Беседы о физике и технике

Глухов Николай Данилович

Для ОКГ этого типа характерны мощность порядка 10 кВт и КПД 10–20 %, генерируется инфракрасное излучение с = 1060 нм.

Кроме твердотельных и газовых существуют также жидкостные и полупроводниковые ОКГ, наиболее перспективные из которых позволяют получать излучение в широком интервале длин волн (от ультрафиолетовых до инфракрасных) при высокой мощности и КПД (порядка 30 % и более).

14. Лазеры за работой

Термоядерный синтез и лазеры. Кажется, что одно к другому не имеет никакого отношения. Что между ними общего? Однако не будем спешить. Напомним, что в результате слияния тяжелых изотопов водорода — дейтерия D и трития Т — выделяется огромное количество энергии. Этот процесс, обладающий высокой энергоемкостью (~1•10¹¹

Дж/г), носит название реакции термоядерного синтеза. Для того чтобы произошла эта реакция, ядра необходимо сблизить на расстояние (~1•10^{– 12} см. Преодолеть кулоновский барьер отталкивания ядер можно только одним способом — разогнать отталкивающиеся ядра до очень высоких скоростей, т. е. сообщить им большую кинетическую энергию.

Пожалуй, единственно возможный в физике путь осуществить условие, позволяющее многим ядрам вступать в реакцию синтеза, — это получить нагретый до очень высоких температур газ из дейтерия и трития. Температура газа, обеспечивающая слияние ядер, должна быть не менее 10⁸ К.

НО ВЕДЬ ГАЗ, РАЗОГРЕТЫЙ ДО ТАКИХ ТЕМПЕРАТУР, ПРИОБРЕТАЕТ НОВЫЕ СВОЙСТВА?

При такой температуре электроны отрываются от ядер. Смесь ядер дейтерия и трития и соответственно оторванных от ядер электронов есть термоядерная плазма.

Для того чтобы в этой плазме при достижении температуры 10⁸ К началась термоядерная реакция, необходимо выполнение определенного соотношения: n >10¹⁴ (критерий Лоусона). Здесь n — концентрация ядер (ионов) дейтерия и трития, а — время существования плазмы в горячем состоянии.

Таким образом, получение дейтериево-тритиевой плазмы с T >= 1•10⁸ К и с параметрами n и , удовлетворяющими критерию Лоусона, лежит в основе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Осуществление управляемого термоядерного синтеза может обеспечить человечеству «вечное» энергетическое изобилие, поскольку запасы высококалорийного (10¹¹ Дж/г) термоядерного топлива практически бесконечны.

КАК ПЫТАЮТСЯ РЕШИТЬ ПРОБЛЕМУ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА?

К решению этой грандиозной задачи, являющейся в науке задачей № 1, ученые идут двумя путями. Первый исторически связан с удержанием нагретой электрическим разрядом плазмы в магнитном поле. Эти относительно «медленные» процессы ( ~= 0,1:1с) воспроизводятся, например, в широко известных установках, разработанных советскими учеными, типа ТОКАМАК.

Другой путь — это получение термоядерных микровзрывов ( ~= 10^{– 9} с) в сгустке термоядерной плазмы. Следовательно, получение термоядерных микровзрывов связано с необходимостью быстро нагревать и сжимать малые порции DT-вещества (импульсный или инерциальный процесс синтеза). Импульсное направление в проблеме УТС возникло в 1962 г., когда Н.Г.Басов и О. Н. Крохин высказали идею об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Это направление получило название лазерного термоядерного синтеза. Использование лазеров в УТС предопределяется возможностью фокусировки лазерного луча на площадку малых размеров (1•10^{– 2} см и меньше), высокой мощностью излучения, достигающей в настоящее время 10¹³—10¹⁴ Вт (10—100 ТВт). Такая высокая мощность лазерного излучения позволяет обеспечить колоссальное удельное энерговыделение (~ 10¹⁶—10¹⁷ Вт/см³). Столь высокое значение энергии в единичном объеме превосходит возможности других источников энергии и дает возможность осуществить мгновенный нагрев малых порций вещества до высоких температур и значительных давлений, так как давление всегда пропорционально тепловой энергии, приходящейся на единичный объем вещества.

Возникшая с появлением мощных лазеров физика УТС по мере развития лазерной техники (увеличения

мощности и энергии когерентного излучения) накапливала все более и более удивительные открытия и быстро превращалась в совершенно новую область науки. Были открыты и изучены эффекты оптического пробоя (1964), лазерного испарения вещества и передачи механического импульса мишени (1964–1966), лазерного нагрева твердого вещества до высоких температур (1964–1966), обнаружены термоядерные реакции в плазме, образованной излучением мощного неодимового лазера (1968).

На повестке дня стоят проблемы создания лазерных систем нового поколения (мегаджоульного уровня) для достижения эффективной термоядерной вспышки и разработки термоядерного реактора. Внедрение его в мировую энергетику и является конечной целью лазерно-термоядерного направления науки и техники.

НЕ БУДЬ ЛАЗЕРОВ, НЕ БЫЛО БЫ И ГОЛОГРАФИИ?

Развитие голографии, принципы которой были разработаны в 1947 г. английским ученым Габором, является выдающимся достижением в области лазерной техники.

Известно, что голография представляет собой метод получения объемных изображений путем восстановления структуры световой волны, отраженной от предмета.

Метод голографической записи и воспроизведения изображений коренным образом отличается от обычного фотографирования, основанного на построении на фотопластинке плоского изображения предмета с помощью оптических объектов по законам геометрической оптики. При получении голограммы необходимости в использовании объективов для построения изображений нет.

На самой голограмме не обнаруживается какого-либо сходства с оригиналом: она выглядит как хаотически сложное распределение черных и белых интерференционных полос, равномерно расположенных по всей плоскости фотопластинки. Лишь с появлением лазеров стало возможным получение четких и ясных голограмм.

КАК ПОЛУЧАЮТ ГОЛОГРАММУ?

Чтобы получить голограмму, необходимо иметь две интерферирующие монохроматические когерентные световые волны. Одна волна обычно исходит от объекта и падает на фотопластинку (объектная волна). Другая волна носит название опорной (рис. 49). Таким образом, в голографии, как и при фотографировании, решается вопрос о записи информации, которую несет световая волна, отраженная от объекта.

Информация об объекте содержится частично в амплитуде (амплитудная информация), частично в фазе волны (фазовая информация). При фотографировании на пластинке (пленке) фиксируется интенсивность волны (амплитудная информация об объекте), тогда как в голографии на фотопластинке записывается и амплитудная, и фазовая информация. Основным условием получения высококачественных голограмм является высокая когерентность опорной и объектной волн, что и достигается применением лазера. Действительно, четкую интерференционную картину на фотопластинке получают, используя для освещения предмета и создания опорной волны один и тот же лазер.

На рис. 49 приведена схема записи голограммы, которая не требует особых пояснений, а на рис. 50 — схема считывания (воспроизведения) голограммы.

Рис. 49. Схема записи голограммы

Рис. 50. Схема считывания (воспроизведения) голограммы

При считывании голограммы проявленную фотопластинку освещают тем же лазерным светом от того же источника, который использовали ранее для получения опорной волны, и наблюдатель видит за пластинкой (как за окном) восстановленное изображение предмета (объекта) во всех трех его измерениях.