ЛА́ЗЕРНАЯ ФИ́ЗИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.