|
 După cum reiese din fapte, un fascicul laser poate transporta suficientă energie pentru a putea efectua intervenții chirurgicale, găuri diamante și chiar încălzi cantități microscopice ale unei substanțe la temperaturi de milioane de grade.
Câtă energie poate transporta un fascicul laser? Depinde de tipul de laser, de puterea sursei care îl furnizează, precum și de condițiile de funcționare, care determină eficiența utilizării energiei furnizate.
Și cu laserele CW, energia de intrare este convertită continuu în energia radiației emise de laser. Puterea fasciculelor emise de astfel de lasere variază de la milliwați la zeci de kilowați (aceeași cantitate pe care o emit o mie de sute de wați în intervalul vizibil). Cu aceste grinzi de lumină kilowatt, focalizate corespunzător, de exemplu de către un obiectiv, este posibil să tăiați o foaie de oțel grosime de centimetru a pielii navei la o viteză de aproximativ un centimetru pe secundă. Lasere mai puțin puternice sunt utilizate în alte scopuri care nu necesită fascicule de lumină atât de puternice.
 Cel mai puternic laser văzut cu ochii proprii la Institutul de Cercetări Navale al Marinei SUA din Washington, DC, trebuia să emită un fascicul de aproximativ un megawatt (milioane de wați sau mii de kilowați) în câteva secunde. Acest laser, împreună cu dispozitivele auxiliare, ocupa două săli de laborator destul de mari. Nu este nimic deosebit de surprinzător aici, deoarece puterea fasciculului său era egală cu puterea a aproximativ cincizeci de motoare ale autoturismelor din clasa mijlocie.
Cu toate acestea, în multe scopuri, chiar și grinzile de megawatt sunt slabe și necesită grinzi și mai puternice. De exemplu, un laser „lunar” trebuia să trimită un fascicul cu o putere de câteva milioane de wați. Fasciculul de lumină după reflectarea din Lună se întoarce pe Pământ foarte slăbit datorită absorbției și împrăștierii în atmosfera Pământului, împrăștierii pe suprafața Lunii etc. Sensibilitatea echipamentului care înregistrează lumina reflectată exclude posibilitatea utilizării chiar și tradiționale cele mai puternice surse de lumină pentru localizarea Lunii. Un fascicul de lumină suficient de intens ar putea furniza doar un laser cu o putere de mai mulți megawați. Pentru a iniția o reacție termonucleară, este necesar un laser și mai puternic - puterea acestuia ar trebui să fie de ordinul a cel puțin câteva milioane de megawați.
Crearea unui laser puternic cu unde continue nu este încă realistă. Un astfel de laser ar trebui să aibă, mai presus de toate, dimensiuni monstruoase. Ar fi, de asemenea, o sarcină dificilă să se asigure un astfel de colos cu energie și ar fi, de asemenea, dificil să se stabilească răcirea. Eficiența unui laser este de obicei cuprinsă între câteva și zece procente, astfel încât doar o fracțiune relativ mică din energia de intrare în laser este emisă ca radiație. Restul este risipit, transformându-se în cele din urmă în căldură, care trebuie îndepărtată din instalația laser, supunând-o unei răciri suficient de intense.
Un laser care emite continuu un fascicul de un milion de megawați ar consuma energia generată simultan de câteva mii de centrale electrice de dimensiuni medii. În timpul funcționării unui astfel de laser, milioane de consumatori ar trebui să fie privați de sursa de alimentare. Poate că ar putea fi stabilit cumva, dar cum poate fi răcit un astfel de uriaș?
Cu toate acestea, în ciuda faptului că este nevoie de fascicule de lumină atât de puternice, nu este nevoie să construim astfel de lasere cw.Ideea este că, în toate acele aplicații în care este nevoie de fascicule laser de înaltă putere, nu contează cu adevărat dacă laserul va emite radiații într-o miime sau o milionime de secundă. Cel mai adesea, este cazul în care radiația laser este necesară doar pentru o perioadă scurtă de timp. Pe scurt, vorbim despre faptul că fasciculul laser are timp să provoace efectul dorit în obiectul primit înainte de a ajunge la procese nedorite asociate cu energia radiației laser absorbite de obiect. Dacă, de exemplu, atunci când se utilizează un fascicul laser pentru a îndepărta țesutul bolnav în timpul unei operații, blițurile au durat prea mult, atunci țesutul sănătos adiacent bolnavului ar putea fi, de asemenea, supraîncălzit periculos. Dacă radiația laser continuă este utilizată pentru a face o gaură într-un diamant în loc de flash-uri individuale, diamantul se va supraîncălzi, se va topi și, ca urmare, o parte semnificativă a diamantului se va evapora.
 Exemplele date indică necesitatea utilizării unor astfel de impulsuri laser scurte, astfel încât energia absorbită de obiectul iradiat să nu aibă timp să se disipeze din cauza proceselor de conducere a căldurii. Desigur, există mult mai multe astfel de mecanisme de disipare a energiei nedorite și deseori dăunătoare. În cazul general, vorbim despre faptul că raza laser a avut timp să-și îndeplinească sarcina înainte ca factorii de mai sus să interfereze cu aceasta. Acesta este motivul pentru care, în multe dispozitive, impulsurile laser trebuie să fie foarte scurte, expresia „foarte scurtă” însemnând uneori o nanosecundă sau chiar mai puțin timp.
Acum ne devine clar, dictată de necesitate, o simplă idee de economisire a energiei, pe baza căreia este posibil să se obțină fascicule de putere gigantică la un consum relativ redus de energie. În loc să producă, să zicem, un joule de energie sub formă de radiație (aceasta este o cantitate foarte mică) pentru o secundă sau să emită un fascicul de un watt (1 W = 1 J / s), pur și simplu urmează aceeași cantitate de energie (un joule) emit mai repede ca un impuls relativ scurt. Cu cât pulsul este mai scurt, cu atât este mai mare puterea fasciculului. Dacă, de exemplu, o explozie de radiații durează o milisecundă (o microsecundă, o nanosecundă), atunci fasciculul va avea o putere de 1000 de ori mai mare (relativ).
Evident, cu o contribuție de energie de 1000 de ori mai mare (1 kJ în loc de 1 J), se va dovedi (în fiecare dintre cazurile de mai sus) că fasciculul este de 1000 de ori mai puternic. Dacă timpul de emisie (emisie) ar însemna o valoare de ordinul unei nanosecunde, atunci în acest caz s-ar obține un fascicul cu o putere de un terawatt. Focalizat, de exemplu, prin intermediul unei lentile de pe suprafața corpului într-o pată de aproximativ 0,1 mm în diametru, o astfel de rază ar da în focar o valoare inimaginabilă a intensității - 10 până la a 20-a putere de W / m2! (Pentru comparație, intensitatea luminii unui bec de 100 de wați la o distanță de 1 m de acesta este de ordinul a câteva zecimi de watt pe metru pătrat.)
Rămâne o întrebare, aparent inocentă la prima vedere: cum să reducem timpul de radiație laser pentru o anumită energie totală a fasciculului? O astfel de sarcină este o problemă complexă atât de natură fizică, cât și tehnică. Nu vom intra în astfel de subtilități aici, deoarece pentru povestea noastră problema primirii unui puls scurt este prea specială. În orice caz, astăzi situația este următoarea: timpul de emisie a luminii de către un laser pulsat fără dispozitive suplimentare care ar forța laserul să emită lumină mai repede este de ordinul a câteva microsecunde (sau o zecime dintr-o miime dintr-o al doilea).
Utilizarea dispozitivelor suplimentare, a căror funcționare se bazează pe unele fenomene fizice, va ajuta la reducerea acestui timp la valori de ordinul unei picosecunde. Datorită acestui fapt, astăzi este posibil să se obțină impulsuri laser gigant, a căror putere maximă poate ajunge chiar la câteva sute de terawați.Desigur, astfel de fascicule puternice sunt necesare numai în dispozitive speciale (de exemplu, pentru a iniția o reacție termonucleară). În multe alte cazuri, se folosesc impulsuri cu putere mult mai mică.
Acum să punem o întrebare importantă: este posibil să obțineți astfel de fascicule de lumină intense mai ieftine și mai ușoare, și anume cu ajutorul lămpilor tradiționale de mare putere? Aceasta se referă atât la lămpile care funcționează în mod continuu (de exemplu, lămpile reflectoarelor aeronavelor sau camerele cu film), cât și la lămpile cu bliț (de exemplu, lanternele utilizate în fotografie).
Răspunsul depinde de ce fel de grinzi am dori să obținem sau, cu alte cuvinte, ce putere și despre ce fel de divergență vorbim. Dacă suntem indiferenți la divergența fasciculului, atunci lămpile tradiționale sunt capabile să concureze cu laserele până la o anumită limită. Această limită se află, în orice caz, mult sub un terawatt. Peste acest nivel, laserul nu are concurenți.
Desigur, cu cât vrem să obținem fascicule mai puțin divergente și mai puternice, cu atât granița va fi mai mică, deasupra căreia va trebui să abandonăm sursele de lumină tradiționale și să ne îndreptăm spre lasere. După cum sa menționat deja, sursele de lumină clasice nu ar fi în măsură să îndeplinească cerințele de înaltă precizie impuse unei surse de lumină atunci când se măsoară distanța de la Pământ la Lună. În acest experiment, trebuia folosit un laser pulsat.
Gavrilova N.V.
|
