(К 1-й стр. цветной вкладки.)
К числу наиболее фундаментальных научных достижений XX века, несомненно, относится создание оптических квантовых генераторов - лазеров. Они по праву могут быть поставлены в один ряд с таким творением человеческого гения, как электронные вычислительные машины.
Лазеры - это приборы, преобразующие один из видов энергии (электрическую световую, тепловую, химическую) в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн (ультрафиолетового, видимого, и инфракрасного диапазонов). Излучателем в лазере (активным элементом) могут быть твердые тела (кристаллы, и стекла с добавками ионов хрома, неодима, эрбия, и др.), жидкости, в которых растворены окислы этих элементов, газовые смеси, а также полупроводниковые монокристаллы (например, арсенид галлия с р-п переходом). Активный элемент возбуждается, и генерирует свет под действием энергии системы накачки твердотельные, и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового разряда; полупроводниковые активные элементы используют энергию электрического тока, протекающего через область р-п перехода. Разработаны уже системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло, и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режимах. Для накопления энергии возбуждения, формирования узконаправленного излучения, и управления энергетическими параметрами генерации активный элемент лазера помещают в резонатор - систему из двух диэлектрических зеркал.
Уникальные возможности лазеров определяются монохроматичностью излучения (строго одной длины волны), его когерентностью (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе), а также высокой несущей частотой излучения (1014 - 1016 герц, то есть от ближнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области). Именно благодаря этим свойствам лазеры находят применение для осуществления узконаправленной многоканальной связи, высокоинтенсивного локального воздействия на живую материю и различные вещества (металлы, керамику, пластмассы, газы, и т. д.), для измерения различных величин с точностью, во много раз превышающей возможности существующих методов, для создания принципиально новых технологических процессов, для широкого спектра научных исследований.
Первый лазер был создан в 1960 году. Это был ничтожной мощности импульсный оптический квантовый генератор на рубине. Уже в 1961 году появился газовый лазер, а еще через год - полупроводниковый. В 1963 - 1964 годах успешно применили в качестве активных сред жидкости и использовали энергию химических реакций для возбуждения лазерного действия.
Создание, и современное •развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н. Г. Басова, А. М.
Прохорова, лауреатов Нобелевской премии Ч. Таунса. Н. Бломбергена, А. Кастлера, и ряда других советских и зарубежных ученых. В настоящее время сотни лабораторий мира ведут работы по усовершенствованию, и созданию квантовых генераторов новых типов, работающих в разных диапазонах частоты и обладающих значительными мощностями. Следует отметить, что создание первых лазеров дало толчок возникновению новой области науки - нелинейной оптики, занимающейся изучением поведения кристаллической среды в сильных оптических полях. Начало нелинейной оптики связано с опытом американского ученого Франкена, наблюдавшего в 1961 году удвоение частоты излучения рубинового лазера, красный свет которого при прохождении через кристалл кварца превращался в ультрафиолетовый. Этот эффект получения второй гармоники нашел широкое практическое применение в лазерной технике.
Если попытаться систематизировать современную, уже довольно-таки многочисленную семью лазеров по двум основным параметрам - длине волны, и мощности излучения (именно энергетические параметры и спектральные характеристики лазеров определяют возможные области их применения), то получится картина, изображенная на 1-й стр. цветной вкладки.
Из ее рассмотрения видно, что максимальная мощность, которую достигли на сегодня лазеры непрерывного действия (пунктирная линия), составляет 60 киловатт, а максимум мощности одного лазерного импульса доходит до миллиарда киловатт (штрихпунктирная линия), но длительность такого импульса составляет всего лишь 10 - 12 секунды.
Сравнение показывает, что импульсные мощности лазерного излучения (при длительности импульсов от 10~3 до 10^-9 секунды) в сотни миллионов раз превосходят мощности лазеров непрерывного действия, где «рекордсменом» на сегодня является газовый лазер на СО2. Следует заметить, что на диаграмме для того или иного типа лазера указана наибольшая достигнутая мощность на данной частоте.
Охарактеризуем наиболее важные особенности четырех типов лазеров.
Твердотельные лазеры. Импульсные лазеры этого типа отличаются максимальной энергией в им пульсе - несколько тысяч джоулей. Наиболее широко используемые такие лазеры (активный элемент - рубин; стекло с неодимом) могут испарять любые металлы, и даже алмазы. С использованием систем на импульсных твердотельных лазерах ведутся исследования по управляемому термоядерному синтезу.
Твердотельные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с неодимом позволяют получить мощность до 1 киловатта в непрерывном режиме и до 50 тысяч киловатт в импульсном режиме с большой частотой повторения (от 1 до 100 герц). Они используются для систем подводного видения, подсветки целей, и для обработки различных материалов.
Газовые лазеры. У них самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном режиме, при достаточно высоком КПД (примерно 15 - 20 процентов). Лазеры на гелий-неоновой смеси отличаются высокой стабильностью частоты, а, следовательно, и степенью монохроматичности. Так, при длине волны излучения в 0,63 микрона ее длина меняется не более чем на миллиардные доли ангстрема! (Напомним, что линейные размеры атома примерно 1 ангстрем) Это позволяет получать пучки света с самой малой расходимостью и обладающие хорошей когерентностью, что используется, например, в голографии, и метрологии. Аргоновые лазеры работают в сине-зеленой области спектра и имеют мощность порядка сотен ватт в непрерывном режиме; основное применение их - цветное телевидение, голография.
Жидкостные лазеры. Приборы на неорганических жидкостях по своим характеристикам ближе всего к твердотельным импульсным лазерам, но превосходят их по энергии в импульсе (благодаря большим объемам активных элементов).
Лазеры на органических жидкостях - красителях, отличаются широким спектральным диапазоном излучения, и могут плавно «настраиваться» на желаемую длину волны. Одна группа таких лазеров позволяет вести широкую перестройку длины волны излучения в диапазоне от видимого света до ближнего ультрафиолета, а другая группа лазеров - в диапазоне от видимого света до инфракрасного. Такие лазеры найдут широкое применение в химии, медицине и ряде научных исследований (например, спектроскопии).
Полупроводниковые лазеры. Это самые миниатюрные приборы их размеры - до долей миллиметра. Эти лазеры обладают малым весом, и для своего питания требуют ничтожных количеств энергии. У полупроводниковых лазеров наиболее высокий КПД - до 70 процентов. Благодаря всем этим достоинствам лазеры данного типа, хотя и имеют малые мощности излучения, служат наиболее эффективными излучателями в таких системах, как высотомеры, дальномеры, переговорные устройства, и другие.
На диаграмме отмечены не все известные в настоящее время лазеры, а лишь важнейшие их представители. Конечно, при столь стремительных темпах научно-технического прогресса количество различных лазеров будет все время расти, чтобы полнее удовлетворить столь же стремительно расширяющиеся области возможного их применения.
В последующих номерах будет рассказано об основных «профессиях» лазеров.
Инженеры Ю. ЛОХОВ, В. СИПЯГИН.
