Лазер

Название журнала: 
Горизонты техники для детей
Номер: 
07/1971
Предметная область: 
Физика

В первой половине XX века Алексей Толстой написал научно-фантастический роман «Гиперболоид инженера Гарина». Герой романа изобретает такой прибор, который может сосредотачивать световые лучи в чрезвычайно узкий пучок света, способный в одно мгновение расплавить сталь.

Что в замысле писателя было фантастического? В то время создание плотного потока световых лучей казалось нереальным. Правда, еще раньше были известны системы линз и вогнутых сферических зеркал, собирающие солнечные лучи в одну точку, называемую фокусом. Благодаря этому в фокусе возникала высокая температура. До сих пор сохранилась легенда о том, как во время осады римлянами Сиракуз в 215 г. до н.э. величайший мыслитель древности Архимед из металлических зеркал сконструировал прибор, с помощью которого направил солнечные лучи на римские корабли и поджег их. (Необходимо подчеркнуть, что высокая температура, возникающая в фокусе, появляется в результате действия не только видимых, но также и не видимых глазом инфракрасных лучей, дающих ощущение тепла.)

Следовательно, использование световых лучей для получения высокой температуры вовсе не было новостью. Совершенно неправдоподобным, фантастическим казалось сосредоточение лучей в узкий «жжущий пучок», способствующий образованию высокой температуры в любом месте.

И вот в начале 60-х годов весь мир облетело сенсационное сообщение о том, что удалось сконструировать прибор для получения чрезвычайно интенсивных и узких пучков света, позволяющих прожигать отверстия в стальных пластинках и твердых драгоценных камнях. Интенсивность светового пучка объясняется его двумя свойствами. Первое из них — высокая направленность светового потока. Что это значит?

Представьте себе, ребята, такой эксперимент: вечером освещают отдаленную на несколько шагов светлую стену здания двумя фонариками с одинаковыми лампочками и батарейками, но не одновременно, а по очереди: сначала одним, а потом вторым фонариком. Фонарики отличаются между собой лишь размером рефлектора — вогнутого зеркала для отражения лучей. От фонариков на стене видны световые пятна, причем пятно от фонарика с меньшим рефлектором — больше по размеру, но менее яркое. Это объясняется тем, что свет фонарика расходится в виде конуса, с основанием в виде пятна на стене. Телесный угол при вершине светового конуса не одинаков. Он зависит от рефлектора, чем больше телесный угол, тем менее яркое световое пятно. Меньший угол способствует более яркому, направленному световому потоку. Располагая большими рефлекторами, можно добиться очень малых углов. В огромных зенитных прожекторах конусность пучка света составляет всего лишь несколько градусов. Конусность светового пучка нового прибора, названного лазером, гораздо больше — порядка одной минуты. Вот почему мы говорим о высокой направленности, а значит и мощности лазерного луча.

Второе необыкновенное свойство лазерного излучения — его плотность или, другими словами, когерентность. И снова, чтобы лучше понять сущность данного свойства, давайте воспользуемся примером. На станции останавливается поезд, приехавшие пассажиры устремляются к выходу в город. Толпа пассажиров, хотя и передвигается в одном направлении, очень беспорядочна, хаотична. Свет, испускаемый обычной электролампой, можно сравнить именно с такой толпой. Тогда свет, излучаемый лазером, следовало бы сравнить с отрядом солдат, которые выйдя из вагона, сначала формируют сомкнутую колонну и только потом размеренным шагом направляются к выходу. Таким образом, чрезвычайная интенсивность лазерного луча достигается вследствие его высокой направленности и когерентности.

Не подлежит сомнению, что световые лучи лазера коренным образом отличаются от остальных видов светового излучения — солнечного или любого другого, созданного человеком искусственного источника света — от лучины до люминесцентной лампы.

И снова возникает вопрос: в чем заключается отличие лазерного излучения? Ответ на него содержит само название чудесного прибора. Лазер, или ласер, - это аббревиатура, сокращение, образованное из первых букв полного английского наименования: light amplification stimulated emission of radiation. В переводе на русский язык это означает «усиление света с помощью стимулированного излучения». И все-таки, пожалуй, сам перевод этого термина еще не выясняет сути интересующего нас вопроса.

Давайте познакомимся с некоторыми важными свойствами атомов. Установлено, что атомы могут поглощать определенное количество энергии (например, световой). Если атомы какого-либо вещества поглотят некоторую порцию энергии, то они переходят в возбужденное состояние. При дальнейшем сообщении возбужденным атомам строго определенных порций энергии (такой процесс называется «подкачкой») происходит обратное: атомы начинают испускать поглощенную ранее энергию. Световой поток состоит из «зернышек энергии», называемых фотонами или квантами, причем величина энергии фотонов, говоря упрощенно, зависит от цвета светового излучения (точнее от длины электромагнитной волны). Атомы некоторых веществ можно «подкачать» световыми лучами или энергией фотонов, позднее они сами будут испускать мощный свет. Таков принцип действия лазера, конечно, с большим упрощением.

Вполне понятно, что не из любого вещества можно изготовить лазер. Первые лазеры были рубиновыми (пожалуй, не стоит напоминать, что рубин — это драгоценный камень красного цвета). «Сердцем» такого лазера был рубиновый стержень с гладко отшлифованными торцами, расположенными в строго параллельных плоскостях. Торцы стержня покрываются серебром, причем левый торец делается непрозрачным, а правый (выходной) — полупрозрачным, чтобы отраженные световые лучи испускались только в одном направлении. Вокруг стержня располагается спиральная газосветная лампа, служащая для «подкачки» атомов рубина. Поглощая свет лампы, атомы рубина возбуждаются, а затем сами испускают красный свет. Лавина фотонов красного света быстро нарастает и, наконец, прорывается через полупрозрачный торец наружу, т.е. создается мощное и строго направленное красное излучение, называемое лазерным лучом. По сравнению с фантастическим светом гиперболоида инженера Гарина лазеры нашли значительно более широкое применение, причем в очень короткое время.

Случалось, что новые открытия и изобретения не сразу находили практическое применение. Например, выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон сделал в 1883 году очень важное открытие: он заметил, что электрический ток может проходить через вакуум электролампы даже в том случае, если электрическая цепь разомкнута. Ученый сам не знал, как можно использовать данное открытие. И лишь спустя 20 лет, открытие Эдисона помогло сконструировать первые электронные лампы. А вот и второй пример. В 1911 году голландский физик Гейк Камерлинг-Оннес открыл, что некоторые металлы, опущенные в жидкий гелий, полностью теряют электрическое сопротивление. Такое явление назвали сверхпроводимостью, и хотя оно интересовало многих ученых, почти 50 лет не было использовано. Лишь спустя это время ученые занялись разработкой явления сверхпроводимости и доказали возможность создания поистине необычайных электронных и радиотехнических устройств.

Судьба лазеров совсем другая. Первые лазеры были созданы в 1960 году. В настоящее же время существует много лазеров различных типов, широко используемых в науке, технике и медицине. Кроме рубиновых лазеров известны газовые (неоновые, гелиевые, аргоновые, криптоновые и др.) и полупроводниковые. Одни лазеры испускают излучение с перерывами в виде следующих друг за другом импульсов, другие создают непрерывное излучение. Изготовляются лазеры большой и малой мощности (подобно тому, как лампочки бывают «сильные» и «слабые»).

Одним словом, семья лазеров становится очень многочисленной, а изучением все более совершенных лазеров занимается особая отрасль электроники, им посвящаются специальные журналы.
Ну, а о возможностях применения лазеров можно написать целую книгу, большую и интересную.
Давайте хотя бы вкратце познакомимся с этим. Когерентность лазерного излучения позволяет использовать его для передачи на большие расстояния различной информации, например, для телевизионных и радиопередач. С помощью лазерной связи, конечно, при наличии сложных устройств смогут передавать десятки тысяч телефонных разговоров и сотни радиопрограмм одновременно.

Высокая направленность лазерного излучения позволила применить его для радиолокации Венеры и Марса. В печати появилась масса относительно применения лазеров в биологии и медицине. Я приведу лишь два примера. Пожалуй, каждый из нас неохотно посещает зубоврачебный кабинет, особенно если мы знаем, что врач будет сверлить больной зуб. Представьте себе, что скоро вместо бормашины стоматологи будут пользоваться лазером, а пациенты абсолютно ничего не будут чувствовать. Это ждет нас в ближайшем будущем, а в настоящее время хирурги-глазники приклеивают сетчатую оболочку к глазному дну, если она отклеится, с помощью лазера.

А, может быть, ребята, вы уже читали о лазерной трости для слепых? Два маленьких лазера, расположенных в трости, «освещают» дорогу идущему, в случае обнаружения препятствия они включают специальное вибрационное устройство, предупреждающее об опасности.

Если лазерный луч прожигает отверстия в стальных пластинках, то нельзя ли воспользоваться им для обороны страны, например, в случае наступления вражеских танков? Специалисты военной техники провели ряд испытаний, которые показали, что лазерный луч с расстояния нескольких сотен метров способен пробить в броневых плитах отверстия диаметром 5 см.

Лазеры нашли применение в геодезии при проведении точных измерений и составлении географических карт. Эти замечательные приборы используются не только на земле, но и под водой. С помощью «лазерной лампы» можно вести подводные наблюдения, причем поле наблюдений увеличивается в 8 раз.

Лазерное освещение облегчает работу в телевизионных студиях. Одна японская фирма недавно сконструировала проекционный телевизор, изображение которого лазерные лучи передают на экран размером 3 х 4 м. Ученые предполагают, что лазер позволит построить новые, с огромной скоростью действия электронно-вычислительные машины. Чудесные лучи лазеров уже используются... в театрах вместо декораций.

Вполне понятно, что в будущем лазеры найдут еще более широкое применение. В этой статье мы намеренно не упомянули о лазерной фотографии — новой интересной области применения, названной голографией.

О ней мы расскажем более подробно в одном из следующих номеров.

Стефан Вейнфельд