شدة ضوء الليزر

كما يتضح من الحقائق ، يمكن لشعاع الليزر أن يحمل طاقة كافية لإجراء الجراحة وحفر الماس وحتى تسخين الكميات المجهرية من مادة إلى درجات حرارة تصل إلى ملايين الدرجات.

ما مقدار الطاقة التي يمكن أن يحملها شعاع الليزر؟ يعتمد على نوع الليزر ، وقوة المصدر الذي يزوده ، وكذلك على ظروف تشغيله ، والتي تحدد كفاءة استخدام الطاقة الموردة.

وباستخدام ليزر CW ، يتم تحويل طاقة الإدخال باستمرار إلى طاقة الإشعاع المنبعث من الليزر. تتراوح قوة الحزم المنبعثة من مثل هذه الليزرات من ملي واط إلى عشرات الكيلوواط (نفس المقدار الذي تنبعث منه لمبات مائة واط في النطاق المرئي). باستخدام حزم الضوء هذه بالكيلوواط ، المركزة بشكل صحيح ، على سبيل المثال بواسطة العدسة ، من الممكن قطع لوح فولاذي بسمك سنتيمتر من جلد السفينة بسرعة حوالي سنتيمتر واحد في الثانية. تستخدم أشعة الليزر الأقل قوة لأغراض أخرى لا تتطلب مثل هذه الحزم الضوئية القوية.

كان من المفترض أن يُصدر أقوى ليزر تمت رؤيته بأم عينيك في معهد الأبحاث البحرية في واشنطن العاصمة شعاعًا يبلغ حوالي 1 ميغاواط (مليون واط ، أو ألف كيلووات) في غضون ثوانٍ. احتل هذا الليزر ، جنبًا إلى جنب مع الأجهزة المساعدة ، غرفتين كبيرتين للمختبر. لا يوجد شيء يثير الدهشة هنا بشكل خاص ، حيث أن قوة شعاعها كانت مساوية لقوة حوالي خمسين محركًا لسيارات الركوب من الطبقة المتوسطة.

ومع ذلك ، ولأغراض عديدة ، حتى حزم ميغاواط ضعيفة وتتطلب أشعة أقوى. على سبيل المثال ، كان من المفترض أن يرسل الليزر "القمري" شعاعًا بقوة عدة ملايين واط. يعود شعاع الضوء بعد الانعكاس من القمر إلى الأرض ضعيفًا بشدة بسبب الامتصاص والتناثر في الغلاف الجوي للأرض ، والانتثار على سطح القمر ، وما إلى ذلك. حساسية المعدات التي تسجل الضوء المنعكس تستبعد إمكانية استخدام حتى التقليدية أقوى مصادر الضوء لتحديد موقع القمر. لا يمكن إنتاج شعاع ضوئي مكثف بدرجة كافية إلا بواسطة ليزر بقوة عدة ميغاوات. مطلوب ليزر أقوى لبدء تفاعل نووي حراري - يجب أن تكون قوته في حدود بضعة ملايين ميغاواط على الأقل.

إن إنشاء مثل هذا الليزر القوي ذي الموجة المستمرة مهمة غير واقعية حتى الآن. يجب أن يكون لمثل هذا الليزر أبعاد وحشية قبل كل شيء. سيكون من الصعب أيضًا تزويد مثل هذا العملاق بالطاقة ، وسيكون من الصعب أيضًا إنشاء التبريد. تتراوح كفاءة الليزر عادةً بين نسبة قليلة إلى عشرة بالمائة ، بحيث يتم إصدار جزء صغير نسبيًا فقط من مدخلات الطاقة لليزر كإشعاع. يتبدد الباقي ، ويتحول في النهاية إلى حرارة ، والتي يجب إزالتها من تركيب الليزر ، وتعريضها لتبريد مكثف بدرجة كافية.

إن الليزر الذي ينبعث باستمرار شعاعًا من مليون ميغاواط يستهلك الطاقة المولدة في وقت واحد من عدة آلاف من محطات الطاقة المتوسطة الحجم. أثناء تشغيل مثل هذا الليزر ، سيتعين حرمان الملايين من المستهلكين من مصدر الطاقة. ربما لا يزال من الممكن فرزها بطريقة ما ، لكن كيف يمكن تبريد مثل هذا العملاق؟

ومع ذلك ، على الرغم من حقيقة أن هناك حاجة لمثل هذه الحزم الضوئية القوية ، ليست هناك حاجة لبناء مثل هذه أشعة الليزر.الحقيقة هي أنه في جميع تلك التطبيقات التي توجد فيها حاجة لأشعة الليزر فائقة الطاقة ، ليس من المهم جدًا ما إذا كان الليزر سيصدر إشعاعًا لمدة ألف أو جزء من المليون من الثانية. في أغلب الأحيان ، هناك حاجة لإشعاع الليزر لفترة قصيرة فقط. باختصار ، نحن نتحدث عن حقيقة أن شعاع الليزر كان لديه الوقت لإحداث التأثير المطلوب في الكائن المستقبَل قبل أن يتعلق الأمر بعمليات غير مرغوب فيها مرتبطة بطاقة إشعاع الليزر التي يمتصها الجسم. إذا ، على سبيل المثال ، عند استخدام شعاع الليزر لإزالة الأنسجة المريضة أثناء العملية ، فإن الومضات استمرت لفترة طويلة ، فإن الأنسجة السليمة المجاورة للمريض يمكن أن تتعرض أيضًا لسخونة زائدة خطيرة. إذا تم استخدام إشعاع الليزر المستمر لحفر ثقب في الماس بدلاً من ومضات منفصلة ، فإن الماس سوف يسخن ويذوب ، ونتيجة لذلك ، سيتبخر جزء كبير من الماس.

تشير الأمثلة المذكورة أعلاه إلى الحاجة إلى استخدام نبضات الليزر القصيرة بحيث لا يكون هناك وقت لتبدد الطاقة التي يمتصها الجسم المشع بسبب عمليات التوصيل الحراري. بالطبع ، هناك العديد من آليات تبديد الطاقة غير المرغوب فيها والتي غالبًا ما تكون ضارة. في الحالة العامة ، نحن نتحدث عن حقيقة أن شعاع الليزر كان لديه الوقت لإكمال مهمته قبل أن تتداخل العوامل المذكورة معه. لهذا السبب ، في العديد من الأجهزة ، يجب أن تكون نبضات الليزر قصيرة جدًا ، والتعبير "قصير جدًا" يعني أحيانًا نانوثانية أو حتى وقت أقل.

الآن أصبح من الواضح لنا ، حسب الحاجة ، فكرة بسيطة لتوفير الطاقة ، والتي على أساسها يمكن الحصول على حزم من الطاقة الهائلة بتكاليف طاقة منخفضة نسبيًا. بدلاً من إنتاج ، على سبيل المثال ، جول واحد من الطاقة على شكل إشعاع (هذه كمية صغيرة جدًا) لثانية واحدة أو إصدار شعاع واحد واط (1 واط = 1 جول / ثانية) ، فإنه يتبع نفس المقدار من تنبعث الطاقة (جول واحد) أسرع كنبضة قصيرة نسبيًا. كلما كان النبض أقصر ، زادت قوة الحزمة. على سبيل المثال ، إذا استمرت موجة من الإشعاع لمدة ميلي ثانية واحدة (ميكرو ثانية ، نانوثانية واحدة) ، فإن قوة الحزمة ستكون أعلى 1000 مرة (نسبيًا).

من الواضح أنه مع مساهمة طاقة أكبر 1000 مرة (1 كيلو جول بدلاً من 1 جول) ، سيتضح (في كل من الحالات المذكورة أعلاه) أن الحزمة أقوى 1000 مرة. إذا كان وقت الإصدار (الانبعاث) يصل إلى قيمة نانو ثانية واحدة ، فسيتم الحصول على شعاع بقدرة تيراواط واحد في هذه الحالة. عند التركيز ، على سبيل المثال ، عن طريق عدسة على سطح الجسم في بقعة قطرها حوالي 0.1 مم ، فإن مثل هذه الحزمة ستعطي في البؤرة قيمة شدة لا يمكن تصورها - 10 إلى 20 قوة W / م 2! (للمقارنة ، فإن شدة الضوء لمصباح 100 واط على مسافة 1 متر منه هي في حدود بضعة أعشار من واط لكل متر مربع.)

لا يزال هناك سؤال واحد يبدو بريئًا للوهلة الأولى: كيف يمكن تقليل وقت إشعاع الليزر للحصول على طاقة حزمة إجمالية معينة؟ مثل هذه المهمة هي مشكلة معقدة ذات طبيعة مادية وتقنية. لن ندخل في مثل هذه التفاصيل الدقيقة هنا ، لأنه بالنسبة لقصتنا ، فإن مسألة تلقي نبضة قصيرة هي مسألة خاصة للغاية. على أي حال ، فإن الوضع اليوم هو كما يلي: وقت انبعاث الضوء بواسطة الليزر النبضي دون أي أجهزة إضافية من شأنها إجبار الليزر على إصدار الضوء بشكل أسرع هو في حدود بضعة ميكروثانية (أو عُشر جزء من الألف من a. ثانيا).

سيساعد استخدام الأجهزة الإضافية ، التي يعتمد تشغيلها على بعض الظواهر الفيزيائية ، في تقليل هذا الوقت إلى قيم بترتيب البيكو ثانية. بفضل هذا ، أصبح من الممكن اليوم الحصول على نبضات ليزر عملاقة ، يمكن أن تصل قوتها القصوى إلى عدة مئات من تيراواط.بالطبع ، هذه الحزم القوية مطلوبة فقط في الأجهزة الخاصة (على سبيل المثال ، لبدء تفاعل نووي حراري). في كثير من الحالات الأخرى ، يتم استخدام نبضات ذات طاقة أقل بكثير.

الآن دعنا نطرح سؤالًا مهمًا: هل من الممكن الحصول على أشعة ضوئية مكثفة أرخص وأسهل ، أي بمساعدة المصابيح التقليدية عالية الطاقة؟ يشير هذا إلى كل من المصابيح التي تعمل في وضع مستمر (على سبيل المثال ، مصابيح عاكسات الطائرات أو كاميرات السينما) ومصابيح الفلاش (على سبيل المثال ، المصابيح الكاشفة المستخدمة في التصوير الفوتوغرافي).

تعتمد الإجابة على نوع الحزم التي نرغب في الحصول عليها ، أو بعبارة أخرى ، ما هي القوة ونوع الاختلاف الذي نتحدث عنه. إذا كنا غير مبالين بتباعد الحزمة ، فإن المصابيح التقليدية قادرة على التنافس مع الليزر فقط حتى حد معين. هذا الحد يقع ، على أي حال ، أقل بكثير من تيراواط واحد. فوق هذا المستوى ، لا يوجد منافس لليزر.

بالطبع ، كلما كانت الحزم أقل تباعدًا وأكثر قوة التي نرغب في الحصول عليها ، ستقع الحدود السفلية ، والتي فوقها سيتعين علينا التخلي عن مصادر الضوء التقليدية والتحول إلى الليزر. كما ذكرنا سابقًا ، لن تتمكن مصادر الضوء الكلاسيكية من تلبية متطلبات الدقة العالية التي تم فرضها على مصدر الضوء عند قياس المسافة من الأرض إلى القمر. في هذه التجربة ، كان لابد من استخدام الليزر النبضي.

جافريلوفا ن.

منشورات مماثلة

أرخبيل من الأرض النادرة

يكتسب القرن الحادي والعشرون زخما

كيف تؤثر الجاذبية على تطور الحياة