Главная > Разное > Лазеры. Основы устройства и применение
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях — физических, химических, биологических.

В результате гонки вооружений, навязанной американской военщиной, ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники — наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники — дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения — поступили на вооружение в армиях США, Англии, Франции, Японии. В Советском Союзе также находят применение военные приборы, в основе которых в качестве источника излучения используется лазер.

В связи с этим молодежи, призванной в Вооруженные Силы, необходимо знать принципы работы лазеров, а также основанных на их использовании приборов.

Объяснение слова «лазер» дано в словаре терминов, приведенном в конце книги. Этим словарем следует пользоваться всякий раз, встречая то или иное малознакомое для вас слово или понятие.

В основу работы лазеров положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного (стимулированного) излучения атомов и молекул,

которое было предсказано Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году. Он показал, что между средой, состоящей из молекул, атомов, электронов, и светом постоянно происходит обмен энергией в результате порождения одних и уничтожения других квантов света. Среда может как поглощать и рассеивать, так и, при определенных условиях, усиливать падающее на нее излучение. Причем излучение может быть как спонтанным (самопроизвольным), так и стимулированным.

Значительный вклад в дело развития лазеров внес советский физик Валентин Александрович Фабрикант. В 1939 году, анализируя в своей докторской диссертации спектр газового разряда, он указал на возможность усиления света посредством стимулированного излучения и сформулировал необходимые для этого условия. Продолжая работать над идеей о возможности создания усилителя света, он в 1951 году вместе с Ф. А. Бутаевой и М. М. Вудынским впервые получил экспериментальное подтверждение своих расчетов и опубликовал результаты. Была сформулирована заявка на изобретение: «Предлагается способ усиления электромагнитного излучения, основанный на использовании явления индуцированного излучения».

В 1952 году ученые трех стран одновременно (в Советском Союзе — Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, в США - Ч. Таунс, Дж. Гордон и X. Цайгер, в Канаде-Дж. Вебер) независимо друг от друга предложили принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, основанный на использовании индуцированного излучения.

Это позволило создать усилителй и генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов. Они получили название мазеров. За создание молекулярных генераторов Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, сотрудники Физического института АН СССР, были удостоены Ленинской премии. Разработка теории и устройства молекулярного генератора была содержанием докторской диссертации молодого в то время ученого Н. Г. Басова.

В 1955—1957 годах появились работы Н. Г. Басова, Б. М. Вула, Ю. М. Попова и А. М. Прохорова в СССР, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый

успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества. Этот лзер работал в импульсном режиме и излучал энергию в красной области спектра.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона. Лазер работал в непрерывном режиме и излучал энергию также в красной области спектра.

В 1962 году практически одновременно в СССР и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент (на возможность использования полупроводников было указано работами Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова еще в 1958 году).

Заслуги советских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Ее получили в 1964 году Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании. Было получено стимулированное излучение от многих материалов — твердотельных, газовых, жидких, полупроводниковых. Диапазон излучения стал захватывать широкий участок спёктра: от крайнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области, а в последние годы получено стимулированное излучение, лежащее в рентгеновском диапазоне. Поскольку стимулированное излучение отличается от теплового монохроматичностью, узконаправленностью, высокой спектральной яркостью и когерентностью, то его стали использовать для построения целого ряда приборов, предназначенных сначала для проведения экспериментальных исследований, а затем для лазерной технологии. Эти приборы способствовали развитию новых научных направлений, таких как лазерная интерферометрия, интроскопия, безлинзовая оптика, голография, термоядерный синтез.

В 1970 году советский ученый Ю. Н. Денисюк был удостоен Ленинской премии за цикл работ «Голография с записью в трехмерной среде» [1, 2, 3]. По разработанной им принципиально новой схеме, существенно отличающейся от схемы Д. Габора — отца голографии, были получены высококачественные голограммы, которые восстанавливались в белом свете. Вклад советского ученого

настолько значителен, что схема Д. Габора рассматривается как частный случай метода Ю. Н. Денисюка.

Советская промышленность уже в 1975 году освоила серийный выпуск лазеров различных типов, серий ГОС и ГОР, серии ЛГ и др. Они демонстрировались на многих международных выставках, и вызывали всеобщий интерес [4, 5, 6]. Ускоренными темпами развивалась лазерная техника и в США, Франции, Англии, Италии, ФРГ. В новое научное направление вовлекалось все больше ученых и исследователей. Они принесли новые идеи, часть из которых оказалась давно забытыми старыми. Так, например, использование схемы эксперимента А. Майкельсона, который он приводил еще в прошлом веке, привело к созданию лазерного гироскопа, а точнее, датчика угловой скорости вращения (ДУС), который отличается от роторного более высокой точностью, широким диапазоном измеряемых скоростей, практически мгновенным включением в работу (не нужно время на раскрутку ротора), малой чувствительностью к перегрузкам [7, 8]. Эти приборы стали использовать в системах навигации и стабилизации. Для решения ряда научных проблем были построены различные локаторы и дальномеры с лазером в качестве источника излучения. Например, при проведении локации Луны локатор был размещен в Крымской обсерватории и им осуществлялось зондирование поверхности Луны. С тем, чтобы получить отраженный сигнал значительной мощности, на Луну был доставлен зеркальный отражатель, изготовленный французскими учеными и техниками [9, 10]. О высокой точности лазерной локации говорит такой эксперимент.. Он был выполнен сотрудниками обсерватории Мишель де Прованс по американскому спутнику «Эксплорер-22». Этот спутник был также оснащен зеркальной панелью, состоящей из 360 оптических элементов. В локаторе в качестве источника излучения использовался рубиновый лазер. После обработки результатов локации выяснилось, что в момент измерений наклонная дальность от локатора до спутника составляла 1571 км 992 м. Причем это расстояние было измерено с ошибкой всего ±8 м. Такой эксперимент дает ученым возможность составить более правильное представление о форме Земли и о распределении поля тяготения. И если раньше считалось, что поле тяготения имеет сферическую форму, затем стали говорить об эллиптической форме, то теперь о поле

тяготения Земли можно сказать, что оно распределяется в форме «ежа» с его многочисленными колючками.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях. В 1978 году было опубликовано, что разработана, испытана и запатентована система «Глиссада» для посадки самолетов ГВФ в сумерках и ночью [11].

В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров — лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. Причем отмечаются такие преимущества лазерной обработки, как высокая скорость выполнения операций, высокое качество обра ботки, возможность автоматизации операций обработки и др.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель: Возникла лазерная микрохирургия глаза.

В Институте хирургии имени А. А. Вишневского лазерный скальпель используется при операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей.

В 1981 году издательство «Медицина» выпустило труд большого коллектива ученых «Лазеры в клинической медицине». В нем находится лаконичное описание результатов операций, выполненных под руководством профессора С. Д. Плетнева.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Так, например, с помощью газового лазера получают фотоснимки кровеносных сосудов конечностей, причем такие снимки, которые невозможно получить на рентгеновской установке. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме. Группой ученых, работающих в Алма-Ате под руководством профессора В. М. Инюшина, развивается направление лазерного стимулирования посевного материала.

В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества

мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств. В пищевой химии и биотехнологии лазерные установки используются для проведения исследований по опенке коэффициентов отражения и прозрачности пищевых материалов и питательных сред, по исследованию кинетики химических реакций, а также при разделении изотопов. В пищевом машиностроении — для контроля параметров работы машин и технологических систем.

Большой вклад в дело развития лазерной техники сделан и учеными США. Работы таких ученых, как Ч. Таунс, А. Джаван, Дж. Строук, известны мировой общественности. Однако в последние годы в США, охваченных милитаристским угаром, все больше усилий прилагается для достижения превосходства над СССР в вооружениях. С этой целью огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

Ведутся подготовительные работы и наземные эксперименты в рамках пресловутой программы стратегической оборонной инициативы (СОИ), по созданию широкомасштабной системы ПРО. Поставленная перед создателями СОИ задача заключается в обеспечении поражения межконтинентальных и баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок, на всем протяжении траектории их полета к цели.

Академик Б. Раушенбах, член Комитета советских ученых в защиту мира против ядерной угрозы, в статье «Мираж могущества» показывает технические несовершенства отдельных элементов СОИ и авантюризм самой идеи СОИ. Он говорит, что в случае ее реализации она может стать «стратегической похоронной инициативой» для всего человечества, ибо усиливает опасность войны.

В выступлении по советскому телевидению 18 августа 1986 года М. С. Горбачев подчеркивал: «Пусть и здесь не рассчитывают запугать нас или повернуть к ненужным расходам. Если потребуется, мы быстро найдем ответ, причем будет он не таким, каким его ожидают в США. Но это будет ответ, который обесценит программу «звездных войн».

Лазеры должны служить мирным целям - эту основную мысль и хочет довести автор до молодого читателя.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление