|
 Thực tế đã chứng minh, một chùm tia laze có thể mang đủ năng lượng để có thể tiến hành phẫu thuật, khoan kim cương và thậm chí đốt nóng một lượng cực nhỏ của một chất đến nhiệt độ hàng triệu độ.
Một chùm tia laze có thể mang bao nhiêu năng lượng? Nó phụ thuộc vào loại laser, công suất của nguồn cung cấp nó, cũng như các điều kiện hoạt động của nó, mà quyết định hiệu quả của việc sử dụng năng lượng được cung cấp.
Và với laser CW, năng lượng đầu vào liên tục được chuyển hóa thành năng lượng của bức xạ do laser phát ra. Công suất của chùm tia phát ra bởi những tia laze như vậy nằm trong khoảng từ miliwatt đến hàng chục kilowatt (tương đương với một nghìn trăm watt phát ra trong phạm vi nhìn thấy được). Với những chùm ánh sáng kilowatt này, được hội tụ đúng cách, chẳng hạn bằng thấu kính, có thể cắt một tấm thép dày một cm trên da tàu với tốc độ khoảng một cm trên giây. Các tia laser kém mạnh hơn được sử dụng cho các mục đích khác không yêu cầu chùm ánh sáng mạnh như vậy.
 Tia laser mạnh nhất mà bạn nhìn thấy tận mắt tại Viện Nghiên cứu Hải quân ở Washington, DC, được cho là phát ra một chùm tia có công suất khoảng một megawatt (triệu watt, hoặc nghìn kilowatt) trong vài giây. Tia laser này cùng với các thiết bị phụ trợ đã chiếm hai phòng thí nghiệm khá lớn. Không có gì đặc biệt đáng ngạc nhiên ở đây, vì công suất của chùm tia tương đương với công suất của khoảng năm mươi động cơ của xe du lịch hạng trung.
Tuy nhiên, đối với nhiều mục đích, chùm tia megawatt cũng yếu và đòi hỏi chùm tia mạnh hơn nữa. Ví dụ, một tia laser "mặt trăng" được cho là gửi một chùm tia có công suất vài triệu watt. Chùm ánh sáng sau khi phản xạ từ Mặt trăng trở về Trái đất bị suy yếu rất nhiều do sự hấp thụ và tán xạ trong khí quyển Trái đất, tán xạ trên bề mặt Mặt trăng, v.v. Độ nhạy của thiết bị ghi lại ánh sáng phản xạ loại trừ khả năng sử dụng đèn chẵn truyền thống nguồn sáng mạnh nhất để xác định vị trí của Mặt trăng. Một chùm ánh sáng đủ cường độ chỉ có thể được tạo ra bởi một tia laze có công suất vài megawatt. Để bắt đầu một phản ứng nhiệt hạch, cần phải có một tia laser mạnh hơn nữa - công suất của nó phải ở mức ít nhất là vài triệu megawatt.
Cho đến nay, việc tạo ra một tia laser sóng liên tục mạnh mẽ như vậy là một nhiệm vụ phi thực tế. Trên hết, một tia laser như vậy sẽ phải có kích thước khủng khiếp. Việc cung cấp năng lượng cho một pho tượng khổng lồ như vậy cũng là một nhiệm vụ khó khăn, và việc thiết lập làm mát cũng rất khó khăn. Hiệu suất của laser thường nằm trong khoảng từ vài đến mười phần trăm, do đó chỉ một phần tương đối nhỏ năng lượng đầu vào của laser được phát ra dưới dạng bức xạ. Phần còn lại bị tiêu tán, cuối cùng chuyển thành nhiệt, phải được loại bỏ khỏi hệ thống lắp đặt laser, khiến nó được làm mát đủ cường độ.
Một tia laser liên tục phát ra chùm một triệu megawatt sẽ tiêu thụ năng lượng được tạo ra đồng thời bởi vài nghìn nhà máy điện cỡ trung bình. Trong quá trình hoạt động của một tia laser như vậy, hàng triệu người tiêu dùng sẽ phải mất điện. Có lẽ điều này vẫn có thể được giải quyết bằng cách nào đó, nhưng làm thế nào một người khổng lồ như vậy có thể được làm mát?
Tuy nhiên, mặc dù thực tế là cần có chùm ánh sáng mạnh như vậy, nhưng không cần thiết phải chế tạo các loại laser cw như vậy.Thực tế là trong tất cả những ứng dụng cần chùm tia laser công suất cực cao, việc laser sẽ phát ra bức xạ trong một phần nghìn hay một phần triệu giây là không quá quan trọng. Thông thường, đó là trường hợp chỉ cần bức xạ laser trong một khoảng thời gian ngắn. Tóm lại, chúng ta đang nói về thực tế là chùm tia laze đã có thời gian để gây ra hiệu ứng mong muốn ở đối tượng nhận được trước khi xảy ra các quá trình không mong muốn liên quan đến năng lượng của bức xạ laze được đối tượng hấp thụ. Ví dụ, nếu khi sử dụng tia laze để loại bỏ mô bị bệnh trong khi phẫu thuật, các tia chớp kéo dài quá lâu, thì mô khỏe mạnh liền kề với người bị bệnh cũng có thể bị quá nhiệt nguy hiểm. Nếu bức xạ laser liên tục được sử dụng để khoan một lỗ trên viên kim cương thay vì các tia chớp riêng biệt, viên kim cương sẽ quá nóng, nóng chảy và kết quả là một phần đáng kể của viên kim cương sẽ bay hơi.
 Các ví dụ trên cho thấy sự cần thiết phải sử dụng các xung laze ngắn như vậy để năng lượng được hấp thụ bởi đối tượng được chiếu xạ không có thời gian tiêu tán do các quá trình dẫn nhiệt. Tất nhiên, có rất nhiều cơ chế tiêu tán năng lượng không mong muốn và thường có hại như vậy. Trong trường hợp chung, chúng ta đang nói về thực tế là chùm tia laser đã có thời gian để hoàn thành nhiệm vụ của nó trước khi các yếu tố được liệt kê gây trở ngại cho nó. Đây là lý do tại sao, trong nhiều thiết bị, xung laser phải rất ngắn, và cụm từ "rất ngắn" đôi khi có nghĩa là một nano giây hoặc thậm chí ít thời gian hơn.
Bây giờ chúng ta đã trở nên rõ ràng, được quyết định bởi nhu cầu, một ý tưởng đơn giản về tiết kiệm năng lượng, trên cơ sở đó có thể thu được những chùm năng lượng khổng lồ với chi phí năng lượng tương đối thấp. Thay vì tạo ra một jun năng lượng dưới dạng bức xạ (đây là một lượng rất nhỏ) trong một giây hoặc phát ra một chùm một watt (1 W = 1 J / s), nó chỉ đơn giản tuân theo cùng một lượng năng lượng (một jun) phát ra nhanh hơn dưới dạng một xung tương đối ngắn. Xung càng ngắn thì công suất chùm càng cao. Ví dụ, nếu một chùm bức xạ kéo dài một phần nghìn giây (một micro giây, một nano giây), thì chùm tia sẽ có công suất cao hơn 1000 lần (tương đối).
Rõ ràng, với sự đóng góp năng lượng lớn hơn 1000 lần (1 kJ thay vì 1 J), thì (trong mỗi trường hợp trên) chùm tia này mạnh hơn 1000 lần. Nếu thời gian phát xạ (phát xạ) có giá trị bằng một nano giây, thì trong trường hợp này sẽ thu được một chùm tia có công suất một terawatt. Lấy nét, ví dụ, bằng một thấu kính trên bề mặt của cơ thể vào một điểm có đường kính khoảng 0,1 mm, một chùm tia như vậy sẽ tạo ra một giá trị cường độ không thể tưởng tượng được - 10 đến 20 công suất W / m2! (Để so sánh, cường độ sáng của bóng đèn 100 oát ở khoảng cách 1 m so với nó theo thứ tự vài phần mười oát trên mét vuông.)
Vẫn còn một câu hỏi, thoạt nghe có vẻ ngây thơ: làm thế nào để giảm thời gian bức xạ laser cho một tổng năng lượng chùm tia nhất định? Một nhiệm vụ như vậy là một vấn đề phức tạp của cả bản chất vật lý và kỹ thuật. Chúng tôi sẽ không đi sâu vào những điều tế nhị như vậy ở đây, bởi vì đối với câu chuyện của chúng tôi, câu hỏi về việc nhận được một mạch ngắn là quá đặc biệt. Trong mọi trường hợp, tình hình ngày nay như sau: thời gian phát ra ánh sáng bởi một tia laze xung mà không có bất kỳ thiết bị bổ sung nào có thể buộc tia laze phát ra ánh sáng nhanh hơn là theo bậc của vài micro giây (hoặc một phần mười của một phần nghìn thứ hai).
Việc sử dụng các thiết bị bổ sung, hoạt động dựa trên một số hiện tượng vật lý, sẽ giúp giảm thời gian này xuống các giá trị theo bậc của một pico giây. Nhờ đó, ngày nay người ta có thể thu được các xung laze khổng lồ, công suất cực đại của nó thậm chí có thể lên tới vài trăm terawatt.Tất nhiên, những chùm tia mạnh như vậy chỉ cần thiết trong các thiết bị đặc biệt (ví dụ, để bắt đầu phản ứng nhiệt hạch). Trong nhiều trường hợp khác, các xung có công suất thấp hơn nhiều được sử dụng.
Bây giờ chúng ta hãy đặt một câu hỏi quan trọng: liệu có thể thu được chùm ánh sáng cường độ cao như vậy rẻ hơn và dễ dàng hơn, cụ thể là với sự trợ giúp của đèn công suất cao truyền thống không? Điều này đề cập đến cả đèn hoạt động ở chế độ liên tục (ví dụ, đèn của phản xạ máy bay hoặc máy ảnh rạp chiếu phim) và đèn nháy (ví dụ, đèn pin được sử dụng trong nhiếp ảnh).
Câu trả lời phụ thuộc vào loại chùm tia mà chúng ta muốn thu được, hay nói cách khác, công suất và loại phân kỳ mà chúng ta đang nói đến. Nếu chúng ta thờ ơ với sự phân kỳ của chùm tia, thì đèn truyền thống chỉ có thể cạnh tranh với tia laser ở một giới hạn nhất định. Trong mọi trường hợp, giới hạn này nằm dưới một terawatt. Trên mức này, laser không có đối thủ.
Tất nhiên, chúng ta muốn nhận được càng ít chùm tia phân kỳ và mạnh hơn, thì ranh giới sẽ nằm càng thấp, trên đó chúng ta sẽ phải từ bỏ các nguồn sáng truyền thống và chuyển sang sử dụng tia laze. Như đã đề cập, các nguồn sáng cổ điển sẽ không thể đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác cao được đặt ra đối với nguồn sáng khi đo khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng. Trong thí nghiệm này, một tia laser xung phải được sử dụng.
Gavrilova N.V.
|
