Лазер. Чудо ХХ века, оживший гиперболоид инженера Гарина, лазер (аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света путем вынужденной эмиссии излучения) стал следствием предсказанного А.Эйнштейном излучения.

В долазерную эпоху излучение всех источников света было случайным (спонтанным), возникающим при нагревании: свеча, электрическая лампочка, вольтова дуга. Возбужденные атомы спонтанно переходят в основное состояние, испуская кванты светового излучения, никак не связанные друг с другом. Они распространяются равномерно во все стороны и занимают целый спектр возможных энергий. А.Эйнштейн, выводя формулу планковского излучения черного тела, предположил, что наряду со спонтанным должно существовать вынужденное, резонансное излучение, возникающее, если через возбужденную среду пролетает световой квант с энергией, в точности равной энергии возбуждения. Он, как снежок, который вызывает сход снежной лавины, порождает излучение “лавины” квантов той же энергии, распространяющихся в том же направлении. Возникает когерентное излучение высокой концентрации.

Лазерный луч обладает уникальными свойствами. Во-первых, это очень узкий пучок света, расходимость которого много меньше, чем у любых прожекторов. Появились лазерные указки и лазерные карандаши. Лазер рисует рекламные объявления и мультфильмы, обеспечивает видеосопровождение в театральных спектаклях. Во-вторых, это интенсивный световой поток, обладающий огромной мощностью. Это качество вовсю используется в промышленности и, возможно, будет взято на вооружение энергетикой будущего (лазерный термояд). Наконец, это пучок фотонов одинаковой энергии, позволяющий избирательно действовать на атомные системы. У лазера есть и другие полезные свойства, но и названных вполне достаточно, чтобы понять колоссальные перспективы его применения в различных областях науки, промышленности и техники.

Принцип действия лазера (и предшествующего мазера) был открыт советскими физиками Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым и американцем Ч.Таунсом в 1955-1960 гг. Это открытие было удостоено Нобелевской премии. Сейчас устройство лазера кажется чрезвычайно простым: световые лампы накачки облучают рабочее тело (например, стержень из рубина или неодимового стекла), в котором образуется инверсная заселенность уровней (на верхнем, возбужденном уровне больше атомов, чем на основном, нижнем); первый же высветившийся фотон, проходящий вдоль стержня, “срывает” лавину фотонов, и с обоих торцов выходят узкие монохроматические световые пучки. В настоящее время разработано множество типов лазеров: газовые (в частности, СО2-лазеры), на электронах, на красителях, полупроводниковые и т.д. Лазерные пучки охватили весь оптический диапазон, в т.ч. инфракрасную и ультрафиолетовую области. Есть даже лазеры ближнего рентгеновского диапазона. Обсуждаются идеи гамма-лазера.

Что делают лазерные пучки в промышленности? Сверлят, сваривают, режут, плавят материалы, но намного изящнее и надежнее, чем обычные механические станки. Лазерный луч анализирует плазму и выискивает дефекты в образцах. Он может разделять изотопы и печатать тексты (лазерный принтер). Ему нет равных в производстве полупроводников. Не счесть всех применений этого универсального прибора.

Огромны возможности лазера в медицине. Он выступает как “световой скальпель”, стерильный и бескровный, используемый в особо тонких случаях - при операциях на глазах, глубоко лежащих внутренних органах, достигая их через тонкие оптические волокна, а также как анализатор и средство исправления дефектов зрения, слуха, органов внутренней секреции.



”УЧЕНЫЕ ОСТАНОВИЛИ СВЕТ”, - ЭТО СЕНСАЦИЯ ИЛИ ДЕМАГОГИЯ?

Недавно во всех СМИ прошло сообщение о том, что ученые загнали атомы натрия в магнитные ловушки и довели до температуры всего в несколько миллионных градуса отличающейся от абсолютного нуля, после чего получили некую субстанцию. Открытие заключалось в том, что если выключить лазер в момент, когда лазерный луч проходит непосредственно через эту субстанцию, то последняя задерживает фотоны, которые попали в ледяную ловушку смерзшихся атомов вещества. Если затем лазер включить снова, то почти остановившийся свет оживает вновь и с достаточной скоростью выбирается наружу.

При этом многие, сославшись на теорию относительности Эйнштейна, сделали ошибочные утверждения, которые радостно подхватили и переозвучили все СМИ, что “при этом остановилось и время”. На самом деле со временем не все так просто, как с лазерным лучом.

Как замедлять свет в среде, известно давно, еще с тех пор, как появилась ядерная энергетика. Остановить свет в среде - не такая уж сложная дилемма. Это мы наблюдаем каждый день, когда свет от лампочки или солнечный луч поглощается различными телами. В данном эксперименте произошло нечто подобное, только скорость поглощения средой очень упала из-за сверхнизких температур, при которых проводился эксперимент.

Никакой остановки времени в этот момент не было, поскольку для фотона не существует понятия времени! Для самого фотона как был момент его испускания, так он и остался, с какой скоростью фотон бы ни двигался.

Остановить время можно только для объектов, обладающих массой, разогнав их до световой скорости или поместив в черную дыру. При этом для них самих время будет течь как и раньше, а со стороны внешнего наблюдателя будет видно, что часы таких объектов почти остановились.



Если звезды зажигают, значит, это нужно науке

Ученые Института автоматики и электрометрии СО РАН совместно с лазерным центром “Инверсия” разработали и создали мощный аргоновый лазер для накачки усилителя на красителе.

Работы ведутся по контракту с Институтом космической физики Макса Планка (Германия) в рамках европейского проекта “Адаптивная лазерная оптика для астрономии”. Лазер станет основной частью комплекса, предназначенного создать на небосклоне искусственную точечную звезду. На высоте 90 километров слой атомов натрия, находящихся в мезосфере, поглотит лазерный луч, а затем начнет излучать свет, подобно маленькой звезде. Искусственная точечная звезда поможет астрономам свести к минимуму искажение изображения реальных астрономических объектов при их изучении.

Все знают, что лазерная техника быстро развивается и очень широко применяется. Она стала мощным техническим и технологическим средством в медицине, с ее помощью делаются сложнейшие, но ставшие уже вполне привычными операции, производятся сварка и резка материалов. Не секрет, что существует лазерное оружие, позволяющее сбивать спутники. Вместе с тем лазер сегодня - это могучее информационное средство, и в области информатики полупроводниковые лазеры играют огромную роль.

В 1970 году американцами были созданы первые волокна с малыми потерями, а в нашей, физтеховской, лаборатории в это время впервые в мире появились полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре на основе так называемых полупроводниковых гетероструктур. Так возникла волоконно-оптическая связь. Потом полупроводниковые лазеры стали широко применяться в известных ныне всем лазерных проигрывателях, где иголочкой, снимающей информацию, служит крохотный полупроводниковый лазер.

Так что, с одной стороны, лазеры, лазерная технология, сама по себе физика создания лазера - это торжество квантовой теории. А с другой - это могучие технические средства, которые в значительной степени определили и прогресс, и изменение социальной структуры общества.

Еще одно направление, где ожидается бурный прогресс, - это волоконно-оптическая связь. Многие специалисты несколько лет назад утверждали : “Это все бумажные патенты, они никогда не будут реализованы”. В основе направления - полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Это как бы сердце волоконно-оптической связи. Сегодня земной шар опоясан 63 миллионами оптических волокон для телефонной связи. Через 2-3 года их будет 83 миллиона. Маленький приборчик позволяет передавать сотни тысяч, а в будущем, думаю, миллионы телефонных разговоров по одному кабелю. Такой лазер широко используется и в других целях - он, например, является главной деталью в лазерных проигрывателях. Меломаны и думать не думают о том, что “иголкой”, которая списывает информацию с компакт-диска, является чудо-прибор - полупроводниковый лазер. Кстати, этот лазер в свое время был создан у нас в институте именно на этой длине волны исключительно для того, чтобы высокое начальство могло видеть свет (технически проще было сделать инфракрасный лазер) и дало деньги на продолжение исследований. Мои прогнозы касаются технологических достижений. Состоится ли в физике новая революция?



Cоздан лазер микронных размеров

Электронный бюллетень “Physics News Update” Американского института физики от 18 мая 2000 г. сообщает о создании из неупорядоченного порошка микролазеров микронных размеров. Как ни удивительно, но для этого не потребовались никакие изощренные нанотехнологии. Все, что потребовалось, - это набор химических реактивов, растворителей, нагретая пластинка и лабораторные химические стаканы. Излучающим веществом с длиной излучаемой волны 380нм стал разупорядоченный порошок из частичек ZnO.

H.Cao с соавторами из Northwestern University в США уже сообщали в прошлом году о лазере, работающем на этом соединении. Теперь же им удалось уменьшить размеры устройства до одного микрона и довести рабочую температуру до комнатной.



Энергетическая модель оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН)

ОКУЯН - лазерная установка с накачкой от импульсного реактора - является прототипом мощных энергетических лазерных систем XXI века, которые найдут широкое применение в энергетике (лазерный термоядерный синтез), технологии (глубокая сварка, пайка), космонавтике (дистанционное энергоснабжение космических кораблей, лазерное реактивное движение).

Перспективность разработки лазеров с прямой ядерной накачкой определяется уникальными свойствами источника накачки: высокой энергоемкостью, автономностью, компактностью, возможностью накачки больших объемов активных сред, высокой надежностью.

Энергетический макет ОКУЯН состоит из реакторного (запального) и лазерного блоков. Реакторный блок - двухзонный импульсный реактор на быстрых нейтронах самогасящегося действия БАРС-6 (число делений - 5x1017, длительность импульса на половине высоты - 40 мкс ).

Лазерный блок диаметром 1.7 м и длиной 2.5 м - бустерная подкритическая зона с Kэф, близким к единице, включает 103 лазерно-активных элементов, элементы замедлителя и отражателя нейтронов.

В оптической схеме используется принцип “задающий генератор-двух-проходный усилитель”, в качестве задающего генератора используется импульсный лазер с накачкой электронным пучком.

Ожидаемая максимальная энергия лазерного излучения на переходе атома XE с длиной волны l=1.73 мкм составляет 50 кДж при длительности импульса 2-10 мс.