Чудесные лучи

Они пришли к нам из фантастики, и от мечты до устройства прошло шестьдесят лет. Но во многом они стали воплощением мечт учёных, инженеров и простых людей о том летящем далеко-далеко луче. В этой книге речь пойдёт о лазерах, как они появились на свет и как прочно вошли в нашу жизнь. Даже при создании этой книги поучаствовали лазеры. Как? Это ты поймёшь, дочитав книгу до конца!
Марсиане и инженер Гарин
8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген открывает всепроникающее излучение и называет его «икс-лучами». Это открытие не только поразило самого учёного и позволило заглянуть внутрь человека, но заставило всё человечество искать новые лучи! Оптика как раздел физики получила большое развитие, хотя ещё двадцать лет до того эту науку не считали перспективной и со дня на день ждали последнего открытия.
Спустя почти два года вышел в свет роман Герберта Уэллса «Война миров», где марсиане при помощи теплового луча сжигали корабли и города. Можно считать это первым упоминанием лазеров и их действия. Но автор не уделил устройству ни слова.
Спустя тридцать лет русский писатель Алексей Толстой в романе «Гиперболоид инженера Гарина» не только показал прибор в действии, но и продемонстрировал его устройство. Всё же автор был инженером и не мог не «изобрести» лучевое оружие. У инженера Гарина имелся и таинственный камень, и параболическое зеркало, и свеча как источник. Луч гиперболоида не только мог сжечь что-нибудь, но и пробурить в земле отверстие сколь угодной глубины. Эта книга не только утвердила в умах людей своё представление о лазерах, но и создала им дурную славу как поджигателей. Когда же писателя спрашивали, почему зеркало параболическое, а прибор называется «гиперболоидом», тот отвечал, что знает о таком несоответствии, но «гиперболоид звучит страшнее».
Вся русская фантастика 1920-х годов оказалась «пронизанной» разного рода лучами. Даже первый советский фантастический фильм режиссёра Льва Кулешова назывался «Луч смерти».
Но мечту ещё следовало осуществить, и многие учёные делали шаги в этом направлении. Природа света, изученная Нильсом Бором и Арнольдом Зоннерфельдом, открыла дорогу к осуществлению мечты о мощном луче. Но до изобретения лазера оставалось ещё лет сорок…
От радуги к лучам
После дождя в небе повисает коромысло радуги: белый свет от солнца, пролетая через влажный воздух, становится разноцветно полоской. В 1672 году Исаак Ньютон проводил опыты со стёклами разной формы в тёмной комнате, и когда через дырочку в ставне свет упал на треугольную призму — на стене засветилась радуга. Это явление позже объяснили и назвали дисперсией: у каждого цвета свой угол преломления, проходя через треугольную призму, белый свет распадается на отдельные цвета и лучик превращается в разноцветный прямоугольник. Однако если мы пропустим через стеклянную призму свет от красной или синей лампы, то радуги на стене не увидим. Скорее пронаблюдаем лишь красную или синюю полосу. Все цвета, входящие в свет от источника, называют спектром. А если источник испускает свет одного цвета, его называют монохроматическим, то есть одноцветным.
Можешь провести дома опыт: поставить в один и тот же цоколь лампу накаливания и энергосберегающую светодиодную. Затем посмотреть, какие тени будет отбрасывать на стены твоя рука с одного и того же расстояния с одной и другой лампочкой. Светодиоды дают более узкий спектр с узким направлением, и тень от руки будет чёткой, но у лампы накаливания спектр очень широкий и свет из неё вылетает в разных направлениях — тень станет чёткой только у самой стены. Узкие спектр и направление называют когерентностью. Светодиоды более когерентны, чем лампы накаливания.
Однако лазеры самые когерентные источники света! Луч лазера, конечно, расходится, но не так сильно, как прочие источники света. Если направить лазер на Луну, то там окажется пятно диаметром 8 километров. Луч лазера может иметь очень узкий спектр, воздействуя на отдельные вещества. Луч лазера можно сфокусировать так, что в фокусе мощность воздух превратит в плазму, при этом мощность самого лазера не больше фонарика. Поэтому нельзя смотреть на лазерное излучение без специальных очков – можно испортить зрение, на источниках стоит даже специальный треугольный знак.
Как ни старались учёные получить монохроматический свет, как ни пытались линзами расходящийся луч сделать параллельным, как ни пытались сфокусировать в тонкую точку – не получалось. Нужна не просто лампа, а принципиально новый источник света!
Двуличный свет
С природой света всё оказалось довольно запутанно: учёные так и не смогли определиться, что он такое. Одни считают: свет — это электромагнитная волна , другие — поток частиц – фотонов. Обе теории имеют свои подтверждения.
Нильс Бор и Арнольд Зоннерфельд объяснили, как свет появляется: все мы состоим из атомов, каждый из которых обладает энергией. Если мы «зарядим» атом, то он поглотит волну или фотон, если атом разрядится, то энергия превратится в волну или фотон. Все атомы могут состоять в различных состояниях: чаще всего в стабильных, когда сам атом разрядиться не хочет.
Когда белый свет падает на красную краску, то атомы краски поглощают весь спектр, кроме красного, его-то как раз отражают. Почему? Это свойство атомов входящих в состав краски. Цвет у неба по той же причине: кислород поглощает весь свет от солнца, кроме голубого. Для краски её цвет называют спектром отражения, а все остальные волн – спектром поглощения. Чёрный цвет поглощает весь видимый диапазон и тут же превращает его в тепло. Поэтому нам жарко на солнце в чёрной одежде.
Если атом желает сразу разрядится, то его состояние называется нестабильным. Свет подзарядил атом краски, перевёл в нестабильное состояние и он тут же излучил красную волну или фотон.
Если же в веществе может находиться в одном состоянии определённое число атомов, то его называют метастабильным и оно интересней всего: при переходе атомов в стабильное возникает вынужденное излучение. Альберт Эйнштейн предсказал такой источник в 1916 году, а спустя 12 лет его удалось получить.
Во всех телах очень много атомов и они находятся в различных энергетических состояниях. Даже в нас постоянно атомы то поглощают свет, когда мы загораем на пляже, то испускают его, когда мы поедим. Но если задаться целью создать источник с узким спектром, то придётся все атомы вещества (его ещё называют активной средой) «причесать» под одну гребёнку — перевести на метастабильный уровень и как только нужное число на уровне превысит допустимое значение — мы получим мощный монохроматический свет. В теории всё просто, на практике оказалось: атомы «не причёсываются»!
В 1950 году Альфред Кастлер предложил оптическую накачку — атомы переводить на метастабильный уровень при помощи лампы, освещая активную среду.
Для изобретения лазера оставалось решить одну небольшую задачу: усилить одну-единственную волну света и «отсеять» другие.
Первые квантовые генераторы
В 1954 году советские учёные Николай Басов, Александр Прохоров и американец Чарльз Таунс решили эту проблему: они поместили активную среду в оптический резонатор — между двумя отражающими поверхностями «зависла» одна электромагнитная волна. Правда, это был не видимый свет, а радио излучение и длина резонатора всего 12,6 мм — как раз длина волны излучателя. Волну, ходящую от одной поверхности резонатора до другой, называют стоячей. А излучатели с таким узким спектром назвали квантовыми генераторами.
С одной стороны прорыв очевиден, с другой же учёным хотелось создать генератор с видимыми лучами. Но когда рассчитали, что для образования стоячей волны резонатор должен быть в пятьдесят раз тоньше человеческого волоса — один микрометр, – то энтузиазм сменился разочарованием. Физически создать такое устройство казалось невозможным!
16 мая 1960 года американец Теодор Нейман эту проблему разрешил: его квантовый генератор на основе искусственного кристалла рубина с зеркалами на торцах светил красным светом. Атомы в кристалле заряжала импульсная лампа.
А всё оказалось просто: стоячая волна могла образовываться и в виде многих колебаний! Нужно только соблюсти одно условие: расстояние между зеркалами резонатора кратно длине волны, потому что только так она полностью отражается от зеркала: резонатор отсеивает лишние волны, помогая выделить одну. Такую волну называют модой. Но так как лазер значительно больше длины волны, то может испускать сразу несколько мод разной степени интенсивности. Эти волны тоже стоячие, просто активная среда также имеет и этот переход и излучает, а резонатор также их поддерживает.
Тогда-то и появилось слово лазер, представляющее собой английскую аббревиатуру: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством стимулированного излучения».

Интересно!
Как мы видим, если в этой аббревиатуре заменить первое слово, то можно назвать разные другие приборы. То, что изобрели Басов, Таунс и Прохоров называется мазером. Есть и пазеры — с их помощью вода под большим давлением может разрушать твёрдые горные породы. Очень редки и зазеры — они выдают узконаправленный звук, распространяющийся довольно далеко. А вот тазером назвали электрошокер, выстреливающий специальный заряд с контактами.
Какие бывают лазеры?
Уже через полгода после изобретения рубинового лазера американские физики Али Джаван, Уильям Беннет и Д. Р. Херриот запустили гелий-неоновый лазер. В нём уже не было лампы, а накачивались атомы в стеклянной ёмкости энергией через электрический разряд. То есть это была газоразрядная лампа, похожая на лампу дневного света. В отличие от рубинового лазера, гелий-неоновый мог выдавать не импульсы, а непрерывный луч.
Эти успехи подвигли учёных искать всё новые активные среды и строить новые виды лазеров. Ведь выбор цвета лазерного луча зависит от активной среды! Нельзя просто так подкрутить длину волны излучения, как в радиопередатчике, можно её слегка подкорректировать, но лишь слегка. Можно расширить спектр лазера, смешивая в активной среде разные вещества. Например, если смешать газы аргон (с зелёным цветом) и криптон (с красным цветом), то получится белый лазерный луч.
Уже к 1973 году учёные изучили более 200 лазерных материалов.
Изобрели жидкостные лазеры, где активной средой выступали растворы красителей. Для накачки, как и в рубиновом лазере, используется лампа.
Изобрели полупроводниковые лазеры, несколько изменив светодиод: его сделали в виде длинной пластины и поместили внутри оптического резонатора. Эти лазеры самые неприхотливые: не нужно следить за давлением внутри стеклянной ёмкости, выверять расстояние между зеркалами, следить за температурой активной среды — просто включил и выключил. Полупроводниковые лазеры могут быть очень компактными. Однако ширина спектра излучения, расходимость луча оставляют желать лучшего, и физики между собой неуважительно называют полупроводниковые лазеры «лампочкой».
Как разновидность газовых лазеров появились химические. Здесь нет ни лампы, ни электрических импульсов для накачки – путем смешивания двух веществ в ёмкости происходит реакция и полученный состав начинает светиться. Лазер может быть как импульсный — просто смешиваются вещества, так и непрерывный, когда их постоянно добавляют. Излучают эти лазеры в инфракрасном диапазоне.
Ещё одна разновидность твердотельного лазера — волоконный. Он представляет собой оптическое волокно, сердцевина которого и есть активная среда. А что будет резонатором? Оболочка волокна! От него лучи многократно отражаются и образуют стоячую волну. Подключив лампу накачки на входе, мы получаем лазерный луч на выходе. Волоконный лазер можно закручивать, гнуть и наматывать на что угодно. Увеличить мощность такого лазера очень просто: достаточно увеличить его длину.
Один из экзотических видов лазера – рентгеновский. Чем короче длина волны и больше энергия фотона, тем сложнее накачать активную среду для перехода и сложнее создать резонатор. Для накачки взрывали крошечную термоядерную бомбу внутри резонатора, образовавшаяся плазма и «поджигала» реакцию. Минимальная длина волны рентгеновского лазера составила 3,56 нм.
Есть и лазеры пассивные, где для накачки используется другой лазер. Такая накачка позволяет создавать очень короткие импульсы: попадая в активную среду лазерный луч отражается от дальней стенки накладывается сам на себя, так образуется блуждающий импульс. Физики всего мира стараются создать наиболее короткие импульсы, поскольку, чем они короче, тем локальней они поглощаются, не давая распространятся дальше и воздействуя точечно. При этом мощность импульса составляет миллиарды ватт – столько потребляет большой город во время готовки завтрака: кипит чайник, жарится яичница, кто-то сушит волосы феном. Но это вовсе не значит, что лазер потребляет такую гигантскую мощность: умножив её на длительность импульса, мы получим весьма скромный результат – менее одного ватта. Рекордным является импульс в несколько аттосекунд , то есть за весь импульс получилась неполная волна. Никакая лампа или электрический импульс накачки не создаст такой короткий импульс в активном лазере.

Интересно!
Не обошлось и без «хулиганства». Одна из групп физиков создала генерацию на коньяке. Правда, в напитке слишком много разных соединений, каждое со своими переходами вынужденного излучения, луч оказался с очень широким спектром и расходился лучше своих аналогов.
Они везде…
С изобретением лазера исполнилась мечта многих учёных. Плотный поток энергии, узкий спектр и узкий угол расходимости луча открыли сразу несколько перспектив.
Смотрят в даль
Лазерный луч распространяется далеко, особо не рассеиваясь, и его решили использовать в дальнометрии. Для этого на Луну беспилотные аппараты скинули несколько зеркал особой формы – уголковых отражателей. Направляя на них лазерный луч, учёные получили «зайчика», через какое-то время: умножив его на скорость света, получили расстояние. Таким образом, удалось измерить орбиту Луны с точностью до нескольких сантиметров.
Но можно также замерить расстояния и поменьше. Лазерные дальномеры используются и артиллеристами, и строителями. Расстояние до объекта может быть в несколько миллиметров. Правда, для измерения задержки теперь используют не часы для измерения, а луч раздваивают, сравнивая отражённый от объекта с испускаемым.
В поисках новых активных сред, физики измерили спектры поглощения и излучения многих веществ. Монохроматический свет лазера вызывает и монохроматический отклик, свойственный именно этому веществу. Эти поиски натолкнули на открытие лазерной спектроскопии – по ответному спектру можно определить состав жидкости в стакане, окружающего воздуха, крови или далёкого предмета.
Режут
Конечно, не обошлось и без лазерной резки. Мощные углекислотные газовые лазеры разрезают лист стали до двух сантиметров. Маломощные полупроводниковые – делают фигурки из фанеры для кукольных домиков и трёхмерных конструкторов. Лазерные резаки полюбили за быстродействие и точность.
Английский лазер “Вулкан” смог разогреть вещество до температуры в десять миллионов градусов.
А вот лазерная заточка – это миф производителей. Дело в том, что при резке в фокусе лазерный луч проплавляет дыру, на краях её образуются капли. То есть любой надрез придётся всякий раз шлифовать – убирать эти оплавления. И если лазер и используется при заточке ножей и ножниц – то только для более точной разметки, по лучу идёт фреза и затачивающая поверхность.
Очень близка к резакам и лазерная литография и гравировка. Тут прожигают лазером небольшое углубление, оно может быть очень маленьким, что не получится сделать никаким резцом. Однако обнаружился ещё один эффект – прожигающая точка должна иметь размеры сопоставимые с длиной волны, в лучшем случае в два-три раза больше. То есть для красного лазера можно прорезать углубление два микрометра – в 25 раз тоньше человеческого волоса. Используя лазеры с меньшей длиной волны можно, добились более тонкой работы. Лазерная литография используется в микроэлектронике при производстве радиодеталей и печатных плат. Благодаря ей получилось уменьшить многие устройства. Даже смартфон сегодня – это небольшой довольно мощный компьютер, а полвека назад он бы занял целое многоэтажное здание.
Лазеры применяют и в трёхмерной печати. При нанесении застывающей пасты, луч прорезает дополнительные отверстия – точные и небольшие. Так можно напечатать не только пластиковые, но и металлические детали.
Записывают
Лазерный принтер – это тоже своего рода литография. Только под воздействием лазерного излучения на бумаге, покрытой специальным составом, проявляется изображение. Лазерные принтеры не только самые точные, но и самые быстрые. Они не зависят от размеров капли чернил и скорости их засыхания, не зависят и от размеров иглы, продавливающей узор через красящую ленту.
В 1980 году появился первый компакт-диск: в нём инфракрасный лазер прорезал тонкую дорожку в виде спирали, чтобы другой лазер эту дорожку считал и расшифровал. Это тоже своего рода литография, только отверстия там двух высот: как ноль и единица. Но с развитием компьютерной техники объёма в 650 мегабайт оказалось мало, и производители стали применять разные хитрые способы, чтобы уплотнить запись. Удалось увеличить объём всего в полтора раза, не увеличивая размеров диска. С появлением дешёвых красных лазеров с меньшей длиной волны появились DVD-диски, с более тонкой дорожкой. На тот же самый диск удалось разместить в шесть раз больше – 4 700 мегабайт, а если использовать два слоя, то и 8 500 мегабайт. На них записывали преимущественно кино, но помещалось и много программ, фотографий и музыки. На этом прогресс не остановился, и с удешевлением синих лазеров появились Blu-Ray диски, умещавшие уже 23 300 мегабайт, увеличением слоёв и используемых сторон удавалось увеличить объём до 128 000 мегабайт.
Придумали и лазерную иглу для грампластинок: датчик ловит отражённый от грампластинки луч и превращает его в звук. Такая игла не портит пластинку при проигрывании, но чувствительная к мельчайшей пыли на пути и превращает её в “звук”.
В перспективе создание и кубиков, внутри которых лазер будет прожигать крошечные полости. Другой лазер считыает эти полости и проигрывать фильм или музыку. Небольшой кубик сможет разместить в себе целую кинотеку!
Лечат
Своё место лазеры заняли и в медицине. Хирурги стали использовать лазерные инфракрасные скальпели, не допускающие кровотечений – кровь на разрезе просто засыхает. Ещё один вид лазерного скальпеля – с нагреваемым сапфировым наконечником, при этом лазер сам располагается в шкафу, а нагревающий свет доставляется по волноводу. Такой скальпель также не допускает кровотечений, образуя ровный заживающий разрез.
Импульсные лазеры стали использоваться в офтальмологии – для коррекции зрения или проведения микрохирургических операций, в стоматологии – делать отверстие для пломбы стало тише и не так нервозно как бормашиной.
Лазером можно оперировать даже больные органы, располагающиеся в глубине тела без разрезов. Для этого в кровь вливают специальное вещество – фотосенсибилизатор, а под действием лазера именно в необходимом месте оно начнёт действовать. По сравнению с лекарствами, имеющими ряд побочных действий, лазерная медицина менее губительна для организма.
Используют лазеры и для диагностики: освещая узким спектром, например, палец, можно сделать анализ крови, быстро и без ран. Это очень актуально диабетикам, следящим за уровнем сахара в крови.
Лазером можно “ощупывать” внутренности человека, заменяя рентгеновский или ультразвуковой аппараты.
Развлекают
В 1960-е годы в лазерных лабораториях Ленинградского Физико-Технического Института сотрудники Жореса Алфёрова много курили – им нужно было увидеть лучи, они так наполняли помещение дымом и тот подсвечивал частички, зависшие в воздухе. Теперь, конечно, таких вольностей учёным не позволяют, но можно сказать, что это было самое первое лазерное шоу.
Сегодня тонким пучком рисуют на стенах и тротуарах, направляют в небо, а если добавить дым или водяной пар, то получим изображение также в воздухе. Лазеры в таких проекторах отклонять специальным кристаллом, который сжимают с одной стороны – так луч отклоняется.
Плоский пучок света, испускаемый лазером, понравился и производителям мультимедийных проекторов: ртутные лампы повсеместно меняют на светодиодные лазеры. Лазерные проекторы служат дольше и не “боятся” внезапного выключения электричества. И если ты придёшь в современный кинотеатр, то изображение на экране окажется также благодаря лазеру.
Связывают
Были попытки построить и лазерные беспроводные линии связи. Даже получилось поговорить по телефону абонентам с разных гор, однако сразу же обнаружился недостаток такой связи – пролетевшая на линии лазерной связи птица нарушала соединение. От этой идеи отказались, однако в волоконно-оптических линиях лазеры оказались лучше светодиодов: надёжная связь на высоких скоростях обеспечивается на расстоянии до 30 километров. Металлическому кабелю такие расстояния и скорости недостижимы!
Компактные лазеры заменяют светодиоды в компьютерных мышках. Они точнее, а для геймеров и дизайнеров это бывает очень важно.
Питают
Интересное применение лазеров придумали для обеспечения энергией: предлагали на орбите разместить спутник с солнечными батареями, электроэнергию от которых превращать в лазерное излучение и отправлять на Землю на солнечную электростанцию.
Такой проект пока не реализовали. Однако питать лазером получилось беспилотники. Из дрона вынимают аккумулятор и ставят солнечную батарею, на которую и светят лазером. Почему беспилотник не летает от солнца? Его энергии недостаточно, а лазер сможет поднять дрон в воздух!
Воюют
Военные также взяли лазеры на вооружение. Сжигать вражеские танки или корабли – очень энергозатратное предприятие. Коэффициент полезного действия лазеров не достигает и трети. То есть, чтобы сжечь большой корабль лазером потребуется небольшая электростанция, а также большая система охлаждения – иначе лазер расплавиться. Тайно подобраться к врагу такому оружию не получится. А если на пути луча окажется птица или дерево, то энергия луча потратится в первую очередь на них. Поэтому лазерное оружие пока не применяется, но вполне перспективно для космических военных кораблей. Да и там лазеры не сжигают вражеские спутники дотла, а повреждают, делая дыру в корпусе или портя электронику спутников-шпионов.
Для космонавтов изобрели специальный пистолет: химический лазер испускал ослепляющий луч. В обойме фактически несколько таких химических лазеров, которые после вспышки выбрасывались как настоящий патрон. Хорошо, что использовать такой пистолет так и не пришлось.
Но лазеры получили применение в артиллерии: сидящий на горе с лазером невидимого диапазона наводчик, указывает снаряду или ракете на цель лазером, а те уже летят на метку благодаря датчику на носу. При этом стреляющий может выстрелить, находясь далеко-далеко, за горизонтом. Его цель даже не поймёт, откуда стреляют.
Пригодились они и шпионам: направляя лазер на стекло ловят, отражённый луч. Так как стекло от звука слегка подрагивает, то получилось подслушивающее устройство, которое очень сложно обнаружить.
Свет будущего
Лазеры существуют более полувека и заняли прочное место в нашей жизни. Конечно, не получилось создать лучевой танк, как у марсиан, или бурить землю как инженер Гарин, но эти узкие монохроматические лучи нашли много применений.
Сегодня всё чаще полупроводниковые лазеры заменяют другие виды из-за простоты использования и обслуживания. Но появятся новые виды лазеров! Будут осваивать новые диапазоны, с появлением новых активных сред. Ультрафиолетовые лазеры станут более надёжными, а рентгеновские – более простыми. Импульсы станут более короткими, позволяя не только лечить людей, но и двигать отдельные атомы.
Фемтосекундные лазеры устанавливают на термоядерные реакторы. Высокая плотность мощности позволяет поддерживать плазму. А термоядерные реакторы – будущее нашей энергетики.
Не так давно учёным удалось при помощи лазера и превратить ртуть в золото! Под мощным лазерным лучом атом ртути распадался и превращался в атом золота. Только это очень дорогой способ.
Перед лазерами открыты новые дороги.
Лазеры ещё в начале своего пути и свет их будущего весьма широк.