5 Важнейшие применения лазеров и других приборов квантовой электроники

ЦЕЛЬ РАЗДЕЛА (МОДУЛЯ): знакомство с физическими основами применения лазеров в науке, технике и технологии

5.1 Области применения лазеров

Создание лазеров, происходившее начиная с 60-х гг. ХХ века, явилось огромным качественным скачком в развитии источников оптического излучения. Это, с одной стороны, позволило “перенести” большинство методов, разработанных для радиоэлектроники–в оптический диапазон, и таким образом, – создать оптическую электронику. С другой стороны, уникальные свойства лазерного излучения: высокая направленность, монохроматичность, когерентность, малая длительность импульса и высокая мощность и др.– предопределили бурное развитие применений лазеров.

Большая мощность лазерного излучения и возможность сконцентрировать его в малом объёме (в пределе до λ³~мкм³), помимо очевидных «силовых» применений лазеров (в технологии при обработке материалов, в хирургии, и др.), привели к открытию новых разнообразных явлений при взаимодействии света большой интенсивности со средой: нелинейные эффекты, “оптический” разряд в газе –“лазерная искра” и др. Открыты уникальные возможности испарения и нагрева вещества, в частности: нагрева плазмы лазерным излучением до температур порядка 10⁶ градусов, достаточных для протекания термоядерных реакций (в перспективе-управляемый “лазерный” термоядерный синтез), получения многозарядных ионов различных элементов. “Острая” фокусировка излучения лазера делает его излучение незаменимым инструментом в технологии микроэлектронного приборостроения (фотолитография).

Возможность формирования сверхкоротких импульсов пикосекундной длительности (см., [2]) привела к прогрессу в методах обработки и передачи информации, в метрологии, были развиты методы изучения быстро протекающих процессов, в том числе биологических.

Газовые лазеры (см., [3]) позволяют осуществить “многоволновый” режим излучения (многоцветный–в видимом спектре), т.е. одновременную генерацию на нескольких линиях.

Полупроводниковые лазеры, а также лазерные модули: полупроводниковый лазер накачки–твёрдотельный лазер, волоконные лазеры и др. (см., [4]) явились основными элементами нового раздела оптики и радиоэлектроники – оптоэлектроники, занимающегося методами создания устройств, предназначенных для хранения, передачи, обработки и отображения информации, представленной в виде оптических сигналов.

Монохроматичность и когерентность сделали лазеры незаменимыми источниками излучения в методах интерферометрии, широко используемых сейчас в измерительной технике, а также – для практической реализации идей голографии, что привело к бурному её развитию.

Малая, порядка дифракционной, расходимость пучка лазерного излучения, привела к развитию методов дальнометрии, лазерной связи и локации (с использованием приемов коррекции волнового фронта), подводной локации, созданию систем наведения, например–систем посадки самолётов (“лазерная глиссада”).

Возможность перестройки длины волны излучения лазера (перестраиваемые твердотельные лазеры и лазеры на красителях, см., [4]) при сохранении высокой монохроматичности (малой ширины линии излучения) и мощности, позволила селективно воздействовать на вещество. Избирательное возбуждение квантовых состояний атомов и молекул успешно используется для целенаправленного стимулирования химических реакций, лазерного разделения изотопов, охлаждения атомов до сверхнизких температур.

Применениям лазеров посвящено много книг и работ в периодических изданиях. В данном разделе мы, не затрагивая оптоэлектроники, остановимся только на тех применениях, которые были реализованы благодаря уникальным свойствам лазерного излучения, а именно–в голографии, в оптических лазерных стандартах частоты и в экспериментах по селективному возбуждению изотопов атомов.