§ 145. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Лазеры — прекрасный пример того, как крупные научные открытия могут порождать лавину научно-технических изобретений, охватывающих все (и в данном случае без исключения) области науки и техники.

Применения лазеров можно условно разделить на два вида. Первый — использование лазеров в качестве источников излучения высокой интенсивности, импульсного или непрерывного, которое может быть сфокусировано в пятно малого размера. В этом случае достигается высокая плотность мощности лазерного излучения на мишени, что делает возможными плавку и сварку металлов, резку и другую обработку различных материалов. Быстрый нагрев и обжатие лазерным излучением твердой дейтерий-тритиевой мишени рассматривается как один из возможных путей создания термоядерного реактора. Так, при мощности в импульсе длительностью 35 не (энергия 3,5 МДж в импульсе) вспышка излучения, сфокусированного на охлажденную до твердой фазы дейтерий-тритиевую мишень, нагреет ее до 100 млн. град (около 10 кэВ) и сожмет в 1000 раз по сравнению с исходной плотностью. К этому же виду относится применение лазеров в медицине, где уже сегодня они заменяют скальпель в ряде операций микрохирургии, например в офтальмологии и даже в генной инженерии.

В применениях второго вида существенно используется монохроматичность, а в ряде случаев и пространственная когерентность лазерного излучения, в частности в различных интерферометрических схемах — для измерения расстояний, малых перемещений и скоростей тел.

Измеритель расстояний в принципе представляет собой двухлучевой интерферометр, одно из плечей которого и является измеряемым расстоянием. Регистрируется разность фаз «рабочей», т. е. отраженной объектом, и опорной волн и по ней определяется расстояние до объекта. Достигается относительная точность для расстояний от метров до километров.

Измерение малых линейных скоростей основано на эффекте Доплера и выделении низкочастотного разностного сигнала при регистрации двух интерферирующих волн (гетеродинирование).

Примеры таких измерений приведены в § 75. Другим интересным приложением является лазерный гравиметр — прибор, измеряющий абсолютное значение ускорения свободного падения тела.

Для измерения угловых скоростей вращения служит лазерный

Рис. XXIV.7. Схема лазерного гироскопа. 1, 2 — непрозрачные и полупрозрачное зеркала; 3 — активная среда; 4— призма сведения пучков; 5 — фотоприемник.

Рис. XXIV.8. Схема опыта Ивенеона. М — полупрозрачное зеркало; ФП — интерферометр Фабри — Перо в вакууме с базой 30 м.

гироскоп — «кольцевой» лазер, один из его вариантов показан на рис. XXIV.7. В таком лазере возбуждаются две встречные световые волны, движущиеся по замкнутому пути. Специальное устройство позволяет сравнивать их частоты, разность которых зависит от скорости вращения лазера (по отношению к инерциальной системе отсчета). Работу этого устройства удобно рассмотреть на более простом примере лазера в виде тонкого кольца радиуса Тогда независимо от вращения кольца длина волны излучения в нем определяется условием — целое, т. е. обе волны имеют одинаковую длину, а в инерциальной системе отсчета, где и одинаковую частоту. Однако если регистрирующее устройство вращается вместе с лазером, то частоты поступающих в него волн сдвинуты вследствие доплер-эффекта на величину

где — компонента угловой скорости вращения, ортогональная плоскости лазера.

Если перейти во вращающуюся вместе с лазером (неинерци-альную) систему отсчета, то условие по-прежнему сохраняется для обеих волн в первом порядке по Поскольку частоты волн, согласно (145.1), оказываются разными, то это означает, что скорость распространения света изменяется в неинерциальной системе и в данном случае равна

Чувствительность современных лазерных гироскопов вполне достаточна, чтобы измерять угловую скорость вращения Земли широте 0 скорость вращения горизонтально расположенного гироскопа (и местности) есть и из (145.1) по известному значению А и можно найти широту местности. В этом и состоит одно из основных назначений лазерных гироскопов как навигационных и геодезических приборов. Современные лазерные гироскопы

Таблица 5. (см. скан) Результаты, измерений страсти света

позволяют регистрировать разностную частоту с точностью лучше 10 Гц, что и определяет их точность и чувствительность.

В заключение упомянем некоторые интерференционные измерения скорости света в вакууме — одной из фундаментальных постоянных физики. В табл. 5 приведены в хронологическом порядке наиболее известные и важные эксперименты по измерению с. Кратко опишем лишь последний из них. В экспериментах Ивенсона (рис. XXIV.8) лазер работал в режиме генерации двух близких мод. Излучение регистрировалось ФЭУ, на выходе которого возникали биения с разностной частотой МГц. Эта частота регистрировалась измерителем частоты. Разность длин волн мод измерялась -метровым интерферометром Фабри — Перо, помещенным в вакуум. Абсолютные значения калибровались по цезиевому стандарту частоты, а абсолютные значения длин волн — по криптоновому эталону длины. Скорость света определялась по формуле

Высокая точность, с которой сейчас известно абсолютное значение с, имеет большое практическое значение для абсолютных измерений расстояний в различных приложениях (локация, геодезия, навигация, в том числе космическая).