Вопрос 5. Свойства и применения лазерного излучения.

1. Лазерное излучение обладает высокой временной и пространственнойкогерентностью. Время когерентности τ ~ 10^-3 с, что соответствует длине когерентности l = cτ ~10⁵ м, т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.

2. Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические уровни атомов обладают определенной шириной, причем в кристалле из-за взаимного влияния атомов происходит более значительное уширение уровней, чем в газе. Вследствие этого вынужденное излуче­ние происходит не при одной строго опре­деленной частоте, а в некотором интервале частот. Правда, увеличение ширины энергетического уровня позволяет использовать боль­шую часть излучения лампы накачки для создания инверсной насе­ленности, т. е. увеличить коэффициент полезного действия лампы накачки.

При использовании резонатора ширина спектральных линий для оптиче­ских квантовых генераторов становится более узкой по сравнению с естественной шириной спектральной линии.

В этой связи следует обратить внимание на то, что до появле­ния оптических квантовых генераторов считалось принципиально невозможным преодоление предела существующей до тех пор моно­хроматичности, определяемой естественной шириной спектральной линии, обусловленной, в свою очередь, конечностью времени излучения отдельного атома.

3. Направленность лазерного излучения. Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 10⁴ раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например у прожектора). Это объясняется как свойством индуцированного излу­чения, так и воздействием резонатора. Однако, несмотря на это, из-за явления дифракции полу­чить строго параллельный пучок света принципиально невозможно. Как известно, при любом ограни­чении фронта волны имеет место дифракция. Так как при генерации света в лазере фронт световой волны ограничивается окружностью основания кристалла рубина или же зеркала диаметром D, то, согласно теории дифракции, угол минимального расхождения лучей определяется из следующего условия:

θ_мин ≥ 1,22λ/D.

Углы расхождения составляют соответственно для газовых лазеров

1'—2', для рубиновых 7'—9', для полупроводниковых 1°—2°. Диаметр расхождения таких лучей, например, у поверхности Луны при ее локации с поверхности Земли составляет всего 3 км.

4. Интенсивность лазерного излучения. При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего уменьшается инверсия населенности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе. Из-за очень малой длительности излучения в рубиновых лазерах такая энергия создает мощность порядка 10¹⁰ Вт. С помощью специальных усовершенствований эту мощность можно увеличить до 10¹² Вт.

Применения лазеров.Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, волоконно-оптические линии связи, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.

Как уже отмечалось, мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной среды рентгеновского лазера.

Другим перспективным направлением применения лазеров является

управляемый термоядерный синтез.

В США ведутся работы по программе управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы (Inertial Сonfinement Fusion — ICF). Данная программа − альтернатива работам по созданию систем с магнитным удержанием плазмы (это токамаки и стеллараторы). Для этих целей создана установка NIF (National Ignition Facility — «Национальная установка зажигания»), в которой для обстрела мишени используется 192 ультрафиолетовых лазера.

Мощный сфокусированный лазерный импульс, направленный на мишень из смеси дейтерия и трития в виде сферы диаметром около 2 мм, превратит ее в плазму с температурой около 100 миллионов градусов. При такой температуре произойдет термоядерная реакция синтеза. Запуск установки на полную мощность был запланирован на 2013 г.

Литература

1. Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы/И.Е.Иродов. – М.:Лаборатория базовых знаний, 2002.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн.4. Волны. Оптика/И.В. Савельев. – М:Астрель, АСТ, 2001.− 368 c.

3. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц/ И.В. Савельев. – М:Астрель, АСТ, 2001. − 208 c.

4. Детлаф, А.А. курс физики/ А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. – М. Академия 2003.

5. Физическая энциклопедия: в 5т.Т. 1- 5 / гл.ред. А.М. Прохоров.- М.:Сов.энциклопедия, 1988-1998.

6. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т.4. Оптика/ Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит., МФТИ, 2002.− 792 с.

7. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т.5. Атомная и ядерная физика/ Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит., МФТИ, 2002.− 784 с.

8. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трафимова. – М:Высш.шк., 2002.

9. Кузнецов, С.И. Колебания и волны. Геометрическая и волновая оптика: уч. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 170 с.

10. Кузнецов, С.И. Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика. Физика элементарных частиц: уч. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 154с.

11. Смирнов, С.В. Лекции по атомной и ядерной физики. Уч.пособие. 2002.

12. Бекман, И.Н. Ядерная физика. − Изд-во МГУ, 2010. − 511с.

13. Дудо Н.И., Кононова Л.А., Лагутина Ж.П. Обща физика.Под ред. Гладкова Л.Л.: уч. пособие. − Мн.: УО ВГКС, 2010. – 553с.

14. Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика: учебник. − Мн.: Новое знание, 2004. − 680 с.

15. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник.– Л.: Химия, 1984.– 216 с.