении лазерным
лучом совсем не прост. В этом можно убедиться уже
на примере, казалось бы, нехитрой задачи - задачи
переноса луча в пространстве параллельно самому
себе. Непосвященному человеку может показаться, что
такой перенос, как, впрочем, и поворот луча в про-
странстве, осуществляют с помощью обычных зеркал
и призм, соответствующим образом размещенных на
пути луча. Однако на практике часто требуется не
просто отклонить лазерный луч, но отклонить его
очень быстро и весьма точно. Требуемое время из-
менения положения или ориентации луча в пространст-
ве может составлять всего миллионные доли секунды!
Тут обычное поворачивание зеркал или призм не
годится, оно совершается чересчур медленно. В по-
добных случаях применяют немеханические методы
управления лазерным лучом в пространстве. Для этого
разработаны специальные устройства, называемые де-
флекторами-от латинского слова deflecto, означаю-
щего «отклоняю». С помощью одних дефлекторов
осуществляют плавное непрерывное изменение на-
правления или положения луча, с помощью других
изменяют направление или положение луча скачком,
дискретно. Но вернемся к задаче о параллельном
переносе луча и покажем, как она решается на прак-
тике с помощью так называемого электрооптического
дефлектора дискретного типа.
Рискуя утомить читателя, попробуем всё же разъяс-
нить принцип работы этого дефлектора. Предвари-
тельно нам придется сказать несколько слов о явлении
двойного лучепреломления, открытом еще в XVII в.
Представьте себе плоскопараллельную прозрачную
пластинку из кристалла кальцита (СаСО3), на которую
по нормали падает световой луч. Внутри пластинки
луч расщепляется, так что из нее выходят уже два луча;
они параллельны друг другу. Один из лучей составляет
единую прямую линию с падающим лучом; это-так
называемый обыкновенный луч. Другой луч как бы
«отщепляется» в пластинке от первичного и выходит
из нее немного в стороне от обыкновенного луча (но,
напоминаем, параллельно ему). Этот второй луч на-
зывают необыкновенным. Существенно, что обыкно-
венный и необыкновенный лучи поляризованы во вза-
имно перпендикулярных плоскостях; первый поляри-
зован перпендикулярно плоскости, проходящей через
136
падающий луч и оптическую ось кристалла, второй
поляризован в указанной плоскости. (Не входя в де-
тали, скажем, что оптическая ось кристалла-это одно
из особых направлений в нем; если, например, луч
падает параллельно оси, то двойное лучепреломление
не наблюдается.)
Предположим теперь, что падающий на пластинку
кальцита луч поляризован либо как обыкновенный,
либо как необыкновенный луч. Теперь из пластинки
выйдет лишь один из этих лучей-тот, поляризация
которого совпадает с поляризацией падающего луча.
Получается, что если падающий луч был поляризован
как обыкновенный луч, то он выйдет из пластинки, не
сместившись. Если же он был поляризован как не-
обыкновенный луч, то выйдет из пластинки, сместив-
шись немного в сторону. Таким образом, можно па-
раллельно перенести световой луч, повернув его плос-
кость поляризации на 90°.
А как поворачивают плоскость поляризации луча?
Для этого используют, в частности, электрооптичес-
кий эффект Поккельса. Надо взять еще один кристалл
(например, кристалл дигидрофосфата калия КН2РО4)
и поместить его между пластинами плоского кон-
денсатора. Электрическое поле конденсатора воздей-
ствует на показатель преломления кристалла, в част-
ности изменяет его способность к двойному луче-
преломлению. Пусть сквозь данный кристалл (или, как
плоскости рисунка, что по-
казано с помощью кружков,
а необыкновенный поляри-
зован в плоскости рисунка
(короткие стрелки). Штри-
ховая прямая — оптическая
ось кристалла
Так выглядит явление двой-
ного лучепреломления при
нормальном падении свето-
вого луча на плоскопарал-
лельную пластинку кристал-
ла (1 — обыкновенный луч,
2 — необыкновенный луч).
Обыкновенный луч поляри-
зован перпендикулярно
137
Рассмотрим, как действует двухкаскадный электрооптический де-
флектор. Будем полагать, что исходный световой луч поляризован
перпендикулярно плоскости рисунка и, таким образом, является
обыкновенным лучом для кристаллов кальцита СаСО3. Если обе
ячейки Поккельса (ячейки А и В) выключены, то исходный луч не
испытывает отклонения ни в одном из кристаллов кальцита и вый-
дет из дефлектора в положении, обозначенном цифрой 7. Теперь
предположим, что ячейка Л включена, а ячейка В выключена. В ячей-
ке А плоскость поляризации луча повернется на 90°, луч станет не-
обыкновенным и поэтому испытает отклонение в первом кристал-
ле кальцита. В ячейке В, поскольку она выключена, поляризация
луча останется неизменной, поэтому произойдет его отклонение так-
же во втором кристалле. В итоге луч выйдет из дефлектора в поло-
жении 4. При выключенной ячейке А и включенной ячейке В луч не
будет отклоняться в первом кристалле, но отклонится во втором —
в результате он выйдет из дефлектора в положении 3. Наконец, если
будут включены обе ячейки Поккельса, то луч сначала превратится
из обыкновенного в необыкновенный, а затем снова станет обык-
новенным. В этом случае он отклонится в первом кристалле и не от-
клонится во втором — в итоге будет зафиксировано конечное поло-
жение 2
говорят, сквозь ячейку Поккельса) проходит плоско-
поляризованный световой луч. Можно подобрать та-
кое напряжение, подаваемое на ячейку Поккельса, при
котором плоскость поляризации луча повернется по
выходе из ячейки ровно на 90°. Итак, надо восполь-
зоваться каскадом из ячейки Поккельса и пластинки
кальцита. Допустим, что падающий на этот каскад
световой луч имеет поляризацию обыкновенного луча
(по отношению к кристаллу кальцита). Тогда, если
подать на ячейку соответствующее напряжение, плос-
кость поляризации луча повернется на 90°, он станет
необыкновенным лучом и поэтому, проходя через
138
пластинку кальцита, сместится в сторону. Если ячейку
выключить, плоскость поляризации луча останется
неизменной и он выйдет из пластинки кальцита, не
сместившись. Таким образом, включая и выключая
ячейку Поккельса, можно менять положение луча в
пространстве при сохранении его направления. Из-
менение положения луча производится очень быстро:
за время порядка 10“8 с.
В рассмотренном дефлекторе,-может заметить чи-
татель,-реализуются только два положения. На прак-
тике же, наверное, приходится смещать луч с учетом
многих конечных положений. Рассмотренный дефлек-
тор был однокаскадным. В дефлекторах же, которые
используются на практике, имеется несколько каска-
дов, которые последовательно проходит световой луч
(каждый каскад-это ячейка Поккельса и кристалл
кальцита). При N каскадах число конечных положений
луча равно 2. То или иное положение луча реализует-
ся при определенной комбинации включенных и вык-
люченных ячеек Поккельса.
ПРОСТАЯ ТЕХНИКА, НО
СЛОЖНАЯ ФИЗИКА
В популярной книге срав-
нительно небольшого объема нельзя рассмотреть (да-
же в общих чертах) все устройства, которые при-
меняются в современной лазерной технике для управ-
ления лучом лазера. И дело здесь вовсе не в сложности
конструкции самих устройств. С этой точки зрения они
как раз просты. Зато довольно сложна физика про-
цессов, происходящих в тех или иных устройствах. Мы
только что рассказывали об электрооптическом де-
флекторе. Внешне он несложен: несколько каскадов,
каждый из которых состоит из ячейки Поккельса и
пластинки кальцита. Но, чтобы понять, что именно
происходит в этих каскадах, нам пришлось углуб-
ляться в физику: говорить о двойном лучепрелом-
лении, обыкновенном и необыкновенном лучах, их
поляризациях. И при всем том сам электрооптический
эффект Поккельса так и остался, по сути дела, неразъ-
ясненным.
Еще сложнее было бы рассказать об устройствах,
позволяющих удваивать частоту лазерного излучения;
их называют генераторами второй оптической гар-
139
"Конструкция" генератора второй оптической гармоники оказывает-
ся предельно простой — это нелинейный кристалл, должным образом
ориентированный по отношению к лазерному лучу. Лазер 1 генери-
рует излучение частоты v; в нелинейном кристалле 2 рождается све-
товой пучок частоты 2v — вторая гармоника. Показанное на рисунке
небольшое поперечное смещение пучка второй гармоники происхо-
дит в действительности. Дело в том, что основное излучение (свето-
вой пучок, выходящий из лазера) является для нелинейного кристал-
ла обыкновенным, а пучок второй гармоники — необыкновенным.
Смещение этого пучка объясняется двойным лучепреломлением
моники. Внешне опять-таки всё очень просто. Гене-
ратор второй оптической гармоники - это некий крис-
талл, который надо определенным образом ориен-
тировать относительно лазерного луча. Проходя через
кристалл, луч лазера частично превращается в луч с
удвоенной частотой. Однако если попробовать объяс-
нить, что же именно происходит внутри упомянутого
кристалла, каким образом совершается рождение луча
с новой частотой, то придется рассказывать о по-
ляризации диэлектриков, о взаимодействии световых
волн, распространяющихся внутри диэлектрика, при-
дется ввести и объяснить такие понятия, как «не-
линейная восприимчивость», «нелинейный кристалл»,
«волновой синхронизм» и др. Короче говоря, нам
пришлось бы знакомить читателя с новым направ-
лением современной оптики -нелинейной оптикой.
Ранее мы упоминали о параметрическом генера-
торе света - приборе, позволяющем плавно перестраи-
вать частоту лазерного луча. Внешне параметрический
генератор света не намного сложнее генератора второй
гармоники. Как и там, здесь основным элементом
является нелинейный кристалл. Только теперь этот
кристалл помещают в оптический резонатор и при
этом предусматривают возможность легкого и плав-
ного изменения ориентации кристалла внутри резо-
натора. Выходящий из лазерного резонатора луч на-
правляют в резонатор параметрического генератора
света. Там, внутри нелинейного кристалла, и совер-
141
шается «таинственный» процесс рождения луча с новой
частотой; слегка изменяя ориентацию кристалла, мож-
но плавно перестраивать эту частоту. И в данном
случае, чтобы объяснить хотя бы популярно, что же
именно происходит в нелинейном кристалле, нам по-
требовались бы сведения из нелинейной оптики.
С большими затруднениями мы встретились бы и
тогда, когда пожелали бы рассказать об очень интерес-
ных и важных в практическом плане вопросах кор-
ректировки волнового фронта лазерного пучка. Впол-
не понятно, что по мере прохождения по трассе-в
атмосфере, воде, прозрачных материалах - волновой
фронт пучка постепенно портится, все более иска-
жается вследствие влияния различных неоднородно-
стей среды. В результате ухудшается направленность
луча, он «размывается» и в конечном счете довольно
быстро ослабевает. Поэтому передача по лазерному
лучу на большие расстояния энергии или информации
оказывается затруднительной или попросту невозмож-
ной. Однако в последние годы найдена возможность
корректировать, т. е. подправлять волновой фронт све-
тового пучка. В связи с этим родилось и интенсивно
развивается еще одно новое направление в оптике-
адаптивная оптика. Принципы работы устройств
адаптивной оптики потребовали бы отдельного и к
тому же довольно обстоятельного обсуждения. Нам
пришлось бы, в частности, обратиться к некоторым
физическим явлениям, рассматриваемым в рамках не-
линейной оптики, познакомиться с различными ви-
дами рассеяния света.
Итак, физика, физика и еще раз физика... Как мы
видим, разговор о лазерной технике неизбежно сво-
дится к обсуждению физики тех или иных явлений. В
противном случае этот разговор оказался бы сугубо
формальным и поверхностным. Мы учитывали это,
знакомя читателя с лазером: основное внимание было
уделено именно физике лазера или, точнее говоря,
физике тех явлений, которые лежат в основе его
работы. С самого начата мы подчеркивали: «кон-
структивно лазер довольно прост, зато он далеко не
прост с точки зрения физики происходящих в нем
процессов».
Разумеется, утверждение о технической простоте
лазера, как и разнообразных лазерных устройств, не
следует понимать слишком буквально. Существуют
142
весьма сложные лазерные установки. Технологические
процессы, используемые в лазерной промышленности,
также нельзя назвать простыми. Достаточно отметить
хотя бы такие процессы, как производство лазерных и
нелинейных кристаллов или изготовление зеркал опти-
ческих резонаторов. И всё же, когда мы говорим, что
здесь техника проста, а сложна физика, то в этом есть
свой резон. Дело в том, что для понимания принципов
и особенностей работы лазерных устройств совершен-
но недостаточно знать их конструкцию и различные
технические подробности - необходимо уверенно ори-
ентироваться в широком круге вопросов, относящихся
к физике и прежде всего к современной оптике. Хоро-
ший лазерщик должен любить и понимать физику. Это
следует иметь в виду тем молодым читателям, кото-
рые хотели бы работать в области лазерной техники.
Но вернемся к вопросам управления лазерным
лучом. Не будем касаться тех вопросов, физику кото-
рых не представляется возможным объяснить в данной
книге. Поэтому выберем лишь одну группу вопро-
сов - получение лазерных импульсов различной дли-
тельности и частоты повторения. Такой выбор вполне
обоснован. Ведь для получения тех или иных лазерных
импульсов приходится вмешиваться в сам процесс
лазерной генерации - вносить внутрь резонатора ла-
зера те или иные устройства. Естественно считать, что
эти устройства являются дополнительными элемен-
тами самого лазера.
«ГИГАНТСКИЕ» ИМПУЛЬСЫ
С понятием «гигантский
импульс» мы уже знакомили читателя; так называют
лазерный импульс длительностью порядка 10“8 с и
мощностью до 108 Вт. Теперь расскажем, как полу-
чают такие импульсы.
Для этого внутрь резонатора лазера помещают
оптический затвор-специальное устройство, которое
по сигналу может переходить из «закрытого» состоя-
ния в «открытое» и наоборот. В открытом состоянии
затвор пропускает сквозь себя лазерное излучение. В
закрытом он либо поглощает излучение, либо от-
клоняет его в сторону. Впрочем, здесь необходимо
уточнение. Дело в том, что фраза о поглощении или
отклонении излучения закрытым затвором, строго го-
143
воря, некорректна, так как предполагает наличие из-
лучения (которое поглощают или отклоняют). Именно
так и действовал бы закрытый затвор, если бы он
находился вне лазерного резонатора. Однако в рас-
сматриваемом случае затвор находится внутри резо-
натора; поэтому, когда его переключают в закрытое
состояние, то тем самым резко повышают потери в
резонаторе, в результате чего генерация срывается. А
коль скоро генерации нет, то нет и излучения, которое
закрытый затвор поглощал бы или отклонял. Итак,
когда затвор открыт, потери в резонаторе малы и
генерация идет; при этом генерируемое излучение
довольно свободно проходит сквозь затвор. Когда же
поглощающий или отклоняющий затвор закрыт, по-
тери велики и поэтому генерации нет.
Сама по себе идея получения гигантских импульсов
при использовании оптического затвора довольно
проста. Сначала, еще до того, как возник импульс
излучения накачки, затвор переводится в закрытое
состояние. Начинается высвечивание энергии, содер-
жащейся в импульсе накачки. По мере поглощения
этой энергии активные центры в массовом порядке
переходят на метастабильный верхний рабочий уро-
вень. Генерация же в лазере пока не начинается, ведь
затвор закрыт. В результате на верхнем рабочем уров-
не накапливается чрезвычайно большое число актив-
ных центров-создается очень сильная инверсная на-
селенность рабочих уровней. И вот тут-то затвор
быстро переключают в открытое состояние. В ка-
ком-то смысле это аналогично тому, как если бы
высокая плотина, создававшая огромный перепад
уровней воды, вдруг мгновенно исчезла. Происходит
дружное и очень бурное высвечивание возбужденных
активных центров, в результате чего и рождается
короткий и мощный импульс излучения-так назы-
ваемый гигантский импульс.
Все описанные события совершаются в течение
очень малого времени. Длительность вспышки лам-
пы-осветителя порядка 10-3 с. Затвор открывают, ког-
да примерно половина энергии вспышки уже высве-
тилась, причем время переключения затвора из за-
крытого состояния в открытое должно быть не более
примерно 10 7 с. К следующему импульсу накачки
затвор должен снова оказаться в закрытом состоянии.
144
На практике вначале применялись вращающиеся
оптико-механические затворы. Принцип их работы
очень прост. Пусть одно из зеркал резонатора быстро
вращается вокруг оси, перпендикулярной оси резо-
натора. Такое зеркало работает как зеркало резо-
натора лишь в те короткие промежутки времени, когда
его отражающая поверхность оказывается точно или
почти перпендикулярной оси резонатора. Только в эти
промежутки времени потери в резонаторе будут ма-
лыми. В остальное же время потери будут огромными,
как если бы отражающее зеркало вообще отсутст-
вовало. Чтобы переключение потерь происходило
достаточно быстро, надо очень быстро вращать зерка-
ло. Оно должно совершать до тысячи оборотов секунд.
Легко представить, что наличие в приборе быстро
вращающихся деталей создает технические неудобст-
ва. Поэтому в современной лазерной технике вра-
щающиеся затворы применяются редко; как правило,
используют оптические затворы, где никакого вра-
щения не требуется. Мы имеем в виду электро- и
акустооптические затворы.
В основе работы электрооптического затвора ле-
жит быстрое и обратимое изменение преломляющих
свойств кристаллов под действием внешнего электри-
ческого поля-электрооптический эффект Поккельса.
Затвор состоит из поляризатора света, ячейки Пок-
кельса и второго поляризатора. При подаче напряже-
Так выглядит лазер с электрооптическим затвором: 1 — активный
элемент, 2 — кристалл, используемый в ячейке Поккельса, 3 — элек-
троды ячейки, на которые подается напряжение, обеспечивающее
поворот плоскости поляризации света на 90°, 4 — поляризаторы,
5 — полностью отражающее зеркало резонатора, 6 — выходное зер-
кало
145
ния на ячейку Поккельса происходит поворот на 90°
плоскости поляризации проходящего через ячейку из-
лучения. Оба поляризатора ориентированы одинако-
вым образом-их плоскости поляризации совпадают.
Когда ячейка выключена, потери, вносимые затвором,
минимальны - генерация идет, излучение практически
свободно проходит сквозь каскад поляризатор - ячей-
ка-поляризатор. Когда ячейка Поккельса включена,
потери, вносимые затвором, сразу резко возрастают
(из-за поворота плоскости поляризации излучения вто-
рой поляризатор теперь не мог бы пропустить из-
лучение, прошедшее через первый поляризатор) - ге-
нерация становится невозможной. Время переключе-
ния электрооптического затвора из одного состояния в
другое может составлять всего 10 ~9 с.
Наряду с электрооптическими в настоящее время
широко применяют также акустооптические затворы.
Такой затвор состоит из генератора ультразвука и
прозрачного тела, внутри которого распространяется
ультразвуковая волна. Волна создает в теле систему
чередующихся сжатий и разрежений, на которых про-
исходит дифракция светового пучка. Вследствие ди-
фракции часть светового пучка отклоняется в сторону,
что соответствует резкому повышению потерь в резо-
наторе. Когда генератор ультразвука включен, затвор
находится в закрытом состоянии; при выключении
генератора ультразвука затвор переходит в открытое
состояние. Время переключения затвора из одного
состояния в другое составляет 10-8-10-7 с.
Рассмотренные оптические затворы действуют по
сигналу извне. Их работу необходимо точно согласо-
вывать во времени с импульсами накачки-надо в
определенные моменты открывать и своевременно
возвращать их в закрытое состояние. От этих забот
можно избавиться, если использовать в качестве затво-
ра просветляющийся фильтр. Он представляет собой
среду, обычно жидкую, содержащую атомы, которые
поглощают лазерное излучение и при этом относи-
тельно долго остаются в возбужденном состоянии. По
мере поглощения излучения всё больше и больше
атомов фильтра переходят с исходного уровня энергии
на верхний уровень, соответствующий упомянутому
возбужденному состоянию. Когда на обоих уровнях
оказывается поровну атомов, фильтр перестает по-
глощать падающее на него излучение (по той причине,
146
что процессы поглощения света и вынужденного ис-
пускания теперь взаимно компенсируются). Фильтр
становится прозрачным, иначе говоря, просветляется.
Поместим такой фильтр в резонатор лазера. В
исходном состоянии он непрозрачен-затвор закрыт.
Начинается поглощение энергии импульса накачки в
активном элементе, активные центры в избытке на-
капливаются на верхнем рабочем уровне. Генерация
пока не идет-ведь на пути излучения находится не-
прозрачный затвор, поэтому потери в резонаторе вы-
соки. Но хотя генерации и нет, акты спонтанного
испускания фотонов активными центрами все же про-
исходят и притом тем чаще, чем больше заселяется
верхний рабочий уровень. Фотоны, испущенные спон-
танно, попадают в фильтр; они поглощаются атомами
фильтра и тем самым начинают его понемногу про-
светлять. В свою очередь, начавшееся просветление
фильтра ускоряет процессы испускания фотонов ак-
тивными центрами. Вскоре наступает развязка: фильтр
быстро просветляется до конца (затвор открывает-
ся)-рождается гигантский лазерный импульс. После
его высвечивания фильтр за счет спонтанных про-
цессов возвращается в непросветленное состояние.
В данном случае управление потерями в резонаторе
осуществляется особенно просто. Надо лишь помес-
тить внутрь резонатора кювету с просветляющейся
жидкостью. Все дальнейшее будет совершаться ав-
томатически. Без нашего вмешательства жидкость в
кювете просветлится под воздействием импульса на-
качки на активный элемент, родится гигантский им-
пульс, после чего жидкость сама возвратится в не-
просветленное состояние, вплоть до очередного им-
пульса накачки.
«РАСТЯГИВАНИЕ»
ЛАЗЕРНОГО
ИМПУЛЬСА
Свободно генерирующие
лазеры с импульсной накачкой дают световые им-
пульсы длительностью 10-4-10“3 с; при управлении
потерями в резонаторе удается получать импульсы
длительностью 10“8 с (гигантские импульсы). А как
быть, если нужны импульсы длительностью, скажем,
10“6 с? В этом случае можно поступить так: вме-
147
шаться в процесс генерации гигантского импульса,
замедлить его развитие и тем самым как бы «растя-
нуть» импульс во времени. Разумеется, с соответст-
вующим уменьшением мощности импульса.
Для этого надо особым образом управлять по-
терями в резонаторе лазера: когда в процессе развития
генерируемого лазерного импульса его мощность на-
растает, потери должны постепенно увеличиваться, а
когда мощность импульса начинает спадать, потери
должны уменьшаться. В данном случае говорят об
использовании отрицательной обратной связи. Она
замедляет как нарастание мощности лазерного им-
пульса на его начальном этапе развития, так и спа-
дание мощности импульса на конечном этапе. В ре-
зультате импульс удлиняется во времени.
Устроить отрицательную обратную связь совсем
нетрудно. Достаточно поместить внутрь лазерного
резонатора пластинку, обладающую следующим свой-
ством. Когда на нее падает лазерное излучение от-
носительно малой мощности, она практически проз-
рачна, так что излучение свободно проходит сквозь
нее. Если же мощность падающего излучения начинает
расти, степень прозрачности пластинки постепенно
уменьшается; для достаточно мощного излучения она
может стать вообще непрозрачной. Этот интересный
физический эффект называют эффектом затемнения
среды, другое его название - эффект двухфотонного
поглощения. Поясним его на следующей упрощенной
физической модели. Пусть атомы пластинки имеют
всего два уровня и пусть на нее падает поток фотонов,
энергия которых ровно вдвое меньше разности энергий
уровней. Ясно, что пластинка не сможет поглощать
такие фотоны: энергии фотона недостаточно для пере-
брасывания атома с нижнего уровня на верхний. Что-
бы этот переход состоялся, атом должен поглотить не
один, а сразу два фотона. Процесс двухфотонного
поглощения маловероятен; однако его вероятность
растет по мере увеличения плотности фотонов в свето-
вом пучке, т. е. по мере увеличения мощности из-
лучения. Отсюда ясно, почему пластинка, прозрачная
для маломощного излучения (когда двухфотонное по-
глощение практически отсутствует), перестает быть
прозрачной для излучения большой мощности (когда
двухфотонное поглощение начинает играть заметную
роль).
148
После сделанных замечаний вернемся к нашей за-
даче. Вместе с электро- или акустооптическим затво-
ром поместим внутрь резонатора полупроводниковую
пластинку, в которой наблюдается эффект затемнения
для излучения данного лазера. Например, в лазере на
гранате с неодимом можно использовать пластинку из
арсенида галлия. В этом случае, чтобы перескочить из
валентной зоны в зону проводимости, электрон дол-
жен поглотить не один, а два фотона, рождающихся на
рабочем переходе в ионах неодима. Вначале пластинка
арсенида галлия прозрачна, поэтому процесс генера-
ции гигантского импульса начинает развиваться, как
если бы ее не было. Однако по мере увеличения
мощности импульса пластинка начинает затемняться,
потери возрастают. Вследствие возрастания потерь
дальнейшее развитие импульса постепенно заторма-
живается; в результате импульс растягивается во вре-
мени и оказывается не столь мощным. Применяя
данный метод, получают лазерные импульсы длитель-
ностью 107106 с; максимальная мощность таких
импульсов оказывается порядка 106 Вт.
РЕГУЛЯРНАЯ
ПОСЛ ЕДОВАТЕЛ ЬНОСТЬ
ИМПУЛЬСОВ
Часто требуется иметь
последовательность лазерных импульсов, которые сле-
дуют друг за другом с достаточно высокой частотой.
Для этого используют лазеры с непрерывной накач-
кой. Внутрь резонатора лазера помещают, например,
акустооптический затвор, который периодически, с
определенной частотой переключается из одного сос-
тояния в другое. В результате возникает регулярная
последовательность импульсов с соответствующей
частотой повторения. Характерное значение этой час-
тоты примерно 10 кГц (десять тысяч импульсов в
секунду); длительность отдельного импульса 10”7-
10~6 с, средняя мощность излучения 1-10 Вт.
Оказывается, что можно получать импульсы с еще
более высокой частотой повторения. Для этого надо
устранить недостаток обычных схем, где затвор, пере-
ходя в закрытое состояние, всякий раз обрывает гене-
рацию. Чем это плохо в данном случае? А тем, что
коль скоро генерация всякий раз обрывается, ей надо,
149
Режим генерации
гигантских импульсов в лазере
с акустоолтическим затвором
Режим разгрузки резонатора
ОТСУТСТВУЕТ
ГЕНЕРАЦИЯ ИДЕТ;
ИЗЛУЧЕНИЕ ЗАПЕРТО
ВНУТРИ РЕЗОНАТОРА
ГЕНЕРАЦИЯ ИДЕТ;
ИЗЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЧНО
ВЫВОДИТСЯ ИЗ
РЕЗОНАТОРА
Два левых рисунка иллюстрируют режим работы лазера с акустооп-
тическим затвором, когда генерируются гигантские импульсы, а два
правых рисунка — когда реализуется режим разгрузки резонатора.
На верхних рисунках затвор "выключен" — в нем нет ультразвуко-
вой волны. На нижних рисунках затвор "включен" — по нему бежит
ультразвуковая волна (она бежит вдоль линии, показанной на ри-
сунке штрихами). Конструктивные различия у лазера для рассматри-
ваемых режимов его работы несложны: в первом случае одно из зер-
кал резонатора является выходным (и, следовательно, лазерные им-
пульсы выходят через это зеркало), тогда как во втором оба зерка-
ла полностью отражают излучение, а лазерные импульсы выводятся
из резонатора за счет дифракции светового пучка на ультразвуковой
волне в затворе. Приведенные рисунки хорошо иллюстрируют сущ-
ность обоих рассматриваемых режимов работы лазера. Подчеркнем,
что в режиме генерации гигантских импульсов "включение" затвора
срывает генерацию, а в режиме разгрузки резонатора генерация идет
все время — приггвключении" затвора часть излучения в виде очеред-
ного импульса выводится из резонатора
очевидно, всякий раз начинаться. Как бы бурно она ни
развивалась при очередном открывании затвора, она
все равно начинается от процессов спонтанного испус-
кания, что неизбежно требует некоторой «раскачки»,
некоторого дополнительного времени (равного при-
мерно 10“7-10“6 с). Промежуток времени между со-
седними импульсами в рассматриваемом случае не
может стать меньше, чем это время. Можно, однако,
сделать так, чтобы затвор не обрывал периодически
генерацию, а просто периодически выводил из ла-
зерного резонатора часть непрерывно генерируемого
излучения. В этом случае оба зеркала резонатора
делают полностью отражающими; генерация идет, не
прекращаясь, так что резонатор непрерывно «напол-
няется» излучением. Периодически переключаясь в за-
крытое состояние, акустооптический затвор всякий раз
частично как бы «разгружает» резонатор от излучения,
выпуская «на волю» очередной лазерный импульс.
Такой режим работы лазера называют режимом раз-
грузки резонатора. В этом режиме удается получать
последовательности световых импульсов с частотой
повторения до 10 МГц, т. е. до десяти миллионов
импульсов в секунду!
ПИКОСЕКУНДНЫЕ
ИМПУЛЬСЫ
Напомним: пикосекунда
равна 10“12 с. Значит, речь идет о получении лазерных
импульсов длительностью порядка 10“12 с. Чтобы
почувствовать, насколько мал такой промежуток вре-
мени, достаточно принять во внимание, что за это
время свет проходит расстояние, равное всего 0,3 мм.
Предварительно надо ввести и обсудить понятие
«продольной моды» лазерного излучения. До сих пор
мы молчаливо предполагали, что каждому уровню
активного центра отвечает строго определенное зна-
чение энергии и поэтому каждому рабочему переходу
соответствует излучение строго определенной частоты
(строго определенной длины волны). В действитель-
ности же энергетический уровень всегда в какой-то
степени «размыт»; ему соответствует энергия, непре-
рывно изменяющаяся в пределах некоторого интер-
вала значений. В одних случаях это «размытие» мень-
ше, в других больше. Когда мы рассказывали о лазере
151
на рубине, то пренебрегали «размытием» рабочих
уровней, а вот вместо более высоко расположенных
уровней рассматривали энергетические полосы. Под-
черкнем: любой уровень в той или иной мере «размыт»
и, следовательно, лазерное излучение характеризуется,
строго говоря, не одной какой-то определенной часто-
той, а частотами в некотором интервале значений Аи.
Набор частот, отвечающий данному рабочему пере-
ходу, называют его спектральной линией; Av есть
ширина спектральной линии. У твердотельных лазеров
Av « 1О10 Гц. Особенно велика Av для лазеров на
красителях: 1012-1013 Гц.
Для излучения, генерируемого лазером, выполня-
ется условие резонанса-на длине резонатора L укла-
дывается целое число q полуволн X/2: L = qX/l. Это
аналогично известному акустическому резонансу, ког-
да в струне возбуждаются лишь такие звуковые коле-
бания, для которых половина длины звуковой волны
укладывается на длине струны (между ее закреплен-
ными точками) целое число раз. В данном случае роль
струны с закрепленными концами выполняет опти-
ческий резонатор; его длина есть расстояние между
зеркалами. Переходя от длины волны X к частоте v
(напомним: v = vfk, где г-скорость света в среде,
заполняющей резонатор), перепишем условие резонан-
са в виде v = qv/2L. Определяемые этим условием
значения частоты называют резонансными частотами.
Ясно, что могут быть реализованы только такие ре-
зонансные частоты, значения которых попадают в
пределы ширины Av спектральной линии рассматри-
ваемого рабочего перехода.
С каждой резонансной частотой, регенерируемой
на данном переходе в данном резонаторе, связывают
понятие «продольная мода». Вместо того чтобы го-
ворить, что в излучении лазера представлены такие-то
резонансные частоты, говорят, что излучение состоит
из таких-то продольных мод. Число одновременно
генерируемых резонансных частот, а значит, и про-
дольных мод можно оценить, поделив Av на рас-
стояние между соседними резонансными частотами.
Из условия резонанса видно, что это расстояние равно
p/2L, что составляет 107-108 Гц. Для твердотельных
лазеров число продольных мод равно 100-1000, а для
лазеров на красителях оно доходит до 100000.
152
Теперь можно ответить на вопрос, как получают
пикосекундные лазерные импульсы. Для этого надо,
во-первых, чтобы в излучении лазера содержалось
много продольных мод, и, во-вторых, чтобы все эти
моды рождались в одной и той же фазе,иначе говоря,
чтобы они были синхронизованы друг с другом по фазе.
Интерференция взаимно синхронизованных продоль-
ных мод приводит к резкому перераспределению энер-
гии в лазерном излучении-в одних участках простран-
ства происходит необычайно сильная концентрация
световой энергии, тогда как в других участках вообще
не остается энергии. В результате формируется ре-
гулярная последовательность сверхкоротких световых
импульсов огромной мощности. Длительность каж-
дого импульса обратно пропорциональна числу син-
хронизованных мод, а мощность прямо пропорцио-
нальна квадрату числа мод; поэтому-то и важно,
чтобы в излучении содержалось побольше продольных
мод. Сверхкороткие световые импульсы следуют друг
за другом с интервалом 2L/v, т. е. с интервалом
10" 8-10" 7 с. В твердотельных лазерах удается полу-
чить импульсы длительностью 10“Г1-10“10 с, а в ла-
зерах на красителях-длительностью 10“12 с, что как
раз и соответствует 1 пс.
Рассматриваемый режим работы лазера называют
режимом синхронизации продольных мод. Для синхро-
низации мод применяют разные способы. В частности,
используют акустооптический затвор, который перио-
дически изменяет потери в резонаторе с частотой,
равной v/2L. Возможна также самосинхронизация мод;
для этого в резонатор лазера помещают просветляю-
щийся фильтр, обладающий соответствующими па-
раметрами.
о
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ФАНТАСТИКА
"Пусть невозможного в стремительной погоне
Достичь ты хочешь, человек, —
Не бойся, что замедлят бег
Дерзанья золотые кони!"
Эмиль Верхарн
НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ
ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ
С развитием общества,
расширением производства, ростом уровня жизни
быстро увеличивается количество потребляемой энер-
гии. Сегодня общество удовлетворяет свою потреб-
ность в энергии, главным образом, сжигая уголь, торф,
газ, нефть. Однако природные запасы газа и нефти
быстро истощаются; подсчитано, что человечеству
хватит их всего на 50 лет. Запасы угля значительно
богаче, но через несколько сотен лет истощатся и они.
К тому же сжигать газ или нефть попросту нера-
ционально-ведь они являются ценнейшим сырьем для
получения целого ряда химических продуктов, а также
для производства белка. Довольно широкая сеть по-
строенных за последние пятьдесят лет гидроэлектро-
станций проблемы не решает-гидроэлектростанции
дают менее 10% всей потребляемой сегодня энергии.
Перспективы решения энергетической проблемы
связывают с путями развития ядерной энергетики.
Таких путей два. Один усматривается на использо-
вании энергии, освобождающейся при делении тяже-
лых ядер (главным образом, ядер урана),-это путь
ядерной энергетики. Человечество использует этот
путь вот уже тридцать с лишним лет-с тех пор, как
была пущена в эксплуатацию в 1954 г. первая в мире
советская атомная электростанция в Обнинске. В на-
стоящее время в мире работают более трехсот атом-
ных электостанций, они обеспечивают около 15 % всей
потребляемой энергии. Второй путь предполагает ис-
пользование энергии, освобождающейся при соедине-
нии друг с другом легких атомных ядер-водорода,
дейтерия (тяжелого водорода), трития (сверхтяжелого
водорода). Иными словами, это есть путь исполь-
зования энергии термоядерного синтеза -путь термо-
ядерной энергетики. Именно на этом пути человечество
может раз и навсегда решить энергетическую пробле-
му, обеспечить, по сути дела, вечное энергетическое
изобилие. Важность освоения данного пути подчер-
кивал еще в 1959 г. выдающийся советский ученый-
атомщик академик И. В. Курчатов. Он писал:
156
«В результате осуществления управления термо-
ядерной реакцией общество получит в свое рас-
поряжение замечательный и неограниченный ис-
точник энергии. Овладение термоядерной энер-
гетикой позволит в будущем экономически более
рационально использовать такие ценнейшие виды
сырья, как уголь, нефть и природный газ. С
применением термоядерной энергетики исчезнет
необходимость транспортировки топлива и пе-
редачи электроэнергии на большие расстояния».
Пока еще проблема управляемого термоядерного син-
теза не решена. Термоядерная энергетика все еще
остается делом будущего (будем надеяться, недалекого
будущего). И, возможно, существенную роль в ее
становлении сыграют проводящиеся в настоящее вре-
мя исследования с использованием мощных лазеров.
Прежде чем начать рассказ об этих исследованиях,
сделаем небольшой экскурс в область ядерной физики.
При этом воспользуемся знаменитой формулой Эйн-
штейна Е = тс2 (Е-энергия, т- масса, с-скорость
света). Атомное ядро состоит, как известно, из нейтро-
нов и протонов. Обозначим через тп и тр массу
нейтрона и протона соответственно (эти массы весьма
близки; различие между ними порядка 0,1 %). Пусть в
атомном ядре Np протонов и Nn нейтронов. Казалось
бы, энергия, содержащаяся в таком ядре в соответст-
вии с формулой Эйнштейна, есть Npmpc2 + Nnmnc2.
Но это не так: в действительности энергия ядра мень-
ше. Дело в том, что масса ядра М меньше суммы масс
нейтронов и протонов и, значит, Мс2 < (N тр с2 +
-F Nnmnc2). Разность (Npmpc2 + Nnmnc2) — Мс2 назы-
вают энергией связи ядра. Это та энергия, которую
надо затратить, чтобы «растащить» ядро на отдельные
нейтроны и протоны. С другой стороны, это есть та
энергия, которая освобождается, когда из отдельных
нейтронов и протонов образуется ядро. Чем больше
энергия связи, приходящаяся на одну частицу ядра,
тем прочнее ядро. Легко сообразить, что любая ядер-
ная реакция, в результате которой образуются более
прочные ядра, чем те, которые вступают в реакцию,
должна сопровождаться освобождением энергии. Это
может происходить в двух случаях: либо при делении
ядер элементов, находящихся в конце таблицы Менде-
леева, либо при соединении ядер элементов, нахо-
157
дящихся в самом начале этой таблицы. И в том, и в
другом случае продукты реакции имеют более проч-
ные ядра, чем исходные реагенты. Заметим, что осво-
бождающаяся в реакциях энергия-это кинетическая
энергия ядер, образующихся в результате реакций.
После этих замечаний обратимся к термоядерному
синтезу и рассмотрим следующую реакцию: D + Т -►
->4Не+п. Здесь D-ядро дейтерия (оно состоит из
протона и нейтрона), Т-ядро трития (состоит из
протона и двух нейтронов), 4Не-ядро гелия, или
а-частица (состоит из двух протонов и двух нейтро-
нов), п-нейтрон. Ядро гелия - необычайно прочное
ядро; его энергия связи значительно выше, чем энергия
связи ядер дейтерия или трития. Поэтому в рассматри-
ваемой реакции синтеза освобождается большое ко-
личество энергии: 17,6 МэВ на каждую пару взаимо-
действующих ядер дейтерия и трития. При этом
14,1 МэВ уносит нейтрон (это есть его кинетическая
энергия), а 3,5 МэВ ядро гелия. Помноженное на ог-
ромное число взаимодействующих водородных ядер,
указанное количество энергии и дает ту фантасти-
ческую энергию, которую до сих пор удавалось ос-
вободить лишь бесконтрольно - при взрывах прохо-
дящих испытания водородных бомб.
Чтобы реакция синтеза легких ядер происходила,
водородная смесь должна иметь очень высокую тем-
пературу - около 108 К (до ста миллионов градусов!).
Это нужно для того, чтобы атомные ядра могли
преодолеть кулоновское расталкивание и сблизиться
друг с другом до расстояний, на которых начинают
действовать ядерные силы. Именно поэтому данные
реакции называют термоядерными. В водородной
бомбе такие огромные температуры создаются в ре-
зультате взрыва атомной (урановой) бомбы, играю-
щей в данном случае роль взрывателя. При этом
происходят неуправляемые процессы. Несравнимо
труднее реализовать управляемый термоядерный син-
тез.
Исследования по управляемому термоядерному
синтезу проводятся в СССР и за рубежом вот уже
более тридцати лет. Они ведутся по двум направ-
лениям. Исторически первое направление связано с
относительно «медленным» нагревом плазмы, харак-
теризующейся невысокой концентрацией частиц
(1014-1015 см-3), которую требуется удерживать при
158
высокой температуре с помощью магнитного поля
сравнительно долго: в течение 0,1-1 с. В СССР эти
исследования проводятся в Институте атомной энер-
гии имени И. В. Курчатова. Ощд привели к созданию
установок типа «Токамак», в которых за счет про-
текающих в плазме электрических токов удалось по-
лучить температуры, измеряемые десятками милли-
онов градусов. Во главе указанных исследований стоя-
ли академики М. А. Леонтович и Л. А. Арцимович; в
настоящее время эти работы возглавляют академики
Е. П. Велихов и Б. Б. Кадомцев. Ожидается, что на
базе установок «Токамак» удастся создать первые
термоядерные электростанции примерно через 10-15
лет.
Параллельно ведутся исследования по осуществ-
лению управляемого термоядерного синтеза за счет
нагрева термоядерной мишени мощными лазерными
импульсами. Идея лазерного термоядерного синтеза
была предложена около двадцати лет назад акаде-
миком Н. Г. Басовым. В настоящее время исследо-
вания в этом направлении интенсивно ведутся в Фи-
зическом институте АН СССР и Институте общей
физики АН СССР; их возглавляют академики Н. Г. Ба-
сов и А. М. Прохоров. В отличие от систем с маг-
нитным удержанием относительно неплотной высо-
котемпературной плазмы, здесь предполагается сжать
плазму до таких плотностей, чтобы реакция синтеза
успевала произойти за очень короткое время-время
существования свободной, ничем не удерживаемой
плазмы. Фактически мы имеем здесь дело с тер-
моядерным микровзрывом.
Рассмотрим проблему лазерного термоядерного
синтеза подробнее. Прежде всего надо приготовить
термоядерную мишень. Она может представлять собой
полый стеклянный или металлический шар диаметром
всего 0,1-1 мм (толщина стенки шара измеряется мик-
рометрами), наполненный газовой смесью дейтерия
и трития под давлением в несколько атмосфер. На эту
мишень фокусируют сразу несколько лазерных им-
пульсов длительностью 10 ~9 с и суммарной энергией
104—105 Дж. Лазерные импульсы обстреливают шар-
мишень одновременно с разных сторон; они создают
на поверхности мишени световую интенсивность
Ю14-!©1^ Вт/см2. Под действием столь высокой ин-
тенсивности света происходит бурное испарение обо-
160
3
На рисунке показана принципиальная схема лазерной установки для
термоядерного синтеза: 1 — лазер, 2 — светоделитель, 3 — усилители,
4 — термоядерная мишень. Исходный лазерный импульс расщепляет-
ся в светоделителе на несколько импульсов. Проходя через усилите-
ли света, все эти импульсы усиливаются, а затем одновременно и с
разных сторон "обрушиваются" на термоядерную мишень
л очки мишени. Возникает так называемая корона,
стремительно разлетающаяся во все стороны - на-
встречу лазерным импульсам. При этом, согласно
закону сохранения количества движения, внутренние
слои мишени будут стремительно двигаться к ее цент-
ру, сжимаясь и нагреваясь до температуры, необхо-
димой для термоядерного синтеза.
Впервые эксперимент по лазерному термоядерному
синтезу был выполнен в 1968 г. на лазерной установке
«Кальмар» в Физическом институте АН СССР. Лазер
на стекле с неодимом генерировал гигантские им-
пульсы длительностью 10“9 с. Каждый импульс под-
вергался многоканальному усилению: расщеплялся
светоделителями и направлялся по девяти параллель-
ным каналам, в каждом из которых проходил по-
следовательно через несколько усилителей. Девять уси-
ленных импульсов фокусировались на термоядерную
мишень; суммарная энергия импульсов составляла
примерно 100 Дж. При диаметре мишени 0,1 мм это
обеспечивало световую интенсивность на поверхности
161
6-887
На верхнем рисунке показан
начальный момент — лазер-
ные импульсы с разных сто-
рон "обрушиваются" на по-
верхность термоядерной ми-
шени. На нижнем — более
поздний момент, когда части-
цы бурно испаряющейся обо-
лочки мишени разлетаются
от нее в разные стороны, а
внутренняя часть мишени
быстро сжимается (и, как
следствие, нагревается)
мишени, равную 1014 Вт/см2. Такая интенсивность
оказалась вполне достаточной для того, чтобы про-
исходила реакция синтеза. Был зарегистрирован поток
нейтронов, возникающих в этой реакции: 106 ней-
тронов на один микровзрыв.
В настоящее время в Физическом институте АН
СССР ведутся исследования на более мощных ла-
зерных установках «Дельфин». Предполагается довес-
ти суммарную энергию лазерного импульса до
10000 Дж и получить световую интенсивность на по-
верхности мишени, равную 1015-1016 Вт/см2.
Можно сказать, что физические эксперименты по
осуществлению лазерного термоядерного синтеза ус-
пешно прошли начальную стадию. Представляются
достаточно перспективными лазерные установки, соз-
даваемые в СССР и США. Если в СССР в таких
установках применяются лазеры на стекле с неодимом,
то в США отдается предпочтение СО2-лазерам. Уче-
ные полагают, что проблема лазерного термоядерного
синтеза будет решена в течение 10 лет. Для перехода от
физического эксперимента к практическому исполь-
зованию лазерного термоядерного синтеза необходи-
мо добиться, чтобы полезная энергия, получаемая от
лазерного термоядерного реактора, превышала
энергетические затраты, связанные с работой реактора.
Для этого надо прежде всего существенно повысить
КПД мощных лазеров-довести его до 10-20%.
162
Каким будет лазерный термоядерный реактор? Су-
ществуют различные проекты таких реакторов. В од-
них рассматривается «чистый» реактор, где исполь-
зуется только энергия, высвобождающаяся при термо-
ядерном синтезе. В других проектах разрабатывается
гибридный реактор. В нем используются как реакции
синтеза водородных ядер, так и реакции деления ядер
урана под действием нейтронов, которые рождаются в
реакциях синтеза. Существенно, что в этих реакциях
рождаются быстрые нейтроны (напомним, что в рас-
сматривавшейся ранее реакции синтеза рождались ней-
троны с кинетической энергией 14,1 МэВ); такие ней-
троны вызывают деление ядер естественного урана,
Так можно представить себе схему одного из проектов гибридного
реактора, разработанных советскими учеными: 1 — мишень, 2 — ка-
мера, 3 — канал для ввода камеры с мишенью внутрь реактора, 4 —
первая сфера, 5 — вторая сфера, 6 — топливо, 7 — турбина, 8 — теп-
лообменник. Красными стрелками показаны лазерные импульсы,
которые по специальным каналам устремляются в самую сердцеви-
ну реактора и достигают мишени. Используемое в реакторе топливо
представляет собой естественный уран; его прокачивают через про-
странство между первой и второй сферами реактора. Принцип рабо-
ты рассматриваемого реактора объяснен в тексте книги. Израсходо-
вав 50 т естественного урана, можно обеспечить работу данного ре-
актора в течение примерно 25 лет. Предполагается при этом, что ла-
зер имеет КПД 1 % и мощность 106 Вт. Мощность, выделяющаяся
за счет реакций деления ядер урана, как ожидается, будет равна
2,5* 109 Вт. Если принять КПД турбины равным 40 %, то полез-
ная мощность составит 109 Вт. Часть этой мощности (108 Вт) будет
затрачена на работу лазерной установки, а остальная мощность
(9 • 108 Вт) может использоваться потребителем
163
6*
т.е. урана-238. Таким образом, обогащение урана изо-
топом урана-235 в данном случае не требуется. По
этой причине, а также по ряду других причин гиб-
ридный вариант лазерного термоядерного реактора
представляется предпочтительным.
Один из проектов гибридного реактора разработан
группой советских ученых, возглавляемой чл.-корр.
АН СССР Л. П. Феоктистовым. Термоядерную ми-
шень помещают в прочную сферическую камеру диа-
метром 60 см; камера может быстро вводиться в
реактор и быстро выводиться из него. В рабочем
положении камера с мишенью находится в центре так
называемой первой сферы, имеющей диаметр 2 м.
Есть и «вторая сфера»; в ее оболочке находится ли-
тий-для воспроизводства трития. В природе, как из-
вестно, трития нет, так что его надо производить; для
этого используют реакцию n + 6Li -> Т + 4Не. Через
пространство между первой и второй сферами про-
качивается вещество, играющее в данном реакторе
роль топлива. Им является естественный уран, на-
ходящийся в измельченном твердом, жидком или газо-
образном виде. Реактор должен работать так. Десять
раз в секунду в центре реактора появляется очередная
камера с термоядерной мишенью, которая тотчас об-
стреливается лазерными импульсами; десять раз в
секунду происходит микровзрыв. Выделяющиеся при
этих взрывах быстрые нейтроны вызывают деление
ядер урана; часть нейтронов, проникая в оболочку
второй сферы, участвует в воспроизводстве трития.
Энергия, освобождающаяся при делении ядер урана,
поступает в теплообменник; в нем образуется пар,
приводящий в действие турбину.
ОТ ОБРАБОТКИ ВЕЩЕСТВА
К ОБРАБОТКЕ ПОЛЯ
Нынешние школьники зна-
ют: материя существует в двух формах — в форме вещества
и в форме поля. Что такое вещество, объяснять не надо. Все
окружающие нас предметы ’’сделаны” из вещества. Труднее
объяснить, что такое поле, потому что наши органы чувств,
как правило, поле не воспринимают. Исключением является
164
лишь электромагнитное поле в диапазоне длин волн 0,4 —
0,75 мкм, т. е. световое поле, или просто, видимый свет.
Итак, есть две формы существования материи. С одной из
них — веществом — человек работает давно. Он очень непло-
хо научился обрабатывать вещество, видоизменять его, хра-
нить в том или ином виде, одним словом, над этой формой
материи человек властвует. А вот другая форма материи —
поле — человеку до сих пор почти неподвластна. Первые шаги
на пути овладения полем были сделаны совсем недавно — на
рубеже XIX и XX веков, когда была изобретена радиосвязь.
Дальнейшим развитием этого открытия было появление
телевидения и телеуправления. И все же насколько беспо-
мощным продолжает оставаться человек, когда ему прихо-
дится иметь дело не с веществом, а с полем!
Разве он умеет сохранять (консервировать) световое
поле заданной конфигурации, чтобы по своему желанию за-
тем восстанавливать (воспроизводить) его? Разве он может
произвольно изменять конфигурацию поля, т. е., иначе гово-
ря, производить его обработку? Еще четверть века назад
ответ на подобные вопросы мог быть только отрицательным.
Теперь же, с развитием научно-технического направления,
называемого голографией (она основана на применении ла-
зеров), на все упомянутые вопросы мы может отвечать
утвердительно. Что же это такое — голография?
Предварительно зададим вопрос: что такое ’’видеть”? Вот,
например, мы видим яблоко. Почему? Ответ прост: потому,
что в наши глаза попадают световые лучи, отражаемые по-
верхностью яблока. Чтобы такие лучи возникли, нужен,
прежде всего, источник света; в темноте мы ничего не уви-
дим. Сначала на яблоко должны упасть лучи от источника
света, а затем от яблока во все стороны направятся отражен-
ные лучи. Как говорят физики, эти лучи содержат информа-
цию о внешнем виде яблока; попав в глаз наблюдателя, они
создадут у него зрительный образ наблюдаемого предмета.
Нельзя увидеть яблоко, если его нет перед нами.
Нельзя ли? В наши дни это стало возможным. Можно
получить световые лучи, в точности копирующие те лучи,
которые отражал предмет; поэтому можно видеть предмет
даже тогда, когда на самом деле его нет. Подчеркнем: речь
идет не о фотографии предмета, а о его ’’двойнике”, настоль-
ко похожем на сам предмет, что невольно хочется потрогать
его, взять в руки. Представьте себе, что ’’висит” в воздухе
перед вами яблоко — совсем как настоящее: оно объемное,
более того, можно поглядеть на него то с одной, то с другой
165
Схема записи голограммы. Световой пучок, выходящий из лазера 7,
расширяют с помощью линз и затем расщепляют на два пучка с по-
мощью полупрозрачного зеркала 2. На поверхности голограммы 3
пересекаются два пучка — идущий непосредственно от лазера (опор-
ный пучок) и отраженный от предмета (предметный пучок)
цветом
стороны. Вы протягиваете руку к удивительному яблоку —
рука совершенно свободно проходит сквозь него. Яблока
нет, хотя мы прекрасно его видим. Не правда ли, похоже на
чудо? Сотворением таких ’’чудес” и занимается голография.
Чтобы подольше сохранить ягоды, их замораживают. В
таком виде они могут долго храниться в морозильной каме-
ре холодильника. Через какое-то время их вынимают оттуда
и восстанавливают, или, говоря проще, размораживают. Не-
что подобное делается в голографической лаборатории со
световыми лучами (световым полем). Сначала световое
поле, отражаемое предметом, как бы ’’замораживается”
(разумеется, это не надо понимать в буквальном смысле).
В ’’замороженном” виде световое поле может храниться
сколь угодно долго. Сам предмет более не нужен. В любой
момент можно ’’разморозить” (восстановить, получить) это
поле — и тогда можно увидеть предмет в отсутствие его
самого.
Итак, войдем в голографическую лабораторию. Первое,
что мы заметим, это лазер. Его применяют здесь в качестве
источника света, так как лазеры дают свет, обладающий спо-
собностью ’’замораживаться”. Посмотрим, как это делается
на практике. Все до удивления несложно! Лучи от лазера по-
падают сначала на полупрозрачное зеркало; в результате
часть лучей проходит дальше, а часть отклоняется и падает на
предмет (пусть это будет уже знакомое нам яблоко). Лучи,
прошедшие сквозь зеркало, образуют так называемый опор-
ный световой пучок. Лучи, отразившиеся от яблока, образу-
ют так называемый предметный световой пучок. Оба пуч-
ка — опорный и предметный — пересекаются. В то место, где
они пересекаются, помещают специальную фотопластинку с
очень большим разрешением. На такой фотопластинке мож-
но различить (воспользовавшись микроскопом) две тончай-
шие параллельные линии, отстоящие друг от друга всего на
0,001 мм. Складываясь друг с другом, опорный и предмет-
ный световые пучки интерферируют, в результате чего на
фотопластинке возникает крайне сложный ’’рисунок” из
великого множества тонких и тончайших линий, образую-
щих замысловатые узоры. В результате фотообработки этот
’’рисунок” закрепляют. Процесс ’’замораживания” предмет-
ного светового пучка на этом заканчивается. По-научному
он называется записью голограммы предмета.
Вот перед нами голограмма яблока. Она нисколько не
похожа на его фотографию. Бесполезно пытаться различить
какие-либо очертания яблока в сложной картине пятен, за-
167
мысловатых узоров переплетений линий. Можно лишь по-
дивиться тому, что именно в этой картине и хранится в ’’за-
мороженном виде” предметный световой пучок. Если бы не
было опорного пучка, предметный пучок прошел бы через
фотопластинку, оставив на ней лишь след в виде фотографи-
ческого образа предмета. Но произошло сложение двух све-
товых пучков — в результате предметный пучок оказался
как бы ’’плененным”. Конечно, голограмма сохраняет не
сам световой пучок, а только информацию о предмете, кото-
рая содержалась в пучке после того, как он отразился от
поверхности предмета. Важно, что здесь записана полная
информация — настолько полная, что она дает возможность
восстановить реальный предметный световой пучок. Отме-
тим, что слово-’’голография” в переводе с греческого означа-
ет ’’полная запись” (’’голос” — полный, весь, целиком, ”гра-
фо” — записываю, фиксирую).
Как же теперь ’’разморозить” предметный световой пучок?
Как восстановить прежнее световое поле? Для этого надо
осветить голограмму точно таким же световым пучком,
который ранее (на этапе записи голограммы) играл роль
опорного пучка. Встанем перед голограммой и направим
сзади на нее опорный световой пучок от лазера. Сразу же,
как по волшебству, голограмма просветлится, в ней возник-
нет прозрачное окно, в глубине которого мы и увидим наше
яблоко. На схеме восстановления предметного светового
пучка (схеме считывания голограммы) видно, что тот же
самый предметный пучок, который на этапе записи падал на
фотопластинку, теперь продолжает распространяться от
голограммы к наблюдателю. Итак, яблока давно уже нет,
однако голограмма генерирует то самое световое поле,
которое формировалось в результате отражения света от
реального яблока. В результате наблюдатель очень реально
воспринимает предмет наблюдения — как если бы тот про-
должал находиться на прежнем месте.
Мы уже говорили, что сама по себе голограмма — это
’’рисунок”. Он может быть, в принципе, рассчитан на ЭВМ.
Более того, с помощью ЭВМ этот ’’рисунок” можно нанести
на фотопластинку. Одним словом, голограмму можно из-
готовить искусственно. При считывании такой голограммы
мы увидим объемную копию предмета, которого в действи-
тельности вообще не существовало. Вместо того чтобы де-
лать некоторую модель из материала, можно предварительно
получить и изучить ее ’’световую копию”. Таким образом по-
является возможность выполнять своеобразное ’’оптическое
168
конструирование”, иначе говоря, рассчитывать и воспроиз-
водить световое поле нужной конфигурации.
Подобные голограммы полезны в архитектуре и при про-
ектировании различных технических устройств: они дают
возможность наглядно представить, как будет выглядеть
разрабатываемая новая модель или проектируемое здание.
Другое применение таких голограмм — создание плоских
аналогов оптических элементов, выполняющих то или иное
преобразование фронта световой волны.
Представьте, что вам подарили голограмму. Зачем мне
она? — спросите вы. — Ведь у меня все равно нет лазера,
чтобы ’’прочитать” ее. Не спешите отказываться от подарка!
Существуют голограммы, для считывания которых лазер не
нужен — годится солнечный свет и даже свет от обычной
лампы, висящей под потолком комнаты. Такие голограммы
можно использовать в качестве иллюстраций. Представьте
себе: вы садитесь за соответствующим образом освещенный
стол, раскрываете учебник — и перед вами объемная картин-
ка или совсем необычный объемный график. По такому
учебнику заниматься значительно интереснее; объемные
изображения помогают лучше разобраться в материале. Пока
еще таких учебников нет, но со временем они непременно
появятся.
В Ленинграде при Государственном оптическом институ-
те имени С. И. Вавилова организован музей голографии, в
котором имеются голограммы с изображением ряда скульп-
тур и изделий из металла, хранящихся в Эрмитаже. В конце
70-х годов в Москве на ВДНХ можно было присутствовать
на открытии необычной экспозиции. Вниманию посетите-
лей предлагались голограммы произведений скульптуры,
живописи, ювелирного искусства. Были там и голограммы не-
которых драгоценных камней из Алмазного фонда СССР. Все,
кто видит такие голограммы, отмечают, что создается впечат-
ление, будто перед вами находятся подлинные объекты. По-
добные экспозиции на различных выставках и в музеях
устраиваются в наши дни во многих странах. Возможно, что
благодаря голограммам жители любого города смогут в
недалеком будущем знакомиться с шедеврами отечествен-
ного и мирового изобразительного искусства, с уникальны-
ми археологическими находками. Когда-нибудь музеи с
такими голограммами будут создаваться в каждой школе.
В Советском Союзе исследуется проблема создания голо-
графического кино. На XII конгрессе Международного сою-
за технических кинематографических ассоциаций, проходив-
169
шемв Москве в октябре 1976 г., демонстрировался коротко-
метражный голографический кинофильм. Правда, он длился
всего полминуты и демонстрировался на небольшом экране
размером 60X80 см, перед которым могли находиться одно-
временно только четыре зрителя (остальным голографичес-
кое изображение не было видно). Но тем не менее этот
фильм подтвердил практическую возможность создания
голографического кино. Об этой необычной демонстрации
газета ’’Правда” писала в те дни: ”... Когда погас свет, за
небольшим полупрозрачным экраном неожиданно появилась
девушка в русском наряде. Не обращая внимания на зрите-
лей, она двигалась, играла драгоценностями, помещала их в
сверкающий сосуд. Изображение было необычным. Впервые
оно существовало самостоятельно, как бы вне экрана, за
растворившейся в темноте зала стеклянной ’’перегородкой”.
И это казалось сказкой: на наших глазах прерывалась став-
шая привычной связь изображения с экраном”.
Фильм, о котором мы рассказываем, создан во Всесоюз-
ном научно-исследовательском кинофотоинституте. Он запи-
сан на пленке шириной 70 мм. Кадры пленки представляют
собой голограммы, сменяющие друг друга с частотой 30 Гц
(30 голограмм-кадров в секунду). Съемка производилась с
использованием импульсного лазера на рубине. Каждый
кадр снимался одним лазерным импульсом длительностью
50 нс.
Расскажем еще об одном применении голографии — из
совсем другой области. Из кинозала перенесемся мысленно
в исследовательскую лабораторию, где с помощью лазерного
луча изучают невидимые глазу деформации различных объ-
ектов, подвергающихся механическим нагрузкам или нагре-
ванию. Это очень важные для практики исследования. Пред-
ставьте себе: работает прибор — и какая-то его деталь от на-
гревания совсем немного удлинилась, в результате прибор
выходит из строя или становится неточным. Или большая
конструкция, испытывая значительные механические нагруз-
ки, деформируется — и вдруг в каком-то месте разрушается.
Все эти неприятности можно предвидеть заранее, если иметь
перед глазами своеобразную ’’карту” деформаций интересу-
ющего нас объекта (детали прибора, узла конструкции). Эта
’’карта” должна быть необычной; глядя на нее, мы должны
видеть, как меняются деформации со временем, по мере
нагревания или по мере возрастания механических нагрузок.
Возможно ли такое? Оказывается, возможно. Надо приме-
нить голографию.
170
Напомним, что при считывании голограммы некоего объ-
екта происходит воспроизведение световой волны, представ-
ляющей собой точную копию той самой световой волны,
которая отразилась от объекта в момент записи голограм-
мы. Теперь предположим, что голограмма записывалась
дважды — в два разных момента времени. Назовем условно —
момент А и момент Б. При считывании такой голограммы
будут одновременно воспроизводиться сразу две световых
волны: та, которая отразилась от объекта в момент А, и
та, которая отразилась от него в момент Б. Обе эти волны
возникают одновременно и, значит, могут интерферировать
друг с другом.
Теперь представим себе более конкретную ситуацию. Мы
изучаем какую-то деталь, подвергающуюся механическим
нагрузкам. Снимем эту деталь на одну и ту же голограмму
дважды: в момент А, когда механические нагрузки отсутст-
вовали (и, следовательно, деталь не подвергалась деформа-
ции) , и в момент Б, когда нагрузки имелись (деталь была
деформирована). Конечно, эти деформации ”на глазок”
незаметны, и при считывании такой голограммы мы полу-
чим отнюдь не двойное, а совершенно четкое изображение
нашей детали. Но это изображение (объемное изображение)
будет покрыто системой чередующихся светлых и темных
полос, хорошо видной невооруженному глазу. Эти полосы
возникли в результате интерференции световых волн, одна
из которых есть копия волны, отраженной от недеформиро-
ванной детали, а другая — от деформированной. Полосы
изгибаются, имеют в разных местах разную ширину — в за-
висимости от характера и степени деформации различных
участков нашей детали. Перед нами действительно карта
деформаций; человек, умеющий ’’читать” эту карту, поймет,
в каком месте деталь оказалась наиболее сильно деформиро-
ванной, где именно можно скорее всего ожидать разруше-
ния.
Можно поступить еще остроумнее — изучать полосы, воз-
никающие от интерференции двух световых волн, одна из
которых отражается непосредственно от изучаемой детали,
а другая восстанавливается с голограммы, где была записана
эта деталь в недеформированном состоянии. При этом надо
поместить деталь точно в то самое место, где формируется
объемное изображение детали, наблюдаемое при считывании
голограммы — совместить деталь с ее голографическим об-
разом. Если теперь деталь будет со временем деформировать-
ся, то можно будет видеть, как по ее поверхности начнут
171
перемещаться, видоизменяясь, интерференционные полосы.
Вот она — ожившая карта деформаций! Вы постепенно нагре-
ваете или сжимаете деталь — и все это прекрасно отслеживает-
ся во времени на удивительной карте.
Голография делает пока еще первые шаги, она только
начинает проникать в нашу жизнь. Но уже ясно, что с по-
мощью голографии человек получил, наконец, возможность
консервировать, хранить, воссоздавать, видоизменять свето-
вое поле. Это кажется чудом. Недаром такое впечатление
производят на нас голографические изображения. Ведь мы
еще не привыкли, мы еще только учимся властвовать над
световым полем.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙ
И СВЕРХДАЛЬНЕЙ
ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ
Как известно, для переда-
чи речи, музыки, изображений необходимо соответст-
вующим образом модулировать электромагнитную
волну; например, надо по определенному закону из-
менять ее амплитуду. Частоты, характеризующие
быстроту изменений амплитуды волны (частоты мо-
дуляции), должны быть по крайней мере в десять-сто
раз меньше частоты самой волны (несущей частоты).
Частоты модуляции занимают некоторую полосу (по-
лосу частот модуляции). Ее ширина тем больше, чем
больше объем информации, передаваемой в единицу
времени.
Для передачи речи достаточна полоса частот 10-
100 Гц, тогда как для передачи музыки требуется
полоса шириной 104 Гц. Именно такова ширина по-
лосы частот радиовещания. Чтобы не мешать друг
другу, две радиостанции должны работать на несущих
частотах, различающихся не менее чем на 104 Гц. Для
радиовещания пригодны волны с несущей частотой не
ниже примерно 105 Гц. Частотный диапазон от 105 до
108 Гц можно разбить на 10000 участков шириной
104 Гц каждый (строго говоря, на 9990 участков). Это
означает, что в классическом радиодиапазоне от ки-
лометровых до метровых волн могут одновременно
работать, не мешая друг другу, не более 10000 радио-
станций.
172
Для передачи движущихся изображений нужна по-
лоса частот модуляции, в тысячу раз более широкая,
чем в радиовещании. Телевизионная полоса частот
имеет ширину порядка 107 Гц. Это значение соответ-
ствует верхней граничной частоте видеосигнала. Ее
нетрудно оценить. Действительно, пусть кадры на
экране телевизора сменяются с частотой 50 Гц. Если
электронный луч, скользящий по экрану кинескопа,
пробегает за один кадр 400 строк, то это означает, что
«смена» строк должна происходить с частотой
50 *400 = 2 -104 Гц. Если, наконец, в каждой строке
выделить 400 зрительных «точек», то частота моду-
ляции интенсивности электронного луча составит
2-104-400 = 8-106 Гц.
Чтобы передавать информацию, требующую по-
лосы модуляции шириной 107 Гц, нужна несущая час-
тота не ниже 108 Гц. Для этого надо перейти из
радиодиапазона в СВЧ-диапазон. В частотном диа-
пазоне, соответствующем, например, дециметровым
волнам (от 108 до 109 Гц), «умещается» около ста
телевизионных программ. В этом же диапазоне частот
могли бы работать около 100000 радиостанций.
В качестве иллюстрации приведем таблицу разре-
шенных для использования телевизионных кана-
лов в дециметровом диапазоне волн. Каждому
каналу отведена полоса частот модуляции ши-
риной 8-Ю6 Гц. В таблице указаны также несущая
частота изображения и несущая частота звукового
сопровождения.
Номер канала Полоса частот телевизионного канала, МГц Несущая частота изображения, МГц Несущая частота звукового сопровождения, МГц
21 470-478 471,25 477,75
22 478-486 479,25 485,75
27 518-526 519,25 525,75
28 526-534 527,25 533,75
29 534-542 535,25 541,75
30 542-550 543,25 549,75
31 550-558 551,25 557,75
32 558-566 559,25 565,75
33 566-574 567,25 573,75
34 574-582 575,25 581,75
39 614-622 615,25 621,75
173
Сделанные замечания иллюстрируют общее пра-
вило: по мере увеличения несущей частоты возрастает
информационная емкость канала связи. Ясно, что ис-
пользование лазерного излучения с несущей частотой
до 1015 Гц могло бы очень сильно повысить инфор-
мационную емкость канала связи. Нетрудно подсчи-
тать, что в таком канале можно уместить 1013 те-
лефонных разговоров или 1011 музыкальных передач,
или 108 телевизионных программ. Эти числа выглядят
фантастически огромными. Они во много раз пере-
крывают практические потребности человечества не
только сегодня, но и в обозримом будущем.
Правда, эти оценки не учитывают некоторых ог-
раничивающих факторов, играющих важную роль при
практической реализации лазерной связи. Во-первых,
данные оценки справедливы лишь для идеально ко-
герентного лазерного излучения. В действительности
же в картине дружно летящих фотонов, образующих
лазерный луч, всегда в той или иной мере наблю-
даются «сбои», случайные отклонения от общего по-
рядка, ухудшающие степень когерентности излучения.
Чем выше частота излучения, тем чаще наблюдаются
подобные «сбои». Во-вторых, на практике возникают
серьезные трудности технического характера. Они свя-
заны с отсутствием в настоящее время модуляторов,
имеющих достаточно широкую полосу частот моду-
ляции, а также быстродействующих (малоинерцион-
ных) фотоприемников. Тем не менее совершенно оче-
видна перспективность освоения оптического канала
связи. Это помогло бы связистам решить, наконец,
проблему «тесноты в эфире», весьма обострившуюся в
наше время. Вещательные станции, использующие ла-
зерный луч, могли бы работать, нисколько не мешая
друг другу, даже если их число увеличится в сотни и
тысячи раз. Лазерная телефонная сеть больших горо-
дов и крупных промышленных районов позволила бы
значительно увеличить число абонентов и при этом
освободиться от дорогостоящей и громоздкой сис-
темы подземных телефонных кабелей. Между прочим,
первые лазерные телефонные линии уже созданы в
ряде городов. Одна из таких линий имеется в Москве;
она связывает АТС, находящиеся на площади Шо-
лохова и в здании МГУ на Ленинских горах.
Говоря о перспективности лазерной связи, отметим
еще одно достоинство лазерного луча-его высокую
174
направленность. Обычные радиостанции излучают в
пределах широкого телесного угла. Применяя специ-
альные антенны, можно добиться направленности из-
лучения. Однако степень направленности радиоизлу-
чения остается существенно более низкой по срав-
нению с направленностью лазерного луча. Напомним,
что угол расходимости луча определяется отношением
длины волны света к диаметру передающей антенны, в
качестве которой можно рассматривать в данном слу-
чае выходное зеркало лазерного резонатора. При дли-
не волны 1 мкм и диаметре зеркала 10 см этот угол
составляет всего 10 ~5 рад, что соответствует угловой
секунде. Благодаря высокой направленности лазерного
луча можно осуществлять несколько каналов связи на
одно несущей, выбирая всякий раз разные направления
в пространстве. Направленность излучения позволяет
существенно снизить потребление энергии на питание
передающего устройства. Кроме того, уменьшается
опасность нежелательного перехвата передаваемой ин-
формации.
Основным препятствием для создания надежных
линий лазерной связи в наземных условиях является
воздействие атмосферы на лазерный луч. Это воз-
действие двоякое. Во-первых, происходит постепенное
уменьшение интенсивности луча из-за поглощения и
рассеяния света газами, парами воды, аэрозолями.
Во-вторых, происходит накопление по мере распро-
странения излучения по трассе искажений волнового
фронта; эти искажения обусловлены главным образом
турбулентностью атмосферы. Поглощение света в ат-
мосфере сильно зависит от его длины волны. Можно
указать ряд интервалов длин волн, в пределах которых
пропускание атмосферного воздуха довольно велико;
их называют окнами прозрачности атмосферы. За-
метим, что излучение лазеров на гранате или стекле с
неодимом (длина волны 1,06 мкм), а также СО2-ла-
зеров (10,6 мкм) как раз попадает в окна прозрачности.
Для борьбы с искажениями волнового фронта стре-
мятся повысить степень направленности излучения.
Все эти меры не позволяют, однако, увеличить длину
наземных линий лазерной связи более нескольких де-
сятков километров. Главным же все равно остается
зависимость качества и самого факта наличия связи от
погодных условий. Плохая погода может сорвать даже
относительно близкую связь, например лазерную те-
175
Так выглядит принципиальная схема адаптивной лазерной линии свя-
зи: 1 — лазер, 2 — полупрозрачное зеркало, 3 — полностью отражаю-
щее зеркало, 4 — устройство воздействия на волновой фронт излу-
чения, 5 — анализатор волнового фронта, 6 — электронное устрой-
ство обработки данных
лефонную связь между двумя объектами в пределах
одного городского района.
Ожидается, что ситуация качественно изменится
при использовании в наземных линиях лазерной связи
методов адаптивной оптики, позволяющих нужным
образом корректировать волновой фронт излучения.
Американский исследователь Д. Фрид, работающий в
области адаптивной оптики, высказался на этот счет
так:
«Так же, как о погоде, многие имели обыкновение
рассуждать о турбулентности земной атмосферы,
но никто не пытался с ней бороться. Однако
теперь ситуация быстро меняется. Оптическая
техника достигла такого уровня развития, что у
нее появилась возможность как-то противостоять
вредному влиянию турбулентности на распро-
странение оптического сигнала. Это «как-то» по-
лучило название «адаптивная оптика».
Попробуем представить себе, как могла бы вы-
глядеть линия лазерной связи, построенная на основе
адаптивной оптики. На начальном участке трассы
излучение от лазера расщепляют полупрозрачным зер-
калом на два пучка. Один поступает в устройство,
являющееся анализатором формы волнового фронта,
другой посылается на мишень, находящуюся на прием-
ном конце трассы. Световой пучок создает на мишени
176
относительно яркий блик. Блик имитирует точечный
излучатель; он посылает назад по трассе сферическую
световую волну. Распространяясь по трассе в обрат-
ном направлении, эта волна испытывает те же ис-
кажающие воздействия, что и волна от лазера, про-
шедшая трассу в прямом направлении. На начальном
участке трассы искаженная световая волна, пришедшая
от блика, сравнивается (в анализаторе волнового
фронта) с неискаженной сферической волной. На ос-
нове этого сравнения электронное устройство обра-
ботки данных рассчитает необходимое предыскажение,
которое надо ввести в посылаемый по трассе волновой
фронт, чтобы скомпенсировать искажения, вносимые
трассой. Для внесения этих предыскажений должно
быть предусмотрено специальное устройство воздей-
ствия на волновой фронт.
Отдельного разговора заслуживает вопрос о совре-
менном состоянии и перспективах развития систем
космической связи. Эти системы развиваются одно-
временно с бурным развитием космической техники и
космонавтики. Осуществляется надежная оперативная
двусторонняя связь между Землей и пилотируемыми
космическими кораблями и орбитальными станциями,
позволяющая передавать четкие телевизионные изоб-
ражения. С Земли осуществлялось управление советс-
ким аппаратом «Луноход», перемещавшимся по лун-
ной поверхности. Большой объем информации по-
лучен учеными от автоматических межпланетных стан-
ций серий «Марс» и «Венера» (СССР), а также «Пио-
нер» и «Вояджер» (США); совсем недавно советские
ученые выполнили уникальный космический экспери-
мент по изучению кометы Галлея. Уже никого не
удивляют обращающиеся вокруг Земли многочислен-
ные спутники и в том числе спутники связи, предназ-
наченные для осуществления дальней телефонно-те-
леграфной связи и передач программ телевидения.
Среди них советские спутники «Молния», «Радуга»,
«Экран», «Горизонт», американские спутники «Интел-
сат».
Следует подчеркнуть, что на современном этапе все
задачи космической связи решаются в СВЧ-диапазо-
не-с использованием дециметровых, сантиметровых и
миллиметровых волн. Что же касается систем ла-
зерной космической связи, то пока они находятся лишь
в стадии проектирования. Можно указать только не-
177
многие эксперименты по практической отработке ла-
зерной связи в космосе. Ряд проектов, разработанных
десять и более лет назад, все еще остаются нереа-
лизованными. Чем это объясняется? Конечно, при
практическом освоении новых методов связи (нового
частотного диапазона) неизбежно возникает множест-
во технических проблем. О некоторых из них (необ-
ходимости создания широкополосных модуляторов
света и быстродействующих фотоприемников) мы уже
упоминали. Отметим теперь еще два момента. Во-пер-
вых, прямая лазерная связь между космическим ап-
паратом и Землей затруднена из-за воздействия зем-
ной атмосферы на лазерный луч. Надо создавать
«радиомост» Земля-спутник, а затем уже осуществ-
лять лазерную связь между спутником и космическим
аппаратом. Во-вторых, выгодная в одном отношении
высокая направленность лазерного луча оказывается
невыгодной в другом. Трудно попадать узким лучом в
фотоприемник, находящийся на удаленном космичес-
ком аппарате, трудно сопровождать его лучом, не
теряя с ним связи.
И тем не менее все эти трудности придется рано
или поздно преодолевать (возможно, комбинируя ла-
зерные и сверхвысокочастотные линии связи). Пока
СВЧ-диапазон вполне достаточен для космической
связи. Однако со временем он уже не сможет «справ-
ляться» с усложняющимися задачами. Это произойдет
тогда, когда потребуется передавать на Землю из
космоса или от одного космического аппарата к друго-
му большой объем информации за малое время. Под-
считано, что для передачи информации из ближнего
космоса со скоростью порядка 108 бит/с и выше даже
миллиметровый диапазон уже не в состоянии конку-
рировать с оптическим (с учетом массы, габаритов,
энергопотребления бортовой аппаратуры связи).
Здесь-то и проявятся преимущества лазерного канала
связи-его огромная информационная емкость и вы-
сокая направленность.) Уже сегодня мы приблизились
к задачам, требующим передачи информации по кос-
мической связи с высокой скоростью. Так, в 1983 г. в
США запущен спутник IRAS для астрономических
исследований в инфракрасной области спектра, пе-
редающий на Землю информацию со скоростью
106 бит/с. Высокая скорость передачи информации
требуется, в частности, для оперативной связи между
178
космическим кораблем и реактивным самолетом, меж-
ду двумя космическими кораблями, между кораблем и
орбитальной станцией. Именно для таких целей аме-
риканская фирма ITT проектирует для НАСА (Наци-
онального управления по аэронавтике и исследованию
космического пространства) лазерную систему связи
со скоростью передачи информации 108 бит/с. В сис-
теме используется лазер на гранате с неодимом. Даль-
ность действия линии связи до 50 000 км.
Чем более дальней будет космическая связь, тем
сильнее проявятся преимущества оптического диапа-
зона. Например, используя регулярную последова-
тельность наносекундных (1 нс = 10“9 с) лазерных
импульсов с частотой повторения 10 МГц, можно
передавать информацию со скоростью 106 бит/с с
орбиты планеты Нептун. При этом должна приме-
няться импульсно-кодовая модуляция излучения, осу-
ществляемая по принципу включено-выключено
(включено-соответствующий лазерный импульс в им-
пульсной последовательности сохраняется, выключе-
но-импульс отсутствует). Можно вполне уверенно
утверждать, что космические путешествия в будущем
будут невозможны без сверхдальней лазерной связи.
Отдавая дань научной фантастике, заметим, что
лазеры делают возможным осуществление межзвезд-
ной связи. Лазерный импульс с энергией 104 Дж, дли-
тельностью 1 нс, расходимостью 10“6 рад может быть
зарегистрирован на Земле с расстояния 100 световых
лет. Для приема такого сигнала должен использо-
ваться оптический телескоп с зеркалом диаметром
100 м.
ВМЕСТО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПРОВОДОВ ОПТИЧЕСКИЕ
ВОЛОКНА
Одно из наиболее «узких
мест» современных ЭВМ-системы коммуникации,
предназначенные для ввода и вывода информации, для
осуществления связи между процессором и памятью, а
также для связи между несколькими ЭВМ. Сегодня эти
системы коммуникации представляют собой сложные
переплетения большого числа проводов. В них на-
водятся шумовые электрические токи, создаются по-
179
мехи. Здесь проявляется недостаток, присущий, по
сути дела, всем электрическим системам связи-прин-
ципиальная невозможность идеальной развязки между
входом и выходом, чувствительность к всевозможным
внешним наводкам. Перенасыщены проводами не
только ЭВМ, но и блоки управления всех современных
производственных комплексов и транспортных систем.
Достаточно отметить обильную «начинку» из электри-
ческих проводов современного авиалайнера.
Уже сегодня во многих случаях электрические ли-
нии связи заменяют оптическими: вместо проводов, по
которым бегут электрические сигналы, используют
оптические волокна, внутри которых распространяется
соответствующим образом промодулированное лазер-
ное излучение. У оптических линий связи нет того
недостатка, который мы отмечали, говоря об электри-
ческих линиях. Кроме того, информационная емкость
оптической линии значительно выше; одно волокно
может заменить большое число электрических про-
водов.
Что такое оптическое волокно? Это-тонкая нить
из прозрачного диэлектрика, например из кварцевого
стекла. Особо тонкие волокна имеют диаметр порядка
1 мкм; однако и у толстых волокон диаметр не слиш-
ком велик - порядка 100 мкм, т.е. 0,1 мм. Будучи тон-
кими, волокна из стекла легко изгибаются. Свет рас-
пространяется по волокну, покорно следуя всем его
изгибам. Волокно является прекрасным световодом;
излучение лазера оказывается почти полностью «за-
пертым» внутри него. В случае толстых волокон это
объясняется очень просто: световые лучи, падающие
под достаточно большими углами изнутри волокна на
его поверхность, испытывают полное внутреннее от-
ражение и в результате остаются внутри волокна. Для
более надежного удержания света внутри волокна
принимают специальные меры: делают так, чтобы
показатель преломления волокна был максимален на
оси волокна и плавно уменьшался по направлению к
поверхности волокна. Такие волокна называют гра-
диентными.
Важной характеристикой волокна является вели-
чина потерь излучения в волокне, отнесенная к единице
длины волокна. Потери измеряют в единицах, на-
зываемых децибелами на километр (дБ/км). Предста-
вим себе километровый отрезок волокна. Пусть на его
180
В обычном толстом волокне световые лучи распространяются по ло-
маной траектории (1), а в градиентном волокне — по плавно ис-
кривляющейся траектории (2). Из оптических волокон компонуют
волоконные жгуты (3), по которым могут быть переданы изображе-
ния. Принцип передачи изображения по жгуту волокон довольно
прост. Световые лучи, отраженные или испущенные тем или иным
элементом изображения, улавливаются соответствующими волокна-
ми жгута, проходят по всей длине жгута и на выходе воспроизводят
различные элементы изображения. В данном случае важно, чтобы
взаимное расположение волокон на выходе жгута было таким же,
как на его входе. В применяемых на практике жгутах число воло-
кон может доходить до миллиона
вход поступает свет интенсивностью а на выходе
регистрируется интенсивность /2. Потери в волокне
измеряются количеством N децибел, которое опре-
деляется формулой Щ12 = 10N/1°. Если, например, го-
ворят, что потери составляют 10 дБ/км, т. е. N = 10, то
это означает, что в результате прохождения кило-
метрового участка волокна интенсивность света па-
дает в 10ltf/1°, т. е. в 10 раз. Очевидно, что такое
волокно не годится для создания более или менее
длинной линии связи, измеряемой хотя бы несколь-
кими километрами. Прогресс в волоконной оптике
связан с получением в начале 70-х годов волокон,
потери в которых составляли 5 дБ/км; для таких во-
локон IJI2 = 3,16. В настоящее время имеются во-
локна с потерями всего 0,2 дБ/км; в таких волокнах
Щ12 = 1,05. Эти волокна изготавливают из кварце-
вого стекла с добавлением германия или бора.
181
В ПРЕДДВЕРИИ «ЛАЗЕРНОЙ
РЕВОЛЮЦИИ» В ХИМИИ
Многие химические реак-
ции нуждаются в инициировании. Обычный способ ини-
циирования реакции-нагревание смеси исходных ре-
агентов; недаром горелка является обязательным ат-
рибутом любой химической лаборатории. При нагре-
вании происходит возбуждение молекул, колебания
атомов в молекулах становятся более интенсивными; в
результате химические связи ослабевают, разрывают-
ся. При разрыве тех или иных связей образуются
химически активные реагенты; иными словами, разрыв
связей инициирует химические реакции. Сложные мо-
лекулы характеризуются довольно большим числом
связей. При нагревании все связи подвергаются ис-
пытанию на прочность; разрываются наиболее слабые
из них. А нельзя ли разрывать связи по выбору?
Нельзя ли воздействовать всякий раз лишь на опре-
деленные связи, не затрагивая при этом остальных?
Иначе говоря, нельзя ли «нагревать» одни связи, ос-
тавляя «холодными» другие? Ясно, что обычным на-
греванием смеси реагентов этого сделать нельзя. Но
можно инициировать химические реакции иным спо-
собом - облучая смесь реагентов интенсивным светом.
Реакции, инициированные светом, называют фо-
тохимическими. Классическая фотохимия существует
уже более полувека; еще в 30-х годах наблюдали
возбуждение и диссоциацию молекул под воздействи-
ем ультрафиолетового излучения ртутной газоразряд-
ной лампы. Однако воздействие света на молекулы в
подобных опытах является, можно сказать, очень гру-
бым-происходит либо «разваливание» молекулы на
части, либо возбуждение ее электронных состояний.
Чтобы по-настоящему управлять химическими реак-
циями, инициировать именно те реакции, которые
желательны, а не те, которые происходят при нагре-
вании, надо возбуждать не электронные, а колеба-
тельные уровни молекул и притом вполне опреде-
ленные колебательные уровни. Ведь разным связям в
молекуле соответствуют разные наборы колебатель-
ных частот, иначе говоря, разные системы колеба-
тельных уровней. Возможность сугубо избирательного
воздействия на химические связи молекул появилась
лишь с созданием мощных лазеров, генерирующих в
183
инфракрасном диапазоне частот, т. е. на частотах,
соответствующих переходам между колебательными
уровнями молекул.
Когда мы говорим о лазерном инициировании хи-
мических реакций, то должны иметь в виду, что излу-
чение лазера может осуществлять также обычный на-
грев смеси реагентов. Впрочем, этот нагрев не совсем
обычный. В отличие от традиционной горелки, лазер-
ный луч может нагревать избирательно лишь какие-то
участки объема смеси реагентов, и, кроме того, он
нагревает очень быстро. Эти особенности в некоторых
случаях могут оказаться важными. Но, конечно, глав-
ное не в том, что лазерным лучом можно быстро
нагреть смесь реагентов. Главное состоит в том, что
лазерный луч избирательно воздействует на опреде-
ленные химические связи. Ученые осознали это в се-
редине 60-х годов. Обсуждая возможности качественно
нового направления в химии, советский ученый
А. Н. Ораевский писал в 1965 г.:
«Если использовать свет лазера, лучи которого
обладают строго определенной частотой и боль-
шой мощностью, то он будет «раскачивать» толь-
ко определенные атомы или группы атомов, ко-
торые колеблются в резонанс с ним. При этом
«раскачка» может стать такой интенсивной, что
«раскачиваемая» связь порвется-молекула разва-
лится. Разорванные молекулярные связи окажут-
ся вакантными, и к ним можно присоединять
другие атомы или активные группы атомов (ради-
калы), т.е. создавать новые химические соеди-
нения... Лазерное излучение разрывает связи
только определенного атома (или группы ато-
мов), не нарушая других связей. Именно это
очень важное обстоятельство открывает перед
химиками совершенно новую перспективу. По-
является возможность избирательно разрывать
химические связи, причем, меняя частоту лазер-
ного излучения, можно намечать «жертву» зара-
нее. Таким способом можно ускорить многие
химические процессы и можно заставить идти
такие реакции, которые считались невозмож-
ными».
Итак, все дело в том, чтобы облучать молекулы
интенсивным лазерным излучением строго определен-
184
ной частоты - частоты, равной частоте колебаний, от-
вечающих той химической связи, которую желательно
разорвать. Здесь требуются генерирующие в инфра-
красном диапазоне лазеры, излучение которых отли-
чается высокой интенсивностью и монохроматич-
ностью; кроме того, очень важно, чтобы частоту ла-
зерного излучения можно было плавно менять, под-
страиваясь всякий раз под ту или иную частоту ко-
лебаний молекул.
Одна из первых лазерных химических реакций бы-
ла осуществлена в 1969 г. советскими учеными
А. М. Прохоровым и Н. В. Карловым с сотрудниками.
Используя СО2-лазер, они вызвали диссоциацию мо-
лекулы трихлорида бора (ВС13). Частота лазерного
излучения совпадала с одной из колебательных частот
данной молекулы. Эта же группа исследователей позд-
нее, в 1971 г., облучала излучением СО2-лазера смесь
трихлорида бора и молекулярного водорода, не явля-
ющуюся в обычных условиях реакционноспособной. В
результате диссоциации молекул трихлорида бора под
действием лазерного излучения образовывался ато-
марный хлор-химически активный реагент. Он бурно
вступал в реакцию с водородом.
Интересные лазерохимические исследования были
выполнены в 1970-1971 гг. группой советских ученых,
возглавляемой Н. Г. Басовым и А. Н. Ораевским. Они
исследовали реакции в смеси из тетрафторгидразина
(N2F4) и окиси азота (NO). При обычном нагревании
эти молекулы в реакцию друг с другом не вступают, а
просто происходит диссоциация молекулы N2F4 по
относительно слабой связи N—N, в результате чего
образуются две молекулы NF2. Используя 8О2-лазер,
ученые возбудили колебания, соответствующие до-
вольно сильной связи N—F в молекуле тетрафтор-
гидразина. В результате наблюдалась новая химичес-
кая реакция: от молекулы N2F4 отрывался атом F и
вступал в реакцию соединения с NO, образуя молекулу
FNO.
Мы привели примеры самых первых лазерохими-
ческих исследований, выполненных на рубеже 60-70-х
годов. С тех пор лазерная химия шагнула далеко
вперед. В настоящее время можно говорить о том, что
лазерное излучение при применении его в химии может
выполнять три функции. Первая функция', подготовка
реагентов, перевод их в нужные возбужденные ко-
185
лебательные состояния, после чего реакция идет в
заданном направлении и с нужной скоростью. Вторая
функция', использование методов лазерной спектроско-
пии для идентификации продуктов реакции и анализа
их состояний. Третья функция', воздействие на сам ход
химической реакции в тот очень короткий (обычно
измеряемый пикосекундами) промежуток времени,
когда совершается акт столкновения реагирующих мо-
лекул и когда, собственно говоря, молекул-реагентов
уже не существует, а молекулы-продукты еще не об-
разовались. Исследования подобного типа только-
только начинаются. В этих исследованиях используют-
ся взаимно пересекающиеся молекулярные пучки, об-
лучаемые в месте их пересечения мощными лазерными
импульсами. Ожидается, что таким путем можно бу-
дет изучать структуру «переходного состояния» и по-
лучать прямую информацию о процессах образования
и разрыва химических связей в молекулах.
Развитие лазерной химии откроет пути получения
новых веществ, позволит осуществить множество ре-
акций, считавшихся ранее невозможными, даст ре-
цепты управления как направлением, так и скоростью
химических реакций. В заключение заметим, что ме-
тоды лазерной химии успешно используются сегодня,
в частности, для разделения изотопов и получения
особо чистых веществ.
ФАНТАЗИИ НА ЛАЗЕРНУЮ
ТЕМУ
А теперь перенесемся
мысленно в первую половину XXI века и немного
пофантазируем на лазерную тему. Как это не раз
делалось в научной фантастике, воспользуемся некоей
«машиной времени», которая чудесным образом пе-
реместит нас, скажем, на 50 лет вперед. Экскурсию в
будущее начнем с посещения обыкновенной районной
поликлиники. Наше внимание сразу же привлечет оби-
лие новых специализированных кабинетов с таблич-
ками на дверях: «Лазерная микрохирургия глаза»,
«Лазерная операционная», «Светоукалывание», «Ла-
зерная биостимуляция», «Лазерное просвечивание»,
«Лазерная стоматология» и т.д. Мы видим, что при-
менение лазеров в медицине по;г чило очень широкое
распространение, стало обычным . глом. В результате
186
изменился сам характер лечебного процесса-он стал
более быстрым, практически безболезненным, бес-
кровным, а главное, весьма результативным. Мы,
выходцы из XX столетия, привыкли по каждому по-
воду глотать таблетки - «от нервов», при простуде, при
расстройствах тех или иных органов. Мы глотаем
таблетки, когда нам больно или страшно, когда не
спится, когда мы чем-то слишком взволнованы или
удручены. Так вот в поликлинике XXI века вообще не
оказалось киоска с таблетками. Оказывается, лучше
всяких таблеток помогают краткие сеансы лазерной
биостимуляции. С помощью лазерного облучения вра-
чам удается очень эффективно активизировать энер-
гетические процессы в нервной системе и значительно
усиливать защитные и восстановительные способности
человеческого организма. Одним словом, вместо таб-
летки-«укол» лазерным лучом.
После поликлиники - крупное производственное
предприятие. Поражает тишина и чистота в цехе. А
ведь это цех металлообработки. Куда же девался шум,
который на наших предприятиях всегда сопровождает
одновременную работу большого числа станков? Где
стружка и прочие неизбежные отходы обработки?
Впрочем, удивляться тут особенно нечему-все опе-
рации в цехе выполняет мощный и в то же время
бесшумный лазерный луч. Вскоре мы обращаем вни-
мание на то, что в цехе почти нет людей-лазерное
производство практически полностью автоматизиро-
вано. Точность работы многочисленных лазерных
станков контролирует опять-таки лазерный луч, он же
координирует их совместную работу. Здесь лазеры
управляют лазерами: гелий-неоновые и гелий-кадмие-
вые лазеры контролируют и направляют действия
мощных СО2-лазеров. Как предмет особой гордости
нам продемонстрировали удивительных роботов, во-
оруженных лазерным лучом и управляемых по ла-
зерному лучу.
В вычислительном центре обратили на себя вни-
мание сравнительно небольшие размеры компьютеров
и обилие дисплеев. Вместо электрических проводов
везде элегантные оптические волокна. Нам поясняют,
что это - оптико-электронные вычислительные устрой-
ства. Все связи между устройствами, а также системы
ввода и вывода информации сделаны на основе оп-
тических волокон. В устройствах используется опти-
187
ческая память голографического типа. В подобных
вычислительных комплексах сочетаются электронные
и оптические методы обработки информации. Но уже
имеются комплексы, где информация хранится, вво-
дится в процессор и обрабатывается исключительно в
виде оптических сигналов, т. е. в виде двумерных изо-
бражений (картинок). Процессоры таких комплексов
не имеют электронных блоков; они представляют со-
бой хитроумные комбинации линз, призм, щелей, зер-
кал, дифракционных решеток, голограмм. Оптические
вычислительные комплексы отличаются исключитель-
но высоким быстродействием, имеют очень емкую
память, надежны и просты в эксплуатации. Своеоб-
разным «сердцем» каждого такого комплекса является
лазер; его луч играет роль носителя информации или,
иными словами, носителя тех оптических сигналов,
которые обрабатываются в процессоре.
Большое впечатление произвела экскурсия за го-
род. Первое, что показалось нам удивительным,-это
полное отсутствие линий электропередач. Сначала по-
думалось, что линии передач заменены подземными
кабелями. Но вскоре выяснилось, что теперь просто
нет необходимости транспортировать энергию на
сколь-либо заметные расстояния. В каждом крупном
городе и промышленном центре построены лазерные
термоядерные реакторы, которые полностью обеспе-
чивают жителей, транспорт, производство необходи-
мым количеством электроэнергии. Оказывается, что
практически все теплоэлектростанции уже исчезли с
лица Земли; демонтирована также значительная часть
атомных электростанций. Мы обратили внимание на
прекрасный вид полей и огородов, свидетельствующий
о высокой культуре сельского хозяйства. Нам объяс-
нили, что здесь дело не только в удобрениях и ме-
лиорации, но также в широком применении лазеров.
Семена различных зерновых и овощных культур облу-
чают лазерным излучением; в результате всхожесть
семян повышается в полтора-два раза, растения быст-
рее развиваются, дают больше плодов. С помощью
лазерного луча создано много новых и притом ус-
тойчивых сортов культур. Мы видели огромную и до
удивления аккуратную стройку, расцвеченную мно-
жеством тонких красных прямых линий-это работали
лазерные нивелиры, теодолиты, зенит-центриры.
Особенно много интересной информации мы по-
188
лучили, посмотрев вечернюю программу телевидения.
Лазерная метеослужба детально рассказала о процес-
сах, происходящих в атмосфере, сообщила много дан-
ных: о температуре воздуха, ветрах, облачности, осад-
ках и даже атмосферных загрязнениях. Оказывается,
теперь воздух в городах стал в несколько раз чище,
чем он был в конце XX века, а проблемы загрязнения
морей и океанов более не существует: действует стро-
гая Международная служба лазерного контроля и
лазерной очистки водной поверхности. Нам показали
вывод на околоземную орбиту очередного метеоро-
логического спутника. Не было никакой ракеты-прос-
то на спутник был направлен лазерный луч, появилось
яркое свечение вокруг спутника, и он стал быстро
подниматься. Объяснение этого чудесного эффекта
оказалось очень простым. На рабочее тело спутника
фокусируется непрерывный лазерный луч достаточно
большой мощности. Рабочее вещество спутника быст-
ро нагревается и начинает интенсивно испаряться.
Испаряющиеся частицы рабочего вещества отбрасы-
ваются к Земле, а сам спутник получает при этом
импульс, направленный в противоположную сторону.
Из передачи с знакомым названием «Человек-Зем-
ля - Вселенная» мы узнали, что вокруг Земли движутся
по орбитам лазеры, накачиваемые непосредственно
солнечным светом. Световая энергия в виде остро-
направленных пучков передается от этих лазеров на
орбитальные космические станции и даже на станции
наблюдения, находящиеся на Луне. Тем самым пол-
ностью разрешена проблема энергоснабжения всего
«космического хозяйства» Земли. В данной программе
принимают участие практически все страны. Общее
руководство программой осуществляет Всемирная
космическая организация. Впервые предложение о ее
создании было сделано в 1986 г. Советским Союзом.
Всё это пока только фантазия. Но фантазия вполне
научная, основанная на сегодняшних достижениях ла-
зерной техники. Вполне возможно, что через 50 лет
действительность окажется гораздо богаче нашей фан-
тазии. А может быть, она окажется совсем иной...
Может быть, переместившись в «машине времени»
на 50 лет вперед, мы увидим мир, затаившийся под
189
прицелом лазеров. Мощные лазеры нацелились из
укрытий на космические аппараты и спутники. Спе-
циальные зеркала на околоземных орбитах пригото-
вились отразить в нужном направлении беспощадный
лазерный луч, направить его на нужную цель. На
огромной высоте зависли мощные гамма-лазеры, из-
лучение которых способно в считанные секунды унич-
тожить все живое в любом городе на Земле. И негде
укрыться от грозного лазерного луча-разве что спря-
таться в глубоких подземных убежищах... Вот совсем
другая фантазия на лазерную тему.
Какая фантазия станет реальностью? Это зависит
от нас, от наших действий сегодня, от того, насколько
активно все мы будем бороться за светлое будущее
человечества.
Предпринимаемые по инициативе Советского
Союза значительные шаги на пути к освобождению
Земли от ядерной «начинки», достигнутая между
СССР и США договоренность о ликвидации целых
классов ракет с ядерными боеголовками-все это все-
ляет надежду. Но впереди еще длинный путь к безъ-
ядерному миру-пока мы лишь в самом начале этого
пути.
Тарасов Л. В.
Т19 Знакомьтесь-лазеры!-М.: Радио и связь,
1988.-192 с.: ил-(Научно-популярная библиотека
школьника).
ISBN 5-256-00131-0.
По воле автора знакомство с лазерами проходит через три последовательных
этапа. Сначала читатель узнает, где и как применяются сегодня лазеры. Затем он
знакомится с ними с «близкого расстояния» - на примерах конкретных лазерных
установок и конкретных типов лазеров. На последнем этапе ему предлагается
проникнуть мысленно внутрь лазера - познакомиться с физикой происходящих там
процессов
Для широкого круга учащейся молодежи и тех взрослых читателей, у ко-
торых недостаток специальных знаний возмещается любознательностью.
2403000000-107
Т--------------- КБ-27-16-87
046(01)-88
ББК 32.86
Научно-популярное издание
Тарасов Лев Васильевич
ЗНАКОМЬТЕСЬ - ЛАЗЕРЫ!
Заведующий редакцией Ю. Н. Рысев
Редактор М. М. Лисина
Художественный редактор Н. С. Шеин
Художник Н. Н. Дсрохович
Технический редактор Л. А. Горшкова
Корректор 3. Г. Галушкина
ИБ № 1416
Сдано в набор 28.07.87. Подписано в печать 31.05.88. Т-08768 Формат 84 х 108/32. Бумага
офсетная № 1. Гарнитура тайме. Печать офсетная. Усл.печ.л. 10,08. Усл.кр.-отт 40,95.
Уч-изд. л. 10,65. Тираж 50000 экз. Изд. № 21595. Зак. № 887. Цена 70 к
Издательство «Радио и связь», 101000 Москва, Почтамт, а/я, 693
Можайский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
г Можайск, ул. Мира, 93.
70 к.
Знаком ьтесь-
лазеры;
"Лазер — это устройство, в котором энер-
гия, например тепловая, химическая, электри-
ческая, преобразуется в энергию электромаг-
нитного поля - лазерный луч. При таком пре-
образовании часть энергии неизбежно теряется,
но важно то, что полученная в результате лазер-
ная энергия обладает несравненно более высо-
ким качеством. Качество лазерной энергии оп-
ределяется ее высокой концентрацией и воз-
можностью передачи на значительное рассто-
яние. Лазерный луч можно сфокусировать в
крохотное пятнышко диаметра порядка длины
световой волны и получить плотность энергии,
превышающую уже на сегодняшний день плот-
ность энергии атомного взрыва. .. С помощью
лазерного излучателя уже удалось достичь са-
мых высоких значений температуры, давле-
ния, напряженности магнитного поля. Наконец,
лазерный луч является самым емким носите-
лем информации и в этой роли — принципиаль-
но новым средством ее передачи и обработки".
Академик Н. Г. Басов
©
«Радио и связь»