Лазери потрібні не тільки для того, щоб ганяти кішку лазерною указкою, - вони всюди: з їх допомогою досліджують процеси в надрах далеких зірок, виправляють пошкодження очей, розрізають навпіл гігантські труби і друкують мікросхеми нанорозмірів. Фото ():
У травні минулого року весь світ урочисто відзначав 50-річчя того моменту, як в лабораторії Теодора Меймана в Малібу заробив перший в світі лазер. Майже відразу ж лазер назвали рішенням, яке шукає собі задачу. У наступні півстоліття нові завдання для нього знаходилися регулярно. Автору цих рядків нерідко доводилося чути від фізиків, що тільки один нобелівський прорив дійсно по-справжньому перевернув наше життя і нашу науку - це лазер.
Сьогодні лазер - засіб зробити доповідь і пограти з кішкою (лазерна указка), помічник будівельника (лазерний рівень) і стрілку (лазерний цілевказівник), насолода для очей (лазерне шоу на дискотеці), спосіб отримати інформацію (CD- і DVD-приводи) і перенести цю інформацію на папір (лазерні принтери). Однак сама лазерна наука не стоїть на місці. Лазери допомагають відкривати нові фізичні явища, які до того ж відразу застосовуються на практиці. В одній статті неможливо перерахувати навіть основні застосування лазера в сучасній науці, технології і медицині. Недарма Нобелівських премій, безпосередньо пов'язаних з лазерами, вручено цілих п'ять. Спробуємо коротко окреслити лише кілька найістотніших лазерних досягнень останнього часу.
Лазер і сверхенергіі
Довгий час межею інтенсивності лазерного імпульсу вважався поріг 1014 Вт / см2. Вважали, що ця межа природний, бо далі починається оптичний пробій матеріалів самого робочого тіла і їх руйнування. Однак в 1985 році вдалося придумати спосіб перескочити через цю перешкоду. З'явився так званий метод посилення чірпованних імпульсів (CPA, Chirped pulse amplifi cation), і вдалося досягти фантастичних потужностей: близько 1 ПВт, тобто 1015 Вт. Тут відразу ж слід порозумітися: зрозуміло, мова йде не про постійне джерело випромінювання: 1 ПВт - це в 100 разів більше потужності всіх електростанцій світу. Енергія, запасені в імпульсі, порівняно невелика - всього кілька кілоджоулів. Просто сам імпульс дуже короткий, десятки і одиниці фемтосекунд (1 фс = 10-15 с). Першим «петаваттніком» став лазер NOVA в Ліверморської національної лабораторії імені Ернеста Лоуренса Міністерства енергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, Department of Energy). Цьому ж приладу належить «світовий рекорд» потужності - 1,5 ПВт.
Втім, петаватт - це не межа. Сучасні лазерники мріють про ексаватте (1 ЕОТ Ф = 1018 Вт). І не тільки мріють, уже зараз йде реалізація підготовчої стадії європейського інфраструктурного мегапроекту ELI (Extreme Light Infrastructure). В рамках цього проекту планується побудувати лазери з піковою потужністю в десятки і сотні петаватт. На першому етапі очікується створення лазера ILE-Apollon потужністю 10 ПВт на 20-сантиметровому в поперечнику монокристалле сапфіра з включеннями титану. Правда, такі кристали ще належить виростити, але над цим уже працюють кілька центрів-виробників, і незабаром вони будуть отримані. Крім цього, розробляються ще два лазера потужністю 10-20 ПВт і один лазер потужністю 0,2 ЕОТ.
Навіщо ж потрібні такі монстри? По-перше, на сьогоднішній день тільки таким способом можна створити в лабораторії екстремальні умови, подібні до тих, які існують на поверхні зірок (до речі, саме такими лазерами в деяких експериментальних реакторах «підпалюється» термоядерна реакція - см. «Навколо світу» № 10, 2008, «Приборкання плазми» ). У 2008 році на британському лазері Vulcan вдалося досягти температури 10 мільйонів градусів.
По-друге, не слід забувати, що лазерний промінь - це електромагнітна хвиля. І його можна використовувати як прискорювач, причому набагато дешевший, ніж традиційні колайдери. Дуже цікавий експеримент провели в США, в тій же Ліверморської національної лабораторії імені Ернеста Лоуренса Міністерства енергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, Department of Energy) під керівництвом Хуей Чен (Hui Chen). Вона працювала з лазером петаваттного класу TITAN (0,5 ПВт). Імпульс тривалістю в 10 фемтосекунд направляли на золоту фольгу.
Тиск світла (а воно в разі такого лазерного удару приблизно на 11 порядків вище атмосферного) вибиває з атомів золота електрони з надвисокими енергіями. Вони випускають гамма-кванти, які, в свою чергу, взаємодіючи з магнітним полем ядра золота, народжують пару «електрон - позитрон», яку «розводять» зовнішнім магнітним полем. В результаті на виході отримали більше ста мільярдів позитронів. У Ліверморі вже обіцяють налагодити порівняно дешеву (в порівнянні з прискорювальної, зрозуміло) технологію масового отримання позитронів (які потрібні для експериментів космологов, для дослідження позитронно, утвореного злиттям позитрона і електрона, для позитронної спектроскопії і багато чого іншого).
Лазер і жива матерія
Лазери швидко знайшли собі застосування в медицині. Не минуло й чотирьох років після запуску першого лазера в США, як в СРСР з'явився хірургічний лазер «Скальпель-1», аналогічні розробки були швидко впроваджені і в інших країнах.
В останні роки корекція зору, операції за схемою LASIK - LaserAssisted in Situ Keratomileusis, тобто корекція рогівки за допомогою лазера (cм. «Навколо світу» № 9, 2010 «Різьба по оку» ), Стала рутинною операцією. Принаймні про таке застосування лазерів чув мало не кожен. Однак цим можливості лазерної медицини далеко не обмежуються.
Можливо, сама витончена фізика у лазерного способу видалення каменів з нирок і сечового міхура. Ефект, на якому він був заснований, відкрили вчені Фізичного інституту АН СРСР, того самого, в якому працювали творці лазера Басов і Прохоров. Коли лазерний імпульс взаємодіє з твердим тілом у воді, на поверхні цього тіла утворюється іскра. Вона випаровує невелика кількість рідини, утворюючи міхур пара. Пузир спочатку зростає - поки йде випаровування, а потім під дією атмосферного тиску схлопивается. Утворюється звукова ударна хвиля, яка досить сильна для того, щоб зруйнувати це найтвердіша тіло.
Спочатку цей ефект хотіли використовувати військові, для того щоб топити підводні човни, однак через велику товщу води лазерний промінь не проходить. А до каменя в нирці можна з природничих шляхах підвести гнучкий світловод і «вистрілити» в камінь. Існувала, правда, проблема з влучністю - якщо хірург промахувався, то біди не уникнути. Але з цим якраз вдалося впоратися. Лазер випускає імпульси відразу на двох довжинах хвиль - 0,54 і 1,08 мкм. Ці довжини підібрані так, що м'якими тканинами організму практично не поглинаються. Для демонстрації безпеки цього методу лазером очищали від шкаралупи сире куряче яйце. Тонка білкова оболонка залишалася цілою.
А коли справа дійшла до медичної установки, в одному корпусі змонтували відразу два лазера. Другий - старий добрий лазер-скальпель. Справа в тому, що урології та нефрології доводиться працювати з нирками, дуже кровонаповнення органом. І в цьому випадку оперувати лазером набагато безпечніше: його промінь не тільки ріже, а й «заварює» дрібні судини.
У практиці лікарів, які «обкатував» цей винахід, вже були випадки, коли до них надходив пацієнт з великим каменем, а при обстеженні діагностували рак нирки. І в одній операції застосовувалися відразу два лазерних інструменту.
Лазер і нанотехнології
Зрозуміло, не обійшлося без лазера і в нанотехнологіях. Сучасний технологічний процес виробництва мікросхем - це лазерна фотолітографія з мінімальним розміром елементів 32 нанометра, в 2011 році збираються запустити у виробництво чіпи зі стандартом 22 нанометра ... Але це, зауважимо, не нанотехнологія в чистому вигляді, а всього лише масштабування, яке дійшло до нанорозмірів. Однак за допомогою лазера можна змінювати властивості самої речовини - і ось це вже справжнісінький «нанотех».
Одна з найбільш перспективних областей застосування лазера в нанотехнологіях - це активно досліджувана в багатьох країнах (в тому числі і в Росії) технологія лазерної абляції поверхні металів. Що це таке? Якщо ми направимо досить потужний лазер на лист, скажімо, алюмінію, то алюміній буде плавитися, випаровуватися ... і горіти. Якщо ж робити те ж саме не в повітрі і не в воді, з якої алюміній при високій температурі теж реагує, а в спирті, то відбувається абляція - часткове видалення алюмінію з поверхні без окислення. Розплавлена ж поверхню застигає досить химерним способом, утворюючи своєрідні наногрібочкі. Чудово, але навіщо вони нам?
По-перше, дуже красиво. Справа в тому, що ці самі «грибочки» можна порівняти з довжинами хвиль денного світла, і в результаті сам метал стає сріблястим, а кольоровим. Алюміній і срібло, наприклад, набувають золотисте забарвлення, а ось отриманий в лабораторії російського фізика Георгія Шафеева Наноструктуровані титан стає взагалі фіолетовим. І це справжній чесний колір самої поверхні металу, а не якогось з'явився в результаті обробки покриття.
Звичайно, справа не тільки в кольорі. Фарбувати метал таким способом, може бути, і ефектно, але не дуже ефективно. Однак така обробка змінює і інші властивості металу. Наприклад, Наноструктуровані алюміній не замерзають - змінюється кут змочування металу водою, і крапля просто не утримується на поверхні, не примерзає.
У ще одній технології з приставкою «нано» лазер начебто і не так помітний, однак без нього тут теж не обійтися. Йдеться про технологію SALDI і створеному на її основі пристрої «електронний ніс». Мета технології - детектування надмалих концентрацій органіки в повітрі. В першу чергу, зрозуміло, вибухівки і наркотиків.
Принцип дії детектора досить витончений. На кордоні між «зовнішнім світом» і аналізатором обертається призма, покрита Наноструктуровані кремнієм. Нановиступи прекрасно зв'язуються з азотовмісними органікою (якою і є вибухові речовини і наркотики). Однак чим легше речовина зв'язується з поверхнею, тим складніше його від цієї поверхні відірвати для аналізу. І тут в гру вступає лазер. Уже всередині камери-аналізатора поверхню опромінює лазер на неодіміттріевом гранаті (Nd: YAG-лазер). Луч одночасно відриває органічні молекули від поверхні і іонізує їх. Іони потрапляють в массспектрометр, і по характерних піків можна вже визначати речовину. Чутливість ж методу дорівнює 1: 1012, або 1 ppt (part per trillion, частина на трильйон). Для порівняння: чутливість собак, натренованих на наркотики чи вибухівку, - від 10 до 100 ppt. Зараз же в рамках цієї технології фізики звернулися до медицини - «електронний ніс» вчать діагностувати рак за його біомаркерів в видиху людини.
Навіщо ж потрібні такі монстри?Що це таке?
Чудово, але навіщо вони нам?
