Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ЛА́ЗЕРНАЯ ФИ́ЗИКА

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 16. Москва, 2010, стр. 598

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. А. Маненков, И. А. Щербаков

ЛА́ЗЕРНАЯ ФИ́ЗИКА, раз­дел фи­зи­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся про­цес­сы пре­об­ра­зо­ва­ния разл. ви­дов энер­гии в ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние ла­зе­ров, ме­то­ды управ­ле­ния этим из­лу­че­ни­ем, про­цес­сы взаи­мо­дей­ст­вия ла­зер­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом, ос­но­вы при­ме­не­ния ла­зе­ров в разл. об­лас­тях нау­ки, тех­ни­ки и ме­ди­ци­ны.

Л. ф. воз­ник­ла на ба­зе кван­то­вой элек­тро­ни­ки, изу­чаю­щей про­цес­сы уси­ле­ния, ге­не­ра­ции и пре­об­ра­зо­ва­ния элек­тро­маг­нит­ных волн, ос­но­ван­ные на эф­фек­те вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния атом­ных сис­тем. Ро­ж­де­ние кван­то­вой элек­тро­ни­ки от­но­сят к 1954, ко­гда бы­ли опуб­ли­ко­ваны пер­вые ос­но­во­по­ла­гаю­щие ра­бо­ты Н. Г. Ба­со­ва, А. М. Про­хо­ро­ва и Ч. Та­ун­са, в ко­то­рых бы­ли сфор­му­ли­ро­ва­ны фун­дам. прин­ци­пы ге­не­ра­ции элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния за счёт вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния кван­то­во­ме­ха­нич. сис­те­мы, реа­ли­зо­ва­на по­ло­жит. об­рат­ная связь и соз­дан мо­ле­ку­ляр­ный ге­не­ра­тор на пуч­ке мо­ле­кул ам­миа­ка – ма­зер, обес­пе­чи­ваю­щий ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние в мик­ро­вол­но­вом диа­па­зо­не. В 1955 Ба­сов и Про­хо­ров пред­ло­жи­ли ме­тод соз­да­ния ин­вер­сии на­се­лён­но­стей с по­мо­щью вспо­мо­гат. из­лу­че­ния (трёх­уров­не­вая схе­ма на­кач­ки). Трёх­уров­не­вая схе­ма и её разл. мо­ди­фи­ка­ции ны­не яв­ля­ют­ся ос­нов­ны­ми при соз­да­нии твер­до­тель­ных и др. ти­пов ла­зе­ров. В 1958 Про­хо­ров пред­ло­жил ис­поль­зо­вать от­кры­тый ре­зо­на­тор, ко­то­рый един­ст­вен­ный в то вре­мя мог обес­пе­чить эф­фек­тив­ную об­рат­ную связь в оп­тич. диа­па­зо­не. Т. Мей­ман (США) реа­ли­зо­вал эти идеи (1960), соз­дав пер­вый в ми­ре ла­зер на кри­стал­лах ру­би­на, что и оз­на­ме­но­ва­ло ро­ж­де­ние ла­зер­ной фи­зи­ки.

Л. ф. име­ет три осн. со­став­ляю­щие. Пер­вая со­став­ляю­щая – это не­по­сред­ст­вен­но фи­зи­ка ла­зе­ров, ко­то­рая изу­ча­ет ме­то­ды соз­да­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти и, сле­до­ва­тель­но, кван­то­вые со­стоя­ния, уча­ст­вую­щие в соз­да­нии ин­вер­сии; про­цес­сы воз­бу­ж­де­ния и ре­лак­са­ции, оп­ре­де­ляю­щие соз­да­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­ных ус­ло­вий; ме­то­ды управ­ле­ния дли­тель­но­стью ла­зер­но­го из­лу­че­ния (от не­пре­рыв­но­го из­лу­че­ния до ат­то­се­кунд­ных им­пуль­сов), про­стран­ст­вен­ной и вре­меннóй фор­мами ла­зер­ных им­пуль­сов; ис­сле­ду­ет яв­ле­ния, ог­ра­ни­чи­ваю­щие ин­тен­сив­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния, та­кие как раз­ру­ше­ние оп­тич. эле­мен­тов ла­зе­ра, са­мо­фо­ку­си­ров­ка, фа­зо­вые ис­ка­же­ния и др. Фи­зи­ка ла­зе­ров ис­сле­ду­ет так­же разл. кон­фи­гу­ра­ции от­кры­то­го ре­зо­на­то­ра, обес­пе­чи­ваю­ще­го не­об­хо­ди­мую для ге­не­ра­ции по­ло­жит. об­рат­ную связь, за­ни­ма­ет­ся по­ис­ком но­вых ак­тив­ных сред ла­зе­ров – кри­стал­лич. ма­те­риа­лов, стё­кол, оп­тич. ке­ра­мик и по­ли­ме­ров, по­лу­про­вод­ни­ков, га­зо­вых сред и др.

Важ­ное ме­сто в фи­зи­ке ла­зе­ров за­ни­ма­ют ме­то­ды ге­не­ра­ции ко­рот­ких и сверх­ко­рот­ких ла­зер­ных им­пуль­сов. Ко­рот­кие им­пуль­сы из­лу­че­ния реа­ли­зу­ют­ся в ре­жи­ме мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти ре­зо­на­то­ра. При­ме­ня­ют­ся разл. ме­то­ды мо­ду­ля­ции: ак­тив­ные – с по­мо­щью элек­тро­оп­тич. и оп­тоа­ку­стич. за­тво­ров, и пас­сив­ные, ос­но­ван­ные на не­ли­ней­ных эф­фек­тах в оп­тич. сре­дах. В обо­их слу­ча­ях эф­фект до­сти­га­ет­ся за счёт из­ме­не­ния до­б­рот­но­сти ре­зо­на­то­ра во вре­ме­ни. Дли­тель­ность им­пуль­сов ла­зер­но­го из­лу­че­ния τ за­ви­сит от ре­лак­са­ци­он­ных ха­рак­те­ри­стик ак­тив­ной сре­ды, ве­ли­чи­ны ин­вер­сии на­се­лён­но­сти и от кон­крет­но­го ме­ха­низ­ма мо­ду­ля­ции. Для твер­до­тель­ных ла­зе­ров τ в ре­жи­ме мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти ле­жит в диа­па­зо­не от до­лей на­но­се­кунд до еди­ниц мик­ро­се­кунд.

Сверх­ко­рот­кие им­пуль­сы, дли­тель­ность ко­то­рых за­ви­сит от ши­ри­ны спек­тра уси­ле­ния ак­тив­ной сре­ды, дос­ти­га­ют­ся в ре­жи­ме син­хро­ни­за­ции мод. Для по­лу­че­ния наи­бо­лее ко­рот­ких им­пуль­сов ис­поль­зу­ют ак­тив­ные сре­ды с мак­си­маль­но ши­ро­ким спек­тром уси­ле­ния. Так, в ла­зе­ре на кри­стал­ле лей­ко­сап­фи­ра с трёх­ва­лент­ным ти­та­ном по­лу­че­ны им­пуль­сы дли­тель­но­стью неск. фем­то­се­кунд, что срав­ни­мо с пе­рио­дом све­то­во­го ко­ле­ба­ния.

Важ­ной за­да­чей фи­зи­ки ла­зе­ров яв­ля­ет­ся раз­ра­бот­ка прин­ци­пи­аль­ных ос­нов соз­да­ния мощ­ных ла­зе­ров. Пред­ло­же­ны и реа­ли­зо­ва­ны разл. кон­цеп­ции и ме­то­ды по­строе­ния мощ­ных ла­зер­ных сис­тем, в ча­ст­но­сти ис­поль­зо­ва­ние ши­ро­ко­апер­тур­ных уси­ли­тель­ных эле­мен­тов, уси­ле­ние т. н. чир­пи­ро­ван­ных им­пуль­сов (см. Кван­то­вый уси­ли­тель), по­зво­ляю­щих по­лу­чать пи­ко­вые мощ­но­сти на уров­не 1012 и 1015 Вт в на­но­се­кунд­ном и фем­то­се­кунд­ном диа­па­зо­нах дли­тель­но­стей им­пуль­сов со­от­вет­ст­вен­но. В не­пре­рыв­ном или им­пульс­но-пе­рио­дич. ре­жи­мах мощ­но­сти твер­до­тель­ных ла­зе­ров при­бли­жа­ют­ся к 100 кВт. Мощ­ность га­зо­ди­на­мич. и хи­мич. ла­зе­ров мо­жет дос­ти­гать 1 МВт.

Вто­рая со­став­ляю­щая Л. ф. – ис­сле­до­ва­ние взаи­мо­дей­ст­вия ла­зер­но­го из­лу­че­ния с разл. ве­ще­ст­ва­ми, вклю­чая жи­вые тка­ни. При взаи­мо­дей­ст­вии про­ис­хо­дят про­цес­сы ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул, ге­не­ра­ции гар­мо­ник, ге­не­ра­ции рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, уши­ре­ния спек­тра ла­зер­но­го из­лу­че­ния при рас­про­стра­не­нии его в сре­де. Изу­ча­ют­ся ме­ха­низ­мы ла­зер­но­го раз­ру­ше­ния про­зрач­ных и не­про­зрач­ных сред, фи­зич. ос­но­вы из­ме­не­ния свойств ма­те­риа­лов под дей­ст­ви­ем ла­зер­но­го из­лу­че­ния (см. Ла­зер­ный от­жиг). При вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях ла­зер­но­го из­лу­че­ния в об­лас­ти взаи­мо­дей­ст­вия мо­гут быть дос­тиг­ну­ты очень вы­со­кие темп-ры ла­зер­ной плаз­мы, при ко­то­рых воз­мож­ны тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции син­те­за лёг­ких ядер. Для осу­ще­ст­в­ле­ния та­ких ре­ак­ций нуж­ны мощ­ные ла­зе­ры и спец. ус­ло­вия об­лу­че­ния тер­мо­ядер­ных ми­ше­ней ма­ло­го раз­ме­ра (см. Ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез).

Осо­бый ин­те­рес пред­став­ля­ют ис­сле­до­ва­ния взаи­мо­дей­ст­вия ла­зер­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом при сверх­вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях (по­ряд­ка 1022 Вт/см2). При та­ких ин­тен­сив­но­стях (со­от­вет­ствую­щие им на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля све­то­вых волн по­ряд­ка 1015 В/см су­ще­ст­вен­но пре­вос­хо­дят внут­ри­атом­ные ку­ло­нов­ские по­ля) мо­гут реа­ли­зо­вать­ся про­цес­сы ио­ни­за­ции тя­жё­лых эле­мен­тов (ти­па ура­на), разл. ре­ля­ти­ви­ст­ские эф­фек­ты в плаз­ме (ус­ко­ре­ние элек­тро­нов и др. час­тиц до вы­со­ких энер­гий, ге­не­ра­ция жё­ст­ко­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, ге­не­ра­ция сверх­ко­рот­ких им­пуль­сов). Эта об­ласть ис­сле­до­ва­ний взаи­мо­дей­ст­вия сверх­мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом к нач. 21 в. ещё на­хо­дит­ся в самом начале сво­его раз­ви­тия. Соз­да­ют­ся ла­зер­ные сис­те­мы, ге­не­ри­рую­щие мощ­ное ла­зер­ное из­лу­че­ние в ближ­ней ИК-об­лас­ти спек­тра с фем­то­се­кунд­ной дли­тель­но­стью им­пуль­сов, на ко­то­рых про­во­дят­ся экс­пе­ри­мен­ты в ука­зан­ных вы­ше на­прав­ле­ни­ях.

Бур­ное раз­ви­тие разл. на­прав­ле­ний ис­сле­до­ва­ний при­ве­ло к ши­ро­ко­му при­мене­нию ме­то­дов Л. ф. в са­мых раз­ных об­лас­тях и обу­сло­ви­ло по­яв­ле­ние и раз­ви­тие це­ло­го ря­да но­вых на­уч. на­прав­ле­ний, тех­но­ло­гий, от­рас­лей био­ло­гии и ме­ди­ци­ны. К ним от­но­сят­ся: не­ли­ней­ная оп­ти­ка, во­ло­кон­ная оп­ти­ка, ин­те­граль­ная оп­ти­ка, ла­зер­ная спек­тро­ско­пия, ла­зер­ное раз­де­ле­ние изо­то­пов, ини­ции­ро­ва­ние хи­мич. ре­ак­ций; фи­зи­ка ла­зер­ной плаз­мы, вклю­чаю­щая про­бле­му тер­мо­ядер­но­го син­те­за; ла­зер­ная ло­ка­ция (см. Ли­дар), даль­но­мет­рия, ги­ро­ско­пия; ла­зер­ная мет­ро­ло­гия, вклю­чаю­щая раз­ра­бот­ку кван­то­вых стан­дар­тов час­то­ты и эта­ло­нов вре­ме­ни. Ла­зер­ные ме­то­ды ис­поль­зу­ют­ся для пе­ре­да­чи, хра­не­ния и об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Разл. ла­зер­ные тех­но­ло­гии при­ме­ня­ют­ся в пром-сти для об­ра­бот­ки ма­те­риа­лов и кон­ст­рук­ций и т. д. Бур­но раз­ви­ва­ет­ся ла­зер­ная ме­ди­ци­на. Для ре­ше­ния этих прак­тич. за­дач и оп­ти­ми­за­ции при­ме­не­ний уни­каль­ных свойств ла­зер­но­го из­лу­че­ния не­об­хо­ди­мо пра­виль­но вы­брать ти­пы ла­зе­ров, дли­ны волн из­лу­че­ния, мощ­но­сти, про­фи­ли и дли­тель­но­сти ла­зер­ных им­пуль­сов и час­то­ты по­вто­ре­ния. Фи­зич. ос­но­вы при­ме­не­ния ла­зе­ров в нау­ке, тех­ни­ке, тех­но­ло­гии, био­ло­гии, ме­ди­ци­не пред­став­ля­ют со­бой тре­тью со­став­ляю­щую Л. ф., при­зван­ную рас­ши­рить об­лас­ти ис­поль­зо­ва­ния ла­зер­ных сис­тем, обес­пе­чив их эф­фек­тив­ность и безо­пас­ность экс­плуа­та­ции.

Лит.: Ба­сов Н. Г., Про­хо­ров А. М. При­ме­не­ние мо­ле­ку­ляр­ных пуч­ков для ра­дио­спек­тро­ско­пи­че­ско­го изу­че­ния вра­ща­тель­ных спек­тров мо­ле­кул // Жур­нал экс­пе­ри­мен­таль­ной и тео­ре­ти­че­ской фи­зи­ки. 1954. Т. 27. С. 431–438; они же. О воз­мож­ных ме­то­дах по­лу­че­ния ак­тив­ных мо­ле­кул для мо­ле­ку­ляр­но­го ге­не­ра­то­ра // Там же. 1955. Т. 28. С. 249–250; Gordon J. P., Zeiger H. J., Townes C. H. Mo­lecular microwave oscillator... // Physical Re­view Letters. 1954. Vol. 95. № 7; Звел­то О. Прин­ци­пы ла­зе­ров. 4-е изд. СПб., 2008.

Вернуться к началу