Файл: Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров.pdf

волн для передачи информации, несомненно,

будет способствовать широкому внедрению го­ лографии в различные отрасли науки и тех­ ники и приблизит день объемного кино и теле­ видения.

Лазер на заводе. Возможность фокусиров­ ки излучения лазеров и получения высоких концентраций световой энергии в малых объемах сразу же была использована для про­ мышленной обработки материалов: сверления, резания, сваривания. Работы в этом направ­ лении уже вышли из фазы поиска и лабора­ торных исследований. В нашей стране и за рубежом выпускаются установки промышлен­ ного типа, в которых используются лазеры.

Установки для сверления малых отверстий и микросварки обычно состоят из трех частей: блока питания, пульта управления и лазерной головки. Блок питания обеспечивает накопле­ ние необходимого количества электрической энергии в конденсаторах. В лазерной головке расположен оптический квантовый генератор и микроскоп. Оптические оси обоих приборов совмещены, поэтому лазерный луч фокусиру­ ется в центре поля зрения микроскопа. С пуль­ та управления регулируется зарядка конден­ саторов и их разряд через лампы вспышки. Деталь, в которой необходимо сделать отвер­ стие, закрепляется в держателе под объекти­ вом микроскопа. Перекрестие шкалы наводит­ ся на заданную точку детали. Нажимают кнопку, и вспышка света сигнализирует о на­ чале и конце операции. Отверстие готово!

Таким путем можно получить круглые от­ верстия диаметром до 0,005 мм в любом мате­

62

риале, вклю чая самые прочные, такие, как

рубин и алмаз. Зарубежные фирмы уже сей­ час используют лазеры при массовом изготов­ лении алмазных фильер, предназначенных для протягивания проволоки, а также при изготов­ лении прядильных машин. Отверстия, сделан­ ные лазером в проволоках толщиной с челове­ ческий волос, можно увидеть только под микроскопом.

В отечественной сварочной установке СУ-1 используется рубиновый лазер, дающий свето­ вые импульсы длительностью в 5 мсек и энер­ гией в 1 дж. Этой энергии достаточно, чтобы сварить такие тугоплавкие металлы, как титан и сталь, золото и кремний, золото и германий. Лазерные аппараты позволяют сваривать ме­ таллы с резко различными температурами плавления, как например алюминий с ни­ келем.

В последние годы широкое распростране­ ние в радиотехнике получили печатные схемы. При изготовлении таких схем возникает необ­ ходимость проводить очень тонкие операции по свариванию деталей схем и удалению в от­ дельных участках металлического покрытия с диэлектрической подложки. Пользуясь ла­ зерной сварочной установкой, это можно вы­ полнить наилучшим образом. Она позволяет не только строго дозировать количество уда­ ляемого покрытия в нужном месте, но и про­ изводить удаление путем пропускания луча через прозрачную подложку. Аналогичным способом проводится сварка деталей, находя­ щихся внутри закрытых прозрачных сосудов. До появления лазеров этого нельзя было

63

сделать. Следует также подчеркнуть, что Ла­ зерный луч, какую бы операцию он ни про­ изводил, не вносит никаких химических приме­ сей в обрабатываемую деталь. В ряде случаев это имеет первостепенное значение.

Наряду с установками для микросварки созданы большие сварочные аппараты, кото­ рые позволяют получать длинные тонкие свар­ ные швы в таких металлах, как титан, ниобий и бериллий. Получаются швы высокой проч­ ности на изделиях, применяемых в кос­ мосе.

В станкостроительной промышленности ла­ зеры применяются в точных измерительных приборах, предназначенных для проверки пло­ скостности поверхности и измерения коорди­ нат. Координаты точки определяются с точно­ стью в 0,25 мкм, а время наладки станков со­ кращается в несколько раз.

Создан лазерный прибор, позволяющий измерять скорость движения раскаленной по­ верхности без контакта с нею.

Сотрудник Института физики Академии наук БССР А. А. Янковский одним из первых применил излучение квантовых генераторов света для эмиссионного спектрального анали­ за. Оказалось,, что можно анализировать вещества, находящиеся в закрытых сосудах и недоступные для обычных методов анализа. Для анализа не требуются дополнительные электроды, которые могут внести загрязнение в исследуемое вещество, этим обеспечивается «стерильность» анализа. Применение лазеров значительно упрощает получение и анализ спектров тугоплавких веществ.

64

Лазеры в биологии и медицине. Тонкая го­ рячая игла лазера находит все более широкое применение в медицине и в первую очередь при лечении глазных заболеваний. Есть тяже­ лая болезнь, вызванная отслоением сетчатки глаза и приводящая к потере трудоспособ­ ности. Еще недавно перед этой болезнью оку­ листы были почти бессильны. Сейчас такую отслоившуюся сетчатку присоединяют при по­ мощи лазерного луча. Сфокусированный на сетчатке луч приваривает ее, проходя свобод­ но прозрачные части глаза и не повреждая их. Сама операция совершенно бескровна. Размер точек •соединения получается микроскопиче­ ским, поэтому они практически не влияют на зрение.

Лазеры можно использовать также для уничтожения опухоли глазного дна. В Инсти­ туте им. В. П. Филатова луч лазера исполь­ зуется не только для присоединения сетчатой оболочки, но и для тонких операций в крове­

проходит через все части глаза: роговицу, хру­ сталик, стекловидное тело — и поглощается только в сетчатке глаза. Энергия лазерного луча за импульс составляет при этом 0,01— 0,005 дж.

Выпускаемые нашей промышленностью ла­ зеры ОК-1 специально предназначаются для лечения глазных заболеваний.

Квантовые генераторы начинают приме­ няться в хирургии для прижигания кожных

новообразований и даже раковых опухолей. Операции, осуществляемые с помощью лазер­ ного луча, длятся всего несколько микро­ секунд, т. е. проходят практически мгновенно. Поэтому они не вызывают болевых ощущений и не приводят к нагреванию соседних участков ткани.

Наличие световодов, при помощи которых свет может быть направлен в желаемую точку, позволяет использовать лазеры для операций и на внутренних органах. Уже проведены опе­ рации по разрушению внутренних опухолей, а также некоторые нейрохирургические опера­ ции. Лазеры предполагается использовать даже в сердечной хирургии. Успешно прошла операция при помощи лазерного луча внутри полости сердца собаки.

Лазеры используются не только для лече­ ния, но и для диагностики различных заболе­ ваний. В последнее время, в частности, разра­ батываются методы ранней диагностики рака легкого.

На основе лазеров создается много различ­ ных типов медицинской аппаратуры, которая станет еще одним мощным средством борьбы с болезнями.

Замечательные свойства лазерного луча открывают новые большие перспективы и пе­ ред биологией. Исследуя особенности ядра и клетки, биологи часто сталкиваются с необхо­ димостью воздействовать на отдельные эле­ менты клетки и ядра, не задевая других час­ тей. Для этого требуется исключительно тон­ кая микроигла диаметром в тысячные доли милиметра, которую можно было бы с боль-

66

шой точностью направить в нужное место и которая могла бы проникнуть в клетку, не повреждая ее оболочки. На первый взгляд это кажется невыполнимой задачей. Но лазерный луч успешно справляется со всеми трудностя­ ми. Он может быть сфокусирован на площад­ ке мельчайших размеров (диаметром в 1мкм) с исключительно высокой точностью. Когда луч сфокусирован на каком-нибудь элементе внутри клетки или ее ядре, то оболочка клет­ ки оказывается вне фокуса. Оболочка клетки прозрачна, поэтому луч лазера проходит сквозь нее, как солнечный луч проходит через обычное оконное стекло, не вызывая никаких повреждений. Чтобы усилить действие, эле­ мент, подвергаемый действию лазерного луча, окрашивают специальным красителем, погло­ щающим свет. Таким образом, использование квантовых генераторов открывает перед био­ логами возможность строго ограниченного, выборочного воздействия на отдельные эле­ менты клетки. Уже сейчас ученым-биологам удалось с помощью лазерного луча уничто­ жить в живой клетке отдельные хромосомы, не повредив самую клетку. Это открывает ши­ рокие возможности перед генетикой и позво­ ляет устанавливать с большой достоверностью роль и значение каждой хромосомы (см. цвет­ ную вклейку VI).

Световая искра. Еще одно замечательное явление удалось наблюдать при помощи опти­ ческих квантовых генераторов — безэлектродную искру, «зажигаемую» лучом в воздухе. Если лазерный луч сфокусировать, то на его острие появляется ослепительно яркая вспыш­

ка, сопровождающаяся характерным треском (см. цветную вклейку VII). Это так называе­ мая световая, или лазерная, искра. Она впер­ вые наблюдалась в лаборатории А. М. Прохо­ рова. Для получения световой искры исполь­ зуются рубиновые или неодимовые лазеры, ге­ нерирующие кратковременные импульсы све­ та, мощность которых достигает миллиардов ватт.

Обычная искра при электрическом разряде возбуждается между электродами за счет энергии электрического тока. Для возбужде­ ния лазерной искры электроды не требуются, а возникает она за счет энергии светового луча. Интенсивность светового поля лазерного излучения оказывается такой же по величине, как и поля, удерживающего электроны внутри атомов. Поэтому в световой искре атомы и мо­ лекулы ионизируются непосредственно под действием лазерного излучения.

Мощность лазерной искры велика. Благо­ даря этому удалось получить не только одно­ кратно, но и многократно ионизированные атомы. Так, например, недавно в лаборатории Н. Г. Басова получены пятнадцати- и шестнад­

длинная искра порядка 3 метров. Температура лазерной искры очень высока. Как заявил пре­ зидент Академии наук СССР М. В. Келдыш, советскими учеными «...получена плазма е тем­ пературой 3,5 миллиона градусов и плот­ ностью попов порядка 10|у в кубическом сан­ тиметре. Это позволяет надеяться на получе­ ние плотной плазмы термоядерных температур

ЬЯ

с помощью лазеров» Иными словами, дости­ жения квантовой электроники могут быть использованы при решении важнейшей про­ блемы современной науки — проблемы управ­ ляемого термоядерного синтеза.

Лазер не только создает плазму, но и успеш­ но используется для ее изучения, зондирова­ ния, или,как обычно говорят, для диагностики. Концентрация заряженных частиц в плазме и ее температура определяются обычно с по­ мощью пучка электромагнитных волн. Однако этот метод недостаточно точен и применим да­ леко не всегда. При большой концентрации электронов в плазме она отражает радиовол­ ны, как металл. Лазерный луч обладает значи­ тельно большей проникающей способностью и используется для изучения и просвечивания плазмы. Заметный вклад в развитие этого на­ правления работ вносят белорусские физики В. С. Бураков и П. И. Науменков.

Лазерное оружие. Бурное развитие физики в конце прошлого и начале нашего века со­ провождалось открытием новых видов излуче­ ний. В 1895 г. были обнаружены рентгеновские лучи, а в следующем году А. Беккерель от­ крыл а-, р- и у-лучи, испускаемые радиоактив­ ными элементами. В дальнейшем достоянием науки стали космические лучи и направленное радиоизлучение сверхвысокой частоты (СВЧ).

В большинстве случаев оказалось, что но­ вые лучи обладают большой проникающей способностью и могут оказывать как полез­ ное, так и вредное воздействие на живые орга-

1 «Известия», 7 марта 1968 г.

69