О.М.ЦВЕТКОВА,
школа № 1017, г. Москва

tsvetkovu@mtu-net.ru

Лазеры: от истоков до наших дней

В начале XX в. были сделаны величайшие открытия в познании природы, которые повергали в замешательство и отчаяние даже многих маститых учёных. Им предстояло переосмыслить существующую «классическую» физику и создать новую. За первые 30 лет этого века были открыты законы квантовой механики, законы механики больших скоростей, законы строения атомного ядра. Вильгельм Рентген, Антуан Беккерель, Джозеф Томсон, Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор навсегда войдут в историю как величайшие учёные. Их открытия предопределили и рождение лазерной техники.

1925 год. До создания двигателя на ядерном топливе, водородной бомбы и лазера ещё очень далеко. Алексей Толстой печатает первые главы романа «Гиперболоид инженера Гарина». Он пишет о применении атомной энергии и выдвигает техническую идею собирания тепловой энергии в луч. Луч, способный жечь, резать, нести громадную энергию на далёкое расстояние. Можно ли реально создать такой мощный источник света, поместив его в фокус параболического зеркала? Нет, даже наше Солнце, имеющее температуру на поверхности 6000 К, не может создать луч, сравнимый по интенсивности с лучом «гиперболоида».

Проблема состоит в том, что все атомы в возбуждённом состоянии излучают свет во все стороны. Они отправляют свои лучи несогласованно. А это значит, что излучение разных атомов будет зачастую взаимно уничтожаться. Это происходит, когда гребень одной световой волны встречается со впадиной другой волны. Чтобы получить луч высокой интенсивности, необходимо заставить атомы излучать свои фотоны (световые частицы) согласованно, в одном направлении и желательно с одинаковой энергией. В этом случае мы получим лазерное излучение.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение относится к 1928 г., когда немецкий физик Р.Ланденбург сформулировал условия его обнаружения. Как возникает такое излучение? Представьте себе некоторое вещество, на которое падает фотон – частица, которая испускается атомом. При этом атом переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Фотон обладает энергией, равной разности энергий этих состояний. Если атом нашего вещества находится в состоянии с меньшей энергией, то фотон поглощается им, и атом получает дополнительную энергию. Если же атом вещества находится в состоянии с большей энергией, то фотон вызывает испускание точно такого же фотона, как он сам, а атом переходит в состояние с меньшей энергией. В результате мы будем иметь два фотона, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения. Таким образом, пролетая мимо возбуждённых атомов, вынужденно испущенные фотоны будут вызывать рождение новых и новых фотонов. Возникнет целая лавина фотонов. Этот процесс называют вынужденным, или индуцированным, излучением.

Основные понятия квантовой электроники, такие как индуцированное излучение, инверсия населённости, усиление света за счёт индуцированного излучения, были открыты к 1940 г. Первые квантовые генераторы, работающие в радиодиапазоне, были созданы в 1954 г. Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (Физический институт им. П.Н.Лебедева Академии наук СССР, ФИАН) и Ч.Таунсом (Колумбийский университет, США). Первые квантовые усилители СВЧ-диапазона были построены в 1956 г. в том же ФИАНе под руководством А.М.Прохорова и на фирме «Белл телефон» (США). Они назывались мазерами (аббревитура от Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление радиоволн при помощи вынужденного излучения). Эти приборы стали применяться в службе времени, радионавигации, радиоастрономии, трансконтинентальной связи через космос.

В 1960 г. был построен первый лазер на рубине, в том же году – первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 г. появились полупроводниковые лазеры.

Первый лазер на рубине, созданный в ФИАНе М.Д.Галаниным, А.М.Леонтовичем, З.А.Чижиковой

В 1963 г. за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в лондонском журнале «Nature» («Природа») появилось коротенькое сообщение о том, что создан новый генератор световых волн, автором которого является Т.Мейман. Генератор представлял собой металлический цилиндр, внутри которого находился бледно-розовый кристалл рубина, обмотанный спиральной лампой-вспышкой. Кристалл имел форму цилиндра небольшого диаметра, торцы которого были покрыты зеркальным слоем серебра. В поглощении света участвовал не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, содержание которых достигало лишь долей процента. Но именно они играли главную роль в работе прибора. Облучая рубин светом лампы-вспышки, можно было заставить его усиливать свет. Отполированные торцы рубинового стержня с нанесённым прямо на них зеркальным слоем серебра играли роль резонатора. Новый прибор оказался очень похожим на мазер. Поэтому в названии заменили лишь одну букву: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения.

Первый лазер был весьма несовершенным. Он перерабатывал в свет примерно 0,05% энергии, запасённой в конденсаторах, питавших лампу-вспышку. И всё же излучение обладало замечательными свойствами, которые нельзя получить с помощью других источников света. Это монохроматичность, когерентность и узкая направленность. Поясним эти свойства на примерах.

Что такое радуга? Это свет, который капельки дождя разложили в спектр. Спектр состоит из множества чистейших цветов. Если мы выделим каждый цвет отдельно, то получим монохроматичный пучок света. Свет одного цвета. Бросая камни в воду, мы наблюдаем, как от места падения камня бегут волны. А если бросить одновременно два камня, то можно наблюдать, как волны переплетаются, то гася, то усиливая друг друга, и со временем затухают. Чтобы наблюдать усиление и ослабление волн, а не просто рябь, необходимо, чтобы источники посылали волны непрерывно и согласованно, чтобы волны были одной длины и двигались с одинаковой скоростью. Эта согласованность источников называется когерентностью.

Когда мы включаем лампу, то она освещает всё вокруг, распространяя свет во все стороны. Но, если мы хотим получить узконаправленный пучок света, то лампа нам в этом не поможет, т.к. её свет быстро рассеется в пространстве. На помощь придёт лазер, который образует узкий слабо расходящийся луч. Такой луч, испущенный с Земли, даст на Луне пятно диаметром всего 3 км.

Лазерный луч обладает ещё одним свойством: он может на маленькой площадке, размером меньше толщины волоса, концентрировать большую энергию, которая способна разогреть вещество до огромных температур, сравнимых с температурами звёзд. В результате вещество превращается в высокотемпературную плазму. Внутри плазмы ядра атомов элементов могут начать сливаться в ядра больших размеров; при этом выделяется огромное количество тепла. Эта реакция называется термоядерным синтезом (ожидается, что именно эта реакция в будущем позволит человечеству получить новый источник дешёвой энергии).

После первого твердотельного лазера с рубиновым стержнем, который работал в импульсном режиме, появились лазеры непрерывного действия, газовые лазеры, полупроводниковые лазеры, мощные газодинамические лазеры. На их основе были созданы новые устройства.

Усиление света ещё на начальном этапе развития квантовой электроники было использовано для создания усилителей яркости пучков, несущих оптическую информацию. В настоящее время усилители позволяют увеличить яркость в миллионы раз и находят применение в приборах ночного видения.

Квантовые гирометры – датчики, устанавливаемые на движущихся объектах для определения их угловой скорости и положения в пространстве. Используются в машиностроении, приборостроении, входят в состав угломерных приборов, используемых в химической и пищевой промышленности.

Появились новые научные и технические направления, в основе которых используются свойства лазера: оптическая дальнометрия, оптическая локация и оптическая связь, интегральная и нелинейная оптика, лазерная химия.

Одной из первых областей применения лазеров стала медицина. Глаз – это совершенный оптический прибор, важнейший источник информации для человека. Хрусталик глаза представляет собой линзу, которая собирает пучок параллельных лучей в точку. В результате на сетчатке формируется изображение предметов, которые нас окружают. Но, если глаз болен, например, отслаивается сетчатка, то человек слепнет. На помощь хирургам приходит лазер. Луч лазера при помощи специальной оптической системы направляют на хрусталик. Хрусталик прозрачен для лазерного излучения, поэтому легко фокусирует его на вполне определённые точки поражённой области сетчатки. Ткани нагреваются и свёртываются (как яичный белок), скрепляя сетчатку с задней стенкой глаза. Операция происходит без боли и крови. Лазерный скальпель применяют и для проведения других операций.

Лечебные свойства красной и инфракрасной частей солнечного спектра, создаваемые лазером, позволяют лечить различные заболевания, даже онкологические. Рассеянный луч лазера губит больные, неизлечимые, клетки, не нанося вреда здоровым.

Голография – метод получения объёмного изображения объекта. Идея голографии была впервые высказана английским учёным венгерского происхождения Д.Габором в 1948 г. Но только с появлением лазеров открылись разнообразные возможности практического использования голографии в радиоэлектронике, оптике, физике и различных областях техники. Так, недавно физики создали новую технологию, позволяющую получать качественные трёхмерные изображения мягких, прежде всего нервных, тканей с помощью ИК-лазера, что поможет упростить работу биологов, медиков и нейрофизиологов.

Лазерному лучу приходится выполнять и очень тонкие ювелирные работы. Лазерное сверление позволяет получать отверстия любой формы в материалах высокой твёрдости. К примеру, оно применяется при изготовлении подшипников скольжения, которые отвечают за точность хода часов. Подшипники изготавливают из рубина, внутри которого высверливается отверстие малого диаметра.

Лазерная сварка используется в конструкциях сложной формы, при соединении легко деформируемых деталей, при низких температурах, в вакууме. При этом получается соединение высокого качества и минимальной массы. Она применяется для изготовления электровакуумных и полупроводниковых приборов, интегральных схем, приборов точной механики.

Направленность лазерного излучения, его малая расходимость используется в оптических дальномерах, которые используются в геодезической практике, картографии, аэрофотосъёмке, при строительных работах.

Электронная измерительная тележка с лазерным дальномером

При помощи лазерного луча методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли, по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения.

В прицелах военной техники используются лазерные дальномеры и лазерные целеуказатели. Лазерное излучение повышает точность поражения цели, даёт возможность проводить стрельбу в любое время суток и года. Созданы несколько образцов оружия, в основе которых лежит твердотельный рубиновый лазер. Действие оружия основано на использовании большой пиковой мощности лазера. За счёт малой длительности импульса (1 нс) мощность излучения достигает 1 ГВт.

Тактический высокоэнергетический противоракетный лазер

В первую очередь такое оружие поражает глаза: хрусталик фокусирует излучение в очень маленькое пятно на сетчатке, что приводит к кровоизлиянию, и человек мгновенно теряет зрение.

Одними из последних разработок в области качественной печати являются лазерные принтеры, которые появились в 1975 г. В них используется электрографический принцип создания изображений.

Лазерный принтер

Сфокусированный луч лазера скользит по барабану из специального фоточувствительного материала. Попавшие под него участки приобретают электрический заряд и притягивают к себе частицы тонера, которые переносятся на лист бумаги, прокатываемый барабаном. Затем лист проходит через нагреватель, где тонер запекается на поверхности бумаги. Для нормальной работы необходимо, чтобы лазер светил на чистый барабаном, поэтому частицы тонера, не перешедшие на бумагу, постоянно счищаются с валика специальным лезвием.

История лазерных компакт-дисков началась сравнительно недавно, в 1980 г. Первоначально на них записывали музыку, а затем стали использовать и для персональных компьютеров. В настоящее время компакт-диски являются наиболее удобными средствами хранения больших объёмов информации. Диск состоит из трёх слоев: основного (из пластмассы), отражающего (из алюминия, серебра или золота) и защитного (из прозрачного лака). При записи луч лазера перемещается вдоль спиральной дорожки основного слоя, выжигая микроскопические ямки – питы (от англ. pit – ямка) в соответствии с записываемой в двоичном коде информацией (например, ямка – цифровая «1», ровный участок – цифровой «0»). При считывании лазерный луч отражается по-разному от «0» и «1», и на выходе фотоприёмника формируется цифровой электрический сигнал, который затем преобразуется в аналоговый.

Появились DVD-диски (Digital Versatile Disc – цифровой многофункциональный диск), которые позволяют производить видеозапись. Их делают двухсторонними, и даже двухслойными. Объём полной памяти одного диска достигает 17 ГБ. Этого хватает, чтобы записать изображение наивысшего качества, пятиканальный звук для создания «эффекта присутствия», перевод на восьми и субтитры на тридцати двух языках.

Из последних разработок можно упомянуть две. Специалисты фрмы Intel (США) изготовили с применением стандартных технологических процессов микросхему, содержащую восемь лазеров непрерывного действия. Такие оптические элементы позволят не только повысить быстродействие компьютеров, но и создать более дешёвое оборудование. Учёные Калифорнийского технологического института (США) создали фотонный резонатор: на маленький кремниевый диск, диаметр которого не превышает толщину человеческого волоса, направляется лазерный луч определённой частоты, и диск вибрирует с частотой 8 • 10⁷ Гц. Это прообраз точнейших часов, на базе которых можно делать электрооптические элементы для микросхем, а также детекторы гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном.

Сегодня трудно представить нашу жизнь без лазерной техники. Лазерные технологии не стоят на месте, они развиваются. Какие же новые открытия ждут нас завтра?

Оксана Михайловна Цветкова окончила два института – Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии (1990 г.) и Московский институт социальных педагогических технологий, искусств и языков (2000 г.). Педагогический стаж 14,5 лет. Учитель физики, астрономии и естествознания высшей квалификационной категории. Лауреат премии «Грант Москвы» (2004 г.) в области наук и технологий в сфере образования.