История лазера. Научное издание
Шрифт:
Еще одна особенность лазеров их огромная яркость. Когда мы греемся на солнце в полдень летнего дня, солнечный свет, падающий на наш палец, имеет мощность около десятой доли Вт. Свет от лазера можно сконцентрировать в точку на нашем пальце, при этом мощность может достигать 109 Вт!
Рти свойства, Р° также РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ число типов лазеров привело Рє многочисленным применениям РІ самых различных областях, причем РёС… число увеличивается. Рта ситуация сильно отличается РѕС‚ того, что было сразу же после изобретения лазера. РўРѕРіРґР° еще РЅРµ было никаких применений, Рё люди говорили, что лазер был блестящим решением проблемы, которая еще РЅРµ существует (решение, ждущее проблемы).
Р’ настоящее время существует множество типов лазеров, РѕС‚ огромных, величиной СЃ футбольное поле, РґРѕ миниатюрных величиной СЃ булавочную головку. Свет, который РѕРЅРё испускают, простирается РїРѕ спектру РѕС‚ невидимого инфракрасного диапазона РґРѕ ультрафиолета Рё даже рентгена, через видимый свет всех цветов радуги. Некоторые РёР· длин волн можно плавно перестраивать. Рнтенсивность может изменяться РЅР° РјРЅРѕРіРѕ РїРѕСЂСЏРґРєРѕРІ.
Некоторые лазеры испускают импульсы СЃ длительностью РґРѕ фемтосекунды (1015 СЃ), Р° РґСЂСѓРіРёРµ РјРѕРіСѓС‚ испускать пучки РІ течение десятилетий. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ лучам Уэллса, некоторые лазеры позволяют сфокусировать РёС… свет РІ СЏСЂРєСѓСЋ точку так, что концентрация энергии РІ ней оказывается достаточной для испарения стали или любых РґСЂСѓРіРёС… материалов. Другие испускают энергию, которой РЅРµ хватит, чтобы сварить яйцо. Рнтенсивность сфокусированного мощного лазерного излучения может превышать ту, что получается РїСЂРё ядерном взрыве (разумеется, Р·Р° очень короткий (фемтосекунды) интервал времени).
Немного найдется научных достижений, которые так возбудили Р±С‹ воображение ученых Рё инженеров, как лазер. Лазер дал возможность экспериментально исследовать оптически нагреваемую плазму, причем СЃ помощью мощного лазерного излучения можно получить контролируемую термоядерную реакцию. Возникло РЅРѕРІРѕРµ научное направление нелинейная оптика. РћРЅР° включает такие явления, как генерация оптических гармоник, С‚.Рµ. новых лазерных длин волн, параметрическое усиление Рё генерация, позволяющая плавно перестраивать длину волны лазерного излучения, фотонное СЌС…Рѕ, самоиндуцированная прозрачность, самофокусировка лазерного пучка. РЎ помощью лазеров производятся точнейшие измерения дистанций вплоть РґРѕ Луны, фиксируется скорость дрейфа континентов. Р’ спектроскопии реализуется исключительно высокое разрешение. Рто позволяет определить значение фундаментальных физических констант СЃРѕ значительно большей точностью. Стала возможной генерация ультракоротких оптических импульсов. РЎ РёС… помощью изучаются сверхбыстрые явления РІ атомах, молекулах, РІ газах, жидкостях Рё твердых телах.
Лазеры также входят в повседневную жизнь. Они используются в принтерах и в проигрывателях компакт-дисков и позволяют получать высококачественные изображения и звук. В криминалистике с помощью лазеров фиксируют отпечатки пальцев, оставленные много лет назад. Голограммы дают трехмерное изображение. Лазерные эффекты используются для спецэффектов в кино, на рок-концертах и других подобных мероприятиях.
В самом начале было мало возможностей для коммерческой деятельности в области лазеров, за исключением продажи деталей и компонентов, нужных для изготовления лазеров и их последующего развития. Компании, которые хотели действовать в этой области, вынуждены были проводить свои собственные прикладные исследования с целью получения контрактов, в особенности от военных. Выражение лазер это решение в поиске проблемы было обычным в то время. Затем лазерные технологии вошли в фазу разработок, в которой были найдены применения. Многие компании на этой фазе не хотели или не решались включиться в технологию, применения которой были туманны, и устранились из этой области. Однако, с другой стороны, многие предприниматели удвоили усилия, стараясь найти применения и коммерческие перспективы. В настоящее время лазерная технология прорвалась. Можно указать много применений, где лазеры при меньшей стоимости обеспечивают лучшую эффективность, чем старые технологии. Сегодня имеется рынок лазерной продукции в области телекоммуникаций, в области обработки и сохранения информации, в типографском деле, в области обработки материалов, в медицине и др. В будущем ожидается ещё большее расширение рынка. Для неспециалиста ясны преимущества лазерных технологий в таких областях, как видео- и аудиодиски, лазерные принтеры, система штрих-кодов на товарах, волоконно-оптическая связь и некоторые медицинские процедуры лечения с помощью лазеров.
Новые слова описывают использование света РІ его различных применениях. Рлектроника термин, обычно употребляемый для характеристик электронов Рё применений СЃ РёС… участием. Ртот термин используется СЃ 1910 Рі. РљРѕРіРґР° был открыт мазер, С‚.Рµ. электронное устройство, для которого было необходимо знание квантовой механики, был придуман термин квантовая электроника. Ртот термин был затем распространен РЅР° РІСЃРµ устройства электроники, для которых требовалось понимание квантовой механики, например, транзисторы. Оптоэлектроника термин сравнительно недавнего происхождения (впервые РѕРЅ был введен РІ 1955 Рі., даже РґРѕ изобретения лазера), РѕРЅ относится Рє явлениям Рё устройствам, работа которых РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїСЂРё совместном действии электроники Рё оптики. РњРЅРѕРіРёРµ современные устройства, использующие лазеры, являются типичными оптоэлектронными устройствами, Рё сам лазер можно отнести Рє оптоэлектронному устройству. Для более специфического описания применений РІ устройствах СЃ использованием фотонов, особенно РІ области передачи информации, СЃ 1952 Рі. стали использовать термин фотоника, означающий, РїРѕ аналогии СЃ термином электроника, применение или получение фотонов РІ устройствах для передачи информации, Р° также РІ СЂСЏРґРµ явлений. Рљ таким явлениям относятся: получение направленного пучка фотонов (света), его отклонение, модуляция Рё усиление, оптическая обработка изображений, регистрация Рё запись световых сигналов. Как можно заметить, нет резких границ между этими терминами, Рё часто РѕРЅРё используются взаимозаменяемым образом. РЎРѕ временем может прийти более точное определение каждого термина.
В 1984 г. глобальный рынок лазеров превышал более чем два миллиона евро в коммерческой области в добавок к одному миллиону в военных целях. А в 1994 г. общий объем продаж лазеров составил 1 млрд. евро. В течение этой эскалации успехов и применений не обошлось без забавных недоразумений. Например, в 1970-х гг. дин работник американской таможни решил, что лазеры безопасны, и могут без ограничений импортироваться и экспортироваться, но это не относится к лазерным пучкам!
Здесь мы хотим упомянуть о некоторых огромных возможностях лазеров, описав некоторые из применений, имеющих большой интерес, как с исторической, так и с современной точек зрения.
Лазер для военных целей
Даже РґРѕ того, как были созданы первые лазеры, РѕРЅРё уже вызвали определенный интерес военных РёР·-Р·Р° принципиальной возможности СЂСЏРґР° применений. Было понятно, что высокая направленность лазерного пучка может обеспечить секретность передачи информации, которая получается путем модуляции его интенсивности. РљСЂРѕРјРµ того, возможность фокусирования Рё формирования пучка позволяет снизить потери РїСЂРё распространении, С‚.Рµ. избежать недостатка, присущего радиоволнам. РўРѕРіРґР° казалось, что лазер сможет обеспечить уникальный СЃРїРѕСЃРѕР± коммуникаций или даже передачи энергии. Однако первые же эксперименты, выполненные, как только появились лазеры, показали, что атмосфера Земли оказывает вредное влияние РЅР° распространение света, РѕРЅ поглощается или рассеивается. Если идет дождь или снег, Р° также РІ тумане, распространение невозможно. РќРѕ даже РїСЂРё СЏСЃРЅРѕР№ РїРѕРіРѕРґРµ распространение существенно ухудшается. Например, интенсивность РЅРµ остается постоянной РІРѕ времени, Р° начинает беспорядочно флуктуировать РёР·-Р·Р° явления, которое известно как турбулентность атмосферы. Рто хорошо известно астрономам, которые наблюдают, что изображения звезд флуктуируют РІРѕ времени (РѕРЅРё называют этот эффект сцинтилляциями). Однако такого ограничения можно избежать РІ вакууме, например, между спутниками или РЅР° Луне, Р° также существенно ослабить его РїСЂРё сравнительно коротких дистанциях.
Прекрасный СЃРїРѕСЃРѕР± распространения световых сигналов без существенных потерь был получен РїСЂРё использовании оптических волокон. Ртот СЃРїРѕСЃРѕР± заменяет распространение электрических сигналов РїРѕ проводам или радиоволнами. РЎ помощью специальных стеклянных волокон удается быстро передавать большие объемы информации между континентами. Характеристики волоконно-оптической СЃРІСЏР·Рё лучше, чем радиосвязь Рё СЃРІСЏР·СЊ РїРѕ проводам. Сами волокна весят меньше Рё дешевле, чем медная проволока.