Лазер. - Калининград

Информационный Центр атомной энергии г. Калининграда,
МБОУ №7 г. Балтийска.
Областной конкурс ученических рефератов «Эврика – 2013»
Предсказание современных технологий
писателями-фантастами на основе произведения А. Н. Толстого
«Гиперболоид инженера Гарина».
11 «А» класс МАОУ СОШ №56
г. Калининграда
Мизин Александр.
Руководитель:
Борода Любовь Николаевна.
1
Оглавление
Титульный лист ................................................................................................................................................ 1
Введение. ......................................................................................................................................................... 3
Обзор литературного произведения. ............................................................................................................ 3
Лазер. ................................................................................................................................................................ 3
Схема работы лазера. ...................................................................................................................................... 4
Механизм вынужденного излучения............................................................................................................. 4
Типы лазеров.................................................................................................................................................... 4
Свойства лазерных лучей. ............................................................................................................................... 5
Применение лазеров....................................................................................................................................... 5
Вывод. ............................................................................................................................................................... 6
Послесловие. .................................................................................................................................................... 7
Приложения: .................................................................................................................................................... 8
Список литературы: ......................................................................................................................................... 9
2
Введение.
Выбор темы моего исследования относится к важнейшей области современной науки и
техники – квантовой электронике. Актуальность данной темы обусловлена поисками
альтернативных источников энергии для нужд человечества. Я решил сопоставить научнофантастическое произведение Алексея Николаевича Толстого о создании прибора
невероятной мощности с современными оптическими квантовыми генераторами. Цель моего
исследования: выяснить, как далек или близок был автор в своих фантастических
предположениях от действительности.
«Гиперболоид инженера Гарина» был написан А. Н. Толстым в 1925-1927 годах, а
оптические квантовые генераторы были созданы в 1960 году. Промежуток времени в 35 лет
разделил фантастику и реальность. Меня очень заинтересовали научные принципы действия
лазеров, их возможности и область применения.
Обзор литературного произведения.
Интрига романа начинается с первых страниц книги, где приводится цитата из американской
газеты: «… Роллинг говорил о Советской России, где, по слухам, ведутся работы над
передачей на расстояние тепловой энергии.» [2, стр.16]. И, как доказательство
существования прибора неведомой силы, был показан кусочек стали толщиной в полдюйма.
«В толще стали были прорезаны насквозь каким-то тонким орудием полоска, завитки и …
скорописью было написано: «Проба силы… Гарин»[2, стр.34].
Инженер Петр Гарин создает загадочный гиперболоид, способный передавать огромное
количество тепловой энергии на расстояние практически без потерь. С помощью своего
гиперболоида Гарин планирует овладеть миром, его аппарат не предназначен для
промышленных целей – он предназначен для разрушения. И ему практически удается
захватить мир, но мятежникам, взбунтовавшимся против Гарина, удается захватить главный
– самый большой гиперболоид. Диктаторству Гарина приходит конец. Он попадает в
кораблекрушение, скрываясь от мести мятежников, и оказывается на необитаемом острове.
Там он и доживает свои последние дни, вспоминая о своем могуществе.
Лазер.
«Позавчера мы ничего не знали об электричестве,
вчера мы ничего не знали об огромных резервах атомного ядра;
о чем мы не знаем сегодня?..»
Луи де Бройль.
За основу научных изысканий взята книга Николая Александровича Соболева «Лазеры и их
будущее». Из нее я взял устройство и принцип действия лазеров, свойства лазерных
излучений и область их применения. Большую помощь в работе мне оказали статьи из
Большой Советской Энциклопедии, где в хронологической последовательности описана
история открытия, создания и испытания оптических квантовых генераторов. В связи с этим
открытием и его значимостью в 1964 году советским физикам Н. Г. Басову и А. М.
Прохорову, а также американскому физику Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия.
3
Теперь давайте поближе познакомимся с лазерами. Лазер (от англ. Laser – light amplification
by stimulated emission of radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения») это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию
когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока
излучения. Иными словами, лазер – это источник электромагнитного излучения видимого,
инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном
излучении атомов и молекул. Он послужил основой развития нового направления в физике и
технике, называемого квантовой электроникой.
Схема работы лазера.
Рассмотрим работу лазера, активным веществом которого служит рубин. Такой генератор
света называют рубиновым лазером. Рубиновый лазер – наиболее распространенный тип
генераторов на твердых кристаллических веществах.
Лазер состоит из трех основных частей: активного вещества, резонансной системы,
представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими
покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется
ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис.1)[3]. Каждая из них обеспечивает
для работы лазера выполнение своих определённых функций. В романе «Гиперболоид
инженера Гарина была достаточно похожая схема (рис.2)[2]. Здесь, на гиперболическом
зеркале и фокусировался луч огромной мощности.
А что же происходит внутри активного вещества?
Механизм вынужденного излучения.
Пред вами, на рисунке 3[6], представлен процесс формирования луча в активном веществе
лазера:
1. – атомы активного вещества в невозбужденном состоянии.
2. – свет накачки переводит большинство атомов в возбужденное состояние.
3. – некоторые атомы спонтанно излучают: часть фотонов вырывается наружу,
некоторые фотоны, двигаясь параллельно оси стержня, вызывают вынужденное
излучение.
4. – отразившись от зеркальной поверхности торца, каскад фотонов, проходя через
возбужденную среду, усиливается.
5. – пучок света вырывается через частично посеребренную поверхность торца рубина.
Между спонтанным и вынужденным излучением существует глубокая разница, а лазеры
работают именно благодаря вынужденному излучению. Если акт спонтанного излучения
состоит в возникновении одиночного фотона, результатом вынужденного излучения всегда
является второй фотон (сверх того, который инициировал акт излучения). Эти два фотона
могут инициировать испускание двух следующих, и процесс, если бы для него существовали
условия, нарастал бы лавинообразно. Другими словами, вынужденное излучение есть
элементарный механизм усиления света, распространяющегося в теле.
Типы лазеров.
Новые лазеры сейчас открывают чуть ли не каждый день. Как правило, речь идет об
обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового
метода закачки энергии в рабочее тело. На сегодняшний день существует ошеломляющее
4
разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и
способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже
химический взрыв). Перечислим несколько типов лазеров.
• Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые
лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или
электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые
лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки
металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и
совершенно невидимый луч;
• Химические лазеры. Эти мощные лазеры заряжаются от химической реакции — к примеру,
горения этилена и трифторида азота NF3. Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти
применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в
воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт
и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.
• Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в
которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какойнибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в
электронной промышленности для вытравливания крохотных транзисторов на
полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по
технологии Lasik.
• Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных
электронных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в
промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работа ют и в
кассовых аппаратах, считывая штрих-коды с выбранных вами товаров.
• Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические
красители. Они исключительно полезны в получении ультракоротких импульсов света,
которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды[5].
Свойства лазерных лучей.
Исключительно важным обстоятельством в излучении лазера является его когерентность.
Когерентность – это согласованность по фазе и амплитуде колебаний. Она обеспечивает
минимальное рассеивание луча. В то же время лазерный луч практически монохроматичен это дает возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи
информации и связи, тем самым существенно увеличить количество передаваемой
информации в единицу времени. Из-за того, что вынужденное излучение распространяется
строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет
несколько угловых секунд.
Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно
малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии. Это как раз то, к чему
так стремился инженер Гарин.
Применение лазеров.
С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые
задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до
5
управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза.
Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века.
Вот только некоторые области, в которых используется лазер: наука, военная
промышленность, медицина, связь, информационные технологии, культура( лазерные шоу и
представления, световой дизайн) – и этот список можно продолжать еще долго, а с каждым
днем он только пополняется. Рассмотрим некоторые способы применения лазеров.
Наука:
1. Фотохимия - Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые
импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10−12 — 10−15 с). Такие импульсы
можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие
импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой
разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять
короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет
селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных
(когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их
помощью исследуют образование и работу белков.
2. Измерение расстояний - во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными
аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых
отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный
лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной
поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати,
специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой
точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры
орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.
3. Лазерное намагничивание - Сверхкороткие лазерные импульсы используются для
сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее
время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптикомагнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд
(2·10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление
намагниченностью с помощью поляризации света.
Медицина:
Очень интенсивно лазеры используются в современной медицине. Ее уже нельзя
представить без них. Так, например, лазеры используются в косметической хирургии, для
коррекции зрения, в хирургии (гинекология, урология, лапароскопия), в стоматологии, в
удалении опухолей и тд.
Промышленность:
В промышленности лазеры используют для термообработки, оплавления поверхностей (с
целью их улучшения), для сварки, для разделения материалов, также их используют для
экологического мониторинга [7].
Вывод.
Итак, мною была поставлена задача выяснить, как далек был автор в своих фантазиях от
действительности. Я понял, что он был на пути к реальному открытию. В его придуманном
гиперболоиде была сосредоточена энергия современного лазера. Но его прибор был обречен
на уничтожение, потому что цели инженера Гарина были направлены на уничтожение,
разрушение. Он стремился владеть всем миром. О своем аппарате он говорил так: «Кто будет
6
владеть им, того ждет сказочное могущество», «Здания, крепости… воздушные корабли,
скалы, кора Земли – все пронижет, разрушит, разрежет мой луч»[2, стр.84]. Так это и
произошло, этот аппарат уничтожил Золотой остров инженера Гарина и погубил его мечту о
власти над миром.
Воистину, А. Н. Толстой предвосхитил свое время в изобретениях. Роман «Гиперболоид
инженера Гарина» является ярким тому подтверждением. Ему удалось предсказать создание
лазера за тридцать пять лет до его появления! И как прекрасно то, что настоящий лазер,
созданный человеком, направили в нужное русло. Нет тех ужасающих разрушений, которые
описывал автор в своем романе, а есть только прогресс и новые научные открытия –
движение вперед. С открытием лазеров человечество сделало большой шаг вперед в своем
техническом развитии. Применение лазеров в будущем, я думаю, сделает этот шаг еще более
значительным.
Послесловие.
Гиперболоид Александра Мизина.
Если бы гиперболоид изобрел я, то я бы направил его возможности на то, чтобы сделать
жизнь на нашей планете более комфортной, экологически чистой. Я бы попытался
проникнуть лазером в клетки человеческого тела, чтобы пресекать развитие заболеваний в
самом начале, не дожидаясь, пока оно проявится. Направил бы мощь лазерного луча на
возобновление исчерпаемых ресурсов энергии. Я бы придумал, как очистить планету от
избытка мусора и различных отходов; направил бы энергию лазера на увеличение запасов
питьевой воды на нашей планете, на закрытие озоновых дыр в ее атмосфере. У нас на Земле
много проблем, и наша задача – направить лазерный луч в нужном направлении.
7
Приложения:
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
8
Список литературы:
1. Большая Советская Энциклопедия.
2. «Гиперболоид инженера Гарина» А. Н. Толстой
3. «Лазеры и их будущее» Н. А. Соболев
4. http://www.dreamlights.ru
5. http://fizika-class.narod.ru/
6. http://laserfaq.ru/sam/laserfaq_ru.htm
7. http://ru.wikipedia.org
9