Стрельба светом

01 марта 2011 года, 00:00



Лазеры нужны не только для того, чтобы гонять кошку лазерной указкой, — они повсюду: с их помощью исследуют процессы в недрах далеких звезд, исправляют повреждения глаз, разрезают пополам гигантские трубы и печатают микросхемы наноразмеров. Фото (Creative Commons license): Brian Fitzgerald

В мае прошлого года весь мир торжественно отмечал 50-летие того момента, как в лаборатории Теодора Меймана в Малибу заработал первый в мире лазер. Почти сразу же лазер назвали решением, которое ищет себе задачу. В следующие полвека новые задачи для него находились регулярно. Автору этих строк нередко доводилось слышать от физиков, что только один нобелевский прорыв действительно по-настоящему перевернул нашу жизнь и нашу науку — это лазер.

Сегодня лазер — средство сделать доклад и поиграть с кошкой (лазерная указка), помощник строителю (лазерный уровень) и стрелку (лазерный целеуказатель), услада для глаз (лазерное шоу на дискотеке), способ получить информацию (CD- и DVD-приводы) и перенести эту информацию на бумагу (лазерные принтеры). Однако сама лазерная наука не стоит на месте. Лазеры помогают открывать новые физические явления, которые к тому же сразу применяются на практике. В одной статье невозможно перечислить даже основные применения лазера в современной науке, технологии и медицине. Недаром Нобелевских премий, непосредственно связанных с лазерами, вручено целых пять. Попробуем коротко обрисовать всего несколько самых существенных лазерных достижений последнего времени.

Лазер и сверхэнергии

Долгое время пределом интенсивности лазерного импульса считался порог 1014 Вт/см2. Полагали, что этот предел естественный, ибо дальше начинается оптический пробой материалов самого рабочего тела и их разрушение. Однако в 1985 году удалось придумать способ перескочить через это препятствие. Появился так называемый метод усиления чирпованных импульсов (CPA, Chirped pulse amplifi cation), и удалось достигнуть фантастических мощностей: порядка 1 ПВт, то есть 1015 Вт. Здесь сразу же следует объясниться: разумеется, речь идет не о постоянном источнике излучения: 1 ПВт — это в 100 раз больше мощности всех электростанций мира. Энергия, запасенная в импульсе, сравнительно небольшая — всего несколько килоджоулей. Просто сам импульс очень короткий, десятки и единицы фемтосекунд (1 фс = 10–15 с). Первым «петаваттником» стал лазер NOVA в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса Министерства энергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, Department of Energy). Этому же прибору принадлежит «мировой рекорд» мощности — 1,5 ПВт.

Впрочем, петаватт — это не предел. Современные лазерщики мечтают об эксаватте (1 ЭВт = 1018 Вт). И не только мечтают, уже сейчас идет реализация подготовительной стадии европейского инфраструктурного мегапроекта ELI (Extreme Light Infrastructure). В рамках этого проекта планируется построить лазеры с пиковой мощностью в десятки и сотни петаватт. На первом этапе ожидается создание лазера ILE-Apollon мощностью 10 ПВт на 20-сантиметровом в поперечнике монокристалле сапфира с включениями титана. Правда, такие кристаллы еще предстоит вырастить, но над этим уже работают несколько центров-производителей, и вскоре они будут получены. Кроме этого, разрабатываются еще два лазера мощностью 10–20 ПВт и один лазер мощностью 0,2 ЭВт.

Зачем же нужны такие монстры? Во-первых, на сегодняшний день только таким способом можно создать в лаборатории экстремальные условия, подобные тем, которые существуют на поверхности звезд (кстати, именно такими лазерами в некоторых экспериментальных реакторах «поджигается» термоядерная реакция — см. «Вокруг света» № 10, 2008, «Укрощение плазмы»). В 2008 году на британском лазере Vulcan удалось достичь температуры 10 миллионов градусов.

Во-вторых, не следует забывать, что лазерный луч — это электромагнитная волна. И его можно использовать как ускоритель, причем гораздо более дешевый, чем традиционные коллайдеры. Очень интересный эксперимент провели в США, в той же Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса Министерства энергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, Department of Energy) под руководством Хуэй Чэн (Hui Chen). Она работала с лазером петаваттного класса TITAN (0,5 ПВт). Импульс длительностью в 10 фемтосекунд направляли на золотую фольгу.

Давление света (а оно в случае такого лазерного удара примерно на 11 порядков выше атмосферного) выбивает из атомов золота электроны со сверхвысокими энергиями. Они испускают гамма-кванты, которые, в свою очередь, взаимодействуя с магнитным полем ядра золота, рождают пару «электрон — позитрон», которую «разводят» внешним магнитным полем. В результате на выходе получили более ста миллиардов позитронов. В Ливерморе уже обещают наладить сравнительно дешевую (по сравнению с ускорительной, разумеется) технологию массового получения позитронов (которые нужны для экспериментов космологов, для исследования позитрония, образованного слиянием позитрона и электрона, для позитронной спектроскопии и многого другого).

Лазер и живая материя

Лазеры быстро нашли себе применение в медицине. Не прошло и четырех лет после запуска первого лазера в США, как в СССР появился хирургический лазер «Скальпель-1», аналогичные разработки были быстро внедрены и в других странах.

В последние годы коррекция зрения, операции по схеме LASIK — LaserAssisted in Situ Keratomileusis, то есть коррекция роговицы при помощи лазера (cм. «Вокруг света» № 9, 2010, «Резьба по глазу»), сделалась рутинной операцией. По крайней мере про такое применение лазеров слышал чуть ли не каждый. Однако этим возможности лазерной медицины далеко не ограничиваются.

Возможно, самая изящная физика у лазерного способа удаления камней из почек и мочевого пузыря. Эффект, на котором он был основан, открыли ученые Физического института АН СССР, того самого, в котором работали создатели лазера Басов и Прохоров. Когда лазерный импульс взаимодействует с твердым телом в воде, на поверхности этого тела образуется искра. Она испаряет небольшое количество жидкости, образуя пузырь пара. Пузырь сначала растет — пока идет испарение, а затем под действием атмосферного давления схлопывается. Образуется звуковая ударная волна, которая достаточно сильна для того, чтобы разрушить это самое твердое тело.

Поначалу этот эффект хотели использовать военные, для того чтобы топить подводные лодки, однако через большую толщу воды лазерный луч не проходит. А к камню в почке можно по естественным путям подвести гибкий световод и «выстрелить» в камень. Существовала, правда, проблема с меткостью — если хирург промахивался, то беды не избежать. Но с этим как раз удалось справиться. Лазер испускает импульсы сразу на двух длинах волн — 0,54 и 1,08 мкм. Эти длины подобраны так, что мягкими тканями организма практически не поглощаются. Для демонстрации безопасности этого метода лазером очищали от скорлупы сырое куриное яйцо. Тонкая белковая оболочка оставалась целой.

А когда дело дошло до медицинской установки, в одном корпусе смонтировали сразу два лазера. Второй — старый добрый лазер-скальпель. Дело в том, что урологам и нефрологам приходится работать с почками, очень кровенаполненным органом. И в этом случае оперировать лазером гораздо безопаснее: его луч не только режет, но и «заваривает» мелкие сосуды.

В практике врачей, которые «обкатывали» это изобретение, уже были случаи, когда к ним поступал пациент с крупным камнем, а при обследовании диагностировали рак почки. И в одной операции применялись сразу два лазерных инструмента.

Лазер и нанотехнологии

Разумеется, не обошлось без лазера и в нанотехнологиях. Современный технологический процесс производства микросхем — это лазерная фотолитография с минимальным размером элементов 32 нанометра, в 2011 году собираются запустить в производство чипы со стандартом 22 нанометра… Но это, заметим, не нанотехнология в чистом виде, а всего лишь масштабирование, дошедшее до наноразмеров. Однако при помощи лазера можно менять свойства самого вещества — и вот это уже самый настоящий «нанотех».

Одна из наиболее перспективных областей применения лазера в нанотехнологиях — это активно исследуемая во многих странах (в том числе и в России) технология лазерной абляции поверхности металлов. Что это такое? Если мы направим достаточно мощный лазер на лист, скажем, алюминия, то алюминий будет плавиться, испаряться… и гореть. Если же делать то же самое не в воздухе и не в воде, с которой алюминий при высокой температуре тоже реагирует, а в спирте, то происходит абляция — частичное удаление алюминия с поверхности без окисления. Расплавленная же поверхность застывает весьма причудливым способом, образуя своеобразные наногрибочки. Замечательно, но зачем они нам?

Во-первых, очень красиво. Дело в том, что эти самые «грибочки» сопоставимы с длинами волн дневного света, и в результате сам металл становится не серебристым, а цветным. Алюминий и серебро, к примеру, приобретают золотистую окраску, а вот полученный в лаборатории российского физика Георгия Шафеева наноструктурированный титан становится вообще фиолетовым. И это настоящий честный цвет самой поверхности металла, а не какого-то появившегося в результате обработки покрытия.

Конечно, дело не только в цвете. Красить металл таким способом, может быть, и эффектно, но не слишком эффективно. Однако такая обработка меняет и другие свойства металла. К примеру, наноструктурированный алюминий не обледеневает — изменяется угол смачивания металла водой, и капля просто не удерживается на поверхности, не примерзает.

В еще одной технологии с приставкой «нано» лазер вроде бы и не так заметен, однако без него здесь тоже не обойтись. Речь идет о технологии SALDI и созданном на ее основе устройстве «электронный нос». Цель технологии — детектирование сверхмалых концентраций органики в воздухе. В первую очередь, разумеется, взрывчатки и наркотиков.

Принцип действия детектора весьма изящен. На границе между «внешним миром» и анализатором вращается призма, покрытая наноструктурированным кремнием. Нановыступы прекрасно связываются с азотсодержащей органикой (каковой и являются взрывчатые вещества и наркотики). Однако чем легче вещество связывается с поверхностью, тем сложнее его от этой поверхности оторвать для анализа. И здесь в игру вступает лазер. Уже внутри камеры-анализатора поверхность облучает лазер на неодимиттриевом гранате (Nd:YAG-лазер). Луч одновременно отрывает органические молекулы от поверхности и ионизирует их. Ионы попадают в массспектрометр, и по характерным пикам можно уже определять вещество. Чувствительность же метода равна 1:1012, или 1 ppt (part per trillion, часть на триллион). Для сравнения: чувствительность собак, натасканных на наркотики или взрывчатку, — от 10 до 100 ppt. Сейчас же в рамках этой технологии физики обратились к медицине — «электронный нос» учат диагностировать рак по его биомаркерам в выдохе человека.

Рубрика: Наука
Просмотров: 8206