Едва построив первый лазер, ученые поняли, что создали самый совершенный переносчик данных. Сегодня подавляющее количество битов мировой информации идет по стекловолоконному кабелю, заполняемому светом лазера.
Но лазер хорош не только в коммуникации. Он открыл новую главу в медицине, с его помощью создают самые высокие температуры на Земле, на его основе работают чувствительнейшие измерительные приборы. Лазер сплавляет материалы, которые, вообще-то, не соединяются, и управляет химическими реакциями на молекулярном уровне.
Укрощенный фотон
Первый лазер появился в 1960 году. Слово LASER -- это сокращение от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Между двумя зеркалами находится лазерная среда -- какой-либо материал, атомы которого при возбуждении испускают свет определенной длины волны. Этот свет, словно звук в органной трубе, колеблется между зеркалами, принуждая к излучению все новые атомы. Лишь малая часть возникших таким образом световых волн проникает сквозь частично проницаемое зеркало, становясь лазерным лучом. В котором фотоны -- элементарные частицы света -- обузданы. И четко выполняют команды человека.
Вид лазера зависит от среды. В газовом в качестве среды используются смесь гелия и неона или двуокись углерода. Именно они считаются "рабочими лошадками" промышленности.
Лазер с твердой средой состоит из кристалла или стекла, в котором содержатся атомы, способные светиться. Так стеклянные волокна становятся "волоконным лазером".
Полупроводниковый лазер применяется в CD-плейерах, в кассовых аппаратах, принтерах и коммуникационной технике. Луч в нем испускает полупроводниковый кристалл.
В цветном лазере в качестве среды используется жидкость с растворенными в ней красителями.
Лазер, работающий на свободных электронах, излучает за счет электронов из ускорителя. Его свет особенно богат энергией и простирается до рентгеновского диапазона.
Быстрее, еще быстрее
Лазер обладает магическим свойством -- когерентностью. Солнце или лампа накаливания излучают волны хаотично, но укрощенные фотоны в лазере браво маршируют в едином такте. Таким светом можно управлять абсолютно по-новому. Например, с помощью неприметного светового переключателя. Он не содержит никакой медлительной электроники, а просто управляет светом при помощи другого света. Только поэтому он способен обрабатывать поток данных со скоростью, которую невозможно достичь в любых других системах. 640 гигабайт -- текст 320 экземпляров "Советского энциклопедического словаря" -- он упаковывает за секунду.
Или чудо науки, изготовленное немецкими учеными: суперинтегрированный лазерный модем -- коммуникационный лазер, приемник света и вся обрабатывающая электроника умещаются на одном-единственном чипе величиной с булавочную головку. Лет через 10 этот крошечный ускоритель данных станет массовым продуктом для частных пользователей.
Вскоре ожидается и революция в массовых накопителях информации. Лазеры, которые сегодня используются в CD- или DVD-плейерах, являются лишь первым маленьким шагом. В новом поколении накопителей будут использованы волшебные создания когерентного света -- голограммы. Кристалл размером с кусочек сахара сможет накапливать целый терабайт информации. Это соответствует содержимому сотен теперешних жестких плат PC.
Вместо отдельных битов в кристалле мгновенно откладываются гигантские блоки данных в виде голографических изображений. Через несколько лет такой голограммный накопитель станет обычным вместилищем больших объемов данных.
А крошечные микролазеры смогут делать в своих чипах то, что они уже делают в длинных стекловолокнах -- переносить гигантские количества данных со световой скоростью.
Фильмы о субатомных страстях
Но чтобы сотни гигабайт обрабатывались за одну секунду, уже сегодня самые современные коммуникационные лазеры должны иметь свой собственный пульс в одну биллионную долю секунды -- фемосекунду. Так самые быстро мигающие лампы вводят в нашу будничную жизнь лихорадочный субатомарный квантовый мир. Но что может произойти в этот отрезок времени? Словно во вспышках стробоскопа, мы сможем наблюдать электроны на их пути через полупроводник. В лазерных вспышках можно даже снять фильм о химических реакциях, точное течение которых пока неясно.
В других разработках ученых световые импульсы используются в дистанционном химическом управлении: точно рассчитанные энергетические удары вырывают из молекулярных соединений отдельные молекулы. Прежде невозможно было точно рассчитать подходящий импульс, чтобы получить маленькую несложную молекулу. Теперь трудно синтезируемые лекарственные вещества можно просто вырезать лазером.
Зажечь звезду, подслушать Космос
В Лазерном центре Ганновера разрабатываются кристаллы для измерения завихрений пространства и времени. Они испускают особо стабильный лазерный свет. Такие кристаллы станут основой самого большого измерительного прибора во Вселенной: с 2009 года LISA (Laser Interferometr Space Antenna) начнет прослушивать, как взрываются суперновые и как сыто урчат черные дыры, поглощая друг друга. При этом будут измерены таинственные "гравитационные волны", которые предсказал Альберт Эйнштейн, но которых еще никто никогда не наблюдал.
В одной из пещер Новой Зеландии установлен так называемый кольцевой лазер, самый большой в мире. С помощью бегущих по кругу лучей ученые точно, как никогда прежде, измеряют вращение Земли.
При помощи лазера космический зонд Mars Global Suvryor составил подробнейшую трехмерную карту Красной планеты.
Самый большой лазер на Земле, National Ignition Facility (NIF), занимающий площадь футбольного стадиона, находится на территории Ливерморской военной лаборатории (Калифорния, США). Он способен воспроизвести настоящую реакцию слияния ядер, точь-в-точь такую, какая протекает на Солнце. При этом возникает самая высокая температура из когда-либо бывших на планете -- сто миллионов градусов.
Правда, необходимые для опытов по созданию звездных температур 1,2 миллиарда долларов эта лаборатория получает не столько для исследований в ядерной физике и астрофизике, сколько для развития оборонных лазеров, например способных разрушать в полете вражеские боеголовки.
На зависть Оби ван Кеноби
Сегодня без когерентного света не возможна ни одна война. По лазеру наводятся ракеты, и уже придуманы (но пока не применялись!) лазерные пушки.
Как только был построен первый лазер, он сразу же стал использоваться в военной технике -- поначалу просто для измерения расстояний. До сих пор прецизионный свет визирует военные цели или даже маркирует их: для бомб НАТО в Косово ориентиром часто служили лазерные точки. Правда, лазерные дальномеры опасны -- они могут ослепить. Поэтому экипажи натовских самолетов надевали специальные лазерозащитные очки.
Не за горами и оружие из арсенала "Звездных войн". К 2008 году для ВВС США будут построены семь Боингов-747, бортовые лазеры которых предназначены для разрушения стартующих ракет. Кроме того, еще в 1997 году США начали эксперименты с гигантским лазером, который способен выводить из строя спутники. По данным Пентагона, Китай также работает над антиспутниковой лазерной системой.
Но военным лазерам найдется и мирное применение. Ученые Чикагского института исследования газа бурят ими нефтяные скважины.
Самый деликатный эскулап
К счастью, лазер способен не только убивать и разрушать. Его магический свет может быть крайне чувствительным. Оптические измерительные приборы способны проследить за движением больных клеток крови.
Физиками Гамбурга построен особо чувствительный переносной лазерный детектор для анализа окружающей среды. Он может определять даже отдельные молекулы вещества. Свет в него проникает через частично проницаемый конец стекловолокна и миллионы раз колеблется между этим концом и вторым зеркалом, прежде чем выходит наружу. При каждом колебании он пересекает газовую пробу, все молекулы которой рано или поздно попадут под луч и абсорбируются в виде характерного фрагмента светового спектра.
Этот же принцип используют ученые лаборатории Сандиа (Нью-Мексико, США) для создания лазерного чипа, который в течение минуты определяет злокачественные клетки крови. С его помощью можно диагностировать даже СПИД.
Увязанный в узкий пучок лазерный свет давно стал универсальным инструментом не только в промышленности. Да, им сваривают, сверлят, формируют и облагораживают. В автомобиле- и авиастроении. Но с его помощью и в зубной эмали можно делать отверстия диаметром тоньше волоса. А офтальмологи лазерным импульсом моделируют роговицу глаза при коррекции зрения.
В качестве хирургического скальпеля лазер борется с отдельными клетками опухолей, разрезает молекулы ДНК, оперирует коронарные сосуды сердца, лечит варикозное расширение вен, удаляет татуировки, рубцы, морщины или следы от ожогов. И это, наверное, только начало победного шествия лазерных технологий в благородном деле оздоровления человека.
А что главнее -- спасать или убивать -- решать не лазеру. А тому, кто управляет его лучом.
Валентина БОГОМОЛОВА
0 коммент.:
Отправить комментарий