|
 Όπως αποδεικνύεται από τα γεγονότα, μια δέσμη λέιζερ μπορεί να μεταφέρει αρκετή ενέργεια για να είναι σε θέση να πραγματοποιήσει χειρουργική επέμβαση, να ανοίξει διαμάντια και ακόμη και να θερμάνει μικροσκοπικές ποσότητες μιας ουσίας σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών.
Πόση ενέργεια μπορεί να μεταφέρει μια ακτίνα λέιζερ; Εξαρτάται από τον τύπο του λέιζερ, τη δύναμη της πηγής που το παρέχει, καθώς και από τις συνθήκες λειτουργίας του, που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα της χρήσης της παρεχόμενης ενέργειας.
Και με λέιζερ CW, η ενέργεια εισόδου μετατρέπεται συνεχώς σε ενέργεια της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το λέιζερ. Η ισχύς των ακτίνων που εκπέμπονται από τέτοια λέιζερ κυμαίνεται από milliwatt έως δεκάδες κιλοβάτ (το ίδιο ποσό με τους χιλιάδες εκατοντάδες watt λαμπτήρες που εκπέμπονται στην ορατή περιοχή). Με αυτές τις ακτίνες κιλοβάτ φωτός, σωστά εστιασμένες, για παράδειγμα με φακό, είναι δυνατό να κόψετε ένα χαλύβδινο φύλλο πάχους εκατοστού του δέρματος του πλοίου με ταχύτητα περίπου ένα εκατοστό ανά δευτερόλεπτο. Λιγότερο ισχυρά λέιζερ χρησιμοποιούνται για άλλους σκοπούς που δεν απαιτούν τόσο ισχυρές δέσμες φωτός.
 Το πιο ισχυρό λέιζερ που βλέπει με τα μάτια σας στο Ινστιτούτο Ναυτικών Ερευνών στην Ουάσιγκτον, DC, έπρεπε να εκπέμπει δέσμη περίπου ενός μεγαβάτ (εκατομμύρια watt ή χιλιάδες κιλοβάτ) μέσα σε δευτερόλεπτα. Αυτό το λέιζερ, μαζί με βοηθητικές συσκευές, καταλάμβανε δύο μάλλον μεγάλες αίθουσες εργαστηρίου. Δεν υπάρχει τίποτα ιδιαίτερα εκπληκτικό εδώ, καθώς η ισχύς της δέσμης ήταν ίση με τη δύναμη περίπου πενήντα κινητήρων επιβατικών αυτοκινήτων μεσαίας τάξης.
Ωστόσο, για πολλούς σκοπούς, ακόμη και οι δέσμες μεγαβάτ είναι αδύναμες και απαιτούν ακόμη πιο ισχυρές δέσμες. Για παράδειγμα, ένα «σεληνιακό» λέιζερ έπρεπε να στείλει μια δέσμη με ισχύ αρκετών εκατομμυρίων βατ. Η δέσμη φωτός μετά την αντανάκλαση από τη Σελήνη επιστρέφει στη Γη πολύ εξασθενημένη λόγω απορρόφησης και διασποράς στην ατμόσφαιρα της Γης, σκέδασης στην επιφάνεια της Σελήνης κ.λπ. Η ευαισθησία του εξοπλισμού που καταγράφει το ανακλώμενο φως αποκλείει τη δυνατότητα χρήσης ακόμη και των ισχυρότερων παραδοσιακών πηγών φωτός για τη θέση της Σελήνης. Μια αρκετά έντονη ακτίνα φωτός μπορεί να παραχθεί μόνο με λέιζερ με ισχύ αρκετών μεγαβάτ. Για να ξεκινήσει μια θερμοπυρηνική αντίδραση, απαιτείται ακόμη ισχυρότερο λέιζερ - η ισχύς του πρέπει να είναι της τάξης τουλάχιστον αρκετών εκατομμυρίων μεγαβάτ.
Η δημιουργία ενός τόσο ισχυρού λέιζερ συνεχούς κύματος δεν είναι ακόμη ρεαλιστική. Ένα τέτοιο λέιζερ θα πρέπει, πάνω απ 'όλα, να έχει τερατώδεις διαστάσεις. Θα ήταν επίσης δύσκολο να παρέχεται ενέργεια σε έναν τέτοιο κολοσσό, και θα ήταν επίσης δύσκολο να δημιουργηθεί ψύξη. Η απόδοση ενός λέιζερ κυμαίνεται τυπικά από μερικά έως δέκα τοις εκατό, έτσι ώστε μόνο ένα σχετικά μικρό κλάσμα της εισόδου ενέργειας στο λέιζερ εκπέμπεται ως ακτινοβολία. Τα υπόλοιπα απορρίπτονται, τελικά μετατρέπονται σε θερμότητα, η οποία πρέπει να αφαιρεθεί από την εγκατάσταση λέιζερ, υποβάλλοντας την σε αρκετά έντονη ψύξη.
Ένα λέιζερ που εκπέμπει συνεχώς δέκα εκατομμύρια μεγαβάτ θα καταναλώνει την ενέργεια που παράγεται ταυτόχρονα από αρκετές χιλιάδες μεσαίου μεγέθους σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Κατά τη λειτουργία ενός τέτοιου λέιζερ, εκατομμύρια καταναλωτές θα έπρεπε να στερηθούν την παροχή ρεύματος. Ίσως θα μπορούσε ακόμα να διευθετηθεί, αλλά πώς μπορεί να κρυώσει ένας τέτοιος γίγαντας;
Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι υπάρχει ανάγκη για τόσο ισχυρές δέσμες φωτός, δεν υπάρχει ανάγκη κατασκευής τέτοιων λέιζερ cw.Το γεγονός είναι ότι σε όλες αυτές τις εφαρμογές όπου υπάρχει ανάγκη για ακτίνες λέιζερ εξαιρετικά υψηλής ισχύος, δεν έχει σημασία αν το λέιζερ θα εκπέμπει ακτινοβολία για το ένα χιλιοστό ή το ένα εκατοστό του δευτερολέπτου. Τις περισσότερες φορές, η ακτινοβολία λέιζερ είναι απαραίτητη μόνο για μικρό χρονικό διάστημα. Εν ολίγοις, μιλάμε για το γεγονός ότι η ακτίνα λέιζερ είχε χρόνο να προκαλέσει το επιθυμητό αποτέλεσμα στο λαμβανόμενο αντικείμενο προτού έρθει σε ανεπιθύμητες διαδικασίες που σχετίζονται με την ενέργεια της ακτινοβολίας λέιζερ που απορροφάται από το αντικείμενο. Εάν, για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε μια ακτίνα λέιζερ για την αφαίρεση ασθενών ιστών κατά τη διάρκεια μιας επέμβασης, οι αναλαμπές διήρκεσαν πολύ καιρό, τότε υγιής ιστός δίπλα στους ασθενείς θα μπορούσε επίσης να υποστεί επικίνδυνη υπερθέρμανση. Εάν χρησιμοποιείται συνεχής ακτινοβολία λέιζερ για να τρυπήσετε μια τρύπα σε ένα διαμάντι αντί για ξεχωριστές λάμψεις, το διαμάντι θα υπερθερμανθεί, θα λιώσει και, ως αποτέλεσμα, ένα σημαντικό μέρος του διαμαντιού θα εξατμιστεί.
 Τα παραδείγματα που δίνονται δείχνουν την ανάγκη χρήσης τόσο σύντομων παλμών λέιζερ έτσι ώστε η ενέργεια που απορροφάται από το ακτινοβολημένο αντικείμενο να μην έχει χρόνο να διαλυθεί λόγω διεργασιών αγωγής θερμότητας. Φυσικά, υπάρχουν πολλοί άλλοι τέτοιοι ανεπιθύμητοι και συχνά επιβλαβείς μηχανισμοί διάχυσης ενέργειας. Στη γενική περίπτωση, μιλάμε για το γεγονός ότι η δέσμη λέιζερ είχε χρόνο να ολοκληρώσει την εργασία της πριν από την παρεμβολή των αναφερόμενων παραγόντων. Γι 'αυτό, σε πολλές συσκευές, οι παλμοί λέιζερ πρέπει να είναι πολύ σύντομοι και η έκφραση "πολύ μικρή" μερικές φορές σημαίνει νανοδευτερόλεπτο ή ακόμη λιγότερο χρόνο.
Τώρα καθίσταται σαφές σε εμάς, υπαγορεύεται από την αναγκαιότητα, μια απλή ιδέα εξοικονόμησης ενέργειας, βάσει της οποίας είναι δυνατή η απόκτηση ακτίνων γιγαντιαίας ισχύος σε σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Αντί να παράγει, ας πούμε, ένα joule ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας (αυτή είναι μια πολύ μικρή ποσότητα) για ένα δευτερόλεπτο, ή εκπέμπει δέσμη ενός watt (1 W = 1 J / s), ακολουθεί απλά την ίδια ποσότητα ενέργειας (μία joule ) εκπέμπουν γρηγορότερα ως σχετικά μικρό παλμό. Όσο μικρότερος είναι ο παλμός, τόσο υψηλότερη είναι η ισχύς της δέσμης. Εάν, για παράδειγμα, μια έκρηξη ακτινοβολίας διαρκεί ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου (ένα μικροδευτερόλεπτο, ένα νανοδευτερόλεπτο), τότε η δέσμη θα έχει ισχύ 1000 φορές υψηλότερη (σχετικά).
Προφανώς, με συνεισφορά ενέργειας 1000 φορές μεγαλύτερη (1 kJ αντί για 1 J), θα αποδειχθεί (σε καθεμία από τις παραπάνω περιπτώσεις) ότι η δέσμη είναι 1000 φορές πιο ισχυρή. Εάν ο χρόνος εκπομπής (εκπομπής) ήταν της τάξης ενός νανοδευτερολέπτου, τότε στην περίπτωση αυτή θα επιτευχθεί μια δέσμη ισχύος ενός terawatt. Εστιασμένη, για παράδειγμα, με έναν φακό στην επιφάνεια του σώματος σε ένα σημείο διαμέτρου περίπου 0,1 mm, μια τέτοια δέσμη θα έδινε στο επίκεντρο μια αδιανόητη τιμή έντασης - 10 έως την 20η ισχύ του W / m2! (Συγκριτικά, η ένταση φωτός ενός λαμπτήρα 100 watt σε απόσταση 1 m από αυτό είναι της τάξης των δέκατων των watt ανά τετραγωνικό μέτρο.)
Παραμένει ένα ερώτημα, φαινομενικά αθώο με την πρώτη ματιά: πώς να μειώσετε το χρόνο ακτινοβολίας λέιζερ σε μια δεδομένη συνολική ενέργεια δέσμης; Μια τέτοια εργασία είναι ένα πολύπλοκο πρόβλημα τόσο φυσικής όσο και τεχνικής φύσης. Εδώ δεν θα πάμε σε τέτοιες λεπτές αποχρώσεις, γιατί για την ιστορία μας το ζήτημα της λήψης ενός σύντομου παλμού είναι πολύ ξεχωριστό. Σε κάθε περίπτωση, σήμερα η κατάσταση έχει ως εξής: ο χρόνος εκπομπής φωτός από παλμικό λέιζερ χωρίς πρόσθετες συσκευές που θα ανάγκαζαν το λέιζερ να εκπέμπει φως γρηγορότερα είναι της τάξης μερικών μικροδευτερολέπτων (ή το δέκατο του χίλια του δευτερολέπτου).
Η χρήση πρόσθετων συσκευών, η λειτουργία των οποίων βασίζεται σε κάποια φυσικά φαινόμενα, θα βοηθήσει στη μείωση αυτού του χρόνου σε τιμές της τάξης ενός picosecond. Χάρη σε αυτό, σήμερα είναι δυνατή η λήψη τεράστιων παλμών λέιζερ, η μέγιστη ισχύς των οποίων μπορεί να φτάσει ακόμη και αρκετές εκατοντάδες terawatts.Φυσικά, τέτοιες ισχυρές δέσμες χρειάζονται μόνο σε ειδικές συσκευές (για παράδειγμα, για την έναρξη θερμοπυρηνικής αντίδρασης). Σε πολλές άλλες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται παλμοί πολύ χαμηλότερης ισχύος.
Τώρα ας κάνουμε μια σημαντική ερώτηση: είναι δυνατόν να αποκτήσουμε τόσο έντονες και ευκολότερες φωτεινές ακτίνες, δηλαδή με τη βοήθεια παραδοσιακών λαμπτήρων υψηλής ισχύος; Αυτό αναφέρεται και στους δύο λαμπτήρες που λειτουργούν σε συνεχή λειτουργία (για παράδειγμα, λαμπτήρες ανακλαστήρων αεροσκαφών ή κάμερες κινηματογράφου), και λαμπτήρες φλας (για παράδειγμα, φακοί που χρησιμοποιούνται στη φωτογραφία).
Η απάντηση εξαρτάται από το είδος των δοκών που θα θέλαμε να αποκτήσουμε ή, με άλλα λόγια, από τι δύναμη και τι είδους απόκλιση μιλάμε. Εάν είμαστε αδιάφοροι για την απόκλιση της δέσμης, τότε οι παραδοσιακοί λαμπτήρες είναι σε θέση να ανταγωνίζονται με λέιζερ μόνο μέχρι ένα ορισμένο όριο. Αυτό το όριο βρίσκεται, σε κάθε περίπτωση, πολύ κάτω από ένα terawatt. Πάνω από αυτό το επίπεδο, το λέιζερ δεν έχει ανταγωνιστές.
Φυσικά, όσο λιγότερο αποκλίνουσες και ισχυρότερες δέσμες θέλουμε να έχουμε, τόσο χαμηλότερο θα είναι το όριο, πάνω από το οποίο θα πρέπει να εγκαταλείψουμε τις παραδοσιακές πηγές φωτός και να στραφούμε σε λέιζερ. Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι κλασικές πηγές φωτός δεν θα μπορούσαν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας που επιβλήθηκαν σε μια πηγή φωτός κατά τη μέτρηση της απόστασης από τη Γη έως τη Σελήνη. Σε αυτό το πείραμα, έπρεπε να χρησιμοποιηθεί ένα παλμικό λέιζερ.
Gavrilova N.V.
|
