Вступление.
Лазер.…Очень многие про него слышали. А кое – кто даже видел, хотя бы на фотографиях.Ну и что? Ничего интересного: трубка или коробочка, а из неё выходит тоненькийлучик, иногда зелёный или синий, чаще – красный. Фонарь и фонарь, ничегоособенного. Есть ли о чём тут говорить? Оказывается, есть. И фонарь этот непростой, и луч тоже не обыкновенный. Он может вылечить надвигающуюся слепоту ина лету поразить вражеский самолёт, мгновенно просверлить отверстие в алмазе ираскроить шелковую тончайшую ткань. Он безболезненно заменяет сверло встоматологическом кабинете, создаёт голографические эффекты, рассекаетчеловеческую плоть без пролития крови и много другого присуще этомуфантастическому лучу.
1. Что такоелазер.
1.1Оптический квантовый генератор или лазер.
Наоснове использования индуцированных переходов Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым вСССР и Ч. Таунсом в США (1953 г.) были разработаны генераторы когерентногоизлучения – лазеры, или квантовыегенераторы.
Слово«лазер» составлено из первых букв английской фразы, означающей: «усиление светапри помощи вынужденного излучения».
Сейчасна примере сбора одной из модели лазера мы попытаемся разобрать его строение.
/> Возьмём стержень или пластинку,сделанную из материала, от которого мы хотим добиться излучения. Материалдолжен быть прозрачным, чтобы свет пронизывал его на сквозь. Самыераспространённые материалы для стержней – искусственно выращенные кристаллырубина или граната (или стекло, в которое добавлено небольшое количестворедкого элемента неодима). Стержни обычно бывают диаметром от 6 до 20миллиметров и длинной от 10 до 60 сантиметров. Сам лазер часто именуется поматериалу стержня. Так, выражение «рубиновый лазер» совсем не означает, чтовесь прибор сделан из этого драгоценного камня. Просто внутри него находитсякристалл искусственного рубина размером с карандаш.
Рядом со стержнем поместим осветитель, егоназывают лампой накачки. Лампа будет импульсивной, вроде тех ламп – вспышек,которыми пользуются фотографы, — все процессы в атомах проходят за миллионныедоли секунды, так что надолго включать её нет смысла. Осветитель вместе состержнем окружим отражателем, чтобы ни один квант света накачки не пропал зря.Возле торцов рабочего стержня установим два зеркала: сзади – глухое, отражающеевесь падающий на него свет (или призму), спереди – полупрозрачное. Зеркалаустановим строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня. Лазерготов. Подключим к лампе накачки провода от источника питания и нажмём пусковуюкнопку. Лампа вспыхнула. Теперь для того, чтобы увидеть, что происходит в лазере,нам потребуется «лупа времени», позволяющая рассмотреть подробности событий,происходящие в миллионные доли секунды. Этой лупой послужит наше воображение.
1.2 Лазер вработе.
/> Итак, лампа вспыхнула. Поток световойэнергии обрушился на вещество стержня. Его атомы быстро переходят ввозбуждённое состояние. С каждым мгновением таких возбужденных атомовстановиться всё больше и больше. Но долго в возбуждённом состоянии они живут, всреднем всего одну стомиллионную долю секунды, а потом переходят в нормальноесостояние. А лампа горит, и излучившие свет атомы вновь возбуждаются. Но вотсовершенно случайно несколько атомов излучили кванты вдоль оси стержня. Послекаждого столкновения с атомами число квантов удваивается, поток излучения движетсявдоль стержня и растёт, как лавина. Отражаясь в зеркалах, излучение многократнопронизывает стержень, заставляя все атомы без исключения нести свою долюэнергии в общий поток света. Сквозь полупрозрачное зеркало – окошко этот светвырывается наружу. Вспышка! Её длительность около одной миллионной секунды. Алампа всё ещё горит, и через три миллионных доли секунды всё повторяется снова.И опять, и опять, до тех пор, пока яркости света уже потухающей лампы – вспышкине станет мало для поддержания генерации. Именно так был сделан и работалпервый лазер, построенный на кристалле рубина в 1960 году. Но не вся энергиялампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая её часть, – увы! –уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркала. Мощные,импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом.Частота повторения импульсов зависит то того, насколько хорошо стержень лазеравыдерживает высокую температуру. Неодимовые и рубиновые лазеры дают одну – двевспышки в секунду, лазер на гранате – несколько сотен. Рекордная частотагенерации для импульсного лазера двенадцать миллионов вспышек в секунду.Излучение таких лазеров воспринимается уже как непрерывное.
2.Разновидностилазеров.
2.1 Газовыелазеры.
Они были созданы почти одновременно с рубиновыми лазерами,в том же 1960 году. Их рабочее вещество различные газы, заключённые встеклянные трубки. Давление газов в этих трубках очень низкое, в сотни разменьше атмосферного. На концах трубки – окошки, через которые луч света выходитнаружу. Трубка, конечно, помещается между зеркалами. Словом, всё, как вимпульсном лазере. Только лампы накачки нет. Газы при низком давлении хорошопроводят электрический ток, поэтому их атомы можно возбуждать простоэлектрическим разрядом. Ток проводиться через проволочки – электроды, впаянныев стеклянную трубку. Трубка с возбуждённым газом светиться, как рекламнаянадпись в витрине магазина, а из её торцов выходят лучи разного цвета, смотряпо тому, какой газ в неё заключён. Смесь гелия с неоном даёт красный луч, аргон– синий, ксенон – зелёный, криптон – жёлтый, а углекислый газ – невидимыйтепловой, инфракрасный луч. Есть даже лазер на водяных парах. Такая «пароваямашина» конца 20 века даёт мощное тепловое излучение. Длина его волны чутьбольше одной десятой миллиметра. Это самое длинноволновое излучение, полученноепри помощи лазера.
Разреженный газ в лазерной трубке очень мало рассеивает свет. Возбуждается газэлектрическим разрядом, который проходит через всю толщу газа не затухая.Поэтому размеры трубок газовых лазеров можно делать очень большими: лазердлиной 5 – 10 метров – вещь довольно обычная. Мощность его излучения можетдостигать тысячи ватт), есть одного киловатта)
.
/>2.2 Газодинамический лазер.
Ондействительно похож на реактивный двигатель и работает также. В его камересгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина,бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислогогаза, азота и паров воды. Молекулы газов возбуждены и готовы к работе: ведьтемпература в камере сгорания доходит до тысячи с лишнем градусов, а давление –до 20 атмосфер. Эти раскалённые газы из камеры сгорания вытекают черезрасширяющееся реактивное сопло, его ещё иногда называют соплом Лаваля. В нёмгаз разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясьмежду зеркалами, молекулы газа начинают отдавать энергию в виде световыхквантов, рождая лазерный луч, мощность которого 150 – 200 киловатт. И это мощностьне отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазеране кончиться горючие.
2.3 Лазерына красителях.
Называются они так потому,что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красок (вроде тех, которыми хозяйкидома красят шерсть и хлопок) в воде, спирте, кислоте и других растворителях.Жидкость налита в плоскую ванночку – кювету. Кювета, разумеется, установленамежду зеркалами. Энергия молекулы красителя «накачивается» оптически, тольковместо лампы – вспышки на первых порах использовались импульсные рубиновыелазеры, а позднее – лазеры газовые. Лазер – накачку внутрь жидкостного лазеране встраивают, а помещают в сторонке, вводя его луч в кювету через окошко вкорпусе. Сейчас, правда, удалось добиться генерации света и с импульснойлампой, но не на всех красителях.
Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолетадо инфракрасного света – и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт(миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету.
Лазерына красителях обладают интересной особенностью.
Вселазеры излучают строго на одной длине волны (это явление, как вы помните,называется монохроматичностью).
/>Это их свойство лежит в самой природе вынужденногоизлучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект.
Лазерына красителях помогают следить за состоянием атмосферы. Современные городанакрыты «колпаком» пыльного, закопчённого воздуха. О степени его загрязненияможно следить по тому, насколько сильно в нём рассеиваются лазерные лучи сразной длиной волны. В чистом воздухе свет не рассеивается, его лучи становятсяневидимыми. А также бывают жидкостные иполупроводниковые лазеры.
3. Незаменимые функции лазерного луча.
Всем хорош лазерный луч: он может нести огромную энергию,может передавать сигналы, как радиоволны или электрический ток.
Перваяв СССР линия оптической связи передавала телефонные разговоры между Москвой иКрасногорском по открытому лучу. Один лазер был установлен на башне высотногоздания МГУ на Ленинских горах. А также благодаря учёным по стеклянным нитям,как электрический ток по проводам, идёт лазерный луч. Благодаря этому получалифотографии изнутри внутренних органов (например, желудок) вводя волоконныйсветовод через пищевод больного. Да ещё вдобавок лазер режет, сваривает, куёт,закаливает, сверлит, кроит, проверяет качество обработки деталей и делаетмножество других, не менее важных дел, для которых, казалось бы, совершенно негодиться луч света. Но это не так.
Тонкую,вольфрамовую проволоку для электрических лампочек протягивают через отверстия валмазах, пробитые лазерным лучом. Рубиновые подшипники – камни для часов –обрабатывают на лазерных станках – автоматах. Лазерный луч сжигает любой, дажесамый прочный и жаростойкий материал. Движением режущего луча управляет ЭВМ,так что можно мгновенно определять точность резания и вносить требуемыепоправки. В шоу бизнесе вы, наверное, не редко замечали иные световые эффектыприменяемые для украшения сцен, это картины нарисованы лазерным лучом, а когда– ни будь, возможно, специалист по лазерной оптике станет в театре столь жепривычной фигурой, как гримёр или декоратор.
Точность лазерных измерений очень высока, и сегодня неусыпное «око» лазернойустановки отмечает даже малейшие подвижки грунта под знаменитой Пизанскойбашней.
4. Лазеры вгеодезии.
/>
Заходя на посадку, самолётдвижется по пологой траектории – глиссаде. Лазерное устройство, помогающеепилоту, особенно в непогоду, тоже названо «Глиссада». Его лучи позволяют точносориентироваться в воздушном пространстве над аэродромом. Лазерный уровень далвозможность автоматизировать дорожные работы. Аэрофотосъёмка лазерным лучомпозволяет точно определить границы арктических антициклонов, когда долгаяполярная ночь не позволяет вести эту процедуру. Также анализ лазерного луча незаменим в картографии.
5. Лазер вмедицине.
5.1 Лазерхирург.
Идёт хирургическая операция. В напряжённойтишине операционной слышны только отрывистые команды хирурга: «Скальпель!»,«Зажим!», «Тампон!».
Скальпелем делают разрез. Зажимом перекрывают крупные кровеносные сосуды,которые пришлось перерезать. Тампоном удаляют кровь с операционного поля. Кровимного; кроме больших сосудов, есть ещё множество мелких, капиллярных, которыеуже не пережмёшь. Сейчас умеют останавливать кровь различными способами, а ещёлет сто пятьдесят назад рану приходилось прижигать, чтобы «заварить» концысосудов и не дать им истечь кровью. Хирурги давно мечтали об инструментеделающим бескровный разрез. Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведьсегодня хирурги умеют делать операции на сетчатке глаза и вторгаются в святаясвятых организма – человеческий мозг. Орудовать там скальпелем – всё равно, чточинить часы топором.
Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе оба этитребования, — световой луч!
Чтоможет быть нежнее прикосновения луча света? Лазерным лучом можно сделать разрезшириной в тысячную долю миллиметра. В зависимости от энергии, которую он несёт,и времени его воздействия, он может «заварить» сосуд «как говорят медики –коагулировать его) или, наоборот, пробить в нём отверстие.
/> Даже цвет луча оказался важен вхирургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи и задерживает,поглощает лучи всех других оттенков и цветов. Поэтому рубиновый лазер для«заваривания» сосудов не пригодиться. А если использовать зелёный или синийлучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенногообразования сгустка крови, закупорившего перерезанный сосуд. Такой свет даётаргоновый лазер.
Бываютслучаи, когда необходимо разрушить повреждённую ткань, не затрагиваяблизлежащих и на пути стоящих сосудов. Тогда применяют гелий – неоновый иликриптоновый лазер; луч красного цвета пройдёт сквозь кровеносные сосуды, «незаметив» их, не принеся им вреда, прямо в нужную точку. Это применяют вурологии при каменной болезни почек, лазер раздрабливает почечные камни,превращая их в песок, тем самым не нанося не каких повреждений тканям стоящимна пути.
5.2 Лазерна охране зрения.
Особенно удобен, оказался лазер вофтальмологии – области медицины, ведающей зрением.
Естьтакое заболевание – сахарный диабет. Возникает оно из – за недостатка ворганизме инсулина – гормона поджелудочной железы. Лет сорок назад такойдиагноз означал близкую и верную смерть. Создание искусственного инсулинаспасло жизнь миллионам людей. Но тут обнаружилось то, что мало кто могпредвидеть: люди, которым спасли жизнь, стали слепнуть.
Оказалось, что нарушения обмена веществ, вызванные болезнью, накапливаясь изгода в год, приводят к тяжёлым поражениям сетчатки глаза, того слоясветочувствительных клеток, которому мы, собственно, обязаны зрением. Слой этотпронизан кровеносными капиллярами. Оказалось, что при диабете часть ихобескровливается, а часть растягивается и начинает «протекать», образуямногочисленные излияния. Начинается бурный рост других сосудов, которыеотсасывают кровь из здоровой ткани, лишая её питания. Кроме того, новые сосудыиз здоровой ткани непрочны и легко рвутся. От тяжёлых повторных кровоизлиянийможно потерять весь глаз.
/> Лазерный луч можно ввести в глаз прямочерез зрачок. С его помощью можно отрезать ненужные сосуды, заварить те,которые протекают, и ликвидировать следы кровоизлияний. А если применитьгигантский импульс света длительностью в миллиардную долю секунды? Он, не успевнагреть живую ткань, пробьет её насквозь. Именно так лечат глаукому – ещё одноопасное глазное заболевание, которым страдает три процента населения планеты.Оно возникает, когда в глазу повышается давление жидкости, нужна сложная иопасная операция. Гигантские импульсы лазера могут пробить в задней поверхностирадужной оболочки глаза микроскопические отверстия – канальца для оттокавнутриглазной жидкости. В итоге давление нормализуется, угроза слепотыотступает.
5.3 Лазер вгастроэнторологии.
При помощи лазера делают операции желудкаи кишечника. Их стенки состоят из множества слоёв ткани, пронизанныхкровеносными сосудами. При операции эти слои сшивают поочерёдно, сильнотравмируя при этом ткань. К тому же всё время остаётся вероятным, что какой –то слой будет случайно проколот и это приведёт к перитониту – воспалениюбрюшной полости. Лазерный луч может один за другим аккуратно заварить эти слоитем самым, остановив кровотечение.
Любойхирургический инструмент перед операцией нуждается в стерилизации. Лазерномулучу не только это не надо, но и он сам способен обеззараживать раны, убиваямикробов и испаряя отмирающие ткани.
Целительныйлуч можно ввести прямо в желудок больного при помощи гибкого световода иоперировать, не вскрывая брюшной полости. Но не тольков желудке можно ввести световод, но и в сердце. Лазерный луч способен провестиоперацию на сердце изнутри навсегда тем самым, освободив больного от страданий.
5.4 Лазер встоматологии.
Зубы,наверное, лечили все. А если и нет, то почти наверняка каждому в его жизнипредстоит испытать это сомнительное удовольствие. Множество смотрят на зубнойкабинет, как на камеру пыток, где главное орудие пыток – это, конечно,бормашина. Но она необходима: из больного зуба нужно удалить почерневшую,поражённую кариесом ткань, прежде чем накладывать пломбу.
/> Однако, похоже, что «зубосверлильные» ужасы в скором отойдут в областьпреданий: вместо сверла уже пробуют применять лазер, и не без успеха. Световойимпульс хорошо отражается от белой блестящей поверхности здоровой зубной ткании поглощается потемневшей, больной, которую он разогревает и испаряет вместе смикробами.
Лазеры так же используются в сельском хозяйстве,агрономы облучают им посадочный материал и получают ошеломляющие результаты,урожайность облучённого продукта выше прежней на 40%.
Лазерыиспользуются в военной промышленности, в данный момент существует достаточнобольшое количество лазерного оружия, но оно не совершенно, атмосферные явленияснижают его эффективность, а вот в космосе он не заменим. Военное министерствоСША занялось оснащением лазерным оружием космических платформ.
Заключение.
На заре развития лазерной техникифранцузский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовлено большое будущее.Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – этоцелая техническая эпоха».
С тех пор прошло не мало времени более 40лет. Время показало, что учёный был прав. Пройдёт ещё десять – пятнадцать лет,и многие из вас соприкоснуться с лазерной техникой и найдут новые свойства уэтого, ставшего привычным, прибора, а кто – то, может быть, свершит с егопомощью невиданные открытия, которые мы сегодня и представить себе не можем!Ведь сорок – пятьдесят лет назад не могли представить, что из забавногоматематического курьёза, не имеющего, казалось, никакого физического смысла,родиться такое замечательное изобретение, как лазер.
/>
/>