Марио Бертолотти - История лазера
Рис. 62. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. Излучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости
Исследователи из NASA поместили инфракрасный телескоп на самолете, летающие на высоте 12 500 м. На этой высоте поглощение исследуемого излучения в атмосфере существенно ослабляется. Они наблюдали линию на 169 мкм, интенсивность которой в шесть раз превышала ожидаемую интенсивность при термическом равновесии. Излучение на этой линии производится атомами водорода, ионизованными интенсивным УФ-излучением звезды или из-за более сложных процессов, происходящих в диске. Когда ионы рекомбинируют со свободными электронами, они испускают фотоны. Большая часть излучения испускается спонтанно, но возможно также и вынужденное излучение. Такой же процесс дает мазерное излучение в других частях диска, но в центральных частях наблюдается лазерное излучение, частично, из-за того, что водород там плотнее, частично, из-за того, что интенсивность ультрафиолетового излучения выше. Случайно, диск ориентирован по отношению к Земле так, что можно зарегистрировать лазерное излучение. Диск представляет собой область, где, как полагают, могут формироваться планеты, и наблюдаемое излучение приходит от той части этой «колыбели планет», которая удалена от звезды на расстояние, приблизительно равное расстоянию между Землей и Солнцем. Поэтому лазерное излучение может помочь нам лучше понять состояние газа в диске. Длина волны 169 мкм лежит на границе областей, которые относят к микроволнам, и оптического диапазона. Поэтому можно говорить как о мазерном, так и о лазерном эффекте.
Лазеры в ультрафиолетовой области также существуют. Излучение в этой области было обнаружено с помощью космического телескопа Хаббл. Оно испускается из газового облака вблизи звезды η-Киля.
Итак, мы можем заключить, что в космосе уже существуют естественные мазеры и лазеры. Поэтому мы можем более точно сказать, что мазеры и лазеры были не изобретены, а открыты[14].
ГЛАВА 14
РЕШЕНИЕ В ПОИСКЕ ПРОБЛЕМЫ ИЛИ МНОГИЕ ПРОБЛЕМЫ С ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ РЕШЕНИЕМ?
ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
В 1898 г. г. Уэллс вообразил в своей книге «Война миров» захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, и прожигать сталь, как если бы она была бумагой. Подобным оружием пользовались персонажи карикатур, мультфильмов и комиксов перед и после Второй мировой войны. Это рождало мечты военных об оружии будущего. В настоящее время пучки лазеров высокой мощности делают это реальным.
Как только был создан первый лазер, сочинители стали использовать его вместо старомодных лучей смерти для своих персонажей, и таблоиды развлекали ужасными выдумками о возможных разработках лазерных пушек и других выдуманных орудиях. Артур Шавлов демонстрировал на конференциях возможности, предоставляемые рубиновым лазером, с помощью пистолета с маленьким рубиновым лазером внутри его, излучение которого взрывало маленький голубой воздушный шарик. Собирая примеры фантазий прессы, он прибил на двери своего кабинета в Стэнфордском университете вырезку со словами «невероятный лазер», под которой написал «если интересуетесь правдоподобным лазером, заходите».
Свет лазера отличается от света обычных источников света примерно так же, как музыкальный звук отличается от шума. Более того, пучок лазера может распространяться на километры, лишь слегка увеличиваясь в диаметре. Так, когда в 1969 г. пучок рубинового лазера был послан на Луну, чтобы отразиться от системы отражателей, установленной Армстронгом, пучок на Луне имел диаметр лишь 9 км.
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!
Эти свойства, а также огромное число типов лазеров привело к многочисленным применениям в самых различных областях, причем их число увеличивается. Эта ситуация сильно отличается от того, что было сразу же после изобретения лазера. Тогда еще не было никаких применений, и люди говорили, что лазер был блестящим решением проблемы, которая еще не существует (решение, ждущее проблемы).
В настоящее время существует множество типов лазеров, от огромных, величиной с футбольное поле, до миниатюрных величиной с булавочную головку. Свет, который они испускают, простирается по спектру от невидимого инфракрасного диапазона до ультрафиолета и даже рентгена, через видимый свет всех цветов радуги. Некоторые из длин волн можно плавно перестраивать. Интенсивность может изменяться на много порядков.
Некоторые лазеры испускают импульсы с длительностью до фемтосекунды (10—15 с), а другие могут испускать пучки в течение десятилетий. Подобно лучам Уэллса, некоторые лазеры позволяют сфокусировать их свет в яркую точку так, что концентрация энергии в ней оказывается достаточной для испарения стали или любых других материалов. Другие испускают энергию, которой не хватит, чтобы сварить яйцо. Интенсивность сфокусированного мощного лазерного излучения может превышать ту, что получается при ядерном взрыве (разумеется, за очень короткий (фемтосекунды) интервал времени).
Немного найдется научных достижений, которые так возбудили бы воображение ученых и инженеров, как лазер. Лазер дал возможность экспериментально исследовать оптически нагреваемую плазму, причем с помощью мощного лазерного излучения можно получить контролируемую термоядерную реакцию. Возникло новое научное направление — нелинейная оптика. Она включает такие явления, как генерация оптических гармоник, т.е. новых лазерных длин волн, параметрическое усиление и генерация, позволяющая плавно перестраивать длину волны лазерного излучения, фотонное эхо, самоиндуцированная прозрачность, самофокусировка лазерного пучка. С помощью лазеров производятся точнейшие измерения дистанций вплоть до Луны, фиксируется скорость дрейфа континентов. В спектроскопии реализуется исключительно высокое разрешение. Это позволяет определить значение фундаментальных физических констант со значительно большей точностью. Стала возможной генерация ультракоротких оптических импульсов. С их помощью изучаются сверхбыстрые явления в атомах, молекулах, в газах, жидкостях и 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 в его различных применениях. Электроника — термин, обычно употребляемый для характеристик электронов и применений с их участием. Этот термин используется с 1910 г. Когда был открыт мазер, т.е. электронное устройство, для которого было необходимо знание квантовой механики, был придуман термин «квантовая электроника». Этот термин был затем распространен на все устройства электроники, для которых требовалось понимание квантовой механики, например, транзисторы. «Оптоэлектроника» — термин сравнительно недавнего происхождения (впервые он был введен в 1955 г., даже до изобретения лазера), он относится к явлениям и устройствам, работа которых происходит при совместном действии электроники и оптики. Многие современные устройства, использующие лазеры, являются типичными оптоэлектронными устройствами, и сам лазер можно отнести к оптоэлектронному устройству. Для более специфического описания применений в устройствах с использованием фотонов, особенно в области передачи информации, с 1952 г. стали использовать термин «фотоника», означающий, по аналогии с термином «электроника», применение или получение фотонов в устройствах для передачи информации, а также в ряде явлений. К таким явлениям относятся: получение направленного пучка фотонов (света), его отклонение, модуляция и усиление, оптическая обработка изображений, регистрация и запись световых сигналов. Как можно заметить, нет резких границ между этими терминами, и часто они используются взаимозаменяемым образом. Со временем может прийти более точное определение каждого термина.
