|
 Zoals uit de feiten blijkt, kan een laserstraal voldoende energie vervoeren om operaties uit te voeren, diamanten te boren en zelfs microscopisch kleine hoeveelheden van een stof te verwarmen tot temperaturen van miljoenen graden.
Hoeveel energie kan een laserstraal dragen? Het hangt af van het type laser, het vermogen van de bron die het levert, evenals van de omstandigheden van zijn werking, die de efficiëntie van het gebruik van de geleverde energie bepalen.
En bij CW-lasers wordt de ingangsenergie continu omgezet in de energie van de straling die door de laser wordt uitgezonden. Het vermogen van de bundels die door dergelijke lasers worden uitgezonden, varieert van milliwatt tot tientallen kilowatt (hetzelfde aantal als duizend honderd watt-lampen in het zichtbare bereik uitzenden). Met deze kilowatt lichtbundels, goed gefocusseerd, bijvoorbeeld door een lens, is het mogelijk om met een snelheid van ongeveer één centimeter per seconde een centimeter dikke staalplaat scheepshuid te snijden. Minder krachtige lasers worden gebruikt voor andere doeleinden waarvoor zulke krachtige lichtstralen niet nodig zijn.
 De krachtigste laser die met eigen ogen werd gezien bij het Naval Research Institute van de Amerikaanse marine in Washington, DC, moest in enkele seconden een straal van ongeveer één megawatt (miljoen watt of duizend kilowatt) uitzenden. Deze laser bezette, samen met hulpapparatuur, twee vrij grote laboratoriumruimten. Er is hier niets bijzonders, aangezien de kracht van zijn straal gelijk was aan het vermogen van ongeveer vijftig motoren van middenklasse personenauto's.
Voor veel doeleinden zijn zelfs megawattbundels echter zwak en vereisen nog krachtigere bundels. Een "maan" -laser moest bijvoorbeeld een straal uitzenden met een vermogen van enkele miljoenen watt. De lichtstraal keert na weerkaatsing van de maan terug naar de aarde, sterk verzwakt door absorptie en verstrooiing in de atmosfeer van de aarde, verstrooiing op het oppervlak van de maan, enz. De gevoeligheid van de apparatuur die het gereflecteerde licht registreert, sluit de mogelijkheid uit om traditionele zelfs de sterkste lichtbronnen voor het lokaliseren van de maan. Een voldoende intense lichtbundel kon een laser slechts een vermogen van enkele megawatts leveren. Om een thermonucleaire reactie op gang te brengen, is een nog sterkere laser vereist - het vermogen moet in de orde van tenminste enkele miljoenen megawatt zijn.
Het ontstaan van zo'n krachtige continue golflaser is nog niet realistisch. Zo'n laser zou vooral monsterlijke afmetingen moeten hebben. Het zou ook een moeilijke taak zijn om zo'n kolos van energie te voorzien, en het zou ook moeilijk zijn om koeling tot stand te brengen. Het rendement van een laser ligt meestal in het bereik van enkele tot tien procent, zodat slechts een relatief klein deel van de energie-invoer naar de laser als straling wordt uitgezonden. De rest wordt afgevoerd en verandert uiteindelijk in warmte, die uit de laserinstallatie moet worden verwijderd en aan voldoende intense koeling moet worden onderworpen.
Een laser die continu een straal van een miljoen megawatt uitstraalt, zou de energie verbruiken die tegelijkertijd wordt opgewekt door enkele duizenden middelgrote energiecentrales. Tijdens de werking van een dergelijke laser zouden miljoenen consumenten de stroomvoorziening moeten worden onthouden. Misschien kan het op de een of andere manier nog worden geregeld, maar hoe kan zo'n reus worden gekoeld?
Ondanks het feit dat er behoefte is aan dergelijke krachtige lichtbundels, is het niet nodig om dergelijke cw-lasers te bouwen.Feit is dat bij al die toepassingen waar behoefte is aan laserstralen met ultrahoog vermogen, het niet echt uitmaakt of de laser een duizendste of een miljoenste van een seconde straling uitzendt. Meestal is het zo dat laserstraling slechts gedurende een korte periode nodig is. Kort gezegd hebben we het over het feit dat de laserstraal de tijd had gehad om het gewenste effect in het ontvangen object te veroorzaken, voordat het gaat om ongewenste processen die verband houden met de energie van laserstraling die door het object wordt geabsorbeerd. Als bijvoorbeeld bij het gebruik van een laserstraal voor het verwijderen van ziek weefsel tijdens een operatie de flitsen te lang duren, dan kan ook gezond weefsel naast de zieke gevaarlijk oververhit raken. Als continue laserstraling wordt gebruikt om een gat in een diamant te boren in plaats van afzonderlijke flitsen, zal de diamant oververhit raken, smelten en als gevolg daarvan zal een aanzienlijk deel van de diamant verdampen.
 De gegeven voorbeelden geven de noodzaak aan om zulke korte laserpulsen te gebruiken, zodat de energie die wordt geabsorbeerd door het bestraalde object geen tijd heeft om te verdwijnen als gevolg van warmtegeleidingsprocessen. Er zijn natuurlijk veel meer van dergelijke ongewenste en vaak schadelijke mechanismen voor energiedissipatie. In het algemene geval hebben we het over het feit dat de laserstraal de tijd heeft om zijn taak te voltooien voordat de genoemde factoren hem verstoren. Daarom moeten laserpulsen in veel apparaten erg kort zijn, waarbij de uitdrukking "erg kort" soms een nanoseconde of zelfs minder tijd betekent.
Nu wordt ons, gedicteerd door de noodzaak, een simpel idee van energiebesparing duidelijk, op basis waarvan het mogelijk is om tegen een relatief laag energieverbruik stralen van gigantisch vermogen te verkrijgen. In plaats van bijvoorbeeld een joule energie te produceren in de vorm van straling (dit is een zeer kleine hoeveelheid) gedurende een seconde, of een straal van één watt (1 W = 1 J / s) uit te zenden, volgt deze gewoon dezelfde hoeveelheid van energie (één joule) sneller uitzenden als een relatief korte puls. Hoe korter de puls, hoe hoger het straalvermogen. Als bijvoorbeeld een uitbarsting van straling één milliseconde duurt (één microseconde, één nanoseconde), dan zal de straal een 1000 keer hoger vermogen hebben (relatief).
Bij een energiebijdrage die 1000 keer groter is (1 kJ in plaats van 1 J), zal het duidelijk zijn dat (in elk van de bovenstaande gevallen) de straal 1000 keer krachtiger is. Als het tijdstip van emissie (emissie) een waarde in de orde van één nanoseconde zou bedragen, dan zou in dit geval een bundel met een vermogen van één terawatt worden verkregen. Gefocusseerd, bijvoorbeeld met een lens op het oppervlak van het lichaam op een plek met een diameter van ongeveer 0,1 mm, zou een dergelijke straal in focus een onvoorstelbare intensiteitswaarde geven - 10 tot de 20e kracht van W / m2! (Ter vergelijking: de lichtintensiteit van een lamp van 100 watt op een afstand van 1 m ervan is in de orde van enkele tienden van een watt per vierkante meter.)
Er blijft één vraag over, die op het eerste gezicht onschuldig lijkt: hoe kan de laserstralingstijd voor een bepaalde totale stralingsenergie worden verminderd? Zo'n taak is een complex probleem van zowel fysieke als technische aard. We zullen hier niet op zulke subtiliteiten ingaan, want voor ons verhaal is de kwestie van het ontvangen van een korte polsslag te speciaal. In ieder geval is de situatie vandaag de dag als volgt: de tijd van lichtemissie door een gepulseerde laser zonder enige extra apparaten die de laser zouden dwingen om sneller licht uit te zenden, ligt in de orde van enkele microseconden (of een tiende van een duizendste van een tweede).
Het gebruik van extra apparaten, waarvan de werking is gebaseerd op een aantal fysische verschijnselen, zal deze tijd helpen verkorten tot waarden in de orde van grootte van een picoseconde. Hierdoor is het tegenwoordig mogelijk om gigantische laserpulsen te verkrijgen, waarvan het maximale vermogen zelfs enkele honderden terawatt kan bereiken.Dergelijke krachtige stralen zijn natuurlijk alleen nodig in speciale apparaten (bijvoorbeeld om een thermonucleaire reactie op gang te brengen). In veel andere gevallen worden pulsen met een veel lager vermogen gebruikt.
Laten we nu een belangrijke vraag stellen: is het mogelijk om zulke intense lichtbundels goedkoper en gemakkelijker te verkrijgen, namelijk met behulp van traditionele high-power lampen? Dit verwijst naar zowel lampen die continu werken (bijvoorbeeld lampen van vliegtuigreflectoren of bioscoopcamera's) als flitslampen (bijvoorbeeld zaklampen die in fotografie worden gebruikt).
Het antwoord hangt af van wat voor soort stralen we zouden willen verkrijgen, of, met andere woorden, welke kracht en wat voor soort divergentie we het over hebben. Als we onverschillig staan tegenover de divergentie van de bundel, kunnen traditionele lampen slechts tot een bepaalde limiet concurreren met lasers. Deze limiet ligt in ieder geval ruim onder één terawatt. Boven dit niveau heeft de laser geen concurrenten.
Natuurlijk, hoe minder divergerende en krachtigere bundels we willen verkrijgen, hoe lager de grens zal liggen, waarboven we traditionele lichtbronnen zullen moeten verlaten en overgaan op lasers. Zoals eerder vermeld, zouden klassieke lichtbronnen niet kunnen voldoen aan de hoge nauwkeurigheidseisen die aan een lichtbron worden gesteld bij het meten van de afstand van de aarde tot de maan. In dit experiment moest een gepulseerde laser worden gebruikt.
Gavrilova N.V.
Vergelijkbare publicaties
|
