Беседы о физике и технике

14. Лазеры за работой

Термоядерный синтез и лазеры. Кажется, что одно к другому не имеет никакого отношения. Что между ними общего? Однако не будем спешить. Напомним, что в результате слияния тяжелых изотопов водорода — дейтерия D и трития Т — выделяется огромное количество энергии. Этот процесс, обладающий высокой энергоемкостью (~1∙10¹¹ Дж/г), носит название реакции термоядерного синтеза. Для того чтобы произошла эта реакция, ядра необходимо сблизить на расстояние (~1∙10^-12 см. Преодолеть кулоновский барьер отталкивания ядер можно только одним способом — разогнать отталкивающиеся ядра до очень высоких скоростей, т. е. сообщить им большую кинетическую энергию.

Пожалуй, единственно возможный в физике путь осуществить условие, позволяющее многим ядрам вступать в реакцию синтеза, — это получить нагретый до очень высоких температур газ из дейтерия и трития. Температура газа, обеспечивающая слияние ядер, должна быть не менее 10⁸ К.

НО ВЕДЬ ГАЗ, РАЗОГРЕТЫЙ ДО ТАКИХ ТЕМПЕРАТУР, ПРИОБРЕТАЕТ НОВЫЕ СВОЙСТВА?

При такой температуре электроны отрываются от ядер. Смесь ядер дейтерия и трития и соответственно оторванных от ядер электронов есть термоядерная плазма.

Для того чтобы в этой плазме при достижении температуры 10⁸ К началась термоядерная реакция, необходимо выполнение определенного соотношения: nτ >10¹⁴ (критерий Лоусона). Здесь n — концентрация ядер (ионов) дейтерия и трития, а τ — время существования плазмы в горячем состоянии.

Таким образом, получение дейтериево-тритиевой плазмы с T >= 1∙10⁸ К и с параметрами n и τ, удовлетворяющими критерию Лоусона, лежит в основе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Осуществление управляемого термоядерного синтеза может обеспечить человечеству «вечное» энергетическое изобилие, поскольку запасы высококалорийного (10¹¹ Дж/г) термоядерного топлива практически бесконечны.

КАК ПЫТАЮТСЯ РЕШИТЬ ПРОБЛЕМУ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА?

К решению этой грандиозной задачи, являющейся в науке задачей № 1, ученые идут двумя путями. Первый исторически связан с удержанием нагретой электрическим разрядом плазмы в магнитном поле. Эти относительно «медленные» процессы (τ ~= 0,1÷1с) воспроизводятся, например, в широко известных установках, разработанных советскими учеными, типа ТОКАМАК.

Другой путь — это получение термоядерных микровзрывов (τ ~= 10^-9 с) в сгустке термоядерной плазмы. Следовательно, получение термоядерных микровзрывов связано с необходимостью быстро нагревать и сжимать малые порции DT-вещества (импульсный или инерциальный процесс синтеза). Импульсное направление в проблеме УТС возникло в 1962 г., когда Н.Г.Басов и О. Н. Крохин высказали идею об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Это направление получило название лазерного термоядерного синтеза. Использование лазеров в УТС предопределяется возможностью фокусировки лазерного луча на площадку малых размеров (1∙10^-2 см и меньше), высокой мощностью излучения, достигающей в настоящее время 10¹³—10¹⁴ Вт (10—100 ТВт). Такая высокая мощность лазерного излучения позволяет обеспечить колоссальное удельное энерговыделение (~ 10¹⁶—10¹⁷ Вт/см³). Столь высокое значение энергии в единичном объеме превосходит возможности других источников энергии и дает возможность осуществить мгновенный нагрев малых порций вещества до высоких температур и значительных давлений, так как давление всегда пропорционально тепловой энергии, приходящейся на единичный объем вещества.

Возникшая с появлением мощных лазеров физика УТС по мере развития лазерной техники (увеличения мощности и энергии когерентного излучения) накапливала все более и более удивительные открытия и быстро превращалась в совершенно новую область науки. Были открыты и изучены эффекты оптического пробоя (1964), лазерного испарения вещества и передачи механического импульса мишени (1964–1966), лазерного нагрева твердого вещества до высоких температур (1964–1966), обнаружены термоядерные реакции в плазме, образованной излучением мощного неодимового лазера (1968).

На повестке дня стоят проблемы создания лазерных систем нового поколения (мегаджоульного уровня) для достижения эффективной термоядерной вспышки и разработки термоядерного реактора. Внедрение его в мировую энергетику и является конечной целью лазерно-термоядерного направления науки и техники.

НЕ БУДЬ ЛАЗЕРОВ, НЕ БЫЛО БЫ И ГОЛОГРАФИИ?

Развитие голографии, принципы которой были разработаны в 1947 г. английским ученым Габором, является выдающимся достижением в области лазерной техники.

Известно, что голография представляет собой метод получения объемных изображений путем восстановления структуры световой волны, отраженной от предмета.

Метод голографической записи и воспроизведения изображений коренным образом отличается от обычного фотографирования, основанного на построении на фотопластинке плоского изображения предмета с помощью оптических объектов по законам геометрической оптики. При получении голограммы необходимости в использовании объективов для построения изображений нет.

На самой голограмме не обнаруживается какого-либо сходства с оригиналом: она выглядит как хаотически сложное распределение черных и белых интерференционных полос, равномерно расположенных по всей плоскости фотопластинки. Лишь с появлением лазеров стало возможным получение четких и ясных голограмм.

КАК ПОЛУЧАЮТ ГОЛОГРАММУ?

Чтобы получить голограмму, необходимо иметь две интерферирующие монохроматические когерентные световые волны. Одна волна обычно исходит от объекта и падает на фотопластинку (объектная волна). Другая волна носит название опорной (рис. 49). Таким образом, в голографии, как и при фотографировании, решается вопрос о записи информации, которую несет световая волна, отраженная от объекта.

Информация об объекте содержится частично в амплитуде (амплитудная информация), частично в фазе волны (фазовая информация). При фотографировании на пластинке (пленке) фиксируется интенсивность волны (амплитудная информация об объекте), тогда как в голографии на фотопластинке записывается и амплитудная, и фазовая информация. Основным условием получения высококачественных голограмм является высокая когерентность опорной и объектной волн, что и достигается применением лазера. Действительно, четкую интерференционную картину на фотопластинке получают, используя для освещения предмета и создания опорной волны один и тот же лазер.

На рис. 49 приведена схема записи голограммы, которая не требует особых пояснений, а на рис. 50 — схема считывания (воспроизведения) голограммы.

Рис. 49. Схема записи голограммы

Рис. 50. Схема считывания (воспроизведения) голограммы

При считывании голограммы проявленную фотопластинку освещают тем же лазерным светом от того же источника, который использовали ранее для получения опорной волны, и наблюдатель видит за пластинкой (как за окном) восстановленное изображение предмета (объекта) во всех трех его измерениях.

Таким образом, можно сформулировать ряд важных положений:

1. Процесс голографии является двухступенчатым. На первой стадии голограмму записывают, на второй — считывают. При считывании голограммы воссоздается исходная объектная волна, как если бы сам объект отражал свет.

2. Информация об объекте записывается интегрально: каждая точка видимой поверхности объекта записывается по всей поверхности голограммы, и, следовательно, информацию об объекте можно получить во многих случаях даже от части поверхности голограммы, если по какой-то причине другая часть поверхности безвозвратно испорчена.

3. В отличие от фотографии метод голографии не требует применения линзовых систем.

В последнее время все большее распространение получает так называемая изобразительная голография, сформировавшаяся в самостоятельное направление, под которым понимают весь комплекс научных исследований и технику изготовления голограмм, предназначенных для демонстрации в музейных экспозициях, на выставках, в учебном процессе и в рекламных целях.

ИЗВЕСТЕН ТАКЖЕ ОРИГИНАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ГОЛОГРАММ, ПРЕДЛОЖЕННЫЙ Ю. Н. ДЕНИСЮКОМ.

Речь идет о методе получения отражательных объемных голограмм, регистрируемых во встречных пучках.

Этот метод был предложен Денисюком в 1958 г. в его кандидатской диссертации и осуществлен в первой голограмме (1962), в которой интеренференционная картина была записана не только по поверхности, но и в глубине фотослоя и, согласно своему названию («голо» — полная, «грамма» — запись), отражала все стороны зафиксированной им картины, в том числе и объемность.

Схема установки, используемой для получения голограмм большого размера (до 1–2 м²) по методу Денисюка, приведена на рис. 51.

Рис. 51. Установка для записи голограмм по методу Ю. Н. Денисюка

Луч света от лазера 1 с помощью зеркала 2 и расширяющего пучок объектива 3 освещает фотопластинку 4 и расположенный за ней предмет 5. Падающий на пластинку свет является опорным пучком, а рассеянный предметом — объектным.

Обычно схему собирают на каменных или металлических плитах 6 с пневматическими амортизаторами 7 и на массивном основании 8 (для создания нечувствительности к вибрациям, оказывающим в этой схеме губительное действие на качество голограммы).

Изображение восстанавливают в свете, длина волны которого совпадает с излучением лазера, создающего опорную волну.

МОЖНО ЛИ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАММ ПОЛУЧАТЬ ЦВЕТНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ?

Если голограмму освещать последовательно различными волнами видимого диапазона волн, то наблюдаемые изображения каждый раз будут окрашены в разные цвета.

Цветное изображение предмета можно получить, если при изготовлении голограммы использовать три монохроматических лазера, соответствующих разным длинам волн (например, красным, желтым и синим). В этом случае запись может производиться на обычную эмульсию, а при считывании цветного изображения предмета освещение голограммы (по внешнему виду не отличающейся от черно-белой) должно производиться тремя опорными волнами, соответствующими указанным цветам лазеров.

Пока, правда, в изобразительной голографии, предпочтение все же отдается нелазерным источникам света, так как здесь имеется в виду не только доступность и низкая стоимость таких источников (что в общем-то немаловажно), но и то, что в этом случае не наблюдается эффект зернистости изображения, присущий лазерному излучению.

МОЖНО ЛИ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАММ ПОЛУЧИТЬ ДВИЖУЩЕЕСЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ — КИНО?

Перспективным направлением в развитии голографии является не только получение с помощью объемных голограмм многоцветных изображений, но и создание истинно объемного кино (пока для систем индивидуального пользования, самолетных тренажеров для слепой посадки и т. п.).

Первая экспериментальная демонстрация систем голографического кинематографа была в СССР осуществлена в 1976 г.

На экране размером 0,6х0,8 м демонстрировался в течение 2 мин фильм, записанный на пленке шириной 70 мм.

Возможно, не в таком уж далеком будущем будут созданы ателье, где можно будет заказать объемный цветной и высокохудожественный свой портрет.

Важность применения лазеров в голографии определяется тем, что голограммы в принципе обеспечивают возможность создания систем памяти с огромной плотностью информации в единичном объеме.

РАССКАЖИТЕ О ДРУГИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЛАЗЕРОВ.

Очень перспективно применение лазеров для решения радиотехнических задач — в системах связи, локации и т. д. Широко используют лазеры в системах межспутниковой связи. Замена земных ретрансляторов на лазерные, развитие лазерной локации Луны и планет — непременное условие современных земных и космических проблем.

Возможность получать с помощью лазеров световые пучки мощностью до 10⁶—10¹⁰ МВт/см² при фокусировке излучения в пятно диаметром ~ 10—100 мкм (0,01–10 мм) делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами.

ЛАЗЕР МОЖЕТ ОБРАБАТЫВАТЬ МАТЕРИАЛЫ?

В современном промышленном производстве лазер-труженик успешно сверлит и режет металлы, сверлит отверстия в алмазах с точностью до 0,01 %, сваривает металлы, осуществляет их плавление (без существенного испарения), выполняет много других работ, требующих большой точности (например, операции при изготовлении пленочных микросхем).

А ВЕДЬ ЛАЗЕР ЕЩЕ И ЛЕКАРЬ?

Существенно новые возможности открыл лазер в медицине.

Остросфокусированный луч лазера является идеальным скальпелем и одновременно прекращает кровотечение. Уже сделаны десятки тысяч операций внутренних органов, глаза; лазер лечит болезни, ранее не поддававшиеся лечению.

Замечательные свойства лазерного луча позволяют создавать не только промышленные или медицинские приборы, но и высококачественные образцы культурно-бытового назначения. Так, наша промышленность в 1987 г. впервые предложила лазерный видеопроигрыватель «Русь-501 Видео», воспроизводящий цветное телеизображение с тонкого оптического диска.

КАКИЕ НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЯВИЛИСЬ В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ В РАЗВИТИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ?

Развитие нелинейной оптики привело к созданию целого класса новых нелинейных кристаллов, меняющих свои свойства в электрическом поле лазерного луча. На их основе были созданы устройства, эффективно преобразующие проходящий через них лазерный свет в когерентное излучение другой частоты — генераторы световых гармоник и так называемые параметрические генераторы с плавной перестройкой частоты.

Большого применения достигли приборы (одно из направлений нелинейной оптики), в которых инфракрасное излучение преобразуется в видимый диапазон света. Это так называемые электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

В ЧЕМ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ?

Инфракрасное излучение от объекта (световое изображение), попадая на фотокатод ЭОП, преобразуется в электронное, а затем с помощью люминесцирующего экрана преобразуется в световое, но уже в видимой части спектра.

ЭОП обладает двумя очень ценными свойствами, благодаря которым его широко применяют в мореплавании, авиации, в военном деле, астрономии и других областях.

Во-первых, ЭОП чувствителен к более широкому участку спектра, чем глаз человека. Во-вторых, ЭОП может работать как усилитель яркости, что позволяет вести наблюдения при естественном ночном освещении (примерно 1∙10^-4 лк) без искусственной подсветки.

Электронно-оптический усилитель обеспечивает повышение яркости более чем в 100 раз, тогда как такое усиление яркости обычными средствами невозможно.

НАВЕРНОЕ, ЭТО СВОЙСТВО ЭОП ПОЛЕЗНО И В АСТРОНОМИИ?

Схема инфракрасного телескопа приведена на рис. 52.

Объектив О создает изображение рассматриваемого предмета на чувствительном для невидимых глазом лучей катоде К электронного преобразователя Э. Фотокатод работает на просвет, для чего его фоточувствительный слой достаточно тонок. Воздух из колбы удален, и фотоэлектроны движутся в ней практически без столкновений.

Электронное изображение S превращается в видимое на флуоресцирующем экране и рассматривается в окуляр Ок.

Для получения электронного изображения применяют электрические и магнитные электронные линзы, т. е. осуществляют, как говорят, электрическую или магнитную фокусировку. Интересно отметить, что еще в 1951 г. советскими учеными с помощью ЭОП было сфотографировано ядро Галактики, закрытое от прямых визуальных наблюдений мощными пылевыми облаками.

Рис. 52. Инфракрасный телескоп

НУ, И КОНЕЧНО, БЕЗ ЭОП НЕ БЫЛО БЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ?

Приборы ночного видения (рис. 53) состоят из трех основных частей: инфракрасного телескопа с электронно-оптическим преобразователем 3, шлема-каски 2 и блока питания 1.

В некоторых случаях, когда собственного естественного инфракрасного излучения рассматриваемых объектов недостаточно, осуществляется их подсветка инфракрасными прожекторами.

Рис. 53. Общий вид прибора ночного видения:

_{1 — блок питания, 2 — шлем-каска, 3 — перископические телескопы с электронно-оптическим и преобразователями}

ДА, КНИГА АЛЕКСЕЯ ТОЛСТОГО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОКАЗАЛАСЬ ПРОРОЧЕСКОЙ

Как видно из рассмотренного нами материала, жизнь всегда оказывается сложнее и многообразнее, чем предсказания фантастов; она намного богаче и гуманней тех задач, которые пытался решить инженер Гарин с помощью гиперболоида, и это мы видим по многочисленным мирным применениям лазерного луча.

К сожалению, лазер-разрушитель — это тоже реальность. Лазерное оружие не только создано, его готовят к применению в космосе. Таковы реалии времени, в котором мы живем: человечество тратит огромные средства на то, чтобы иметь возможность уничтожать само себя. Хочется верить, что новое политическое мышление, предложенное нашей страной, найдет сторонников во всем мире и огромные средства, которые пока еще тратятся на конфронтацию и вооружения, найдут другие, гуманные применения. Человечество от этого только выиграет.