עוצמת אור לייזר

מקוקר: המתכונים הטובים ביותר על מדע

עוצמת אור לייזר כפי שמעידים העובדות, קרן לייזר יכולה לשאת אנרגיה מספקת בכדי לבצע פעולות כירורגיות, לקדוח יהלומים ואף לחמם כמויות מיקרוסקופיות של חומר לטמפרטורות של מיליוני מעלות.

כמה אנרגיה יכולה קרן לייזר לשאת? זה תלוי בסוג הלייזר, כוח המקור המספק אותו, כמו גם בתנאי הפעלתו הקובעים את יעילות השימוש באנרגיה המסופקת.

ובאמצעות לייזר CW, אנרגיית הקלט מומרת ברציפות לאנרגיית הקרינה הנפלטת על ידי הלייזר. כוחן של הקורות הנפלטות על ידי לייזרים כאלה נע בין מילי-וואט לעשרות קילוואט (כמות זהה לאלף-מאות וואט הנפלטות בטווח הנראה לעין). עם קורות האור הקילוואטיות הללו, הממוקדות כראוי, למשל על ידי עדשה, ניתן לחתוך יריעת פלדה בעובי סנטימטר של עור הספינה במהירות של סנטימטר לשנייה בערך. לייזרים פחות חזקים משמשים למטרות אחרות שאינן דורשות קרני אור כה חזקות.

עוצמת אור לייזר הלייזר החזק ביותר שנראה בעיניך במכון המחקר הימי בוושינגטון הבירה היה אמור לפלוט קרן של כמגה וואט אחת (מיליון וואט, או אלף קילוואט) תוך שניות. הלייזר הזה, יחד עם מכשירי עזר, תפסו שני חדרי מעבדה גדולים למדי. אין כאן שום דבר מפתיע במיוחד, שכן כוח הקורה שלה היה שווה לעוצמה של כחמישים מנועים של מכוניות נוסעים מהמעמד הבינוני.

אולם למטרות רבות, אפילו קורות מגוואט חלשות ודורשות קורות חזקות עוד יותר. לדוגמא, לייזר "ירחי" היה אמור לשלוח קרן בהספק של כמה מיליוני וואט. קרן האור לאחר ההשתקפות מהירח חוזרת לכדור הארץ נחלשת מאוד עקב ספיגה והתפזרות באטמוספירה של כדור הארץ, התפזרות על פני הירח וכו '. רגישות הציוד המקליט את האור המוחזר אינה כוללת אפשרות להשתמש אפילו ב מקורות האור המסורתיים החזקים ביותר למיקום הירח. קרן אור חזקה מספיק יכולה להיות מיוצרת רק על ידי לייזר בהספק של כמה מגה וואט. כדי ליזום תגובה תרמו גרעינית, נדרש לייזר חזק עוד יותר - כוחו צריך להיות בסדר גודל של כמה מיליוני מגה וואט לפחות.

יצירת לייזר כה רב עוצמה של גל רציף היא משימה לא מציאותית. לייזר כזה יצטרך להיות, מעל לכל, ממדים מפלצתיים. זו תהיה גם משימה קשה לספק לקולוסוס כזה אנרגיה, וגם יהיה קשה ליצור קירור. היעילות של לייזר היא בדרך כלל בטווח של כמה עד עשרה אחוזים, כך שרק חלק קטן יחסית מכניסת האנרגיה ללייזר נפלט כקרינה. השאר מתפוגג, ובסופו של דבר הופך לחום, אותו יש להסיר ממתקן הלייזר ובכך לקירור אינטנסיבי מספיק.

לייזר שפולט ברציפות קרן של מיליון מגה וואט היה צורכת את האנרגיה המופקת בו זמנית על ידי כמה אלפי תחנות כוח בינוניות. במהלך הפעלת לייזר כזה, יהיה צורך לשלול את אספקת החשמל למיליוני צרכנים. אולי זה עדיין יכול להיות מסודר איכשהו, אבל איך אפשר לקרר ענק כזה?

עם זאת, למרות העובדה שיש צורך בקרני אור חזקות כל כך, אין צורך לבנות לייזרים כאלה.העובדה היא שבכל אותם יישומים בהם יש צורך בקרני לייזר בעלות עוצמה גבוהה במיוחד, זה לא ממש משנה אם הלייזר יפלוט קרינה באלפית או במיליון שנייה. לרוב, יש צורך בקרינת לייזר לתקופה קצרה בלבד. בקיצור, אנחנו מדברים על העובדה שלקרן הלייזר היה זמן לגרום לאפקט הרצוי באובייקט המתקבל לפני שהיא מגיעה לתהליכים לא רצויים הקשורים לאנרגיית קרינת הלייזר שנקלטת באובייקט. אם למשל, כאשר משתמשים בקרן לייזר להסרת רקמה חולה במהלך ניתוח, ההבזקים החזיקו מעמד זמן רב מדי, הרי שגם רקמה בריאה הסמוכה לחולה עלולה לעבור התחממות יתר. אם משתמשים בקרינת לייזר רציפה לקידוח חור ביהלום במקום הבזקים נפרדים, היהלום יתחמם יתר על המידה, יימס, וכתוצאה מכך, חלק ניכר מהיהלום יתאדה.

עוצמת אור לייזר הדוגמאות לעיל מצביעות על הצורך להשתמש בפולסי לייזר קצרים כל כך, כך שלאנרגיה הנספגת על ידי האובייקט המוקרן לא תהיה זמן להתפזר עקב תהליכי הולכת חום. כמובן שיש עוד הרבה מנגנוני פיזור אנרגיה כאלה לא רצויים ולעתים קרובות מזיקים. במקרה הכללי, אנו מדברים על העובדה שלקרן הלייזר יש זמן לסיים את משימתה לפני שהגורמים המפורטים מפריעים לה. זו הסיבה שבמכשירים רבים פולסי לייזר חייבים להיות קצרים מאוד, והביטוי "קצר מאוד" פירושו לפעמים ננו שנייה או אפילו פחות זמן.

כעת מתברר לנו, המוכתב על ידי הצורך, רעיון פשוט של חיסכון באנרגיה, שעל בסיסו ניתן להשיג קורות כוח עצום בצריכת אנרגיה נמוכה יחסית. במקום לייצר, נניח, ג'אול של אנרגיה בצורה של קרינה (זו כמות קטנה מאוד) לשנייה, או לפלוט קרן של וואט אחד (1 W = 1 J / s), היא פשוט הולכת באותה כמות של אנרגיה (ג'ול אחד) פולטים מהר יותר כדופק קצר יחסית. ככל שהדופק קצר יותר, כך עוצמת הקורה גבוהה יותר. אם, למשל, פרץ של קרינה נמשך אלפית שנייה (מיקרו-שנייה אחת, ננו-שנייה אחת), אז יהיה לקרן כוח פי 1000 (יחסית).

ברור שתרומת אנרגיה גדולה פי 1000 (קילוגרם אחד במקום 1 J), יתברר (בכל אחד מהמקרים לעיל) שהקורה חזקה פי 1000. אם זמן הפליטה (פליטה) יסתכם בערך בסדר גודל של ננו שנייה אחת, אז במקרה זה תתקבל קרן בהספק של טרוואט אחד. ממוקדת, למשל, עם עדשה על פני הגוף לנקודה בקוטר של כ 0.1 מ"מ, קרן כזו תיתן בפוקוס ערך בלתי נתפס בעוצמה - 10 עד הכוח ה -20 של W / m2! (לשם השוואה, עוצמת האור של נורת 100 וואט במרחק 1 מ 'ממנה היא בסדר גודל של כמה עשיריות וואט למטר רבוע.)

נותרה שאלה אחת, לכאורה תמימה במבט ראשון: כיצד להפחית את זמן קרינת הלייזר באנרגיית קרן כוללת נתונה? משימה כזו היא בעיה מורכבת בעלת אופי פיזי וטכני כאחד. לא ניכנס לדקויות כאלה כאן, כי לסיפורנו שאלת קבלת הדופק הקצר היא מיוחדת מדי. בכל מקרה, כיום המצב הוא כדלקמן: זמן פליטת האור על ידי לייזר דופק ללא מכשירים נוספים שיאלצו את הלייזר לפלוט אור מהר יותר הוא בסדר גודל של כמה מיקרו-שניות (או עשירית מאלף אלף שְׁנִיָה).

עוצמת אור לייזר השימוש במכשירים נוספים, שפעולתם מבוססת על כמה תופעות פיזיקליות, יסייע בהפחתת זמן זה לערכים בסדר גודל של פיקו-שנייה. הודות לכך, כיום ניתן להשיג פולסי לייזר ענקיים, שהספקם המרבי יכול להגיע אפילו לכמה מאות טרוואט.כמובן, קורות חזקות כאלה נחוצות רק במכשירים מיוחדים (למשל, ליזום תגובה תרמו-גרעינית). במקרים רבים אחרים משתמשים בפולסים בעלי הספק נמוך בהרבה.

עכשיו בואו נשאל שאלה חשובה: האם ניתן להשיג קרני אור כה עזות וזולות יותר, כלומר בעזרת מנורות עוצמה גבוהות מסורתיות? הכוונה היא גם למנורות הפועלות במצב רציף (למשל, מנורות של מחזירי אוויר או מצלמות סרט), וגם מנורות פלאש (למשל, פנסים המשמשים בצילום).

התשובה תלויה באיזה סוג של קורות נרצה להשיג, או, במילים אחרות, איזה כוח ואיזה סוג של סטייה אנחנו מדברים. אם אנו אדישים להבדל בין הקורה, הרי שמנורות מסורתיות מסוגלות להתחרות בלייזרים רק עד גבול מסוים. מגבלה זו טמונה, בכל מקרה, הרבה מתחת לטרוואט אחד. מעל לרמה זו, ללייזר אין מתחרים.

כמובן שככל שאנו רוצים להשיג אלומות פחות שונות ומלאות עוצמה, כך הגבול יהיה נמוך יותר, שמעליו נצטרך לנטוש את מקורות האור המסורתיים ולפנות ללייזרים. כאמור, מקורות אור קלאסיים לא יוכלו לעמוד בדרישות הדיוק הגבוהות שהוטלו על מקור אור בעת מדידת המרחק מכדור הארץ לירח. בניסוי זה, היה צורך להשתמש בלייזר דופק.