Что такое лазер. Применение лазеров

За свою короткую жизнь лазер нашел удивительный диапазон применений-от сверления отверстий в алмазах до тончайших глазных операций, от измерения расстояния между Землей и Луной до обнаружения мельчайших движений. А если говорить о перспективах создания объемного (голографического) телевидения и получения ядерной энергии, то будущее лазера выглядит просто невероятным.

Обычное излучение света происходит, когда электрон переходит с более высокого уровня энергии на более низкий (А). Индуцированное излучение (Б) «запускается» светом, излучаемым другим атомом. В лазере (В) большинство атомов переводится в состояние с высокой энергией путем «накачки», энергии. Какой-то атом испускает свет обычным способом, а зеркала на торцах лазера отражают свет туда-обратно, вызывая индуцированное излучение. Световой пучок выходит через одно из зеркал. Обычный свет (Г) состоит из смеси волн различной длины, движущихся в разных направлениях; в свете лазера (Д) все волны имеют одну и ту же длину, находятся в фазе и распространяются в одном направлении. Первый лазер (Е) состоял из синтетического рубинового кристалла, «обвитого» газоразрядной трубкой (для «накачки»), и пары отражающих зеркал.

Импульсный лазер в общем представляет собой устройство, в котором энергия предварительно запасается, а затем вся сразу мгновенно высвобождается; в результате прибор создает очень интенсивный пучок света. Сердцем лазера является кристалл или трубка, заполненная газом или жидкостью. Подкачка энергии осуществляется при помощи соответствующего приспособления, создающего мощную вспышку света либо интенсивный поток радиоволн или электронов. При накачке энергии все больше атомов внутри лазера переходит в более высокие энергетические состояния. Затем, самопроизвольно возвращаясь в исходное состояние, атом испускает частицу света (фотон). Этот фотон сталкивается с другим возбужденным атомом, что приводит к появлению нового фотона. Число созданных таким образом фотонов очень быстро увеличивается. С обоих концов кристалла (или трубки) установлены зеркала; поочередно отражаясь от них, фотоны скачут взад-вперед между зеркалами, порождая каскад света. Часть этого света может быть выведена через одно из зеркал, которое является полупрозрачным.

В гелий-неоновом лазаре ионы (1) ускоряются в электрическом поле, создаваемом источником высокого напряжения (2), и возбуждают атомы гелия (3). При столкновениях они передают энергию атомам неона (4). Усиление света происходит, когда фотон, сталкиваясь с возбужденным атомом неона, вызывает испускание им света. После нескольких отражений фотонов от частично посеребренных зеркал (5) появляется лазерный луч.

Первый импульсный лазер, изготовленный Теодором Мейманом в 1960 г., содержал рубиновый кристалл и создавал короткую вспышку красного света. Современные лазеры непрерывного действия излучают свет различных цветов, а некоторые лазеры излучают даже в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне.

Испускание фотонов атомами в лазере стимулируется другими фотонами, которые «поставляются» внешним источником света. Свет, «накачанный» в лазер, может включать много частот, тогда как лазер испускает значительно более интенсивный поток света какой-то одной частоты. Само название «лазер» происходит от начальных букв английских слов, в переводе означающих «усиление света в результате вынужденного излучения». Каждый фотон инициирует излучение нового, и они движутся вместе, создавая световые волны, находящиеся точно в фазе (в обычном свете все волны не совпадают по фазе); такой свет называется когерентным. Поскольку волны находятся в фазе, они усиливают друг друга, поэтому лазерный свет очень ярок. Лазер дает чрезвычайно узкий пучок света, который почти не расширяется с расстоянием: лазерный луч, направленный с Земли на Луну, создает там пятно диаметром только 3 км. В узком пучке интенсивного когерентного света сконцентрирована колоссальная энергия, и, если этот пучок сфокусировать линзой, он разогревает воздух до раскаленного состояния и прожигает отверстие в стальной пластине. Прямой узкий луч лазера используют для точного проведения линий при строительстве туннелей и трубопроводов.

Применение лазеров. Лазеры используются для измерения расстояний и скоростей. В частности, с помощью лазера было измерено расстояние между Землей и Луной. Луч лазера направляли к Луне, где он отражался от специального зеркала (установленного астронавтами одного из «Аполлонов») и вновь возвращался на Землю. Лазер широко применяется в метеорологии: он позволяет наблюдать перемещения прозрачных слоев воздуха так же хорошо, как и перемещения облаков; кроме того, с его помощью определяют загрязнение воздуха.

Лазер нашел различные применения в медицине и промышленности. Лазерный луч малой мощности фокусируется на сетчатке глаза и производит безболезненное приваривание отслоившегося кусочка сетчатки, возвращая человеку зрение. Лазер может снимать кожные наросты без скальпеля и безболезненно сверлить больной зуб. В промышленности лазеры используются для разрезания металлических листов и заготовок, сверления отверстий в алмазах, в производстве микроэлектронных схем И т.д.

Лазерное излучение призвано сыграть огромную роль как средство связи, поскольку световые лучи могут передавать Значительно больше информации, чем радиоволны. Числа, звуки и изображения-все это можно передавать с помощью светового луча, который распространяется по специальным свето-" проводам, что позволяет устранить потери мощности, возникающие при прохождении света через туман или облачность в атмосфере.

Одной из самых интересных областей применения когерентного света лазеров является голография, позволяющая получить трехмерные (объемные) изображения. Хотя завершающим итогом развития голографии должно стать создание трехмерного телевидения и кино, она и сейчас находит разнообразные применения. Голограммы, сделанные с двойной экспозицией, позволяют зафиксировать любое движение предмета между экспозициями и таким образом дают картину колебаний, совершаемых различными поверхностями. Анализ вибраций важен для конструирования частей самолетов и двигателей, которые должны действовать безотказно при больших скоростях и нагрузках.

Голография основана на преобразовании А волновых фронтов света. Светящаяся точка создает сферические волны (А), поверхность предмета дает волновой фронт сложной формы (Б). Две плоские волны от одного источника, падая на фотопластинку, Б дают обычную интерференционную картину из черных и белых полос (В), - это простейшая голограмма. При интерференции плоской и сложной волн (Г) эта картина выглядит иначе.

Другой областью, в которой лазер может буквально произвести революцию, становится ядерная энергетика. Термоядерные реакции (происходящие, в частности, в водородной бомбе и в звездах) могут быть в принципе вызваны лазерным лучом без предварительного получения высокотемпературной плазмы посредством мощного электрического разряда.

При прохождении лазерного пучка через голограмму (А) возникают два волновых фронта (Б): сходящийся (1), который дает действительное изображение, и расходящийся (2), как от мнимого изображения. При записи голограммы (В) лазерный свет, отражаясь от предмета, падает на фотопластинку. Часть лазерного пучка отражается зеркалом на пластинку-это опорный пучок (3). Изображение восстанавливается (Г) при освещении голограммы лазерным лучом. Наблюдатель видит трехмерное мнимое изображение предмета (4). Действительное изображение можно зафиксировать на фотопластинке (5).