ФОРМУЛЫ ПРОПУЩЕНЫ, BOЗМOЖНЫ OШИБКИ, СВЕРЯЙТЕ С ОРИГИНАЛОМ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем надежного и могучего помощника, свободно проникающего в темницы, способного разрушить любые преграды и защитить от любого врага. К всемогущему световому лучу обращались и многие писатели-фантасты. Всемирно известны романы «Война миров» Герберта Уэллса и «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого. Правда, в этих романах тепловой или световой луч оказывался в руках сил зла, которые использовали лучи для разрушения, для приобретения власти над человечеством. Люди же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. Этой мечте суждено было сбыться в наше удивительное время. Реальностью стали не чудовищный марсианский генератор тепловых лучей или гиперболоид одержимого идеей мирового господства человека — ненавистника, а лазеры, которые сегодня успешно «трудятся» в клиниках, на заводах, строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях.
Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазерной технике всего четверть века, однакУлазе-ры уже успелн завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства.
Как заметил академик А. П. Александров, «всякий мальчишка теперь знает слово лазер». И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах — квантовой электроники академик Н. Г. Басов отвечает на этот вопрос так: «Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля —лазерный луч. При таком преобразованни часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи иа значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва... С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».
Лазеры оказались гораздо более интересными устройствами, чем порожденные воображением писателей-фантастов «гиперболоид» или «генератор теплового луча», предназначавшиеся, по сути дела, только для разрушения. Действительность оказалась значительно ярче и богаче фантазии. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузовы автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель, обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях — физических, химических, биологических.
Надо особо отметить, что освоение лазерных методов пли, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов. Одновременно при этом экономится сырье и рабочее время, повышается качество продукции. Например, практически мгновенная пробивка отверстий лазерным излучением во много раз увеличивает производительность работы сверловщика и к тому же существенно повышает качество этой работы. Лазерное изготовление микросхем отличается высокой производительностью и высоким качеством. В обоих примерах производственные операции легко поддаются автоматизации; управление лазерным лучом может взять на себя специальное вычислительное устройство. АГожно уверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет к качественному изменению всего облика современного производства.
Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связывают многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции.
Данная книга — это попытка популярно рассказать о роли лазеров в современном мире. Мы расскажем как об уже достигнутых успехах лазерной техники, так и о перспективах, о тех надеждах, которые связываются с ее развитием. Тем более, что действительность и надежды переплетаются здесь удивительным образом.
Автор выражает глубокую признательность Л. Г. Асламазову за замечания и пожелания, способствовавшие улучшению книги, В. Г. Дмитриеву, И. Н. Компанцу, Д. Л. Тарасову за обсуждение отдельных разделов книги,
А. Н. Тарасовой и Т. Л. Новиковой за помощь в работе над рукописью.
Автор
ПЕРВЫЙ РАССКАЗ
ЧТО ТАКОЕ ЛАЗЕР И ЧЕМ ЗАМЕЧАТЕЛЬНО ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Как свет взаимодействует с атомам! и молекулами? Альберт Эйнштейн известен как одни из создателей теории относительности. Но, возможно, не все знают, что его перу принадлежат-также работы, которые сегодня специалисты по квантовой электронике называют основополагающими. Мы имеем в виду две работы Эйнштейна, опубликованные в 1916 г. Первая называется «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», а вторая — «К квантовой теории излучения».
Мог ли кто-нибудь предположить тогда, что изложенные в этих работах физические идеи лягут впоследствии в основу квантовой электроники и приведут, в конечном счете, к созданию лазера?
Эйнштейн показал, что существуют два различных процесса испускания энергии молекулами вещества. Наряду с «обычным» процессом испускания, известным как спонтанное (самопроизвольное) испускание, должен наблюдаться, как полагал Эйнштейн процесс испускания, происходящий не самопроизвольно, а под воздействием излучения окружающей молекулы среды. Эйнштейн назвал этот процесс индуцированным (вынужденным) излучением.
Прошли десятилетия, прежде чем ученые убедились, что «придуманное» Эйнштейном вынужденное излучение не только действительно существует, но, более того, при определенных условиях может играть важную роль. Именно этот процесс и лежит в основе работы лазера. Само слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает «усиление света вынужденным излучением».
Естественно начать разговор о лазере с обсуждения тех фундаментальных физических идей, которые впервые были изложены в упомянутых работах Эйнштейна. Иначе говоря, мы начнем с обсуждения вопросов о том, как свет взаимодействует с атомами и молекулами вещества и в чем проявляются особенности вынужденного испускания света.
Прежде всего напомним читателю, что энергия атома как и энергия молекулы, квантуется — иными словами энергия не изменяется непрерывно, а принимает лишь некоторые определенные значения. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Так и говорят: атом (молекула) находится иа таком-то энергетическом уровне. Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком; при этом поглощается или, напротив, испускается соответствующая порция излучения — квант света, нли, иначе фотон. При переходе атома на более высокий энергетический уровень фотон поглощается; при переходе же атома на более низкий уровень происходит испускание фотона.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
