Тайная власть лазера

Александр Волков • 05 ноября 2016
В наши дни лазер может читать, писать, резать, лечить, измерять. Он сваривает кровеносные капилляры, которые не разглядит ваш глаз, так же элегантно, как толстые металлические панели. Угнездившись в DVD-плейере, он показывает кино, а скользнув по компьютерному диску, считывает целые библиотеки файлов.

    Мы привыкли к нему. «Гиперболоид инженера Гарина» уже давно никого не пугает. Лазер стал верным помощником человека. В универсаме — «Вот еще одна банка, пожалуйста!» — лазерный луч считывает цену, нанесенную в виде особой метки на упаковку купленных мной продуктов. А сколько еще может этот луч — красная нить, моментально прошившая воздух?

    … День начинается вроде бы с неудачи. Пластмассовая кофейная чашка падает на пол и бьется. Осколки, веник, ведро.

    Ну и на счастье! Потому что… уже через пару минут та же чашка снова стоит на столе. Ее «клонировали». Ведь пока бульварные газеты обсуждают двойников Гитлера, Наполеона или Эйнштейна, которых научатся клонировать ученые, в наш быт незаметно войдут приборы, способные штамповать обиходную утварь. Вот он, особый лазерный принтер. В него достаточно вставить дискету, полученную при покупке чашки, нажать кнопку — и принтер выдаст такую же чашку, можно сказать, ее «клон».

    Что было на дискете? Разумеется, цифровой чертеж чашки. Компьютер транслирует эти данные в устройство управления лазером. Тем временем в рабочей камере принтера вскипает жидкая масса — смесь расплавленной пластмассы, отверждающего порошка и клея. Сюда направляется лазерный луч. От его прикосновения крохотный участок жидкости тут же затвердевает, а луч продолжает скользить по горячему месиву, выводя в нем трехмерный образ чашки. Клонирование окончено. На столе стоит та же самая пластмассовая чашка.

    Еще недавно подобные сцены были уделом писателей фантастического жанра. В скором времени они станут фирменным знаком возможностей индустрии. Так, американская компания Z-Corporation намерена внедрить «клонирование» в быту уже через несколько лет. Эта идея лишний раз доказывает, что для лазерных технологий ничего невозможного нет.

    Лазер высверливает отверстия в алмазах, маркирует трехмерными значками — голограммами — документы и в часы концертов и празднеств ри-сует в воздухе красочные картины, затмившие фейерверки былых времен.

    С недавних пор лазер может транслировать цифровую информацию, передавая в течение одной секунды содержимое 178 000 (!) машинописных страниц. Для так называемой оптической воздушной связи требуется установить специальные зеркала на крышах домов, где расположены передающее и принимающее устройства. Между ними помчится лазерный луч. Пока дальность передачи информации подобным способом достигает всего четырех километров, но этого вполне достаточно для университетов или промышленных компаний, которые пользуются этой локальной связью для сообщения со своими лабораториями, филиалами, представительствами или научно-исследовательскими институтами, расположенными поблизости. Им удается передавать невиданные прежде объемы информации.

    В лаборатории химиков лазер принес новую технологию. Как известно, многие химические реакции начинаются лишь после притока энергии, то есть после нагрева реагентов. Впрочем, есть и такие реакции, которые при нагревании, наоборот, затухают. Ведь некоторые молекулы могут вступить в соединение с другими молекулами, только получив точное («квантованное») количество энергии. Дозировать энергию помогает лазер.

    Вот пример подобной технологии: получение винилхлорида, исходного сырья для производства поливинилхлорида — самого популярного на сегодняшний день полимера. Теперь технология выглядит так: в рабочую камеру, заполненную газом дихлорэтиленом, направляют луч лазера. После нескольких промежуточных этапов — на каждом из них мощность луча точно дозируется — камера оказывается заполнена другим газом: винилхлоридом. Все быстро и просто! Прежняя промышленная технология была иной: дихлорэтилен в присутствии катализатора разогревали до 500о С. Только тогда реакция начиналась. Сейчас катализатор не нужен; газ нагревают лишь до 300 градусов; производительность возрастает на двадцать процентов.

    Болгарский ученый Симеон Метев предложил получать искусственные алмазы с помощью лазера. Лучи лазера разогревают метан, переводя его в состояние плазмы, при этом на дно рабочей камеры оседают мерцающие крупицы — алмазы. Дело в том, что атомы углерода (а метан — это одно из его соединений) под действием лазерного луча образуют особую кристаллическую решетку, присущую алмазу.

    Новый метод является самым дешевым способом изготовления искусственных алмазов. Прежде их получали либо под высоким давлением, либо в сверхчистом вакууме. Их производство было долгим и дорогим. Теперь с помощью лазера можно моментально изготавливать крохотные технические алмазы, а затем наслаивать их на лезвия ножей и режущие кромки инструментов. Подобными алмазами можно покрывать, например, скальпели или искусственные протезы бедра, что повысит их долговечность. Дешевые алмазы окажутся ценным сырьем и для компьютерной промышленности; их используют в производстве микросхем.

    Лазер стал настоящим подарком для медиков. С его помощью хирурги могут рассверливать тромбы, закупорившие вены, или разрезать тончайшие капилляры, оставляя неповрежденной соседнюю ткань. Чаще всего используется термическое действие лазера: при нагреве ткани от 60 до 100 градусов белок коагулирует (свертывается), а при нагреве выше 300 градусов ткань испаряется. Данные эффекты можно комбинировать, поэтому лазер применяют для разрезания сильно кровоточащих тканей, например тканей печени или селезенки. Другие области его применения — горло, желудочно-кишечный тракт, носовая полость, ушные раковины.

    Поразительная точность лазерного «скальпеля» делает его незаменимым инструментом врача-офтальмолога. Так, с помощью лазера можно корректировать близорукость или дальнозоркость. По оценкам экспертов, в Германии, например, в течение трех ближайших лет число операций, проводимых офтальмологами с применением лазера, возрастет в три с лишним раза — с 60 000 до 200 000.

    Лазерная офтальмология только входит в наш быт. Еще в середине девяностых годов подобные операции с использованием лазера часто оканчивались неудачей, и, «выздоровев», пациент видел хуже, чем до начала лечения. Сейчас, по данным исследования, проведенного швейцарскими медиками, лишь в семи процентах случаев больные, перенесшие лазерные операции на роговице, сталкиваются потом с различными осложнениями. «Если, конечно, не считать, что у каждого второго пациента ухудшается ночное зрение», — добавляют они.

    Медики используют лазер не только для оперативного вмешательства, но и для фундаментальных исследований. Их планы обещают многое. Сейчас ученые стремятся создать сверхбыстрые лазеры, которые помогут поэтапно изучить химические реакции, протекающие в живых клетках. Это позволит выяснить структуру молекул, вызывающих различные заболевания. Зная ее, можно изготавливать лекарства, которые целенаправленно воздействовали бы на эти молекулы.

    С помощью лазера можно врачевать и погоду. Так, немецкие физики разработали лазер, который может защитить от грозы. Если направить его луч на грозовое облако, оно моментально разрядится, и молнии не причинят вред. Подобная система уже опробована в лаборатории.

    Впрочем, лазер может не только сражаться с грозой и тучами, наползающими на город. Он вполне сумеет оценить загрязнение атмосферы. Для этого в небо направляют мощные вспышки, длящиеся несколько триллионных долей секунды. Частота этих световых лучей разнится. Некоторые из них поглощаются атмосферой; другие, отразившись от аэрозолей, возвращаются на землю. Прибор улавливает отраженные волны и по изменению их длины оценивает, чем загрязнен воздух.

    Так, от медицины мы перешли к физике. Здесь лазер тоже добился немалых успехов. С его помощью можно изучать «кирпичики мироздания» — атомы, наблюдая за отдельными их движениями и даже за перемещением электронов от атома к атому — процессом, который длится несколько сотен фемтосекунд (фемто — десять в минус пятнадцатой степени). Полученные данные можно использовать при создании новых оптико-электронных приборов, предназначенных для сверхбыстрой обработки сигналов в компьютерных системах и системах связи.

    Впрочем, лазер может наблюдать не только за атомами, но и за спутниками. Уже в 2001 году американские военные попробовали применить лазерную пушку против спутника и вывели из строя всю его электронику. Однако этот опыт показал, что, нацеливая лазерное оружие в небо, военные играют в «русскую (точнее, уж в американскую. — А.В.) рулетку». Часть лучей после попадания в цель отражается, причем направление их рассеяния трудно предсказать. Отраженные лучи могут вывести из строя оптические сенсоры других спутников, в том числе своих собственных. Пока не ясно, как избежать этой опасности, тем не менее военные планируют уже к 2007 году завершить работу над созданием лазерного оружия, которое будет уничтожать вражеские спутники и ракеты. Так «скальпель» ХХI века становится еще и «пушкой» ХХI века. Лазер ведь всемогущ!

    Возможно, что его луч станет еще и электростанцией двадцать первого и иже с ним веков. Ведь на 2008 год намечен еще один, самый удивительный проект, связанный с лазером: проект по созданию термоядерного реактора нового типа.

    Задача архисложна, ведь внутри реактора должна протекать та же реакция, что и в недрах Солнца. Там ядра водорода сливаются друг с другом, образуя гелий. При этом выделяется огромное количество энергии. Если бы удалось построить реактор, действующий по тому же принципу, мы навсегда разрешили бы энергетическую проблему, ведь водород — это дешевое сырье — на нашей планете имеется в избытке.