Лазеры – мощное оружие в руках учёных

(статья из журнала Наука и Техника, от декабря 1964 г.)

Прошло только немногим более четырех лет со дня опубликования Т. Мейманом сообщения о первом действующем оптическом квантовом генераторе, или лазере, — приборе, позволяющем получить мощный пучок монохроматического, когерентного света. За это короткое время лазерная техника, однако, сделала большой скачок вперед и продолжает быстро развиваться.

Первые прогнозы о возможных областях применения лазеров могли с успехом соперничать с научной фантастикой. Впоследствии, правда, выяснилось, что большую часть предложений о практическом использовании лазеров намного труднее реализовать, чем это казалось вначале. Поговаривали даже о том, что применение их вообще не окупится и лазер так и останется лишь достоянием научно-исследовательских лабораторий. Истина, по-видимому, находится где-то посередине — сейчас уже считают, что лазеры имеют преимущества перед другими видами приборов в 10—15 областях применения. Таким образом, по меткому выражению Т. Меймана, лазер остается «решением, ищущим проблему», то есть прибором, возможности которого далеко еще не исчерпаны.

В настоящее время известны четыре основных вида лазеров: лазеры на твердом теле с оптической подкачкой, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры и лазеры с химической подкачкой. Преимущество газовых лазеров заключается в их способности работать непрерывно при небольшой мощности подводимой энергии (около 50 ватт в первой модели), излучая при этом очень узкий и очень монохроматический пучок света. В наиболее распространенном виде газового лазера применяется смесь гелия и неона. В этой смеси при помощи высокочастотного генератора возбуждается электрический разряд, -в результате чего ионы гелия передают свою энергию ионам неона, в которых при достаточной интенсивности возбуждения происходит индуцированное излучение, то есть генерируются монохроматические кванты света. Наиболее интенсивная линия излучения находится в инфракрасной части спектра, длина волны — 1,153 микрона.

Новейшим типом лазеров являются лазеры на твердом теле с химической подкачкой. От обычных твердотелых они отличаются тем, что в них в качестве источника света подкачки вместо импульсной лампы используются химические источники света — различного рода пиропатроны и т. д. Как на пример реакции, где большая часть энергии выделяется в виде света, можно указать на реакции окисления металлов. При химической подкачке нет надобности иметь источник электропитания, батарею конденсаторов и генератор импульсов. Это позволяет существенно уменьшить вес лазера без уменьшения, однако, его мощности.

По данным фирмы «North American Aviation», лазер с химической подкачкой весом в 16 кг по своей мощности не уступает обычному лазеру весом в 400 кг (даже превосходит его). Уже сейчас химические источники подкачки обеспечивают очень большую яркость излучения при весьма малом расходе топлива (100 мг топлива на вспышку). По мнению одного из ведущих специалистов в этой области — Пьерро, лазеры е химической подкачкой со временем смогут работать непрерывно. Возможно, 'что новый тип лазеров (первые сообщения о нем появились в печати в конце прошлого года) найдет широкое применение особенно там, где минимальный вес прибора является определяющим фактором.

Пучок света – носитель информации

Большинство специалистов считает, что основной областью применения лазеров станут различные системы связи, начиная с полевых передатчиков небольшого радиуса действия и кончая космической связью.

Чем же лазерный передатчик оптического диапазона лучше обычной радиостанции? Важнейшим его преимуществом, особенно в космической связи, является острая направленность луча, обеспечивающая минимальные потери и, следовательно, максимальную дальность передач. Очень малое расхождение лазерного луча хорошо видно на следующем примере: если мы луч рубинового лазера направим на Луну, то получим освещенную область диаметром в 16 км. Обычный же прожектор на таком расстоянии осветил бы площадь диаметром в 40 000 км, то есть значительно больше диаметра Луны.

Высокая частота колебаний света определяет огромную «информационную емкость» луча. Достаточно сказать, что по одному такому пучку света молено одновременно передать до 100 миллионов телефонных разговоров (примерно столько же разговоров одновременно и происходит на всем земном шаре). Но сразу же следует оговориться, что использование всех этих огромных возможностей светового луча для передачи информации требует предварительного решения ряда весьма трудных технических проблем и поэтому является делом не столь уж близкого будущего.

Использование лазеров в системах связи имеет существенные преимущества в тех случаях, когда обычные радиоволны по той или иной причине «не работают». Например, при вхождении космических кораблей в земную атмосферу вокруг них образуется слой плазмы, через которую радиоволны не проходят, — здесь как раз и может выручить световой луч лазера, который в плазме лишь незначительно поглощается.

В воде также радиоволны не распространяются, поэтому связь между подводными лодками — трудная проблема. И здесь может выручить сине-зеленый луч лазера, так как его свет в морской воде поглощается меньше других.

Заманчивое, казалось бы, предложение об использовании мощного светового пучка лазера для «сжигания» ракет противника на практике оказалось весьма сложным, но все же не безнадежным делом. По данным зарубежных авторов в фирмах США разрабатываются сверхмощные лазеры для военных целей. Если теперь выходная энергия наиболее мощных лазеров в импульсе составляет 2000 джоулей, то проектируемые системы должны иметь энергию, исчисляемую миллиардами джоулей. Для сравнения отметим, что лазер даже с энергией 50 джоулей уже может поджечь дерево на расстоянии 1,5 км.

В настоящее время армия США довольствуется значительно менее мощным лазерным оружием. По ее заданию фирма «Maser Optics» разработала лазерное ружье? с энергией в импульсе 3—5 джоулей. «Скорострельность»

ружья — 6 выстрелов в минуту. Максимум, что могло бы сделать оно, — это ослепить кого-либо из личного состава противника, например, водителя танка или артиллерийского наводчика. Однако и для этого при нынешнем уровне мощности ружья пришлось бы почти вплотную приблизиться к противнику. Поэтому автор статьи, напечатанной в журнале «Electronics», иронически замечает, что в таком случае с неменьшим успехом можно ударить противника прикладом.

Вполне реальным считают создание лазерного оружия, направленного против самонаводящихся по тепловому излучению реактивных снарядов класса «воздух — воздух». Лазерное излучение может вывести из строя инфракрасные датчики снаряда —последний станет «слепым».

Оптическая локация

Если использование лазеров в качестве «оружия направленной энергии» все еще далеко от реализации, то близки к завершению работы по, созданию систем, использующих луч лазера для точного определения положения баллистических ракет. Аналогичные установки на лазерах разрабатываются для локации и сопровождения запускаемых с Земли ракет и снарядов на первых 20 километрах пути, когда радиолокация не может эффективно работать из-за помех от окружающих строений, деревьев и других объектов. С другой стороны, начинаются работы над системами обнаружения и сопровождения космических кораблей, находящихся на расстоянии порядка 100 миллионов километров. Один из вариантов такой системы предусматривает связь между Землей и Луной (или искусственным спутником) па радиоволнах с последующей ретрансляцией передачи оттуда на космический корабль с помощью лазерного луча. Использование радиоволн на первом «этапе» позволит избежать затухания лазерного луча в земной атмосфере.

На основе лазеров созданы оптические дальномеры, позволяющие быстро и с достаточной точностью определять расстояние до предметов в пределах прямой видимости. Одна из таких систем измеряет расстояние до 16 км с точностью ±10 м. Принцип дальномера основан на измерении времени прохождения лазерного импульса света до определяемого предмета и обратно. Достаточно высокая интенсивность лазерного излучения позволяет работать даже при ярком солнечном свете и измерять расстояния до предметов, имеющих небольшие коэффициенты отражения.

Лазеры обещают быть очень полезными также для обнаружения турбулентностей (завихрений) воздуха, особенно таких завихрений, которые образуются в ясную погоду и которые другими способами трудно обнаружить. Оказывается, что турбулентность при современной и будущей скорости самолетов может вызвать весьма неприятные последствия, начиная с разлитого супа, легких ушибов и кончая катастрофой. Известны случаи, когда у самолетов, попавших в такие завихрения, отваливались хвост, крыло. Для обнаружения турбулентности воздуха предлагается система, состоящая из импульсного лазера на рубине и телескопа с полем зрения, равным ширине луча лазера. Наличие турбулентности должно вызвать изменение интенсивности света, рассеянного в обратном направлении. Действующих образцов такой аппаратуры пока нет.

Лазеры и точная механика

Опыты показывают, что лазеры можно успешно использовать для обработки твердых и тугоплавких материалов, которые трудно поддаются обычным резцам и сверлам. Как же луч света может резать металл? Надо признать, что точный механизм этого процесса пока еще не выяснен, но, по-видимому, в его основу входят два явления — испарение материала под воздействием интенсивного светового луча и, локальный взрыв — результат бурного выделения газов и паров из нагреваемого участка материала. Вначале фокусированным лучом лазера просверливались отверстия в бритвенных лезвиях. Если лазерный луч мог сразу «пройти» пять лезвий, это считалось хорошим достижением. Исследователи даже шутя определяли выходную мощность лазера в новых единицах — «лезвиях».

Теперь этим уже никого не удивишь — по последним сообщениям мощный лазерный пучок света может «просверлить» отверстие в стальном листе толщиной более сантиметра. Лазерный «сверлильный станок» способен обработать любой, самый твердый и хрупкий материал. С его помощью можно также получить отверстия очень маленького диаметра. Если минимальный диаметр, полученный механическим сверлом, составляет десятые доли миллиметра, то лазерный луч создает отверстия диаметром в несколько микрон. Американская фирма «Raytheon» использует лазерное излучение для просверливания отверстий диаметром 5 мк в оловянной проволоке диаметром 50 мк (диаметр человеческого волоса — 50 мк). Лазер является уникальным средством для создания тонких отверстий в алмазе и сапфире. С его помощью из самых тугоплавких металлов можно изготовить пористые мембраны с большим количеством маленьких дырочек.

Применяя лазерный луч меньшей интенсивности, чем нужно для испарения обрабатываемого материала, можно производить и сварку. Сварка при помощи светового пучка имеет следующие преимущества: отпадает необходимость в электродах и физическом контакте; нагрев окружности получается минимальный; сварку молено производить на открытом воздухе или в инертном газе (для электронного «луча» необходим вакуум); сваривать можно материалы, имеющие различные температуры плавления и очень малые размеры. Хотя лазеры удобнее всего использовать для точечной сварки, разработаны также сварочные аппараты для получения непрерывных швов.

В радиотехнике нередко требуются сопротивления с точно определенной величиной. Оказывается, что для окончательной подгонки выбранного значения сопротивления с точностью до 0,05% удобно использовать такое явление, как испарение лазерным лучом металлической пленки. Важным преимуществом этого метода является то, что операция проводится после герметизации сопротивления и стабилизации его параметров. Это гарантирует, что величина сопротивления в дальнейшем уже не изменится.

Для изготовления высокочастотных туннельных диодов, как известно, широко применяется метод точечного сплавления. И здесь импульсы рубинового лазера имеют преимущество — более короткий и мощный импульс позволяет получить туннельные диоды с отЛичными параметрами.

ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ

На первый взгляд кажется, что между лазером и медициной не может быть никакой другой связи, кроме одной — лечение глаз, поврежденных лучами лазера. Правда, никто из работающих с лазером, конечно, не захочет взглянуть прямо на этот луч, однако ожог сетчатки могут вызвать и отраженные лучи. Известно, например, несколько случаев временной или полной потерн зрения у людей, имевших дело с лазером.

Однако лазер может не только повредить зрение, но и явиться также оружием для восстановления его. Специфическая глазная болезнь — отслоение сетчатки до сих пор считалась трудноизлечимой. Первыми «пациентами», у которых эта болезнь лечилась при помощи лазерного луча, пропускаемого через зрачок, были кролики. В конце прошлого года в одном из журналов появилось сообщение об успешной операции при отслоении сетчатки у работника Станфордского исследовательского института.

Проведенные в некоторых институтах опыты по воздействию лазерного излучения на здоровые ткани и ткани злокачественных опухолей показали, что лазерные лучи оказывают максимальное воздействие на последние. Это позволяет надеяться, что в будущем некоторые раковые заболевания можно будет лечить лазерным облучением. Согласно сообщению д-ра Макгаффа из Бостона, из 18 злокачественных меланом, пересаженных в организм хомяка, 13 исчезли полностью через 15—29 дней после воздействия на них лучом лазера. Из 14 аденокарцином щитовидной железы 13 исчезли полностью через 5—29 дней (одно животное погибло по причинам, не связанным с лечением).

В апреле нынешнего года появилось сообщение о проведении эксперимента по лечению злокачественной меланомы у трех уже обреченных больных. Во всех трех случаях действие лучей лазера оказалось недостаточным для того, чтобы остановить распространение опухоли. Однако было констатировано, что энергия лазера после однократного облучения уничтожала пигментированные клетки, тогда как непигментированные выдерживали более 20 облучений. Следует отметить, что д-ром Хелсперном, проводившим эти эксперименты, использовался лазер с относительно низкой энергией, что и могло послужить одной из причин отрицательного результата.

Луч лазера применялся также для прижигания коленных новообразований и родимых пятен. В этом случае лазер обладает значительными преимуществами перед общепринятыми способами прижигания •— наблюдается более быстрое и чистое заживление, отсутствует вторичная инфекция.

Исследуются возможности применения лазера в качестве инструмента «бескровной» хирургии. Однако здесь следует избавиться от вызываемого лазером сильного поверхностного нагрева, приводящего к шоку со смертельным исходом. Во время экспериментов на головном мозге крыс поверхностный нагрев вызвал мгновенное испарение тканей. Импульс в 250 джоулей разрушил череп, причем осколки костей попали в мозг.

Вероятно, прежде всего лазер будет использоваться вместо бормашин в зубоврачебных кабинетах. Опыты показывают, что лазерная установка с высокой частотой повторения импульсов и с регулируемой мощностью может с успехом применяться для высверливания .отверстий в зубах, причем пациент не чувствует никакой боли.

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В НАУКЕ

Лазеры уже оказали сильное стимулирующее действие на развитие многих отраслей науки, в том числе и физики, потому что они открыли перед экспериментаторами новые, небывалые возможности. Для примера приведем сверхскоростную фотографию, без которой во многих отраслях науки трудно обойтись. Для нее созданы мощные источники света с частотой повторения вспышек порядка миллион в секунду, однако и в этих условиях освещенность нередко оказывается недостаточной. Использование же специальной лазерной системы полностью решает эту проблему — более того, появляется далее необходимость защитить объект от разрушающего действия луча лазера. В некоторых случаях интенсивность излучения приходится уменьшать в сотни раз.

Чрезвычайно высокая интенсивность монохроматического когерентного света лазера дает возможность экспериментально проверить ряд теоретических выводов о природе взаимодействия светового излучения с веществом. Интересным примером здесь является получение эффекта генерации гармоник на ряде кристаллов — получение света с удвоенной частотой колебаний, то есть с половинной длиной волны. Направленный на кристалл кварца или другого материала красный луч рубинового лазера дает излучение в ультрафиолетовой области спектра. В специальных условиях таким образом можно получить практически используемую интенсивность ультрафиолетового излучения. Интенсивное ультрафиолетовое излучение может сильно влиять на ход химических реакций, способствовать разработке новых фотохимических реакций, требующих большой интенсивности облучения.

Кроме уже упоминавшегося применения в космической связи, лазеры использовались также для оптической локации естественного спутника нашей Земли — Луны. Посланный на Луну импульс излучения рубинового лазера был принят на Земле более чем через 2 секунды. Ряд интересных экспериментов можно поставить на основе чрезвычайной монохроматичности излучения лазеров, в том числе опыты по проверке теорий относительности и гравитации.

Лазерная техника бурно развивается. Поэтому сейчас трудно сказать, в какой именно области науки и техники лазеры дадут наилучшие результаты. Однако ясно одно, что они являются в руках ученых мощным оружием, позволяющим глубже проникнуть в тайны природы.