Можно ли создать лазерный меч, почему лазер способен резать металл и как с его помощью пытаются «зажечь солнце» на Земле? В свойствах и возможностях лазерного излучения разобрались гости Информационного центра по атомной энергии (ИЦАЭ) Челябинска 24 сентября на мероприятии «Наука всегда кстати. Лазеры».

Лекцию прочитал Александр Герасимов — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоинформатики Южно-Уральского государственного университета и старший научный сотрудник лаборатории сенсорики. Он рассказал об истории лазеров, принципах их работы, основных видах и современных сферах применения.

«В основе лазера лежит явление вынужденного излучения, предсказанное Альбертом Эйнштейном. Если атом находится в возбуждённом состоянии, пролетающий рядом фотон определённой энергии может вызвать появление ещё одного фотона, совпадающего с ним по частоте, направлению и фазе. Благодаря этому лазерный свет отличается когерентностью, высокой яркостью и малой расходимостью. В отличие от фонарика, освещающего пространство широким конусом, лазер передаёт энергию узким направленным пучком», – пояснил в начале лекции спикер.

Лазеры различают прежде всего по типу активной среды — материала, в котором происходит усиление света. В твердотельных лазерах используют кристаллы или стекло с различными добавками. К этому типу относится один из первых оптических лазеров — рубиновый. Газовые лазеры, например гелий-неоновые, не отличаются большой мощностью, зато дают стабильное излучение, поэтому применяются в лабораториях для настройки и калибровки приборов.

Полупроводниковые лазеры совершили технологическую революцию благодаря малым размерам и доступности. Сегодня источник и приёмник излучения могут помещаться в устройстве размером с ноготь. Такие лазерные дальномеры помогают роботам-пылесосам определять расстояние до предметов и строить карту помещения. Полупроводниковые лазеры также применяют в медицинской технике, строительных уровнях, проекторах и автомобильных системах отображения информации.

Лазеры классифицируют и по длительности излучения. Непрерывные подходят для подсветки, измерений, проекционных систем и лазерных шоу. Короткие нано- и пикосекундные импульсы позволяют удалять материал почти без нагрева окружающей области. Фемтосекундные импульсы настолько кратковременны, что с их помощью можно исследовать и изменять процессы на уровне молекул и атомов.

Сам Александр Герасимов более 15 лет работает с фемтосекундными лазерами. В лаборатории сенсорики ЮУрГУ он вместе с коллегами модифицирует прозрачные материалы и создаёт оптоволоконные датчики температуры, натяжения и деформации. В числе направлений работы также датчики люминесценции и радиации. Подобные системы позволяют проводить точные измерения и передавать результаты на расстояние, в том числе в сложных условиях.

Отдельной темой лекции стало применение лазеров в атомной отрасли и исследованиях управляемого термоядерного синтеза. Его задача — воспроизвести процессы, происходящие в недрах звёзд, где при слиянии лёгких ядер выделяется большое количество энергии. Для запуска такой реакции необходимо создать плазму с температурой в десятки и сотни миллионов градусов.

Один из подходов предполагает удержание горячей плазмы магнитным полем в установке типа токамак. Другой основан на использовании сверхмощных лазеров. Несколько лучей направляют на небольшую мишень с термоядерным топливом, например с изотопами водорода. Короткий импульс быстро сжимает и нагревает вещество, а тепло не успевает рассеяться. При достижении необходимых условий начинается слияние ядер с выделением энергии. Работы в обоих направлениях ведутся и в России, а лазерные исследования осуществляются в том числе на установках Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ в Сарове, входящего в структуру Росатома.

После лекции участники прошли квест «Секретный код» из атомного практикума ИЦАЭ. Выполняя задания, гости познакомились с применением лазерных технологий в быту, промышленности и атомной отрасли. Завершил встречу квиз, который помог проверить себя и закрепить полученные знания.

Еженедельно в регионах присутствия Информационные центры по атомной энергии работают как открытые площадки для любителей интеллектуального досуга: здесь можно пообщаться со специалистами, сыграть в интеллектуальные и настольные игры, посмотреть научно-популярные ток-шоу и стать участниками мастер-классов.