Интенсивность светового пучка лазера

Как свидетельствуют факты, лазерный пучок может нести энергию, достаточную, чтобы с его помощью можно было проводить хирургические операции, сверлить алмазы и даже нагревать микроскопические количества вещества до температуры в миллионы градусов.

Сколько же энергии может нести лазерный пучок? Это зависит от типа лазера, мощности питающего его источника, а также от условий его работы, которые определяют эффективность использования подводимой энергии.

И лазерах непрерывного режима вводимая энергия непрерывно преобразуется в энергию излучения, испускаемого лазером. Мощность пучков, излучаемых такими лазерами, составляет от милливаттов до десятков киловатт (столько же, сколько испускают в видимом диапазоне тысяча стоваттных лампочек). С помощью таких киловаттных пучков света, надлежащим образом сфокусированных, например линзой, можно резать стальной лист корабельной обшивки толщиной порядка сантиметра со скоростью около одного сантиметра в секунду. Менее мощные лазеры используются в других целях, для которых не требуются столь мощные световые пучки.

Самый мощный лазер, который можно видеть собственными глазами в «Нэвэл рисеч лэборотори» (научно-исследовательский институт военно-морских сил США) в Вашингтоне, в течение нескольких секунд должен был испускать пучок мощностью порядка одного мегаватта (миллион ватт, или тысяча киловатт). Этот лазер вместе со вспомогательными устройствами занимал два достаточно больших лабораторных помещения. Особенно удивляться здесь нечему, поскольку мощность его пучка равнялась мощности примерно пятидесяти двигателей легковых автомобилей среднего класса.

Для многих целей, однако, даже мегаваттные пучки слабоваты и для них требуются еще более мощные пучки. Например, «лунный» лазер должен был посылать пучок мощностью несколько миллионов ватт. Пучок света после отражения от Луны возвращается на Землю сильно ослабленным вследствие поглощения и рассеяния в земной атмосфере, рассеяния на поверхности Луны и т. д. Чувствительность регистрирующей отраженный свет аппаратуры исключает возможность использования для локации Луны традиционных даже самых сильных источников света. Достаточно интенсивный пучок света мог дать только лазер мощностью несколько мегаватт. Для инициации термоядерной реакции требуется еще более сильный лазер - его мощность должна составлять величину порядка самое меньшее несколько миллионов мегаватт.

Создание столь мощного лазера, работающего в непрерывном режиме, - задача пока нереальная. Такой лазер должен был бы иметь прежде всего чудовищные размеры. Непростой задачей было бы также обеспечить такого колосса энергией, да и наладить его охлаждение тоже было бы нелегко. Коэффициент полезного действия лазера обычно составляет от нескольких до десятка процентов, так что лишь относительно малая часть вводимой в лазер энергии испускается в виде излучения. Остальная часть рассеивается, превращаясь в конечном счете в теплоту, которую необходимо удалить из лазерной установки, подвергая ее достаточно интенсивному охлаждению.

Лазер, который в непрерывном режиме испускал бы пучок мощностью миллион мегаватт, потреблял бы энергию, вырабатываемую одновременно несколькими тысячами электростанций средней мощности. Во время работы такого лазера пришлось бы лишить энергоснабжения миллионы потребителей. Быть может, это еще удалось бы как-нибудь уладить, но как же охладить такого гиганта?

Однако, несмотря на то что потребность в столь мощных пучках света существует, необходимости в строительстве таких лазеров непрерывного действия нет. Дело в том, что во всех тех приложениях, где есть потребность в сверхмощных лазерных пучках, не так уж важно, будет ли лазер испускать излучение в течение одной тысячной или одной миллионной доли секунды. Чаще всего дело обстоит так, что лазерное излучение необходимо лишь в течение небольшого промежутка времени. Короче говоря, речь идет о том, чтобы лазерный пучок успел вызвать в получаемом объекте нужный эффект, прежде чем дело дойдет до нежелательных процессов, связанных с поглощенной объектом энергией лазерного излучения. Если бы, например, при использовании лазерного пучка для удаления больной ткани во время операции вспышки длились слишком долго, то здоровые ткани, соседствующие с больными, также могли бы подвергнуться опасному перегреву. Если для сверления отверстия в алмазе вместо отдельных вспышек применить непрерывное лазерное излучение, то алмаз перегреется, расплавится, и в результате значительная часть алмаза испарится.

Приведенные примеры свидетельствуют о необходимости использования столь коротких лазерных импульсов, чтобы поглощаемая облучаемым объектом энергия не успевала рассеяться вследствие процессов теплопроводности. Разумеется, таких нежелательных, а зачастую и вредных механизмов рассеяния энергии имеется гораздо больше. В общем случае речь идет о том, чтобы лазерный пучок успел выполнить свою задачу до того, как перечисленные факторы помешают ему. Вот почему во многих устройствах лазерные импульсы должны быть очень короткими, причем выражение «очень короткий» означает иногда наносекунду или даже меньший промежуток времени.

Теперь нам становится ясной продиктованная необходимостью простая идея экономии энергии, на основе которой можно получать пучки гигантской мощности при относительно небольших затратах энергии. Вместо того чтобы производить в виде излучения, скажем, один джоуль энергии (это очень небольшое количество) на протяжении секунды или излучать пучок мощностью один ватт (1 Вт=1 Дж/с), следует просто-напросто то же самое количество энергии (один джоуль) испустить быстрее в виде относительно короткого импульса. Чем короче импульс, тем выше мощность пучка. Если, например, вспышка излучения будет длиться одну миллисекунду (одну микросекунду, одну наносекунду), то пучок будет иметь мощность в 1000 раз выше (относительно).

Очевидно, что при энергетическом вкладе, в 1000 раз большем (1 кДж, вместо 1 Дж), получится (в каждом из вышеперечисленных случаев) и пучок в 1000 раз мощнее. Если время эмиссии (испускания) составило бы величину порядка одной наносекунды, то в этом случае получился бы пучок мощностью уже в один тераватт. Будучи сфокусированным, например, с помощью линзы на поверхности тела в пятно порядка 0,1 мм в поперечнике, такой пучок дал бы в фокусе трудновообразимую величину интенсивности — 10 в 20-й степени Вт/м2! (Для сравнения: интенсивность света 100-ваттной лампочки на расстоянии 1 м от нее составляет величину порядка нескольких десятых ватта на квадратный метр.)

Остается один невинный на первый взгляд вопрос: как сократить время излучения лазера при заданной полной энергии пучка? Такая задача представляет сложную проблему как физического, так и технического характера. Мы не будем здесь вдаваться в такие тонкости, потому что для нашего рассказа вопрос о получении короткого импульса является слишком специальным. Во всяком случае сегодня ситуация такова: время излучения света импульсным лазером без каких-либо дополнительных устройств, которые вынуждали бы лазер излучать свет быстрее, есть величина порядка нескольких микросекунд (или десятой части одной тысячной секунды).

Использование дополнительных устройств, работа которых основана на некоторых физических явлениях, поможет сократить это время до величин порядка пикосекунды. Благодаря этому сегодня можно получать гигантские лазерные импульсы, максимальная мощность которых может достигать даже нескольких сотен тераватт. Конечно, столь мощные пучки нужны лишь в специальных устройствах (например, для инициации термоядерной реакции). Во многих других случаях используются импульсы значительно меньшей мощности.

А теперь зададим важный вопрос: нельзя ли получать такие интенсивные пучки света дешевле и проще, а именно с помощью традиционных ламп большой мощности? При этом имеются в виду как лампы, работающие в непрерывном режиме (например, лампы самолетных рефлекторов или киноаппаратов), так и импульсные лампы (например, лампы фотовспышек, используемые в фотографии).

Ответ зависит от того, какие пучки мы хотели бы получить, или, иначе, о какой мощности и о какой расходимости идет речь. Если нам безразлична расходимость пучка, то традиционные лампы в состоянии конкурировать с лазерами только до определенной границы. Граница эта лежит во всяком случае значительно ниже одного тераватта. Выше этого уровня лазер не имеет конкурентов.

Конечно, чем менее расходящиеся и более мощные пучки мы хотим получить, тем ниже будет лежать граница, выше которой придется отказаться от традиционных источников света и обратиться к лазерам. Как уже говорилось, классические источники света были бы не в состоянии удовлетворить тем требованиям высокой точности, которые предъявлялись к источнику света при измерениях расстояния от Земли до Луны. В этом эксперименте пришлось использовать импульсный лазер.

Гаврилова Н. В.

Похожие публикации

Архипелаг редких земель

Двадцать первый век набирает темп

Как гравитация влияет на эволюцию жизни