Покоренная плазма

Семья лазеров-тружеников

Детище квантовой механики — лазер стремятся взять на вооружение многие науки и отрасли техники. Ученые и инженеры разных специальностей спорят между собой, считая, что лазер с большим эффектом может быть использован именно в данной отрасли, а не в какой-либо другой. Однако возможности, заложенные в этом удивительном приборе, столь велики, что он оказывается полезным и связистам, и врачам, и металлургам, и исследователям космоса.

Связисты, например, считают, что лазеры станут основными устройствами для обеспечивания наземной, космической и даже подводной связи.

Уже испытан лазер в оптическом телефоне. Не провода, а острый луч переносил на большое расстояние человеческую речь.

Яркость луча при разговоре менялась, потом эти изменения вновь преобразовывались в звук. Правда, это были только первые опыты, но есть все основания надеяться, что появятся портативные устройства с лазерами, которые позволят наладить связь в горных и труднодоступных местах, через проливы и т. д.

Многие специалисты предсказывают настоящую революцию, которую совершат лазеры после их внедрения в радиотехнику.

На земном шаре в разных странах ежегодно вступают в строй десятки новых радиостанций, используемых для радиовещания, самолетовождения, радиотелефонной коммерческой связи. В эфире становится тесно. Если не считать радиоволн короче десяти метров, то в эфире могут работать без взаимных помех не более трех с половиной тысяч станций. Применение же лазера позволит передавать одновременно до десяти миллионов телефонных разговоров, программ вещания и телевидения.

Система лазерной связи будет в некоторой степени напоминать современные линии связи, применяемые в телевидении. Сейчас изображение передается при помощи радиоволн длиной в несколько метров. Эти ультракороткие волны, подобно свету, распространяются прямолинейно, поэтому для передачи их на далекие расстояния приходится строить башни радиорелейных линий, либо прокладывать кабель.

В будущем на таких башнях займут свое место лазеры, которые, как по эстафете, будут одновременно передавать и многие программы телевидения, и телефонные разговоры, и вещательные передачи. Антенной в лазерах служит прозрачная фокусирующая линза диаметром всего в несколько сантиметров, тогда как для передачи даже самых коротких радиоволн пришлось бы применять антенны диаметром в несколько десятков метров.

Свет имеет один недостаток: он сильно поглощается частицами пыли, тумана, находящимися в воздухе. Поэтому в тех местах, где атмосфера часто бывает непрозрачной, световой луч лазеров предполагают передавать по трубам. Уже произведены подсчеты, которые показали, что затраты на строительство таких трубопроводов довольно быстро окупятся.

Зато в космосе, где световые лучи не встречают никаких препятствий, лазер станет основным средством связи. Уже сейчас есть лазеры, создающие настолько яркий луч, что он может быть обнаружен на расстоянии шестидесяти пяти и более тысяч километров. Непрерывное совершенствование кристаллических лазеров все больше и больше увеличивает «дальнобойность» их лучей. Газовые лазеры, которые, очевидно, будут выступать в качестве приемников, будут способны отмечать самые далекие, самые слабые световые сигналы. Недавно построен газовый усилитель света со смесью гелия с ксеноном, который в сто тысяч раз усиливает принятый сигнал! Подобных усилителей радиотехника не знает.

Исследователи космоса в недалеком будущем при помощи лазеров будут изучать слабые световые сигналы, приходящие от самых далеких звезд, осуществлять связь между космическими кораблями, получать многочисленную информацию с искусственных спутников Земли и с ракет, заброшенных в межзвездные дали. Высокая направленность луча позволит осуществлять это при небольших мощностях источников питания. Можно обойтись и без таких источников вообще. Для накачки рубинового лазера, как вы знаете, нужен зеленый свет, а его сколько угодно в излучении Солнца. Достаточно сфокусировать солнечные лучи на кристалле, и лазер будет работать на этой даровой энергии.

Пока все это проекты и предсказания. Но уже сейчас найдена одна область применения лазерной связи, в которой новые приборы становятся единственно применимыми, — это под водой, где связь при помощи радиоволн невозможна. До последнего времени для этой цели использовался ультразвук, но он не обеспечивал необходимой дальности и не был достаточно надежным средством связи. Если в рубках подводных кораблей установить лазеры, то они надежно свяжут мореплавателей между собой. Причем, эти лазеры должны испускать не красный, а голубовато-зеленый свет, так как именно такие лучи меньше всего поглощаются морской водой.

Недавно было опубликовано сообщение, что такой лазер создан. В нем зеленый луч света создается не рубиновым стержнем, а стеклянным с примесью атомов ниодимия. Первый образец создавал световой импульс мощностью в десять киловатт, но есть возможность повысить ее до нескольких мегаватт.

Очень полезными окажутся лазеры в радиолокации. Свет значительно лучше, чем радиоволны, может различать предметы, находящиеся неподалеку друг от друга. Так, один из световых локаторов на лазере сумел различить два неподвижных предмета, расстояние между которыми равнялось всего трем метрам, причем, эти предметы локатор разглядел с дистанции в десять километров. Световой локатор обходится без громоздких антенн, весит около десяти килограммов и легко размещается на небольшом столе. И такой портативный прибор определяет расстояние до объектов значительно точнее, чем обычный радиолокатор.

Когда от антенны передатчика распространяется радиоволна, то в радиоприемник попадает ничтожная доля энергии. Радиопередатчик посылает волны не узким пучком, а веером, и большая часть их энергии пропадает напрасно.

Создание лазера позволяет думать не только о передаче сигналов, но и энергии. Лазерная линия электропередачи будет работать так: энергия электрического тока в самом начале линии преобразуется в электромагнитную энергию луча. В пункте приема будет установлен обратный преобразователь энергии света в энергию тока. Чтобы уменьшить потери энергии при передаче, луч света можно передавать по светопроводам — трубкам, из которых выкачан воздух.

Огромная скорость распространения света открывает новые перспективы перед создателями математических машин. Когда в них получат «прописку» лазеры, нынешние быстродействующие машины будут заменены сверхбыстродействующими.

Скорость, с которой вычислительные машины производят математические операции, во многом зависит от быстроты передачи сигналов между различными узлами машин. Световые сигналы обладают наибольшей скоростью, поэтому применение лазеров позволит достичь огромной быстроты действия. Примерно в десять тысяч раз может быть повышена скорость работы математических машин по сравнению с современными! Сейчас в математических машинах сигналы передаются по проводам. В машинах будущего световые сигналы помчатся по тончайшим стеклянным волокнам. Свет внутри такого волокна много раз отражается от стенок и попадает точно по адресу, нигде не вырываясь наружу.

Когда будут созданы такие математические машины? Скоро, потому что конструкторы уже сейчас набрасывают их контуры.

Лазеры станут верными помощниками химиков. Выше уже отмечалась высокая однородность излучения лазеров. Это позволяет воздействовать таким светом на молекулы веществ, находящихся в химическом взаимодействии. Молекулы, поглотившие фотоны нужного «сорта», становятся химически более активными — реакция ускоряется во много раз. Особенно «полезен» для молекул инфракрасный свет, который создают газовые лазеры, и можно не сомневаться в том, что в цехах химических заводов такие лазеры станут активными участниками производства.

Лазеры уже находят применение в хирургии. Тончайший луч оказался исключительно удобным скальпелем. Был проведен такой опыт: в глаз кролика направили луч света от лазера. Он фокусировался на сетчатке глаза. Воздействуя теплом такого луча, хирург успешно сшил поврежденную сетчатку.

Было испробовано еще одно применение лазера в медицине.

Всем известно, какие высокие требования предъявляются к чистоте хирургического инструмента. Чтобы этим инструментом можно было работать, его подолгу кипятят в воде, стерилизуют. Оказалось, стерилизацию можно очень быстро осуществлять светом лазера. Его лучи мгновенно убивают любые бактерии и микробов, находящихся на инструменте.

Микромир плазмы живет сложной жизнью. И чтобы раскрыть все секреты плазмы, приходится конструировать довольно сложные и громоздкие приборы, делать много разных опытов.

Едва появившись, лазер занял свое место и в лабораториях физиков-экспериментаторов. Уже сейчас физики пробуют при помощи луча лазера определять скорость движения электронов в плазме, подсчитывать их концентрацию в разных участках разрядной трубки.

Сталкиваясь с электронами, пучок лазерного света рассеивается. Больше электронов — сильнее рассеяние света. По этому эффекту и определяют концентрацию электронов, например, внутри жгута электрической дуги.

Высокое постоянство электромагнитных колебаний лазерного луча позволяет узнать и скорость движения частиц плазмы. Когда световая волна натыкается на движущуюся частицу, то после отражения частота колебаний меняется. Быстрее движется частица — больше изменение частоты. Это явление в физике названо эффектом Допплера. Зондируя плазму импульсами лазерного света и отмечая изменения частоты световых колебаний, физики довольно точно определяют скорость частиц плазмы.

Я рассказал только о двух задачах, решаемых учеными с помощью лазеров. Их можно назвать десятки. Со временем без лазеров не будет обходиться ни одна исследовательская лаборатория.

А теперь стоит рассказать о профессии лазера как двойника гиперболоида инженера Гарина. Прибор, о котором Алексей Толстой рассказал в своем фантастическом романе, мог тонким лучом резать металл, скалы, бурить породу. Оказывается, не фантастический гиперболоид, а реальный генератор света — лазер все это может делать.

Мне приходилось видеть, как мгновенная вспышка света рубинового лазера «прошивала» десяток стальных лезвий, делала отверстие в самом твердом сплаве. Такая «физическая» сила светового луча уже используется в практике.

Каждому известно, какой твердостью обладает алмаз. Просверлить в нем отверстие — задача нелегкая. Лазер позволил ее решить очень просто. Уже созданы установки, в которых световой луч лазера делает отверстия в алмазе любого нужного размера. И делает практически в одно мгновение.

Инженеры и конструкторы, занимающиеся металлообработкой, уже сейчас пробуют использовать лазеры для резки, плавления и сварки самых тугоплавких металлов и сплавов. Луч лазера делает это с ювелирной точностью. После лазера не нужна никакая дополнительная обработка.

Лазер — это детище нашего века. Он родился в результате огромной, кропотливой исследовательской работы ученых разных стран. Особенно большой вклад сделали советские ученые.