Ирина Радунская - Проклятые вопросы
В стёклах упорядоченность может быть обнаружена только в расположении ближайших соседей. Дальше царствует хаос. Именно это и роднит стекло с жидкостями. Различие между ними лишь в величине вязкости. Она столь велика, а текучесть стекла столь мала, что по механическим свойствам оно близко к хрупким твёрдым телам.
Имеется ещё один признак отличия. Кристаллы плавятся, превращаясь в жидкость при вполне определённой для каждого вида температуре. Физики называют такое их превращение фазовым переходом. Кристаллическая фаза, говорят они, переходит в жидкую фазу при постоянной температуре. Так, лёд превращается в воду при 0 °C и в обычных условиях не может оставаться льдом при более высокой температуре.
Стекло же не знает такого перехода. При медленном нагревании его вязкость постепенно уменьшается до тех пор, пока не станет столь малой, что стекло превратится в жидкость. Изменение температуры во время такого перехода может достигать сотен градусов.
Стекло изредка встречается в природе. Это сплав окислов различных металлов, возникающих при извержении вулканов. Иногда капли стекла образуются при попадании молнии в песчаную почву. Стекло, применяемое людьми, изготавливается искусственно. Для этого в специальных печах расплавляют специально подобранные смеси окислов, тщательно перемешивают расплав и медленно остужают. Мастера на опыте определили составы смесей, позволяющих получать прозрачные бесцветные или окрашенные стекла.
Большая часть применяемых стёкол содержит в качестве основной части двуокись кремния. Такие стёкла называют силикатными.
Создатель первого лазера, работающего на стекле, американский учёный Е. Снитцер, изготовил для своего лазера особое стекло, добавив в исходный состав окись неодима, одного из редкоземельных элементов. Ионы неодима придали стеклу нежный сиреневый цвет. Снитцер изготовил из него круглый стержень, торцы которого были тщательно отполированы и посеребрены. Его генерация возбуждалась вспышками.
Лазерное излучение, порождаемое ионами неодима, лежит за пределами видимого спектра в начале его инфракрасной части. Многовековое совершенствование технологии производства стекла позволило изготавливать из него большие, весьма однородные блоки, предназначавшиеся для объективов крупных телескопов.
На этой основе технологами было налажено изготовление рабочих элементов для лазеров, намного превосходивших рабочие элементы из рубина по размерам и однородности. Важно и то, что они обходились гораздо дешевле.
Затем появились полупроводниковые лазеры. Возможность их создания предсказал Басов. Но реализация таких лазеров оказалась очень трудной.
Американским учёным удалось найти путь, технически сложный, но во многом более доступный. Они сформировали двухслойный полупроводниковый элемент, в котором на границе слоёв образуется тонкая прослойка. В ней и осуществляются условия, необходимые для усиления света, идущего вдоль пограничного слоя. Для реализации лазерного усиления достаточно пропускать поперёк пограничного слоя слабый электрический ток. Для получения лазерной генерации здесь можно обходиться без зеркальных слоёв. Достаточно научиться аккуратно скалывать края этого полупроводникового сэндвича так, чтобы сколы были параллельны между собой.
Преимущество полупроводникового лазера состоит в его способности преобразовывать энергию электрического тока непосредственно в энергию лазерного излучения. Вспомним, что в лазерах на рубине и стекле энергия электрического тока предварительно преобразовывается лампой-вспышкой в нелазерный свет. В газовом лазере электрическая энергия предварительно возбуждает газовый разряд. Полупроводниковые лазеры не нуждаются в подобных предварительных преобразованиях, и поэтому они работают более эффективно.
Второе преимущество полупроводникового лазера — простота управления величиной интенсивности его излучения.
Она меняется в зависимости от силы электрического тока, питающего лазер.
Наконец, третье преимущество полупроводниковых лазеров — их малые габариты и вес, а также, конечно, малый расход электрической энергии.
Однако полупроводниковые лазеры не могут конкурировать с другими по энергии и мощности излучения. Причина — быстрое ухудшение их лазерных характеристик при повышении температуры в рабочем элементе.
Выделение тепловой энергии в активном веществе во всех лазерах — неизбежный вредный спутник процессов, приводящих к возбуждению лазерных свойств. Поэтому перед физиками стоит задача уменьшить тепловыделение приборов, улучшить теплоотвод от лазерного элемента.
Все типы лазеров, о которых мы говорили, в большей или меньшей степени характеризуются одноцветностью излучения. Наиболее монохроматично излучение газовых лазеров, наименее — полупроводниковых. Степень одноцветности зависит от вида оптического спектра рабочего вещества. Спектр газов имеет вид очень узких спектральных линий. Спектры твёрдых тел характеризуются более широкими спектральными полосами. Они образуются от слияния близко расположенных спектральных линий.
В результате каждый тип лазера даёт излучение вполне определённого цвета: рубиновый — тёмно-красное; гелий-неоновый — красное; более алого оттенка; стеклянный «неодимовый» лазер — невидимое излучение с длиной волны около одного микрона. Цвет излучения каждого полупроводникового лазера зависит от его состава, и, меняя состав, можно варьировать длину волны лазерного излучения в широких пределах.
Получить лазер, дающий свет одного тона — большая победа учёных. Однако имеются области применения лазеров, в которых жёсткая монохроматичность является не достоинством, а недостатком.
Поэтому учёные начали поиск веществ для лазеров, которые позволили бы перестраивать рабочую частоту световой волны. Лучшими из них оказались растворы органических красителей. Их оптические спектры содержат широкие линии и полосы. Конечно, создание монохроматических перестраиваемых лазеров на основе таких красителей потребовало усовершенствования систем обратной связи: пары зеркал, применявшихся ранее, оказалось недостаточным.
Перестраиваемые системы обратной связи были созданы при помощи давно известных оптикам элементов — призм и дифракционных решёток, с которыми знаком каждый школьник.
Большая часть достижений в области создания перестраиваемых лазеров на красителях принадлежит белорусскому академику Б. И. Степанову и руководимому им коллективу физики Института Белорусской академии наук в Минске.
Создание первых лазеров стало началом пути, который ещё не пройден до конца. Более того, этот путь сразу начал ветвиться по мере того, как открывались новые возможности применения лазеров и, соответственно, возникали новые требования к ним.
Один из путей — увеличение энергии лазерного излучения.
На этом пути началось увлекательное соревнование газовых лазеров и лазеров на стекле. Учёные перепробовали множество газовых смесей. В результате были получены сотни составов, способных к лазерной генерации. Каждый из них генерировал на своей, отличной от других, частоте. Некоторые генерировали сразу на нескольких частотах. Впрочем, применение особых систем обратной связи позволяет варьировать обе возможности.
Наиболее мощными, способными непрерывно выделять большую энергию лазерного излучения, оказались смесь углекислого газа с азотом и некоторыми другими добавками, а также смесь окиси углерода (угарного газа) с азотом и другими добавками. Излучение обоих лежит в инфракрасном диапазоне. Первый работает на волне около десяти микрон, а второй — около пяти микрон.
Увеличение мощности лазера требует увеличения количества рабочего вещества, а это связано с увеличением выделяемого тепла и, естественно, ведёт к поискам мер эффективного охлаждения рабочего вещества. Для газовых лазеров эта задача оказалась более простой, чем для лазеров других типов. Здесь можно просто заменять (продувать) газовую смесь через рабочий объём лазера. В начале нагретые газы выпускали наружу, а на их место из баллонов вводили новые порции. Но когда мощности (а следовательно, и расход газов) стали слишком большими, были разработаны лазеры с замкнутым циклом. В них нагретая газовая смесь вытягивается из рабочего объёма при помощи вентилятора, продувается через теплообменник, где она интенсивно охлаждается, и снова направляется в рабочий объём.
Именно такие лазеры применяют технологи для резки металлов и сплавов, реставрации металлических изделий направлением, закалки сталей и для других целей. Создание таких лазеров — заслуга промышленности. Ho, конечно, принципы их построения родились в лабораториях учёных.
Газовые лазеры заняли лидирующее место и в других областях науки и техники. Сейчас лазеры на смеси гелия и неона, а также лазеры на углекислом газе успешно соревнуются с квантовыми стандартами частоты радиодиапазона. Они открыли реальную возможность создания единого эталона времени и длины.
