вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Д.
Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в
СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый
резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки
(сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось
резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с
длиной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М.
Вула, Ю.М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых
квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г.
появилась обстоятельная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в
которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых
генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце
статьи авторы писали: ”Отсутствие принципиальных ограничений позволяет
надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители
в инфракрасном и оптическом диапазоне волн”.
Первые лазеры. Таким образом, интенсивные теоретические и
экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом
конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского
физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его
сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в
оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого “оптического мазера”
– лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно:
маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого
имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркал резонатора),
периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности,
которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде
красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из
посеребренных граней кубика. В том же 1960 г. американским физикам А.
Джавану, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического
излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый
газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено
экспериментальными исследованиями В.А. Фабриканта и Ф.А. Бутаевой,
выполненными в 1957 г. начиная с 1961 г., лазеры разных типов
(твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях.
Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется
технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно
создаются первые полупроводниковые лазеры. Так начался новый, “лазерный”
период оптики.
Классификация лазеров и их характеристики
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе
усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже
находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на
частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к
отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на
входе слабое излучение, на выходе – усиленное.
С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте
перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное
вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном
состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода
одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к
возникновению стимулированного излучения.
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием
активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными
(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-
неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного
вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют
полупроводниковым.
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного
вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического
излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной
энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с
возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного
излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее
спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об
импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с
непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например
полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале
длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то
говорят о широкополосном лазере.
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной
мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более
10^6 Вт,
называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10^5…10^3 Вт
имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то
говорят о маломощных лазерах.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают
лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью – у
такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси
электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность
резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения.
Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии.
Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до
дальнего инфракрасного, т.е. от 10^-3 до 10^2 мкм. За областью 100 мкм
лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до
миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный
участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в
ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов,
неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она
измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных
генераторов – порядка 10^3 Дж. Третьей характеристикой является мощность.
Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до
10^2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве
активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют
генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет
особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж,
сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но
длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с,
следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же
длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с,
мощность составляет 10^6 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить
энергию в импульсе до 10^3 Дж и сократить ее длительность до 10^-9 с и
тогда мощность достигнет 10^12 Вт. А это очень большая мощность. Известно,
что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10^5
Вт/см^2, то начинается плавление металла, при интенсивности 10^7 Вт/см^2 –
кипение металла, а при 10^9 Вт/см^2 лазерное излучение начинает сильно
ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного
луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в
несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3
угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв
излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15
угловых градусов.
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в
котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров
монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т.е. значительно
выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты
частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем
излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой
монохроматичностью.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного
действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у
полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для
повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения
лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию
аппаратуры.
Области применения лазеров в науке и технике
Лазеры в геодезии
Оптические методы измерения расстояний и углов хорошо известны в
промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было
ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с
использованием модулированного света были возможны лишь при небольших
расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно
расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и
упростить их.
Лазерная гироскопия
С появлением лазеров роторные гироскопы были заменены лазерными. Это сразу
сулило ряд технических достоинств. Во-первых, резко сократились размеры
контура из-за того, что в кольцевом лазере оба луча многократно обегают
окружность и имеет место накопление фазового сдвига. Во-вторых, лучи не
ослабляются в среде, как это было в эксперименте А. Майкельсона, а
усиливаются за счет получения энергии от активного вещества.
Лазерные гироскопы находят применение в зарубежных устройствах
измерительной техники, в системах наземной ориентации, в системах
ориентации воздушных и космических аппаратов, а также при создании
бесплатформенных инерциальных систем (БИС) навигации.
Лазерный гироскоп не свободен и от недостатков. К ним относятся
необходимость оснащения прибора рядом вспомогательных систем, трудности
калибровки и т. п. Их наличие позволяет сделать вывод. Что лазерный
гироскоп не сможет полностью заменить роторный. Скорее всего он будет
применяться в комплексе измерителей первичной информации и лишь в отдельных
случаях использоваться самостоятельно.
Обработка материалов и сварка
Обработка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное
направление, которое получило название лазерной технологии. Вот что говорит
об этом направлении академик Н. Г. Басов: “Лазерный луч – это уникальный
тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких
температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает
“растрескаться”. Нагреваемый участок может быть при этом размягчен,
рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые
нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного
