7. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Обладая уникальными выходными параметрами, лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники: физике и химии, биологии и медицине, голографии, оптической обработке и записи информации, оптической связи, для осуществления термоядерного синтеза, промышленной технологии, для измерения и контроля, в военных целях

иеще целом ряде областей.

7.1.Применение лазеров в науке и технике

7.1.1. Применение лазеров в физике и химии

Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования, и в то же время способствовало развитию уже существующих. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др. Генерация гармоник состоит в том, что при падении лазерного излучения с частотой ω на нелинейную среду, последняя будет излучать когерентное излучение с частотой 2ω , 3ω и т. д.

Процесс вынужденного рассеяния характеризуется тем, что падающий лазерный пучок с частотой ω, взаимодействуя с имеющимся в среде возбуждением с частотой w(q) (например, акустической волной), приводит к возникновению когерентного излучения с частотой ω– ω(q) (стоксово рассеяние). Разность энергий падающего фотона h(ω– ω(q)) передается тому же возбуждению. Особенно важными примерами вынужденного рассеяния являются вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама – Брюллиена (здесь квантами возбуждения вещества являются акустические звуковые волны). Оба процесса – генерация гармоник и вынужденное рассеяние – имеют высокую эффективность преобразования (десятки процентов), поэтому они часто исполь-

112

зуются для получения когерентного излучения с частотой, отличной от падающей.

С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Лазеры привели к развитию нового направления в спектроскопии – нелинейной спектроскопии, в которой разрешение спектральных линий может стать намного выше предела, обусловленного эффектами, связанными с доплеровскими уширением. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.

В химии лазеры применяются как в целях диагностики, так и для получения необратимых химических изменений (лазерная фотохимия). Резонансное комбинационное рассеяние и когерентное антистоксово комбинационное рассеяние дают важную информацию о структуре и свойствах многоатомных молекул (вращательных констант, постоянной ангармоничности, значении частоты активных рамановских колебаний). Когерентное антистоксово комбинационное рассеяние можно использовать для измерения концентрации и температуры различных молекулярных соединений в некотором ограниченном объеме.

Наиболее интересным химическим применением лазера является фотохимия. Вследствие высокой стоимости лазерных фотонов промышленное использование лазерной фотохимии будет оправдано лишь при очень высокой стоимости конечного продукта. Таким случаем является разделение изотопов (в частности, урана и дейтерия). С помощью лазерного излучения можно избирательно возбуждать и затем ионизировать только те изотопы (235)U, которые необходимо выделить. Ионизированные изотопы собирают вместе, прикладывая необходимое постоянное поле. При избирательной диссоциации молекулярного соединения гексафторида U F(6) его сначала избирательно переводят в колебательное возбужденное состояние только одного изотопного состава (235)U F(6), а затем с помощью последующей оптической накачки добиваются его диссоциации. Далеко не все лазерные методы могут быть использованы для разделения изотопов в промышленном масштабе. Для этого лазерная техника должна быть

113

достаточно проста и экономична в изготовлении и эксплуатации и должна обеспечивать среднюю выходную мощность от 1 кВт до 1 МВт.

Многообразно применение лазеров в научных исследованиях. Кроме перечисленных можно отметить еще ряд применений: в диагностике плазмы, индикации отдельных атомов и определении концентрации элементов, измерении времени жизни короткоживущих уровней, детектировании гравитационных волн и многих других.

7.1.2. Лазерный управляемый термоядерный синтез

Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Для зажигания дейтериево-тритиевой плазмы с температурой 60 млн. град. необходимо, чтобы произведение плотности плазмы n и времени ее существования t равнялось nt ≥ 1014 c/cм³. Предлагают, что лазеры могут осуществить инерциальное удержание плазмы, поскольку лазерное излучение может обеспечить быстрый разогрев плазмы. Однако, как показали расчеты, для эффективного поджига термоядерной реакции требуется не только быстрый (~10–9 с) нагрев микросферы (из Д и Т) до очень высокой температуры, но и сжатие образующейся в ней плазмы до плотности, 104 раз больше, чем исходная плотность жидкости. Так как скорость термоядерных реакций зависит не только от температуры, но и плотности плазмы, то увеличение в 104 раз во столько же раз снижает требования к критической энергии лазерного импульса. Лазер, с помощью которого можно осуществить Д-Т плазмы, должен иметь длину волны 250–2 000 нм, энергию импульса в 106 Дж, длительность импульса 5·10–9 с и, следовательно, пиковую мощность 200 ТВт. Он должен генерировать с частотой повторения импульсов, равной нескольким герцам, и обеспечивать среднюю мощность 10 МВт. Лазер также должен иметь КПД 1 % и потребует для питания 1 ГВт электрической мощности. В США уже создан лазер мощностью 60 ТВт (60 кДж, 10–9 с). Лазерный импульс формируется генератором малой мощности, который позволяет с достаточной степенью точности управлять пространственными и временными параметрами импульса. Затем этот импульс усиливается и расщепляется на много пучков, каждый из которых усиливается. Усиленные пучки направляются по радиально-симметричным путям на мишень. В экспериментах

114