Первый лазер

Лазерный луч может резать металл точнее любой пилы, но лазеры используют и для тончайших глазных операций. Топографы измеряют лазерами расстояния, лазеры, установленные на самолетах, отмечают мельчайшие детали, позволяющие составлять очень точные карты земной поверхности. Лазеры применяются во многих компьютерных принтерах, без лазеров не было бы ни CD-, ни DVD-дисков.

В 1917 г. Альберт Эйнштейн установил, что при определенном возбуждении возможно вынужденное испускание света атомами и молекулами. На этом принципе и основано действие лазера, однако физики только в 1950-х гг. предложили устройство, способное генерировать узконаправленный луч. В 1952 г. американский физик Чарлз Таунс описал способ возбуждения молекулы аммиака для испускания микроволнового радиоизлучения и создал на его основе генератор микроволнового излучения - мазер. Одновременно с ним то же открытие сделали советские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов. В 1964 г. все трое получили за это Нобелевскую премию. Мазеры работают в атомных часах, радиотелескопах и усилителях сигналов, поступающих со спутников.

Сверхвысокочастотное радиоизлучение невидимо, но в 1958 г. Таунс и другой американский физик Артур Шавлов описали устройство для получения лазерного эффекта на видимом свете - лазер. Первый такой прибор создал американский физик Теодор Мейман в 1960 г.

При поглощении веществом энергии, например тепла, его атомы или молекулы переходят с низкоэнергетического уровня на высокоэнергетический. Возвращаясь на низкоэнергетический уровень, они испускают избыточную энергию в форме света. В обычных условиях каждый атом или молекула излучают свет независимо от остальных и с различной длиной волны. Но если вещество подвергнуть кратковременному интенсивному воздействию света с определенной длиной волны, когда атомы пребывают на высокоэнергетическом уровне, оно будет излучать свет с той же длиной волны, как и тот, которым его освещали. Следующий шаг - усиление света с помощью зеркал. Зеркало, установленное с одной стороны устройства, отражает свет обратно на возбуждаемое вещество. Полупосеребренное зеркало, расположенное с другой стороны, отражает часть света, а оставшаяся часть выходит наружу в виде лазерного луча. Лазер испускает узкий луч когерентного излучения, представляющего собой свет с одной длиной волны, в котором волновые колебания происходят синхронно. Излучение может происходить непрерывно или в виде серии вспышек.

На снимке 1960 г. Теодор Мейман рассматривает изготовленный им первый в мире лазер. Главная деталь находится в стеклянном сосуде - это кристалл рубина, испускающий лазерный луч.

Когерентное световое излучение при возбуждении дают многие вещества. Мейман использовал искусственный кристалл оксида алюминия (рубиновый). Кроме того, в лазерах используется неодимовое стекло и жидкие соединения окисла или хлорида неодима, растворенные в хлорокиси селена, а также газы - двуокись углерода, синильная кислота и смесь гелия с неоном.

Луч света от прожектора заметно расходится, освещая обширное пространство, а луч гелий-неонового лазера расходится менее чем на одну тысячную длины. Расходимость можно уменьшить, пропуская лазерный луч через телескоп в обратном направлении, от окуляра к объективу. Лазеры такого типа определяют точное направление при укладке трубопроводов и бурении туннелей. Рубиновый лазер просверливает алмаз.

Когда лазерный луч встречается с преградой, она поглощает часть световой энергии и нагревается. Лазеры обеспечивают сильный нагрев на очень малой площади, благодаря чему их можно использовать для обрезки кромок в электронных компонентах и для операций на сетчатке глаза.

Лазерным лучом измеряют расстояния. Когда световой импульс достигает поверхности, часть его отражается. Поскольку скорость света всегда одинакова, расстояние легко рассчитать по времени между излучением импульса и возвращением отражения. Такое устройство называется лидаром (световым радаром). Астронавты с «Аполлона-11» установили рефлекторы на Луне, и лидар измерил расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Топографы лазерами осуществляют визирование объектов на поверхности, а лидарами измеряют расстояния. Лидарами измеряют также скорость движущихся предметов. Если предмет удаляется, длина волны отраженного света будет чуть больше, нежели излученного, а если приближается, длина волны станет меньше.

Операционная сестра следит за хирургом, оперирующим с помощью лазера. Лазерный луч обеспечивает более точный и аккуратный разрез, чем скальпель или нож, и меньше травмирует пациента.