|
 Jak pokazują fakty, wiązka laserowa może przenosić energię wystarczającą do przeprowadzenia operacji, wiercenia diamentów, a nawet podgrzania mikroskopijnych ilości substancji do temperatury milionów stopni.
Ile energii może przenosić wiązka laserowa? Zależy to od rodzaju lasera, mocy źródła go zasilającego, a także od warunków jego pracy, które decydują o sprawności wykorzystania dostarczonej energii.
W przypadku laserów CW, energia wejściowa jest w sposób ciągły przekształcana w energię promieniowania emitowanego przez laser. Moc wiązek emitowanych przez takie lasery waha się od miliwatów do kilkudziesięciu kilowatów (tyle samo, ile emituje tysiącset watowe żarówki w zakresie widzialnym). Dzięki tym kilowatowym wiązkom światła, odpowiednio skupionym, na przykład przez soczewkę, można z prędkością około jednego centymetra na sekundę ciąć stalową blachę poszycia statku o grubości centymetra. Mniej mocne lasery są używane do innych celów, które nie wymagają tak silnych wiązek światła.
 Najpotężniejszy laser widziany na własne oczy w Naval Research Institute w Waszyngtonie miał wyemitować wiązkę około jednego megawata (milion watów lub tysiąc kilowatów) w ciągu kilku sekund. Laser ten wraz z urządzeniami pomocniczymi zajmował dwa dość duże pomieszczenia laboratoryjne. Nie ma tu nic szczególnie zaskakującego, ponieważ moc jego wiązki była równa mocy około pięćdziesięciu silników samochodów osobowych klasy średniej.
Jednak z wielu powodów nawet wiązki megawatów są słabe i wymagają jeszcze mocniejszych wiązek. Na przykład laser „księżycowy” miał wysyłać wiązkę o mocy kilku milionów watów. Wiązka światła po odbiciu od Księżyca wraca na Ziemię mocno osłabiona na skutek pochłaniania i rozpraszania w atmosferze ziemskiej, rozpraszania na powierzchni Księżyca itp. Czułość sprzętu rejestrującego odbite światło wyklucza możliwość stosowania tradycyjnego nawet najsilniejsze źródła światła do lokalizacji Księżyca. Wystarczająco intensywną wiązkę światła mógł wytworzyć tylko laser o mocy kilku megawatów. Do zainicjowania reakcji termojądrowej potrzebny jest jeszcze silniejszy laser - jego moc powinna być rzędu co najmniej kilku milionów megawatów.
Stworzenie tak potężnego lasera z falą ciągłą jest zadaniem nierealnym. Taki laser musiałby mieć przede wszystkim potworne wymiary. Trudnym zadaniem byłoby też dostarczenie takiemu kolosowi energii, a także zapewnienie chłodzenia. Wydajność lasera zwykle mieści się w zakresie od kilku do dziesięciu procent, tak że tylko stosunkowo niewielka część energii wprowadzonej do lasera jest emitowana w postaci promieniowania. Reszta zostaje rozproszona, ostatecznie zamieniając się w ciepło, które należy usunąć z instalacji laserowej poddając ją dostatecznie intensywnemu chłodzeniu.
Laser, który w sposób ciągły emitował wiązkę miliona megawatów, zużywałby energię generowaną jednocześnie przez kilka tysięcy średniej wielkości elektrowni. Podczas działania takiego lasera musiałyby zostać pozbawione zasilania miliony konsumentów. Być może można to jeszcze jakoś rozstrzygnąć, ale jak można schłodzić takiego giganta?
Jednak pomimo tego, że istnieje zapotrzebowanie na tak silne wiązki światła, nie ma potrzeby budowania takich laserów cw.Chodzi o to, że we wszystkich zastosowaniach, w których istnieje zapotrzebowanie na wiązki laserowe o bardzo dużej mocy, nie ma tak naprawdę znaczenia, czy laser wyemituje promieniowanie w ciągu jednej tysięcznej czy milionowej sekundy. Najczęściej jest tak, że promieniowanie laserowe jest potrzebne tylko przez krótki okres czasu. Krótko mówiąc mówimy o tym, że wiązka lasera miała czas wywołać pożądany efekt w otrzymanym obiekcie, zanim doszło do niepożądanych procesów związanych z energią promieniowania laserowego pochłanianego przez obiekt. Jeśli, na przykład, przy użyciu wiązki lasera do usunięcia chorej tkanki podczas operacji, błyski trwały zbyt długo, to również zdrowa tkanka sąsiadująca z chorym może być niebezpiecznie przegrzana. Jeśli do wywiercenia otworu w diamencie zamiast pojedynczych błysków zastosuje się ciągłe promieniowanie laserowe, diament przegrzeje się, stopi, w wyniku czego znaczna część diamentu wyparuje.
 Podane przykłady wskazują na potrzebę stosowania tak krótkich impulsów laserowych, aby energia pochłonięta przez napromieniowany obiekt nie miała czasu na rozproszenie w wyniku procesów przewodzenia ciepła. Oczywiście takich niepożądanych i często szkodliwych mechanizmów rozpraszania energii jest znacznie więcej. W ogólnym przypadku mówimy o tym, że wiązka laserowa miała czas na wykonanie swojego zadania, zanim powyższe czynniki zakłócą ją. Dlatego w wielu urządzeniach impulsy laserowe muszą być bardzo krótkie, przy czym wyrażenie „bardzo krótkie” czasami oznacza nanosekundę lub nawet mniej czasu.
Teraz staje się dla nas jasna, podyktowana koniecznością, prosta idea oszczędzania energii, na bazie której można uzyskać wiązki o gigantycznej mocy przy relatywnie niskim zużyciu energii. Zamiast wytwarzać, powiedzmy, jeden dżul energii w postaci promieniowania (jest to bardzo mała ilość) przez sekundę lub emitować wiązkę o mocy jednego wata (1 W = 1 J / s), następuje po prostu taka sama ilość energii (jeden dżul) emituje szybciej jako stosunkowo krótki impuls. Im krótszy impuls, tym wyższa moc wiązki. Jeśli na przykład rozbłysk promieniowania trwa jedną milisekundę (jedna mikrosekunda, jedna nanosekunda), wówczas wiązka będzie miała moc 1000 razy większą (względnie).
Oczywiście przy nakładzie energii 1000 razy większym (1 kJ zamiast 1 J) okaże się (w każdym z powyższych przypadków), że wiązka jest 1000 razy mocniejsza. Gdyby czas emisji (emisji) wyniósł wartość rzędu jednej nanosekundy, to w tym przypadku otrzymano by wiązkę o mocy jednego terawata. Skupiona np. Soczewką na powierzchni ciała w plamkę o średnicy około 0,1 mm wiązka taka dawałaby w ogniskowej niewyobrażalną wartość natężenia - od 10 do 20 potęgi W / m2! (Dla porównania, natężenie światła 100-watowej żarówki w odległości 1 m od niej jest rzędu kilku dziesiątych wata na metr kwadratowy.)
Pozostaje jedno pytanie, pozornie niewinne na pierwszy rzut oka: jak zmniejszyć czas promieniowania lasera dla danej całkowitej energii wiązki? Takie zadanie jest złożonym problemem zarówno natury fizycznej, jak i technicznej. Nie będziemy tutaj wchodzić w takie subtelności, ponieważ dla naszej historii kwestia odbioru krótkiego pulsu jest zbyt wyjątkowa. W każdym razie dzisiaj sytuacja wygląda następująco: czas emisji światła przez laser impulsowy bez żadnych dodatkowych urządzeń, które zmuszałyby laser do szybszego emitowania światła, jest rzędu kilku mikrosekund (lub jednej tysięcznej części druga).
Zastosowanie dodatkowych urządzeń, których działanie opiera się na pewnych zjawiskach fizycznych, pozwoli skrócić ten czas do wartości rzędu pikosekund. Dzięki temu można dziś uzyskać gigantyczne impulsy laserowe, których maksymalna moc może sięgać nawet kilkuset terawatów.Oczywiście takie potężne wiązki są potrzebne tylko w specjalnych urządzeniach (na przykład do zainicjowania reakcji termojądrowej). W wielu innych przypadkach stosuje się impulsy o znacznie mniejszej mocy.
Zadajmy teraz ważne pytanie: czy można taniej i łatwiej uzyskać tak intensywne wiązki światła, a mianowicie przy pomocy tradycyjnych lamp dużej mocy? Dotyczy to zarówno lamp pracujących w trybie ciągłym (np. Lamp reflektorów lotniczych czy kamer kinowych), jak i lamp błyskowych (np. Latarek fotograficznych).
Odpowiedź zależy od tego, jakie belki chcielibyśmy uzyskać, czyli innymi słowy, jaką moc i o jakiej rozbieżności mówimy. Jeśli obojętna jest nam rozbieżność wiązek, wówczas tradycyjne lampy są w stanie konkurować z laserami tylko do pewnego limitu. W każdym razie granica ta leży znacznie poniżej jednego terawata. Powyżej tego poziomu laser nie ma konkurentów.
Oczywiście im mniej rozbieżne i mocniejsze wiązki chcemy uzyskać, tym niższa będzie granica, powyżej której będziemy musieli porzucić tradycyjne źródła światła i zwrócić się do laserów. Jak już wspomniano, klasyczne źródła światła nie byłyby w stanie spełnić wysokich wymagań dokładności, które zostały nałożone na źródło światła podczas pomiaru odległości od Ziemi do Księżyca. W tym eksperymencie trzeba było użyć lasera impulsowego.
Gavrilova N.V.
|
