17.04.2015

Что из себя представляют 'марши фотонов' – лазеры

Идея создать световой луч огромной энергии появилась очень давно. Как гласит известная легенда, еще в III в. до н. э. защитники греческого города Сиракузы сожгли флот римлян, фокусируя при помощи зеркал солнечные лучи на просмоленных бортах галер.

Через пару тысяч лет, в 1930-х годах, гениальный и непредсказуемый Никола Тесла заявил, что создал лучевое "супероружие, которое положит конец войне". Дошло ли дело до действующей установки, так до сих пор и не ясно. Впрочем, в эти годы уже полным ходом разрабатывалась теоретическая база для создания устройств, которые сегодня мы называем лазерами. В это же время (1927 г.) появляется роман Алексея Толстого "Гиперболоид инженера Гарина" — его можно считать своего рода подготовкой общества к восприятию новой технологии. А после Второй мировой фантастические мечты и вполне обоснованные идеи воплотились в "железо".

Из толпы — в строй

Кратко описать принципы работы лазерной установки невозможно — ведь для этого нужно писать об оптических резонаторах, энергиях накачки и рабочих телах. Но попытаемся хотя бы изложить задачу, которую она решает.

Для начала представьте себе электрическую лампочку и фонарик, в котором первая объединена с рефлектором. Частицы электромагнитного излучения (их называют фотонами, и они проявляют свойства частицы и волны одновременно) ведут себя как толпа, в которой все движутся в самых разных направлениях. Более того, все "участники толпы" представляют собой разные расы рода человеческого. Применительно к электромагнитному излучению это означает, что лампа излучает волны самой разной частоты. Применение рефлектора позволяет направить нашу толпу фотонов примерно в одном направлении. Все начинает выглядеть как тротуар на улице с односторонним движением. А всевозможные ухищрения (в самом простом случае — покрасить колбу лампы в какой-то определенный цвет) позволяет получить более-менее однородную толпу. То есть в излучении начинает преобладать одна длина волны.

Наконец, даже если мы уже направили эту толпу в одном направлении, до вполне определенного пункта дойдет далеко не каждый. Участники будут стараться улизнуть в разные стороны, толпа станет рассеиваться.

Так вот, устройство, которое называется лазером, выполняет следующую задачу: оно организует порцию фотонов, полученных из какого-то источника. Это уже не толпа, а колонна, идущая в ногу, не отклоняющаяся ни на шаг в сторону и состоящая из однотипных участников (т. е. фотонов одной длины волны). Так, весьма примерно, можно представить формирование "когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного" потока излучения.

Полезное изобретение: на все руки мастер

История изобретения только перешагнула возраст в полвека, но представить цивилизацию без лазера уже невозможно. Ученые считают, что эти устройства совершили такой же переворот, как и широкое внедрение электричества в конце XIX в. В промышленности и науке это — обработка материалов (сварка, резка, изменение свойств поверхности) и всевозможные измерения (дальномеры, изучение состава веществ и т.д.). В медицине — бескровная хирургия, стоматология, коррекция зрения, косметологические операции (удаление волос и татуировок). В области коммуникаций не обойтись без оптико-волоконных систем. В последнее время все больше надежд возлагают на использование лазера в установках термоядерного синтеза.

В шоу-бизнесе широко применяются лазерные световые эффекты. Иногда они бывают совершенно неожиданными. Так, композитор Жан-Мишель Жарр на концертах использует "лазерную арфу", состоящую из нескольких лучей, которые нужно "перебирать" руками, как струны. Наконец, в быту лазеры считывают и записывают компакт-диски, разбираются со штрихкодами, печатают бумаги в принтерах и служат игрушками и указками.

Глаза разбегаются

В зависимости от конструкции лазерная установка может генерировать самые разнообразные лучи. Первый лазер (впрочем, этого слова тогда еще не было и говорили лишь о квантовом генераторе) на молекулах аммиака "выдавал на-гора" поток излучения сантиметрового диапазона. В 1960 г. заработал квантовый генератор в оптическом диапазоне. Иными словами, луч можно было уже видеть. В нем применялся кристалл рубина. А дальше процесс появления новых лазеров развивался лавинообразно. Сегодня лазерные стержни делают из рубина, граната, стекла с примесями редких металлов. Кроме того, распространены газовые лазеры (в том числе эксимерные, применяющиеся в глазной хирургии).

Наконец, упомянем о жидкостных лазерах, в которых используются, например, органические красители, а также полупроводниковые — на основе веществ с особыми электрическими свойствами.

Луч в камуфляже

Война стала областью, где лазеры мгновенно нашли применение. Невозможно представить армию без лазерных прицелов и систем наведения.

Увы, неразумное человечество упорно желает заполучить именно "лучи смерти", которые способны прожигать дыры в любой броне. И работы в этом направлении начались немедленно после того, как заработали первые лабораторные установки.

СССР. В 1970—1980-х годах появились наземные комплексы Х2-М, Б-1 и авиакомплекс "Ладога". В 1984 г. впервые лазерным лучом была сбита авиамишень. Также были созданы мощные комплексы для уничтожения оптико-электронных систем наблюдения ("Стилет", "Сжатие"), создавались устройства для использования в космосе. В 1984 г. произвели лазерный пистолет несмертельного действия для самообороны космонавтов. Поражающее действие заключалось в выведении из строя оптических систем и глаз человека. Важным преимуществом по сравнению с обычным пистолетом в условиях невесомости было отсутствие отдачи.

КНР. Китайцы не имеют привычки пиарить военные разработки. Поэтому данных крайне мало. Известно лишь о существовании установки, способной эффективно уничтожать беспилотники на высоте до 500 м.

США. Проводятся не только разработки, но и испытания комплексов воздушного и наземного базирования. Наиболее разрекламированный — летающий лазер на "Боинге-747", предназначенный для уничтожения баллистических ракет еще на старте. Впрочем, в 2011 г. программу закрыли из-за сокращения бюджета. В 2013 г. ВМС заявили о планах оснащения боевых кораблей лазерами, способными сбивать беспилотники. В конце прошлого года первый из них установили на боевом корабле, патрулирующем Персидский залив. Называть такой лазер полноценным оружием еще рано: он предназначен для испытаний и оценки эффективности.

Источники:

1. segodnya.ua