Особливості лазерного випромінювання і різновиди лазерів
Лазер - це слово з'явилося порівняно недавно. Спочатку воно було відоме тільки вузькому колу фахівців-фізиків. Популярність його поступово росла. А останнім часом дуже багато хто не просто чули про лазері, а й знають про його великих реалізованих і потенційні можливості. У той же час найчастіше у неспеціалістів лазер навряд чи викликає позитивні емоції. Лазер? Нічого цікавого: трубка в корпусі, іноді навіть непривабливому, з якої виходить тоненький промінь - зелений, синій, частіше червоний. Чи є про що тут говорити? Виявляється, є. І фахівцям, і всім, хто далекий від розуміння фізичних явищ, пов'язаних з лазером. Для фахівців, в першу чергу фізиків, лазер дав життя вельми перспективному науковому напрямку - нелінійній оптиці, що охоплює дослідження поширення потужних світлових пучків в твердих тілах, рідинах і газах і їх взаємодії з речовиною. Лазери породили нові технології з унікальними можливостями. Для багатьох лазер - джерело незвичайного світла, який може вилікувати насувається сліпоту і на льоту вразити рухому ціль, миттєво просвердлити отвір в найтвердішою деталі, зробленої, наприклад, з алмазу і т.д.
У чому ж незвичайні властивості лазерного випромінювання, лазерного променя? По-перше, лазерний промінь поширюється, майже не розширюючись. Нагадаємо: для того щоб промінь прожектора не розходився, використовують велику увігнуте дзеркало і систему лінз, що збирають світло від джерела в пучок. Це допомагає, але мало: вже на відстані близько кілометра від прожектора промінь стає рази в два ширше. Лазеру ж збирають дзеркала і лінзи найчастіше не потрібні. Він і без них сам по собі випромінює майже паралельний пучок світла. Слово "майже" означає, що пучок лазерного світла не зовсім паралельний: існує кут розбіжності, але він порівняно малий - близько 10 -5 рад, і тим не менш, на великих відстанях він відчутний: на Місяці такий пучок, випущений з Землі, дасть пляма діаметром приблизно 3 км.
По-друге, світло лазера має виняткову монохроматичністю, тобто він має тільки одну довжину хвилі, один колір. На відміну від звичайних джерел світла, атоми яких випромінюють світло незалежно один від одного, в лазерах атоми випромінюють світло узгоджено. Переломлюючи в призмі, промінь білого світла перетворюється в яскраву веселку-спектр, а одноколірний, монохроматичності світло проходить через неї не розкладаючись. Лінза теж переломлює промені, збираючи їх у фокусі. Але білий світ вона фокусує в райдужне плямочка, а лазерний промінь - в крихітну точку, діаметр якої може складати соті і навіть тисячні частки міліметра. Завдяки такій властивості лазерного променя стала можливою оптична запис інформації з високою щільністю - крихітні оптичні диски вміщують величезну кількість інформації - сотні мегабайт.
По-третє, лазер - найпотужніший джерело світла. У вузькому інтервалі спектра короткочасно (10 -11 с) досягається потужність випромінювання 10 12 -10 13 Вт з одного квадратного сантиметра, в той час як потужність випромінювання Сонця з тієї ж площі дорівнює лише 7 .1 0 3 Вт, причому сумарно по всьому спектру . На вузький інтервал, рівний ширині спектральної лінії лазерного випромінювання, доводиться у Сонця всього лише 0,2 Вт / см 2. Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, випромінюваної лазером, становить 10 10 -10 12 В / см; вона перевищує напруженість поля всередині атома.
Названі дивовижні властивості лазерного випромінювання надали світла нове обличчя. Ще на зорі розвитку лазерної техніки французький фізик Луї де Бройль сказав: "Лазер уготовано велике майбутнє. Важко передбачити, де і як він буде застосовуватися, але я думаю, що лазер - це ціла технічна епоха".
У 1960 Г.Т. Мейманом (США) був створений перший лазер - рубіновий, що працює в імпульсному режимі. У ньому не вся енергія світла лампи накачування перетвориться в лазерну спалах. Більша її частина йде на марний і навіть просто шкідливий нагрів стрижня і дзеркального кожуха. Потужні імпульсні лазери охолоджують потоком повітря, води, а іноді і рідким азотом. Частота генерації імпульсних лазерів може досягати більше 10 млн спалахів в секунду. Випромінювання таких лазерів сприймається як безперервне. Спалах імпульсного лазера має величезну потужність - тисячі ват. Потужність цю можна підвищити, збільшивши розміри активного лазерного елемента. А можна позаду цього елемента поставити ще один лазерний стрижень з лампою-спалахом, тобто ще один лазер, але без дзеркал. Імпульс світла першого лазера змусить спрацьовувати другий. Обидва світлових імпульсу, склавшись, подвоюють потужність спалаху. Але розміри стержня можна збільшувати безмежно: чим більше стрижень, тим більше втрати світла в ньому. Тому стрижні навіть з найкращих матеріалів немає сенсу робити довше 50-60 см. Випромінювання, сфокусоване в крихітне пляма, можна застосовувати для багатьох цілей, про деякі з них розказано нижче. Але все-таки це короткий світловий імпульс. Звичайно, їм можна пробити отвір, зварити дві металеві дроти і зробити багато інших корисних справ. Але для багатьох завдань набагато зручніше було б мати безперервне лазерне випромінювання, скажімо, для зварювання або різання. Існує і таке випромінювання, його дають газові лазери. Газовий лазер був створений майже одночасно з рубіновим, в тому ж 1960 г. Він працював на суміші гелію і неону. Сучасні газові лазери працюють на багатьох газах і парах. Всі вони дають безперервне випромінювання в дуже широкому діапазоні довжин хвиль: від ультрафіолетового до інфрачервоного світла.
Однак на цих досягненнях вчені не зупинилися. Був створений газодинамический лазер, схожий на реактивний двигун. У його камері згоряння спалюється чадний газ (окис вуглецю) з добавкою палива (гасу, бензину, спирту). Отримана при цьому суміш газів складається з вуглекислого газу, азоту і водяної пари. Молекули газу порушено і готові до роботи: температура в камері згоряння доходить до тисячі з гаком градусів, а тиск - до 20 атм. Розпечені гази з камери згоряння випливають через розширюється реактивне сопло, яке іноді називають соплом Лаваля. У ньому газ розганяється до надзвукової швидкості, охолоджуючись майже до нуля! Проносячись між дзеркалами, молекули газу випромінюють енергію у вигляді світлових квантів, народжуючи лазерний промінь потужністю 150-200 кВт. І це потужність не окремої спалаху, а постійного, стійкого променя, сяючого, поки у лазера не скінчиться пальне.
Але не тільки газові лазери дають безперервне випромінювання. Його дає і напівпровідниковий лазер, який вдихнув життя в оптичну запис. Про її можливості розказано вище, про неї мають уявлення багато користувачів персональних комп'ютерів, що тримали в руках лазерний диск, який привабливий не тільки своїм зовнішнім виглядом, але і своєю інформаційною ємністю: на диску діаметром 12 см можна записати сотні тисяч сторінок тексту.
Серед напівпровідникових лазерів найкращим по праву вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його випромінювання не відрізняється великою потужністю. Останнім часом проводяться інтенсивні роботи, спрямовані на створення напівпровідникового лазера, здатного генерувати безперервне випромінювання великої потужності.
Лазери можуть функціонувати як на твердих тілах, так і на газах. А чи можна побудувати лазер на рідини? Виявилося, можна. Рідини об'єднують в собі переваги і твердих і газоподібних лазерних матеріалів; щільність їх всього в кілька разів нижче щільності твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Значить, рідинний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотільний. Оптична однорідність рідин не поступається однорідності газів, а значить, дозволяє використовувати великі її обсяги. До того ж рідину можна прокачувати через робочий об'єм, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.
Найбільш широкого поширення набули лазери накрасітелях. Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових барвників у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідинні лампи можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі - від ультрафіолетового до інфрачервоного світла - і потужністю від сотень кіловат до декількох мегават в залежності від виду барвника. Останнім часом розробляються хімічні лазери, в яких атоми переходять в збуджений стан при дії енергії накачування хімічних реакцій.