Лазерные технологии

Открытие двойственной природы света позволило физикам прийти к идее создания оптического квантового генератора. В 1954–1955 гг. отечественными учеными Г. Н. Басовым и А. М. Прохоровым, канадским специалистом Дж. Вебером и американскими физиками Ч. Таусоном, X. Цайгером и Дж. Гордоном был разработан первый мазер, иначе, молекулярный квантовый генератор. Это устройство, предназначенное для генерации и усиления сверхвысокочастотных радиоволн (СВЧ-радиоволн).

Поскольку радиоволны являются наряду с видимым светом разновидностью электромагнитных колебаний, то физики сразу после создания молекулярных генераторов задумались о возможности создавать вынужденное излучение в оптическом диапазоне. В природе вещество очень часто излучает свет. От нагрева светится спираль лампы накаливания, в лесу мигают огоньки гнилушек, испускают в темноте холодное люминесцентное свечение вещества, побывавшие долгое время под прямыми солнечными лучами.

Причиной такого излучения является самопроизвольное испускание световых квантов возбужденными атомами вещества. Среди атомов любого физического тела есть т. н. энергетически возбужденные частицы. Эти атомы обладают избыточной энергией, от которой со временем избавляются путем испускания фотонов. Генератор оптических колебаний, следовательно, должен быть построен по тому же принципу. То есть он должен содержать вещество, активные атомы которого будут служить источником излучения.

Однако генератор не может самопроизвольно излучать видимый свет так, как это делает гнилушка. Ученым требовался постоянный мощный источник колебаний. В обычной системе частиц преобладают атомы с низкой энергией. Чтобы И вещество непрерывно светилось, в нем, наоборот, должны преобладать возбужденные частицы. Такую систему, называемую активной, можно получить при помощи электромагнитного поля.

Искусственное энергетическое возбуждение атомов, носящее название индуцированного, т. е. наведенного, приводит к еще одному выгодному последствию. Самопроизвольное излучение становится не только усиленным, но и когерентным. Обычное свечение гнилушки некогерентно, стало быть, фазы световых колебаний и направления движения фотонов не согласованы. Когерентное излучение отличается согласованием и по фазе, и по направлению. Дальнейшее изучение поведения фотонов и свойств активной среды показало пути к созданию оптических генераторов.

Если в активную среду попадает фотон, то он заставляет возбужденные атомы вокруг него светиться. Они выделяют энергию в виде световых квантов и переходят, таким образом, в свое обычное состояние. Причем выделяющиеся фотоны по направлению и свойствам подобны своему прародителю. Если поместить активную среду между двумя плоскими параллельными зеркалами, то такие фотоны станут многократно отражаться и переотражаться, а в результате по нескольку раз пересекут активную среду. Они, в свою очередь, вызовут излучение других атомов.

В веществе начнется лавинообразный процесс образования одинаковых фотонов. Возникающее в ходе данного процесса излучение называется стимулированным. Одно из плоских зеркал делают полупрозрачным, чтобы стимулированное и усиленное излучение выходило из активной среды в виде тонкого луча. Генератор порождает световой луч, обладающий массой достоинств и уникальных характеристик.

Во-первых, выходящее из активной среды излучение отличается ничтожно малой конусностью, другими словами — малым углом расхождения. Всякий видел, как расширяется луч прожектора, превращаясь в конус. Стимулированное излучение расходится слабо, луч напоминает по форме острейшую иглу, толщина которой равняется зачастую долям микрометра. Если направить такой луч на Луну, то он высветит на ее поверхности окружность диаметром 4 м. Трудно вообразить себе световой конус с диаметром основания 4 м и высотой 384 тыс. км!

Благодаря своей «игольчатости», как образно называют ученые особенность излучения, оно максимально концентрирует в себе энергию и обладает заданной частотой и фазой. Теоретическое обоснование работы квантовых генераторов было одновременно осуществлено Басовым и Таунсом независимо друг от друга. В 1960 г. американским ученым Т. Мейманом был построен первый квантовый генератор, активной средой которого служил синтетический рубин.

Физическое явление, на котором основаны принципы работы установки, по-английски называется light amplification by stimulated emission of radiation, что переводится как усиление световых волн путем стимулированного излучения. По начальным буквам слов, входящих в состав этого названия, оптический квантовый генератор окрестили на Западе лазером. Позднее это короткое и удобное название прижилось и в нашей стране.

Большой интерес к лазерам со стороны обывателей объясняется в немалой степени стараниями фантастов. У ученых же интерес особый. Специалистов самых разных направлений привлекают невероятные возможности применения лазерного луча в научных исследованиях и промышленности. Справедливо будет заметить, что лазеры изменили оптику, обогатив ее новыми знаниями и новыми методами исследования свойств света.

Лазерный луч и его общие свойства изучает т. н. когерентная оптика, представляющая собой новое направление в волновой оптике, смежное с квантовой оптикой. Лазеры, помогая физикам проникать в тайны материи, привели к открытиям, заложившим основы множества других оптических дисциплин.

Из когерентной оптики выросла оптика нелинейная. Она изучает воздействие видимых электромагнитных волн и фотонов на вещество. Прежде ученые не могли с уверенностью сказать, влияет ли свет на среду, сквозь которую проходят его лучи, а если влияет, то как. В наше время нелинейная оптика дает однозначный ответ на этот вопрос. Концентрированная энергия лазера позволяет воздействовать на атомы и молекулы среды столь интенсивно, что эффект от такого воздействия заметен и может быть без особых проблем измерен.

Голография занимается созданием и воспроизведением при помощи лазеров объемных световых изображений. Трехмерные изображения необходимы для демонстрации схем, макетов, моделей, каких-либо структур, а также для научных исследований. Многие физические процессы и особенности анатомии человека исследуются в наше время на голографических картинках.

Перспективна радиооптика, которая занимает проблемами кодирования и переноса в лазерном луче информации. Впоследствии оптическая информация может быть переведена в электрические импульсы. На рубеже 1980–1990-х гг. удалось впервые заложить технические основы лазерной связи и оптического кодирования информации. Тогда же были созданы первые экспериментальные лазерные телесистемы и лазерные чипы для ЭВМ. Совмещение электронных устройств с оптическими, затронутое радиооптикой, изучает оптоэлектроника.

Исправлением искажений светового пучка, проходящего через какую-то среду (газ, жидкость), занимается адаптивная оптика. Фотоэнергетика занимается проблемами передачи энергии в световой форме. Лазерный луч концентрирует и переносит большое количество энергии. Космические энергетические станции могут использовать энергию Солнца, превращать ее в лазерные лучи и направлять на Землю, на орбитальные станции и космические корабли, а в будущем — на Луну и другие планеты.

Посредством лазерного луча можно передавать тепловую энергию на ракету, заправленную экологически чистым топливом. Масса ракеты станет от этого гораздо легче, т. к. значительное количество энергии будет непрерывно поступать с лазерных установок на космодроме. Это в будущем, а пока энергия лазера применяется при сварке и резке металлов, а также при обработке многих других материалов когерентным лучом. Возможности и перспективы применения квантовых генераторов в народном хозяйстве исследуются прикладной дисциплиной — лазерной техникой.

Лазер легко генерирует вспышки, длящиеся несколько пикосекунд, т. е. несколько миллиардных долей секунды! Такие вспышки позволяют исследовать быстро протекающие процессы во время химических и биохимических реакций. Данное направление исследований получило название пикосекундной оптики. Оно оказалось весьма перспективным при изучении химизма живой материи, реакций в тканях и клетках растений, животных и микроорганизмов.

Открытие с помощью квантовых генераторов молекулярных механизмов фотосинтеза и прочие ошеломляющие открытия способствовали появлению фотобиологии — науки, находящейся на стыке когерентной оптики, пикосекундной оптики и биологии. Посредством лазеров сегодня выполняются экспериментальные операции на вирусах и микробах, вызываются химические реакции белков и ферментов, ускоряются процессы в клетках, удаляются хромосомы и отдельные гены.

Многие фирмы и промышленные предприятия во всем мире сегодня пользуются лазерной сигнализацией. Каждому прекрасно известны подобные системы безопасности, устанавливаемые в крупных музеях. Принципиальная схема лазерной сигнализации предельно проста. Охранная система сконструирована с учетом того, что световой луч совершенно невидим. Дело в том, что свет — источник и первопричина нашего зрения — абсолютно невидим до тех пор, пока не попадет к нам в глаз, орган зрения. Если луч не направлен прямо в глаз человеку, то увидеть такой луч совершенно невозможно.

Что касается солнечных лучей в комнате, то они видны благодаря тем самым пылинкам, которые движутся в теплом потоке света. Пыли в воздухе всегда так много, что она отражает световые лучи и не дает им двигаться прямолинейно. Основной поток солнечного света проходит сквозь пространство комнаты по прямой. Однако на всем протяжении пучка лучей от него исходят отраженные витающей в воздухе пылью лучики, идущие на глазное дно наблюдателя.

Лазерный луч малой мощности настолько тонок, что он задевает крайне мало пылинок и не вызывает их свечения. Поэтому когерентный луч незаметен человеку. Квантовый генератор направляет излучение на фотоэлемент, установленный на участке электрической цепи сигнализации. Энергия фотонов преобразуется в электрическую, и цепь замыкается: через фотоэлемент течет ток. Если что-то или кто-то (грабитель) пересекает луч, то фотоэлемент перестает работать и участок цепи разрывается. Ток поступает на динамик сигнализации. Увидеть лазерный луч позволяют аэрозольные частицы, размеры которых в 1000 раз меньше размеров пылинок.

Пользователям персональных ЭВМ известны и другие примеры широкого применения лазерных технологий в повседневной жизни. Успех компакт-дисков в промышленности аудиотехники привел к тому, что сегодня СБ прослушиваются зачастую на компьютерах. Более того, в последнее время СБ еще и просматриваются, поскольку способны хранить на себе фотографические и рисованные изображения. Компакт-диски для хранения и просмотра фотографий появились в 1992 г.

С 1997 г. появились диски БУБ, обладающие емкостью, в 7 раз превосходящей емкость обыкновенных СБ! Это позволило записывать на БУБ видеофильмы и большие игры. Чтение таких дисков осуществляется посредством лазера, встроенного в компьютер. Это маломощный лазерный светодиод, который дает луч с большой конусностью и длиной волны 760 нм. Фокусировка луча осуществляется посредством системы малых линз.

Луч поступает на поверхность диска, отражается от нанесенных на нее бороздок, подобных таковым на грампластинке, и поступает на матрицу из фотоэлементов, где оптическая информация превращается в электрический сигнал, который идет на специальную большую интегральную схему. Остается заметить, что устройства СБ-ШЭМ современного типа появились около 10 лет назад.

Наконец, следует напомнить о лазерных принтерах, которые во многом превосходят все остальные типы печатных устройств. Качество печати современных лазерных принтеров приближается к фотографическому, кроме того, эти устройства издают мало шума при работе. Лазерный луч в данных устройствах принимает участие в создании матрицы изображения. Лазер меняет точечные заряды на поверхности барабана, который с их помощью притягивает к себе частицы краски, а потом переносит их на бумагу. Взаимное расположение точечных зарядов разной величины складывает картинку, которую воссоздает прилипающая к барабану краска.

За последние три года наметилась тенденция снижения цен на этот некогда очень дорогой товар, что делает лазерный принтер доступным для каждого пользователя персонального компьютера. В полиграфии применяется аналог лазерного принтера — фотонаборный аппарат. Это устройство, обладающее несравнимо более высоким качеством печати, создает изображение, воздействуя лазерным лучом на фотопластинку или фотобумагу.