Основные направления существующих и перспективных исследований

В заключение первого раздела отметим, что неосвоенными сегодня и слабо исследованными остаются области, соответствующие терагерцевому диапазону частот, рентгеновским и гаммалучам, которым свойственны специфические особенности и качества. Приведем наиболее важные из них.

Терагерцы (THz) — область электромагнитного спектра от (0,1 — 10) 10¹² Гц, который расположен между ИКи СВЧ-диапазонами. В этом интервале частот располагаются устойчивые полосы поглощения биологических материалов на основе вращательных и молекулярных резонансов молекул, поэтому основной интерес к нему проявляет химии и астрономии для изучения спектральных характеристик [11, 12].

Большая часть THz-источников использует возбуждение различных материалов ультракороткими лазерными импульсами и нелинейные эффекты в электрооптических кристаллах и плазме. Однако все эти источники имеют очень низкую эффективность и мощность генерации составляет несколько микроватт (при накачке фемтосекундными импульсами оптических источников мощностью составляет единицы ватт). Такие THz-генераторы выполняют на основе высокоомных полупроводниковых материалов GaAs, InP и специально обработанного Si.

Рентгеновское излучение занимает полосу от 10¹⁸ до 10¹⁹ Гц и включает в себя мягкие и жесткие (коротковолновый участок) рентгеновские лучи. Эти лучи способны ионизировать воздух, вызывать химические реакции и не отклоняются МП. Они обладают волновой природой излучения (что и было доказано в 1912 г. немецким ученым М. Лауэ, который наблюдал дифракцию рентгеновых лучей на кристаллической решетке) и высокой проникающей способностью.

Жесткое рентгеновское излучение обладает наибольшей проникающей способностью (длина волны 0,1 нм и менее) и беспрепятственно проходит через многие непрозрачные материалы, например через слой стали толщиной 1520 см.

Гамма-излучение, согласно рис. 1, граничит с жестким рентгеновским излучением и имеет длину волны сотые и тысячные доли нанометра, поэтому обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами и ведет себя как поток частиц (гамма-квантов). Такое излучение возникает при ядерных реакциях, при аннигиляции пар частица — античастица, а также при прохождении быстрозаряженных частиц через вещество. Область гамма-излучения в своей коротковолновой части граничит с областью космических лучей.

По своим свойствам гамма-излучение подобно жесткому рентгеновскому излучению и, как рентгеновские лучи, оно ионизирует воздух, вызывает химические реакции, не отклоняется МП. При прохождении через кристаллы гамма-излучение подобно рентгеновскому излучению подвержено дифракции. Совпадение свойств гамма-излучения и жесткого рентгеновского излучения доказывает их одинаковую природу.

Рентгеновское излучение и гамма-излучение распространяются, как и все виды излучений электромагнитного спектра, со скоростью света. Гамма-излучение обладает очень высокой проникающей способностью и существенно превосходит жесткое рентгеновское излучение. Это объясняется тем, что энергия квантов гамма-излучения выше, чем энергия квантов УФи рентгеновского излучения [1].

Приведем небольшой пример. Согласно формуле М. Планка (W = h), значение энергии квантов ИК-, УФ-, рентгеновского и гамма-излучения, при частоте колебаний ИК-излучения _ик = 310¹³ Гц, УФ _y = 3,310¹⁵ Гц, рентгеновского (мягкого) _p = 310¹⁷ Гц и гамма-излучения _г = 10²⁰ Гц, составляет для кванта ИК-излучения всего 0,124 эВ, для УФ-излучения 13,6 эВ, для рентгеновского излучения 1,210³ эВ и, наконец, энергия кванта гамма-излучения имеет величину 410⁵ эВ. Таким образом, энергоемкость гамма-излучения почти в 4 млн. раз выше энергоемкости ИК-излучения. Если энергию рентгеновских или гамма-лучей при стимулированном монохроматическом и когерентном излучении сфокусировать, то она будет чрезвычайно большой. Следовательно, получение вынужденного излучения в рентгеновской области, а также в области гамма-излучения является заманчивой идеей для ученых. Наряду с преимуществами, которыми обладает ЛИ длинноволновых областей оптического диапазона, ЛИ рентгеновской области и области гамма-излучения будет иметь еще и высокую проникающую способность. Последним преимуществом ЛИ длинноволновой части оптического диапазона не обладает.

Реально достигнутые сегодня плотности мощности ЛИ позволяют применять их для обработки различных материалов:

резать самые твердые материалы алмаз и сверхтвердые сплавы;

ускорять в синхрофазотронах заряженные чacтицы;

инициировать термоядерные процессы;

ускорять химические реакции;

создавать новые синтетические материалы с необычайными свойствами;

передавать по каналам связи громадные потоки информации;

измерять с большой точностью время и расстояния;

управлять космическими кораблями и искусственными спутниками;

производить хирургические операции и терапевтическое лечение людей.

Таким образом, изучив процессы взаимодействия света с веществом во всем интервале частот и реальных мощностей ЛИ, получаем возможность: анализировать физические явления; понимать эффекты, сопровождающие процессы; использовать явления для решения технических, экологических, эксперимен-тальных и исследовательских задач.

Данный курс является введением в лазерные технологии начиная с промышленных и заканчивая биологическими, экологичес-кими и информационными, изучение которых продолжит и углубит профессиональную подготовку.