Глава VII. Применение и направления дальнейшего развития лазеров

§ 18. Применение лазеров

Область возможных применений лазеров неоднократно обсуждалась в ряде научно-технических журналов и в прессе. Некоторые из возможных применений уже осуществлены, а относительно других опубликованы предварительные результаты. Здесь будет рассмотрено несколько наиболее интересных идей.

Область применений лазеров разделяется на три части: научные применения, использование света для передачи информации и использование света с целью получения высоких плотностей энергии для технологических и военных целей.

Лазер является необычным экспериментальным прибором, позволяющим изучать взаимодействие излучения с веществом при чрезвычайно высоких плотностях энергии. Само по себе интенсивное излучение лазера может быть еще больше сконцентрировано с помощью линз и зеркал. Плотность излучения может достигать таких значений, при которых становятся существенными процессы одновременного поглощения двух фотонов. Возникновение вторых гармоник, имеющих длину волны 3472 Å при облучении кварца светом рубинового лазера (длина волны 6943 Å), было показано Френкином и др. [25]. Смешение света, излучаемого двумя рубиновыми лазерами, было также продемонстрировано этой группой исследователей [8]. Два пучка света от различных лазеров были совмещены с помощью полупрозрачного серебряного зеркала и направлены на поверхность кристалла триглицинсульфата. Кристаллы лазеров находились при различной температуре, чем достигалось различие в длинах волн генерируемого излучения на 10 Å. При помощи спектрографа наблюдалось появление вторых гармоник, а также излучение с частотой, равной сумме частот генераторов. Джиордмейн [27] наблюдал смешение плоских световых волн, имеющих различные направления распространения, в кристаллах с неаксиальной симметрией и возникновение вторых гармоник в несфокусированном световом пучке. Дальнейшая интересная работа по генерации вторых гармоник в кристалле KDP^* была опубликована Мейкером, Терханом, Нисенофом и Севеджем [60]. Процесс одновременного поглощения двух фотонов ионами европия наблюдался Кайзером и Гарретом [43].

^* (KDP - сокращенное название дигидрофосфата калия (KH₂PO₄).- Прим. ред.)

В экспериментах по смешению световых пучков было получено также излучение с различными частотами. Мак Мартри и Сигмен [55] наблюдали при смешении двух различных типов колебаний, генерируемых рубиновым лазером, ряд микроволновых гармоник в области от 2000 до 4000 Мгц.

К числу интересных экспериментов с лазерными световыми пучками необходимо отнести также опыты Кислика и Уоша [47], в которых наблюдались интерференционные полосы при совмещении двух пучков света, выходящих через полупрозрачные зеркала с противоположных концов рубина.

Количество возможных оптических экспериментов с излучением лазеров велико, и они не могут быть полностью перечислены здесь, поэтому мы ограничимся лишь наиболее важными из них.

Вследствие когерентности и высокой монохроматичности излучения лазеров оно может быть использовано в качестве стандартов частоты, например при освещении интерферометров, а также в любых экспериментах, в которых существенную роль играет дифракция и интерференция света. В спектроскопии излучение лазеров может быть использовано как средство возбуждения исследуемых веществ. Возбуждение вещества может быть обусловлено либо квантовыми переходами при поглощении излучения лазера, либо нагревом небольших объемов до высоких температур.

В области радиосвязи лазеры могут дать два необычных преимущества. Первое из них связано с шириной полосы передаваемого сигнала. Как известно, скорость передачи информации пропорциональна ширине полосы несущего сигнала. Переход от микроволнового диапазона к оптическому увеличивает возможную ширину полосы в 10 000 раз или даже больше. Следовательно, если будет найден соответствующий метод модуляции и демодуляции света, можно будет передавать чрезвычайно большие объемы информации. В этом случае один лазер мог бы заменить по объему передаваемой информации всю систему связи между восточным и западным побережьями США. Необходимые методы модуляции и г демодуляции пока еще не разработаны, однако эта проблема в настоящее время интенсивно изучается. Для целей радиосвязи может быть использован непрерывно работающий лазер, например на смеси гелия и неона.

Второе обстоятельство связано с возможностью осуществления направленной радиосвязи. Для радиосвязи между двумя заданными точками необходима (концентрация передающего сигнала в узкий пучок волн. Расходимость пучка волн микроволнового диапазона определяется дифракцией. Чтобы получить в сантиметровом диапазоне волн угол расходимости в несколько градусов, необходимы антенны значительных размеров. В оптическом диапазоне такая же расходимость пучка волн могла бы быть получена с помощью антенн, размеры которых в десятки тысяч раз меньше размеров антенн в микроволновом диапазоне. В действительности же расходимость пучка волн оптического диапазона ограничена, как правило, другими причинами, а не размерами антенны. Однако вполне возможно получать пучки с углом расходимости в несколько микрорадиан. По-видимому, узкие пучки излучения представляют наибольший интерес для направленной радиосвязи в космосе, где отсутствует ослабление сигнала, связанное с атмосферным поглощением. Наличие же поглощения в атмосфере является в настоящее время основным препятствием в применении лазеров для наземной радиосвязи.

Одна из важных задач радиотехники - определение положения удаленных объектов, иначе говоря, дальнометрия. Первое применение лазера было осуществлено как раз в этой области. В январе 1961 г. Баденхаген, Лендьел, Мак Кланг и Смит [14] провели измерение расстояний до различных объектов, расположенных вблизи Исследовательской лаборатории фирмы Хьюз. Измерения удавалось проводить на расстоянии до 3000 м днем и 11 200 м ночью. Впоследствии Стич, Вудбери и Морзе [82] (Хьюз Эркрафт Компани) разработали дальномер, в котором используется когерентное оптическое излучение, названный ими "Колидар". В то время, когда проводились эти эксперименты, еще не были разработаны лазеры, имеющие мощные импульсы излучения определенной формы, подобные импульсам, получаемым с помощью метода Хелворта и Мак Кланга или метода дополнительного возбуждения, описанные в § 10. Применение этих лазеров и фильтров, снижающих шумы, могло бы увеличить дальность действия дальномеров более чем в 10 раз. Хотя и не следует думать, что импульсные лазеры заменят обычные радиолокаторы, тем не менее они обладают преимуществами, связанными с наличием узких пучков, и свободой от посторонних помех. При определенных условиях эти обстоятельства могут определить целесообразность применения лазеров в локационных системах.

Возможность концентрации излучения в малых объемах следует рассматривать в связи с научными экспериментами. Было установлено, что излучение лазера, сфокусированное на различные объекты, может вызвать локальное испарение. Например, в пачке из нескольких лезвий бритв, помещенных в фокус объектива, излучение лазера прожигает небольшие отверстия. В одной из лабораторий, где точный прибор для измерения энергии излучения находился еще в стадии разработки, энергия лазера обозначалась условно числом лезвий бритв, которое пробивалось излучением, когда лезвия, сложенные в плотную пачку, помещались в фокусе объектива. В фокусе объектива испаряются также углерод и другие материалы. Один из фотохимических экспериментов был проведен Баденнагеном и Остером (см. [13]). Хотя прямая цель этого эксперимента состояла в определении распределения интенсивности в пучке, тем не менее он показал, что излучением лазера можно воздействовать на ход химических реакций во времени и пространстве. Вследствие монохроматичности излучения лазеров оно может быть использовано для возбуждения колебаний определенных молекул или радикалов, в то же время не воздействуя на другие объекты. Таким образом, может оказаться возможным осуществить значительный селективный контроль над ходом ряда химических реакций.

Возможность концентрации энергии излучения лазера может быть использована для обработки материалов (механическая обработка, сварка). Возможно также применение излучения для целей разрушения. Пожалуй, нельзя не отметить значение лазеров для биологии, где высокая концентрация энергии в малой точке может вызывать образование некоторых тканей или разрушение других.

Воздействие излучения лазера на чувствительные к свету ткани весьма значительно. Например, даже на больших расстояниях от лазера при попадании пучка света в глаза существует опасность поражения зрения.