Глава 4. От скальпеля к световому пару

Что такое когерентность?

Долго инженеры-связисты мечтали о приборе, который по эффективности и совершенству генерации световых волн мог бы сравниться с генераторами радиоволн. Невозможно представить себе более разные по чистоте вещи, чем электромагнитные волны, испускаемые обычной лампой накаливания, и волны радиопередатчика. Действительно, радиоволны стиснуты в настолько узкой полосе электромагнитного спектра и настолько чисты от шумов, что могут служить для передачи информации. Все обычные источники света, в сущности, генераторы шумов, не пригодные в этом смысле ни для чего, кроме самой грубой сигнализации. Только с проявлением оптического квантового генератора - лазера появилась возможность точно управлять испусканием световых волн.

Исторически сложилось так, что впервые был изобретен мазерквантовый генератор, излучающий электромагнитные волны радиодиапазона. Слово "мазер" представляет собой начальные буквы английских слов "Microvawe Amplification by Stimulated Emission of Radiotion", что в переводе означает: "усиление микроволны при помощи вынужденного излучения". Затем был создан квантовый генератор, излучающий электромагнитные волны светового диапазона. Его по аналогии назвали "лазер" ("Light" по-английски означает "свет"). По существу, лазер явился материальным воплощением легендарного "гиперболоида инженера Гарина", рожденного замечательной фантазией писателя Алексея Толстого.

В нашей стране выдающихся успехов в разработке квантовых генераторов добились сотрудники Физического института Академии наук СССР (ФИАН) имени П. Н. Лебедева, ныне академики Н. Г. Басов и А. Н. Прохоров. В 1954 г. они впервые в мире создали так называемый молекулярный генератор, работающий на аммиаке. За фундаментальные исследования в области квантовой радиофизики и создание первых образцов квантовых генераторов Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в 1959 г. были удостоены Ленинской премии. В 1964 г. им же была присуждена Нобелевская премия по физике.

Лазеры дают узконаправленные лучи света громадной интенсивности. Эти лучи значительно более монохроматичны, чем лучи других источников света. Как источники единственной частоты, лазеры уже соперничают с самыми совершенными генераторами радиоволн. Развитие лазеров идет так быстро, что в скором времени они непременно найдут самое широкое применение - от космической связи и радаров до ускорения специфических реакций в химической технологии.

Чтобы ощутить недостатки световых волн обычной природы, рассмотрим, как они получаются. Все источники света: лампы накаливания, дуговые лампы и так далее - по сути своей раскаленное вещество. Правда, в хорошо известной неоновой трубке стеклянные стенки остаются холодными, но электроны и атомы газа внутри трубки ускоряются до высоких скоростей, обычно связанных с высокими температурами. Атомы непрерывно "накачиваются" в возбужденное состояние, потом они "падают" обратно, теряя энергию и излучая видимый свет. Однако возвращаются они не все разом, а по очереди. Хаотическому движению атомов, которое мы связываем с нагретыми газами, соответствует хаотическое испускание световых квантов, или фотонов. Какие именно атомы излучают в каждый данный момент - совершенно случайный процесс. Возбужденные электроны в раскаленной вольфрамовой нити лампы накаливания также излучают случайно и независимо.

Поэтому свет, полученный от любого обычного источника света, называется пространственно некогерентным. Это значит, что свет создается в виде перепутанных слабых отдельных волн, которые усиливают или гасят друг друга случайным образом. Волновой фронт, полученный таким образом, меняется от точки к точке и от одного момента времени к другому. Он напоминает волновой фронт, создаваемый в луже горстью брошенных туда камешков. С другой стороны, если в лужу бросить только один камешек, то создается когерентный круговой волновой фронт. Продолжая наши сравнения, можно представить себе точечный источник света, который может генерировать когерентные волны с фронтами, образующими сферические поверхности. В свою очередь, подходящий источник мог бы генерировать когерентные световые волны с плоскими волновыми фронтами, во всех точках плоскости которых напряженность электрического поля была бы одинаковой. По мере прохождения волновых фронтов через выделенную точку пространства можно было бы видеть плавное и ритмичное по фазе изменение напряженности электрического поля, колеблющейся между положительными и отрицательными значениями.

Если к обычному генератору радиоволн подключить небольшой излучатель подходящей конструкции, то излучатель будет испускать сферические когерентные волны. При желании к генератору может быть подключен целый набор излучающих антенн, которые будут испускать направленную волну, во многом похожую на плоскую.

Для того чтобы получить направленную волну от некогерентного источника света, необходимо взять источник малых размеров. Затем, поместив экран с отверстием на некотором расстоянии от источника, можно выделить сегмент волны, идущий в нужном направлении. В другом способе свет, испускаемый небольшим источником света, можно сфокусировать большим зеркалом или линзой, создав луч с почти параллельными образующими. Образующие луча, созданного дуговой лампой и почти двухметровым зеркалом, отклоняются от параллельности примерно на один градус. Как мы увидим позднее, излучение оптического мазера и более узко направленно, и более когерентно.

Возможно, наиболее важным недостатком обычных источников света является присущая им небольшая яркость. Как бы ни была высока их температура, они не могут излучать больше энергии, чем совершенный излучатель при такой же температуре. Теоретический выход совершенного излучателя, называемого черным телом, дается знаменитой кривой излучения черного тела, впервые найденной Максом Планком. Например, видимая поверхность Солнца ведет себя в значительной степени аналогично черному телу с температурой 6000° Цельсия. Полное солнечное излучение на всех длинах волн равно 7 кВт на квадратный сантиметр его поверхности, и как бы мы ни собирали и ни концентрировали солнечный свет, невозможно достигнуть большей плотности излучения.

Хотя 7 кВт могут показаться значительной величиной, но в действительности это не так, если принять во внимание громадную ширину солнечного спектра. Для того чтобы пояснить эту точку зрения наглядными примерами, сравним ширину видимой части электромагнитного спектра с шириной стандартного телевизионного канала, равной примерно 4 МГц [27]. После небольших вычислений видно, что область видимого спектра, расположенная между длинами волн от 4000 до 7000 А, может вместить в себя 80 млн. телевизионных каналов. Другими словами, каждый ангстрем соответствует интервалу частот около 100 000 МГц. Если бы было возможно отфильтровать узкую линию зеленого света шириной в один мегагерц из области, где солнечный свет имеет пик излучения (4800 А), мы бы тогда обнаружили, что каждый квадратный сантиметр солнечной поверхности испускает только 0,00001 Вт. Чтобы получить один ватт зеленого света в интервале частот в один мегагерц, необходимо собрать и отфильтровать излучение примерно с 10 м² солнечной поверхности. А созданные человеком передатчики, работающие в телевизионной области радиоспектра, могут легко генерировать 10 000 Вт в полосу шириной много меньшей, чем 1 МГц.

Обычные источники света подобны Солнцу: они являются широкополосными генераторами шума, размазывая свое излучение по широкому интервалу частот, и на любой данной частоте концентрируется небольшая мощность. Даже газоразрядные лампы, излучающие свет с ограниченным числом узких линий спектра, уступают генераторам радиоволн по мощности, генерируемой на одной частоте.

Были приложены значительные усилия, чтобы использовать генераторы радиоволн для получения более коротких волн; длина самой короткой волны, которая может генерироваться средствами обычной радиотехники, примерно 1 миллиметр или 10 миллионов ангстрем. Любая попытка получить таким путем более короткие волны сталкивается с огромными трудностями. В первую очередь - это трудность в изготовлении резонатора, который настраивает генератор. Эти резонаторы редко могут значительно превышать длину волны. При миллиметровой длине волны они уже настолько малы, что их трудно изготовлять с одинаковой точностью. Для создания волн оптических длин, величина которых на три порядка меньше, нужен совершенно другой подход.

Привлекательное решение проблемы заключалось в отказе от попыток создать такие крошечные резонаторы и замене их атомными или молекулярными резонаторами. Природа снабдила нас большим числом таких резонаторов во всех областях спектра - инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой. Действительно, инженеры привыкли использовать атомные колебания в газоразрядных лампах. Однако единичный атом излучает очень мало энергии, да и то с интервалами. Что было бы нужно - так это какой-то способ синхронизировать большое число атомов таким образом, чтобы они могли работать вместе, создавая мощную когерентную волну.

Такой способ и был создан на основе принципа мазера. Первый мазер, созданный в 1954 г., использовал колебания молекул аммиака для получения микроволновых колебаний точно определенной частоты. Был указан практический способ изготовления так называемого трехуровневого твердотельного мазера для использования его в качестве низкофонного усилителя микроволн. Впоследствии были созданы многие другие типы мазеров. Радиоастрономы нашли их очень удобными для усиления слабых радиосигналов из космоса, В последние годы мазеры использовались и для усиления слабых сигналов, отраженных от спутника "Эхо" [27].

Как работает лазер?

Процесс вынужденного излучения, лежащий в основе действия как мазера, так и лазера, является обратным процессу, в котором электромагнитные волны, или фотоны, поглощаются атомными системами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона превращается во внутреннюю энергию атома. В результате атом переходит в возбужденное квантовое состояние. Позднее он может излучать эту энергию спонтанно, испустив фотон и вернувшись в основное как в какое-либо промежуточное состояние. Когда атом все еще возбужден, его можно вынудить испустить фотон, если с ним столкнется внешний фотон, имеющий энергию, равную энергии возбуждения. Число фотонов увеличится на фотон, испускаемый предварительно возбужденным атомом. Еще более важно и замечательно то, что эта волна испускается в фазе с волной, которая запустила ее. Это явление лежит в основе принципа лазера.

Проблема создания лазера заключается в приготовлении активной среды, в которой большинство атомов может быть переведено в возбужденное состояние. Тогда электромагнитная волна нужной частоты, проходя через нее, будет вызывать ливень фотонов. Для того чтобы вынужденное излучение превышало поглощение, необходим избыток возбужденных атомов. Атомы переводятся в возбужденное состояние с помощью инжекции в систему электромагнитной энергии на длинах волн, отличающихся от длины волны вынужденного излучения; активационный процесс называется накачкой.

Приготовленную активную среду необходимо поместить в полость-резонатор. Тогда волна, возникающая на одной из стенок резонатора, будет увеличиваться по амплитуде до тех пор, пока не достигнет другой стенки, где она отразится обратно в массу возбужденных атомов. На стенках неизбежно существуют потери из-за неидеальности отражения. Если усиление вынужденного излучения достаточно велико, чтобы превысить потери при отражении, то в боксе будет усиливаться стоячая волна. Для сантиметровых волн нетрудно создать бокс, имеющий размеры длины волны и сконструированный таким образом, чтобы устанавливалась волна только одной частоты колебаний. Единственной частоте колебаний соответствует единственная частота выходящего излучения. Добавочные частоты создают гармоники, или шумы, и конкурируют с нужной частотой в распределении энергии, выделяющейся из массы возбужденных атомов.

Для оптических длин волн размеры монохроматического резонатора должны быть неприемлемо малыми. Чтобы преодолеть эту трудность, в 1958 г. был предложен резонатор специального типа для создания квантового генератора на оптических длинах волн. Размеры такого резонатора в тысячи раз больше, чем длина волны излучения, но тем не менее он выделяет одну частоту колебаний. В лазере резонаторный бокс заменялся установкой с двумя маленькими зеркалами, расположенными друг против друга. Волна, которая возникает вблизи одного зеркала и распространяется вдоль оси системы, будет расти за счет вынужденного излучения до тех пор, пока не достигнет другого зеркала. Здесь оно отразится обратно в активную среду и будет продолжать расти. Если увеличение интенсивности в последующих проходах достаточно для того, чтобы превысить потери в зеркалах, то установится стоячая волна. Если одно из зеркал полупрозрачно, то часть волны может испускаться через него, образуя излучение мазера.

Очевидно, что волна, распространяющаяся под углом к оси, покинет систему уже после нескольких отражений или, может быть, даже без попадания хотя бы на одно из зеркал. Такая волна не имеет той вероятности усилиться, какой обладает волна, движущаяся вдоль оси системы. Подобно другим мазерным вибраторам, оптический мазер, запускается первыми спонтанно испущенными фотонами после того, как система "накачана" в активное состояние. (С другой стороны, лазер, сконструированный для работы в роли усилителя, использует входной сигнал как вынуждающую волну.) Можно ожидать, что излучение идеального лазера, сконструированного таким образом, будет остронаправленным, очень мощным, существенно монохроматичным и, самое главное, когерентным. Излучение должно быть остронаправленным по той причине, что только те испущенные волны могут проходить много раз - может быть, тысячи - через активную среду, которые не отклоняются слишком далеко от оси мазера. Оно должно быть очень мощным, потому что вынужденное излучение заставляет возбужденные атомы излучать значительно раньше, чем они сделали это спонтанно. Оно должно быть очень монохроматичным, потому что вынужденное излучение является резонансным процессом и происходит наиболее сильно в центре полосы частот, которые могут испускаться при спонтанном излучении. В свою очередь, эти избранные частоты будут вызывать излучение той же самой частоты, так что волна, установившаяся в лазере, будет содержать только чрезвычайно узкую полосу частот, или длин волн.

Наконец, излучение лазера, если оно представляет хорошую аппроксимацию плоской волны, движущейся в одном направлении, будет пространственно когерентным в силу того, что все волновые фронты являются плоскостями, перпендикулярными направлению распространения. Так как лазерное излучение весьма монохроматично, оно когерентно и во времени. Это значит, что существует определенная неизменная разность фаз между ВОЛНОЙ, испущенной в какой-то момент времени, и волной, испущенной несколько позже. Для волны, чей период равен одной секунде, гребни следуют один за другим через интервал в одну секунду. С другой стороны, если частота изменяется, то интервал между гребнями неравномерный. Чем ближе волна к одной фиксированной частоте, тем она более когерентна во времени.

Для проверки этих предположений требовалось приготовить активную среду, которая действительно могла бы обнаружить мазерный эффект в оптической области спектра. Первое сообщение об успехе было сделано в июле 1960 г. при использовании в установке рубинового кристалла [27]. Между июлем и концом 1960 г. еще четыре вещества были успешно применены несколькими учеными. Все эти приборы осуществляют на практике идею отражающих граничных зеркал, описанную выше. Получены оптические лазерные генераторы на различных 11 длинах волн. Вероятно, что этот набор волн значительно пополнится.

Рубиновая молния

Рубиновый лазер - типичный пример мазера на кристаллах. Рубин - это окись алюминия, в которой некоторое число атомов алюминия заменено атомами хрома; чем больше хрома, тем глубже цвет. Цвет кристалла объясняется тем, что атомы хрома в кристалле поглощают широкую полосу зеленого и желтого света вместе с ультрафиолетовым и пропускают только красный и голубой свет. Более того, поглощаемый свет переводит атомы хрома в возбужденное состояние. Из него возможно двухступенчатое возвращение в основное состояние. На первой ступени возбужденные атомы хрома передают некоторую часть своей энергии кристаллической решетке и опускаются в так называемое метастабильное состояние. Если атомы хрома не вынуждать к излучению, то они остаются на этом уровне в течение нескольких миллисекунд, переходя случайным образом в основное состояние. Фотоны, испущенные во время этого последнего перехода, имеют при комнатной температуре длину волны в 6943 А, которая соответствует характерной красной флюоресценции кристалла рубина. Однако в лазерах несколько первых фотонов, высвобожденных с этой длиной волны, вынуждают уже возбужденные атомы хрома испускать фотоны и переходить в основное состояние значительно быстрее, чем это было бы при спонтанном переходе. Тогда возникает ливень фотонов с одинаковой длиной волны 6943 А. Сначала был использован бледно-розовый кристалл рубина, содержащий 0,05% хрома [27].

Для использования в лазере розовый рубин подвергается механической обработке и превращается в стержень длиной около четырех сантиметров и диаметром в полсантиметра. Его торцы с помощью полировки делаются оптически плоскими и параллельными и частично серебрятся. Стержень помещается вблизи импульсной электронной трубки, дающей широкополосный накачивающий спектр. Ученые обнаружили, что наиболее сильные из этих ламп, соединенные с мощными источниками питания, могут перевести большинство атомов хрома в возбужденное состояние. До определенного критического уровня накачки ничего не происходит, кроме испускания рубином размытого импульса, типичного для флюоресцентного света. Испускание длится в течение времени, обычного для распада возбужденных атомов. Но за критическим уровнем начинается действие лазерного эффекта - интенсивный импульс красного света длительностью примерно в полмиллисекунды испускается из частично посеребренных торцов. Он указывает на то, что достаточный избыток атомов был накачан в возбужденное состояние, чтобы превысить потери на торцах.

В 1959 г. было высказано [27] предположение, что можно создать лазер, использующий темно-красный рубин, содержащий в 10 раз больше хрома, чем розовый. Предполагалось, что при такой высокой концентрации будет иметь место лазерный эффект одновременно для двух различных длин волн. В другом типе твердых лазеров использовались ионы самария и урана в кристаллах флюорида кальция.

Все эти лазеры сначала работали в режиме генерации коротких импульсов, но, по-видимому, они могут работать и в непрерывном режиме. Активная среда, использованная в них, менее пригодна для этой цели, чем другие среды, в которых вынужденное излучение происходит при переходах на промежуточный энергетический уровень, расположенный несколько выше основного состояния. Поэтому нет необходимости тратить энергию, выкачивая половину атомов из основного состояния, для того чтобы излучение могло превышать поглощение. В новых материалах промежуточное состояние, в которое атомы переходят после излучения фотонов требуемой частоты, можно освобождать при помощи простого охлаждения. Тогда активная среда содержит очень немного атомов, настроенных на поглощение фотонов, созданных при действии лазерного эффекта. Для запуска необходима только достаточная накачка мазера.

Совершенно другой способ получения возбужденных атомов для лазера используется в электрической газоразрядной трубке. В гелий-неоновой (He-Ne) газовой смеси можно добиться лазерных колебаний на нескольких длинах волн в инфракрасной области. Это устройство было предложено в 1959 г. Основная черта этого лазера - возможность непрерывной работы при очень малом потреблении энергии.

В этом лазере вынужденное излучение происходит при переходах атомов неона между двумя промежуточными уровнями, самый нижний из которых расположен достаточно высоко над основным состоянием. Для создания газового разряда требуется энергии, по существу, столько же, сколько и в обычной неоновой трубке. Кроме того, это обеспечивает перевод атомов неона на определенный уровень возбуждения, нужный для создания непрерывного лазерного луча. Так же как и в рубиновых лазерах, луч усиливается и делается когерентным при многократном отражении между плоскими торцами.

Семейство лазеров

Гелий-неоновый лазер является примером увеличившейся хитроумности лазерных конструкций. Энергия, необходимая для перевода атомов неона в возбужденное состояние, не передается непосредственно внешним фотоном; она передается при столкновении с возбужденным атомом гелия. Множество других возможностей еще остается исследовать. Энергетические уровни, пригодные для лазеров, могут быть найдены во многих различных типах систем. Например, в инфракрасной области спектральные линии создаются колебаниями газовых молекул, кристаллов и электрическим возбуждением определенных атомов в кристаллах. Какой из этих способов лучше использовать в лазере, можно будет выяснить лишь после детального изучения спектров систем.

В настоящее время, когда уже созданы лазеры, можно сравнить ожидавшиеся параметры испускаемого луча с реально полученными. К этим параметрам относятся мощность, направленность, когерентность и ширина полосы частот. Наибольшее количество информации накоплено о розовом рубиновом лазере. Образующие луча отклоняются от параллельности менее чем на полградуса. При меньшей мощности расхождение луча уменьшается. Такая расходимость соответствует размазыванию луча только около метра на километр, и оно может быть уменьшено при пропускании луча через телескоп в обратном направлении. Используя телескопическое уменьшение расхождения, можно спроектировать на Луну пятно света диаметром лишь в 3,2 км [27].

При желании мощность лазера может быть сконцентрирована для создания интенсивного нагрева. Например, линза с фокусным расстоянием в один сантиметр будет фокусировать луч в пятно диаметром только в сотую часть сантиметра. В этом пятне лазерный луч будет выделять мощность с огромной плотностью. Хотя вспышка и коротка, но ее мощность в тысячи раз больше, чем могла бы быть получена при фокусировании солнечного света, и достаточна для плавления или испарения поверхности даже наиболее огнеупорного вещества.

Рубиновый лазер не обладает в некоторых отношениях идеальными свойствами. В частности, это относится к ширине генерируемой полосы частот. Генерируя мощные импульсы, рубиновый стержень заметно нагревается. При этом, когда достигнут лазерный порог, полоса частот сужается. Она имеет такую же ширину, как и самая узкая линия от любого немазерного источника [27].

Рубиновый лазер по монохроматичности остается далеко позади газового лазера. Возможно частота лазерного излучения будет дрейфовать во времени, но в течение короткого периода времени она обладает замечательной стабильностью. В области радиочастот эта стабильность сравнима лишь с лучшими стандартами частоты и атомными часами.

Из всех свойств лазера ни одно не является более удивительным, чем пространственная когерентность его света. Это легко продемонстрировать, используя лазер в классическом эксперименте Томаса Юнга по интерференции света на двух щелях.

Обычно в эксперименте источник света помещается на таком расстоянии от щелей, чтобы волновые фронты достигали их, двигаясь почти перпендикулярно плоскости щелей. Если источник света большой или расположен близко к щелям, интерференционная картина смазывается. Поэтому эксперимент Юнга является хорошей проверкой перпендикулярности волновых фронтов и когерентности волн.

Когда проводится эксперимент с лазером, щели могут располагаться непосредственно на поверхности, из которой испускается луч. В результате появляется четкая интерференционная картина. Она хорошо согласуется с картиной, вычисленной в предположении полной когерентности в области с размерами, равными расстоянию между щелями. Фактически в рубиновом стержне область когерентности обычно ограничена кристаллическими дефектами и составляет примерно одну десятую диаметра стержня. В газовом же лазере область когерентности становится равной всей площади торца.

Лазер настолько новый источник света, что приходится напрягать воображение, чтобы представить его все новые возможные применения.

Рисует световой луч

Конечно, передача сигнала является одним из самых очевидных способов использования, и ему уделяется наибольшее внимание в технике. Передача сигнала светом, хотя она используется людьми с древних времен, была ограничена в своих возможностях из-за слабости и большого фона доступных источников света. Тем самым сильно ограничивался объем информации, которую мог нести сигнал. Обычный световой луч можно сравнить с чистой, гладкой несущей волной, которая уже модулирована шумом коротких импульсов света, случайно испущенного отдельными атомами источника. С другой стороны, лазер может давать почти идеально гладкую волну, свободную от каких бы то ни было модуляций, несущую только то, что в нее хотят заложить.

Если будут найдены удобные методы модуляции, когерентные световые волны смогут переносить огромный объем информации. Дело в том, что частота света настолько велика, что ширина даже узкой полосы видимого спектра содержит в себе огромное количество колебаний в МГц. Объем информации, который может быть передан, прямо пропорционален числу таких колебаний, т. е. ширине полосы частот. Здесь необходимо различать ширину спектральной линии немодулированного лазерного луча, или несущей волны, и ширину полосы после записи на нее сигнала. В телевизионной передаче несущая волна (тоже узкая) передает сигнал, создающий эффективную ширину полосы в 4 МГц. Один лазерный луч, по разумным оценкам, может нести сигнал с частотой, или шириной полосы, 100 000 МГц при условии, что найден способ генерировать такой сигнал. Сигнал такой частоты может нести столько же информации, сколько все каналы радиосвязи, существующие в настоящее время. Необходимо признать, что световой луч не сможет достаточно хорошо проходить через туман, дождь или снег. Поэтому было бы полезно в системах наземной связи световые лучи помещать в световоды [27].

Конечно, будут найдены другие способы использования лазеров. Очень горячий зайчик в фокусе луча лазера может использоваться для производства электронных приборов всех типов. Например, можно будет сваривать мельчайшие детали, находящиеся внутри стеклянного баллона. В дополнение к высокой мощности лазер является интенсивным источником когерентного излучения с очень высокой напряженностью электрического поля. В таких сильных полях атомы или молекулы могут вступать в странные и непредсказуемые реакции. Поэтому лучи могут быть полезны во многих областях научных исследований. Можно представить использование лазерных лучей в генераторах гармоник, или смесителях. В подходящий смеситель можно ввести две световые волны различной частоты и получить из него третью волну с частотой, равной разности первичных. Этим путем можно было бы синтезировать длины волн, которые не могут быть получены непосредственно. При известных обстоятельствах это должно привести к созданию супергетеродинных приемников, которые могут превращать оптические длины волн в любую более длинную волну нужной частоты.

Сравнительно недавно стало известно [27], что, если имеется достаточно мощный источник инфракрасного излучения нужной частоты, можно возбудить колебания в особом виде молекул. Любые другие молекулы, которые могут оказаться вместе с ними, не будут возбуждаться. Из-за того, что возбужденные молекулы будут реагировать более энергично, чем другие, можно осуществлять очень тонкое управление некоторыми видами химических реакций. До настоящего времени все применявшиеся источники света были слишком слабы, чтобы такие возможности серьезно рассматривались, но лазеры при известных обстоятельствах могут сделать такое управление реальностью.

Необходимо понять, что мы говорим о целом семействе приборов, охватывающих широкий интервал частот и мощностей. Семейство будет включать в себя не только генераторы, но и усилители. Один тип будет полезен для усиления светового сигнала, который оказался ослабленным при прохождении большого расстояния (либо по световодам, либо через межпланетное пространство). Другой тип усилителя сможет усиливать целое изображение (например, слабое изображение звезды), которое подается на него.

Список возможных применений лазеров может быть расширен почти до бесконечности. С появлением лазера управление светом достигло совершенно нового уровня. Однако одна из наиболее увлекательных перспектив для работающих в этой области заключается в том, что новая степень управления откроет такие возможности использования света, какие до сих пор и не снились.

Берегите глаза от ...лазера

Использование лазера для получения голограмм медико-биологических объектов сопряжено с определенными трудностями. Особо следует быть внимательным, когда объектом изучения становится сам человек и тем более его зрительный анализатор. Напомним, что глаз в целом, со всеми своими оптическими элементами, эквивалентен слою воды в 2,28 см толщиной. Граница длинноволнового светового излучения, пропускаемого этими элементами, начинается с λ= 900 ммкм. Сетчатка глаза может быть уподоблена своеобразной фоточувствительной эмульсии фотографической пленки. Однако фотографический процесс здесь обратим. Спроецированное оптическими элементами глаза изображение фокусируется на сетчатку, которая воспринимает это изображение и снова восстанавливает свою чувствительность. Квант света, дойдя до фоточувствительных клеток, взаимодействует путем фотохимической реакции с молекулой родопсина (зрительного пурпура). Образующиеся при этом импульсы возбуждения по цепи (окончания глазного нерва - нерв - зрительный центр в мозгу) создают у нас ощущение света в строго локализованном воображаемом пространстве.

Глаз - сверхвысокочувствительная оптическая система. По данным академика С. И. Вавилова, уже 8 - 10 фотонов достаточно для того, чтобы получить зрительное ощущение в сине-зеленой части спектра, что невозможно ни для какой фотоэмульсии. Это соответствует энергии 1,4*10^-8 эрг/см².

Теперь рассмотрим, как может взаимодействовать лазерное излучение с различными элементами оптической системы глаза. Прежде всего необходимо иметь в виду, что степень поражаемости той или иной ткани во многом зависит от того, какое действует излучение и как его поглощает эта ткань. Все лазерные системы по диапазонам излучаемого света можно грубо разделить на три вида, дающих ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения.

В ультрафиолетовом диапазоне от 240 ммкм до 450 ммкм идет интенсивное поглощение излучения всеми белковыми структурами глаза, в том числе роговой оболочкой и хрусталиком. Поэтому одним из первых факторов поражения является разрушение молекул белка роговой оболочки и ожог слизистой оболочки (конъюнктивы). Болевые ощущения возникают не сразу, а через некоторое время. При больших плотностях энергии коагуляция белка роговицы ведет к полному необратимому ослеплению.

В видимом диапазоне излучение проходит без особых реакций через оптические среды глаза и воздействует главным образом на светочувствительные клетки сетчатки, вызывая или временное ослепление, или ожог с последующими рубцеваниями, приводящий к потере зрения в данной области зрительного пространства [23].

Ближняя и средняя область инфракрасного излучения (от 820 до 1500 ммкм) очень сильно поглощается радужной оболочкой, хрусталиком и стекловидным телом. Богатая пигментом радужная оболочка глаза сильно нагревается и за счет теплопроводности вызывает коагуляцию белка хрусталика. Поражение глаз происходит через длительный промежуток времени. Нагрев радужной оболочки вызывает раздражающее ощущение и мигательный рефлекс. При больших плотностях энергии ослепление необратимо вследствие температурного помутнения хрусталика.

Дальняя область инфракрасного излучения (1500- 1640 ммкм) генерируется преимущественно лазерами на стекле или итриево-алюминиевом гранате с примесью эрбия и сильно поглощается поврежденными тканями глаза, преимущественно роговой оболочкой. Этот диапазон считается наименее опасным для глаз, так как поражения возникают поверхностные, временного характера и только при больших плотностях энергии излучения.

Описанный механизм фотохимического преобразования зрительных пигментов, естественно, создает определенную инертность зрительной реакции на период, необходимый для восстановления пигмента, прекращения состояния возбудимости зрительных нервов и т. д. Поэтому особенный интерес представляют исследования ослепления зрительного анализатора при воздействии ярких вспышек. Каждому, кто сталкивался с явлением перехода из ярко освещенного помещения в относительную темноту, известно ощущение временной потери зрения. При направленном свете блиц-лампы фоторепортеров на некоторое время ухудшается зрение, особенно если это происходит в малоосвещен-ном помещении. Но несмотря на большой накопленный в различных ситуациях фактический материал, механизмы ослепления изучены недостаточно, и до сих пор нет ясности в том, какие процессы происходят в самом зрительном анализаторе.

Существует несколько точек зрения на эти процессы, одна из которых заключается в так называемой дезадаптации, т. е. нарушении установившегося светового баланса падающей и трансформируемой глазом световой энергии вследствие ее переизбыточного количества. Установлено, что восстановление адаптации после воздействия кратковременных ярких световых вспышек отличается от воздействия умеренных интенсивностей и яркостей. Материал таких исследований показывает, что в глазу происходят специфические изменения, которые и обусловливают сравнительно длительное восстановление световой чувствительности. Многими авторами установлено, что роль фотохимических процессов и, в частности, разложение и скорость восстановления родопсина различны в зависимости от длительности и яркости засветки. Большинство исследователей сходятся на том, что основная роль в механизмах дезадаптации принадлежит самым первым звеньям световосприятия на уровне сетчатой оболочки. В дальнейшем подключаются процессы в центральной части анализатора, а именно в корковых отделах головного мозга, что вызывает нарушение световосприятия в течение 10-15 мин после вспышки.

К настоящему времени известно большое количество различных ситуаций, вызванных случайным воздействием на зрительный анализатор излучения лазера. Так, в американской литературе [23] описан случай, происшедший в одном из учебных заведений США, когда студент подвергся непосредственному попаданию луча лазера в правый глаз. Через 20 мин после облучения пострадавший был обследован врачами. У него не отмечалось никаких болей или неприятных ощущений. Только объективное обследование показало понижение остроты зрения, умеренную инъекцию (расширение кровеносных сосудов) глазного яблока и незначительный отек верхнего века. Через сутки офтальмологическое обследование показало наличие ожога сетчатки, хорошо очерченного и имеющего пигментные включения. В дальнейшем на месте ожога образовался рубец, снизивший остроту зрения пострадавшего.

Большую опасность представляет не только прямое непосредственное попадание луча лазера в глаз, но и отражение излучения от различных бликующих поверхностей. Известен несчастный случай (ФРГ) с научным сотрудником лаборатории, занимавшимся фокусировкой луча на стеклянную кювету с раствором бензола. Луч лазера прошел через кювету, отразился от бутыли, стоявшей на полке в лаборатории, и попал в глаз сотруднику. Через 19 ч развился ожог с последующим рубцеванием и понижением остроты зрения. Анализ данного несчастного случая установил, что энергия, попавшая в глаз пострадавшему, составляла от 1 до 3 ммДж. Отмеченный случай показывает, что опасно не только прямое попадание луча лазера, но и вероятность вторичных эффектов, когда повреждение глаза обусловливается отражениями в направлении, далеком от основного луча лазера.

Появление и развитие лазерных голографических устройств большой мощности, применяемых для биологических исследований, с особой остротой ставит проблему опасности рассеивания в атмосфере (в зависимости от ее агрегатного состояния) основного луча. Работы многих зарубежных исследователей в настоящее время посвящены весьма актуальной проблеме - опасности для человека и особенно для глаз источников лазерных излучений. Установлены и границы излучаемых мощностей, значения которых достаточны для получения ответного сигнала с локируемого объекта и в то же время не представляют опасности для человека. При этом большое значение имеет спектральная характеристика выбранного диапазона частот и соответственно сам источник лазерного излучения (рубин, неодим и т. д.).