Юный техник, 2010 № 10

Для начала вспомним, что английское слово laser — это сокращение, составленное из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

Так был назван квантовый генератор — прибор, в котором осуществляется генерации электромагнитных волн строго одной длины оптического диапазона.

Первые квантовые генераторы были созданы в 1954–1955 годах Н. Г. Басовым и A.M. Прохоровым в СССР, а также Ч. Таунсом и его коллегами в США. За что создатели и были удостоены Нобелевской премии.

Принцип работы лазера в самом упрощенном виде таков. Представьте себе трубку, торцы которой герметично закрыты с одной стороны непрозрачным, а с другой — полупрозрачным зеркалом. Трубка заполнена, например, ионизированным газом. Если поместить эту трубку в электромагнитное поле, с помощью которого мы будем, как говорят физики, накачивать ионизированный газ дополнительной энергией, то вскоре он начнет светиться, поскольку из него начнут выделяться возбужденные фотоны. Они будут метаться между зеркалами до тех пор, пока их энергия не станет настолько большой, что они смогут преодолеть полупрозрачную преграду. И тогда из трубки вырвется ослепительный нерасходящийся луч.

Лазерные комплексы все шире используются в науке и промышленности.

В настоящее время существуют лазеры, отличающиеся друг от друга тем, что среда, в которой происходит преобразование, или «накачка», энергии, может быть газом, жидкостью, полупроводником, кристаллом. Отсюда и названия: газовые лазеры, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные… Кроме того, лазеры могут давать как непрерывное, так и импульсное излучение, быть более и менее мощными, использоваться для самых различных целей — зондирования атмосферы, сигнализации, связи и т. д.

Квантовые генераторы могут также, кроме видимого света, давать излучение самой различной длины волны — от жесткого гамма-излучения до радиоволн. Не используемыми какое-то время оставались миллиметровая и субмиллиметровая области. Вопрос об их освоении встал сразу после Второй мировой войны, потому что излучение этого диапазона можно использовать в оборонных целях.

Изучением перспективного диапазона занимались нобелевские лауреаты, академики A.M. Прохоров и В.Л. Гинзбург. Они отметили, что у обычных лазеров есть недостаток — фиксированная либо изменяемая в небольших пределах длина волны излучения. Используя такой прибор, ученый или инженер вынужден «подстраиваться» под этот спектр, что ограничивает и область исследований, и выбор технических устройств. Поэтому многим специалистам очень хотелось бы иметь генератор, у которого можно было бы в широких пределах изменять частоту излучения. Кроме того, хорошо бы иметь в своем распоряжении столь мощный пучок излучения, чтобы em можно было использовать подобно гиперболоиду инженера Гарина, описанному в романе А. Толстого.

Для работы обычного лазера, как уже говорилось, необходимо какое-нибудь вещество, которое возбуждается, «накачивается» энергией. Для особо мощных лазеров, как установили наши ученые, удобнее всего использовать пучок электронов, движущийся в ондуляторе — особом устройстве, представляющем собой специальную отклоняющую систему, заставляющую электронный пучок «колебаться» внутри активного объема. Изменяя параметры пучка, можно менять по своему усмотрению длину волны излучения в очень широких пределах.

Единственный недостаток такого устройства — большие размеры. Например, лазер в Новосибирске занимает площадь более 100 кв. м. Зато мощность его излучения — 500 Вт. Других источников когерентного субмиллиметрового излучения такой мощности в мире больше нет.

Схема лазерного комплекса на свободных электронах:

_{1 — рабочие станции; 2 — ускорительное кольцо; 3 — источник излучения.}

Схема разгона лазерного пучка в активном объеме.

«Мы выбрали субмиллиметровый участок спектра в основном из экономических соображений, — объяснил академик Г.Н. Кулипанов. — Скажем, рентгеновский лазер на свободных электронах стоил бы миллиард долларов, таких денег у нас не было. А вот установку в миллиметровом диапазоне (от 5 до 200 микрон) мы смогли построить, затратив на это около 20 миллионов долларов».

Проект возглавил доктор физико-математических наук Николай Винокуров. Процесс создания нового лазера был довольно долгим. В середине 90-х годов XX века наши ученые сделали похожую, но менее мощную установку по заказу Южной Кореи. А на вырученные деньги решили построить мощный лазер на свободных электронах для себя.

«Многие коллеги не понимали тогда нашей затеи, — вспоминает академик Г.Н. Кулипанов. — Вместо того чтобы потратить полученные деньги на зарплату, мы расходовали их на создание дорогого оборудования. Но как показало время, наше решение оказалось верным.

Создав уникальный лазер, мы обеспечили интересной работой нашу молодежь. А кроме того, руководитель этого проекта Николай Винокуров был удостоен самой престижной награды нашей страны — Государственной премии Российской Федерации».

По словам самого лауреата, длина волны излучения может быть практически любой — от ангстрема до сантиметра — и плавно перестраиваться. Кроме того, теперь можно создавать лазеры с мощностью до нескольких мегаватт, использовать их для спектроскопии, лазерного разделения изотопов, передачи энергии на искусственные спутники Земли…

Первая очередь лазера на свободных электронах запущена в Сибирском центре фотохимических исследований в 2003 году. С помощью этого прибора уже ведутся эксперименты по абляции материалов, т. е. обработке их поверхности лучом с образованием плазмы. Кроме того, идут исследования органических и неорганических материалов и объектов. В частности, электронный луч за несколько фемтосекунд может сделать снимок белка.

В дальнейшем, убеждены ученые, микроскопия с помощью лазеров на свободных электронах позволит приблизиться к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм), что даст возможность получать изображения атомов и молекулярных структур.

Теперь наша лаборатория стала самым настоящим центром коллективного пользования; с нами сотрудничают 10 научных учреждений, причем не только из Сибирского отделения РАН, — сказал в заключение академик Г.Н. Кулипанов. — Наши потребители — не только физики, но и химики, биологи»…

Публикацию подготовил В. ЧЕРНОВ

ЛАЗЕР ДЛИНОЙ В… 300 КМ

Именно такое уникальное сооружение — самый длинный в мире оптоволоконный лазер длиной 300 км — создали сотрудники Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из университета Астон (Великобритания). Зачем он понадобился?

Ученые установили, что 300 км — это предельное расстояние, на которое оптоволокно позволяет распространяться с минимальными потерями излучению с длиной волны 1,5 микрона, пояснил замдиректора по научной работе института, заведующий лабораторией волоконной оптики Сергей Бабин. «При увеличении длины более 300 км свет практически не доходит до конечного зеркала из-за рассеяния на неоднородностях», — сказал он.

Применять сверхдлинные оптоволоконные лазеры ученые намерены для передачи информации на значительные расстояния без оптических усилителей, для повышения чувствительности и дальнодействия сенсорных систем.

Исследованиями в области волоконной оптики в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН занимаются с 2002 года. На счету института уже есть масштабные научные результаты. Например, здесь впервые в мире было достигнуто эффективное удвоение частоты волоконных лазеров с генерацией в сине-зеленом и желто-красном диапазонах, что очень важно для применения в биомедицине. Кроме того, созданы стабилизированные одночастотные лазеры для метрологии и сенсорные системы для энергетики.