ЭТОТ УДИВИТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ

Человек никогда не хотел жить в темноте; он изобрел много разнообразных источников света -от канувших в прошлое стеариновых свечей, газовых рожков и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши улицы и дома.

И вот появился еще один источник света -лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех других источников, он вовсе не предназначается для освещения. Конечно, при желании лазеры могут применяться в качестве экстравагантных светильников. Однако использовать лазерный луч в целях освещения столь же нерационально, как отапливать комнату сжигаемыми в камине ассигнациями. В отличие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, резать материалы, передавать информацию, осуществлять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реакции. .. Так что это поистине удивительные лучи.
В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин-когерентность. Ученые скажут, что свет от лампы накаливания некогерентен, а лазерное излучение когерентно-и всё им понятно. Человеку же, недостаточно просвещенному в области физики, надо, очевидно, пояснить, что такое некогерентный или когерентный свет.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распространяющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателя- ми, поэтому в целом получается световой поток, который можно назвать внутренне неупорядоченным, хаотическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечивается согласованно-в результате возникает внутренне

упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.
Подозреваем, что подобное пояснение не удовлетворит нашего читателя. Скорее всего, у него появятся новые вопросы. В чем состоит взаимное согласование высвечиваний разных атомов? Почему согласование есть в лазере и почему его нет в лампе накаливания? Что это такое-внутренне упорядоченный или неупорядоченный световой поток?
Так обычно и бывает: ответ на один вопрос порождает несколько новых вопросов. Когда мы говорим: атомы высвечиваются взаимно согласованно, то подразумеваем, что испущенные разными атомами волновые цуги (вместо волновых цугов можно рассматривать фотоны) согласованы друг с другом по фазе, имеют одинаковую частоту и одинаковое направление движения. Сразу оговоримся: в жизни не бывает идеального (полного) согласования-всегда есть ка- кой-то разброс по фазам, частотам, направлениям (просто в лазере этот разброс очень мал, а в лампе накаливания велик). Ответ на второй из вопросов, появившихся у читателя, мы дадим во второй части книги. Третий вопрос сводится, по сути дела, к вопросу
о том, как выглядят когерентный и некогерентный световые пучки, чем они отличаются друг от друга. Здесь хотелось бы привести следующее образное замечание, принадлежащее академику АПН СССР В. А. Фабриканту:

«В раскаленной нити лампы накаливания, в ярком светящемся шнуре ртутной лампы царит полный хаос. То здесь, то там вспыхивают возбужденные атомы, испускающие цуги световых волн. Эти вспышки отдельных атомов никак не согласованы между собой. Свечение таких источников напоминает гул неорганизованной, чем-то возбужденной толпы. Совсем иная картина в лазере. Здесь все похоже на стройный хор-сначала вступают одни хористы, затем другие, и сила звучания могуче нарастает. Хор грандиозен по числу участников, как это бывает на праздниках песни в Прибалтике. Расстояния между отдельными группами хористов настолько велики, что слова песни долетают с заметным запозданием от одной группы к другой. Дирижера нет, но это не мешает стройности общего звучания, так как хористы сами подхватывают песню в нужные моменты. То же происходит с атомами лазера. Цуги волн, испускаемые отдельными атомами, согласованы друг с другом. Каждый возбужденный атом начинает свою «песню» в унисон с дошедшей до него «песней» другого атома. Вот это и есть когерентность.»
Добавим, что внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок отличается, во- первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых, исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при взаимной согласованности испускают волновые цуги одинаковой (точнее говоря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления движения.
Идеально монохроматический свет-свет строго определенной частоты - есть, конечно, идеализация; он встречается лишь на страницах учебников. Любой реальный световой пучок характеризуется некоторым разбросом частот Av. Пусть v- среднее значение частоты пучка. Ясно, что чем меньше отношение Av/v, тем выше степень монохроматичности света. У лазерных лучей Av/v = 10-6-10-8; за счет специальных мер можно получить Av/v « 10“10. Практически это излучение вполне можно рассматривать как излучение одночастотное.
Высокая степень когерентн.

сти лазерного луча проявляется также в его крайне * алой расходимости.

Угол расходимости луча может быть доведен до наименьшего возможного значения; оно определяется дифракцией света и равно отношению длины световой волны к диаметру пучка. Длина волны измеряется микрометрами, а диаметр светового пучка миллиметрами; значит, указанный угол расходимости порядка 10“ 3 рад, что соответствует примерно угловой минуте.
Если пучок некогерентен, его невозможно хорошо сфокусировать. Мешает как немонохроматичность такого пучка, так и его большая расходимость. Иное дело когерентный пучок. Конечно, даже его нельзя сфокусировать в точку. Но можно сфокусировать в пятнышко диаметром порядка длины световой волны, т. е. порядка 1-10 мкм.
Когерентные лазерные пучки позволяют осуществлять очень сильную концентрацию световой энергии в пространстве. Существуют мощные лазеры (например, С02-лазеры), непрерывно генерирующие излучение мощностью порядка 1 кВт и даже больше. Допустим, что луч С02-лазера мощностью 1 кВт имеет диаметр мм. Легко подсчитать, что интенсивность такого пучка составляет 105 Вт/см2. Этой интенсивности достаточно, чтобы плавить многие металлы. Фокусируя лазерный луч, можно еще сильнее увеличить его интенсивность. При фокусировке в пятно диаметром, скажем, 30 мкм получим интенсивность порядка Ю10 Вт/см2. Этого достаточно, чтобы не только плавить, но и испарять любые материалы. Для сравнения заметим, что среднее значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1 Вт/см2.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Помните в «Гиперболоиде инженера Гарина»: «Он был тонок, как вязальная игла, ослепительно белый, и шел из купола башни, не расширяясь». Нечто подобное можно увидеть в действительности, если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный-настолько, что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепительно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и
27

заставить его описать сложную изломанную траекто- рию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффектное зрелище - комната, как бы «перечеркнутая» в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч С02-лазера вообще невидим-ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч-это обязательно непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.
Вот, например, лазер на рубине. Чтобы он начал генерировать, надо включить устройство возбуждения (его называют устройством накачки)-газоразрядную лампу, дающую яркие световые вспышки. Вспышки следуют друг за другом с интервалами, которые измеряются долями секунды, но могут составлять секунды и даже минуты. Длительность вспышки порядка миллисекунды. Каждая вспышка приводит к рождению импульса лазерного излучения, имеющего примерно такую же длительность. При этом энергия лазерного импульса составляет 1-100 Дж, а максимальная мощность 103-105 Вт.
Мощность лазерного импульса можно значительно повысить за счет уменьшения его длительности. Принимая специальные меры, получают так называемые гигантские лазерные импульсы. Они имеют длительность порядка 10“8 с; их мощность достигает 108 Вт. Можно сделать и так, что вместо гигантского импульса будет испускаться регулярная последовательность сверхкоротких импульсов длительностью всего 10“12 с, имеющих мощность до 1012 Вт; импульсы следуют друг за другом с интервалом порядка 10“9 с. Попробуйте представить себе, на что похож такой лазерный луч. Лазер как бы «стреляет» следующими одна за другой короткими «пулеметными очередями». Каждый отдельный выстрел в такой «очереди»-это световой импульс. Помножив его длительность (10“12 с) на скорость света (3 • 108 м/с), получим расстояние 0,3 мм. Это расстояние примерно в десять раз меньше ширины светового луча. Получается, что лазер «стреляет» в данном случае этакими «световыми лепешками». Что касается световой мощности каждой «лепешки», то она
28

в сотни раз превышает мощность знаменитой Красноярской ГЭС. Вот каким необычным может оказаться лазерный луч!
Заметим, что даже при непрерывном возбуждении лазера его луч часто представляет собой не непрерывный световой пучок, а последовательность световых импульсов. Характерная частота следования импульсов составляет обычно 1-10 кГц (до десяти тысяч импульсов в секунду). Длительность отдельного импульса 10"7-10-6 с, а максимальная мощность 104-105 Вт.
Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования импульсов; это очень важно, так как от частоты следования импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как управляют лазерными импульсами, будет рассказано позднее.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЭТОТ УДИВИТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ:

- Популярная физика -