Лазерна гонка за владу
Лазеру 55 років! Перший був випущений в 1960 році Теодором Майманом. Результат після довгих років теоретичної роботи, починаючи з введення в 1917 році Альбертом Ейнштейном поняття стимульованого випромінювання, а потім публікації Чарльзом Таунсом та Артуром Шаулоу в 1958 році теоретичної роботи про лазер. Рубіновий лазер Маймана виробляв імпульсне світло при 694,3 нм, що відповідає насиченому червоному (рис. 1). Хоча його потужність низька порівняно з лазерами нашого часу, цей лазерний промінь мав яскравість мільйона сонць і забезпечував імпульси порядку мілісекунди. Вперше велика кількість світла поширювалась прямолінійно і залишалася зосередженою на невеликій ділянці.
Тоді був досягнутий величезний технологічний прогрес, особливо у галузі матеріалів, що дозволило генерувати все більш потужну хвилю, зберігаючи при цьому низьку дивергенцію.
1. ТИПОЛОГІЯ: Безперервні та імпульсні лазери
До силових лазерів належать ті, які постійно випромінюють світло, і ті, що генерують імпульсні послідовності з дуже високою піковою потужністю порівняно із середньою потужністю. Ми зупинимося тут на цих імпульсних лазерах. Їх пікова потужність тим більша, оскільки енергія, що міститься в імпульсі, висока, а тривалість імпульсу коротка. Оскільки лазерний імпульс дуже яскравий, велика кількість фотонів може бути сконцентрована в невеликому обсязі.
З часу свого винаходу лазер давав дедалі вищі пікові інтенсивності. Спочатку вони дали можливість вивчати речовину в атомному масштабі. Тепер можна розглянути субатомні взаємодії. Електричне поле настільки інтенсивне, що прискорює електрони, навіть протони (в 1800 разів важчі), зі швидкістю, що наближається до швидкості світла. Згодом лазери можуть стати настільки потужними, щоб «розбити пустоту» або вивчити темну речовину. Якщо затримка між кожним імпульсом мала, промінь світла набирає середньої потужності, що відкриває двері для багатьох застосувань як наукових, так і промислових. Ми побачимо, що таке фізичні межі та технологічні рішення для їх подолання.
2. ЕКСПЛУАТАЦІЯ: Генерація лазерного випромінювання
Лазерний підсилювач підсилює оптичний сигнал (рис. 2). Для цього він повинен забезпечуватися енергією оптично або електрично, щоб активні іони переводились у збуджений стан. Потім світловий сигнал знезабуджує іони стимульованим ефектом, створюючи фотони у всіх точках, ідентичних падаючим фотонам.
Лазерна порожнина генерує лазерне випромінювання. Це джерело поєднує в собі оптичний підсилювач (рис. 3) з оптичною порожниною, складеною з дзеркал, одне з яких частково відображає, тобто частина світла виходить з порожнини, а інша частина знову вводиться всередину порожнина лазера (рис. 4) .
Імпульсний режим дозволяє досягти набагато більших повноважень, ніж безперервний режим. Для генерації імпульсів можна використовувати дві техніки: робота перемикача Q або блокування режиму.
Перший режим працює на більш низьких швидкостях, ніж другий, імпульси енергійніші, але тривалість триваліша. Цей робочий режим полягає у контролі втрат порожнини та спрацьовуванні лазерних коливань, коли енергія, що зберігається в підсилюючому середовищі, значна. У режимі блокування порожниною виділяється лише кілька довжин хвиль. Якщо ці режими перебувають у фазі, оболонка хвилі стає короткою, її інтенсивність стає важливою, і вона може поширюватися, посилюватися і генерувати потужний імпульс.
3. ЕНЕРГЕТИКА: Виклик з точки зору матеріалів
Перш за все, щоб мати імпульси високої пікової потужності, потрібні тимчасово короткі імпульси, тобто їх спектр повинен бути широким. Однак лазерні матеріали мають обмежену спектральну смугу підсилення, що може призвести до звуження спектрального підсилення під час лазерного посилення. Тоді збільшення пікової потужності імпульсних лазерів обмежується пошкодженням поверхонь використовуваних матеріалів. Основними параметрами, які слід враховувати для того, щоб дізнатись про потенційні наслідки лазерного опромінення, є довжина хвилі, тривалість імпульсу, його енергія та розмір променя, щоб зокрема обмежити пікову інтенсивність імпульсів.
Нарешті, генерація середніх силових пучків призводить до виробництва тепла в підсилювальному середовищі. Це тепло може зламати матеріал. Він також відповідає за оптичні аберації, які погіршують якість променя.
Щоб уникнути спектрального звужувального ефекту підсилення, необхідно використовувати лазерні матеріали, для яких смуга підсилення широка порівняно зі спектральними компонентами імпульсу. Серед засобів масової інформації, що широко використовуються сьогодні в галузі енергетичних лазерів, є титано-сапфіровий (Ti: Sa) та окуляри. Тому обмеження пікової інтенсивності імпульсів є важливим для уникнення незворотних пошкоджень лазерного матеріалу. […]