ความเข้มของแสงเลเซอร์

จากข้อเท็จจริงที่เห็นได้ชัดว่าลำแสงเลเซอร์สามารถพกพาพลังงานได้เพียงพอที่จะทำการผ่าตัดเจาะเพชรและแม้แต่ความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ของสารที่อุณหภูมิหลายล้านองศา

ลำแสงเลเซอร์สามารถรับพลังงานได้เท่าไร? ขึ้นอยู่กับประเภทของเลเซอร์กำลังของแหล่งจ่ายไฟตลอดจนเงื่อนไขของการทำงานซึ่งกำหนดประสิทธิภาพของการใช้พลังงานที่ให้มา

และด้วยเลเซอร์ CW ​​พลังงานอินพุตจะถูกแปลงเป็นพลังงานของรังสีที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง พลังของลำแสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ดังกล่าวมีตั้งแต่มิลลิวัตต์ถึงหลายสิบกิโลวัตต์ (ปริมาณเท่ากับหลอดไฟหนึ่งพันแสนวัตต์ที่ปล่อยออกมาในช่วงที่มองเห็นได้) ด้วยลำแสงขนาดกิโลวัตต์เหล่านี้ที่โฟกัสอย่างถูกต้องเช่นด้วยเลนส์จึงสามารถตัดแผ่นเหล็กหนาหนึ่งเซนติเมตรของผิวเรือด้วยความเร็วประมาณหนึ่งเซนติเมตรต่อวินาที เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นที่ไม่ต้องการลำแสงที่ทรงพลังเช่นนี้

เลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดที่เห็นด้วยตาของคุณเองที่สถาบันวิจัยกองทัพเรือในวอชิงตันดีซีควรจะปล่อยลำแสงประมาณหนึ่งเมกะวัตต์ (ล้านวัตต์หรือพันกิโลวัตต์) ในเวลาไม่กี่วินาที เลเซอร์นี้พร้อมกับอุปกรณ์เสริมใช้ในห้องปฏิบัติการสองห้องที่ค่อนข้างใหญ่ ไม่มีอะไรน่าแปลกใจเป็นพิเศษที่นี่เนื่องจากพลังของลำแสงนั้นเท่ากับพลังของเครื่องยนต์ประมาณห้าสิบเครื่องยนต์ของรถยนต์นั่งชั้นกลาง

อย่างไรก็ตามสำหรับวัตถุประสงค์หลายประการแม้คานเมกะวัตต์จะอ่อนแอและต้องการคานที่ทรงพลังกว่า ตัวอย่างเช่นเลเซอร์ "ดวงจันทร์" ควรจะส่งลำแสงที่มีกำลังหลายล้านวัตต์ ลำแสงหลังจากการสะท้อนจากดวงจันทร์กลับมายังโลกอ่อนลงอย่างมากเนื่องจากการดูดกลืนและการกระจัดกระจายในชั้นบรรยากาศของโลกการกระจัดกระจายบนพื้นผิวของดวงจันทร์เป็นต้นความไวของอุปกรณ์ที่บันทึกแสงสะท้อนไม่รวมความเป็นไปได้ที่จะใช้แบบดั้งเดิม แหล่งกำเนิดแสงที่แข็งแกร่งที่สุดในการค้นหาดวงจันทร์ ลำแสงที่มีความเข้มข้นเพียงพอสามารถผลิตได้ด้วยเลเซอร์ที่มีกำลังหลายเมกะวัตต์เท่านั้น ในการเริ่มต้นปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์จำเป็นต้องใช้เลเซอร์ที่แรงกว่าเดิม - กำลังของมันควรเป็นไปตามลำดับอย่างน้อยสองสามล้านเมกะวัตต์

การสร้างเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องที่ทรงพลังเช่นนี้เป็นงานที่ไม่สมจริง เลเซอร์ดังกล่าวจะต้องมีขนาดมหึมาเหนือสิ่งอื่นใด มันจะเป็นงานยากที่จะให้พลังงานขนาดมหึมาเช่นนี้และการทำความเย็นก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพของเลเซอร์จะอยู่ในช่วง 2-3 ถึงสิบเปอร์เซ็นต์ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงานเข้าเลเซอร์ออกมาเป็นรังสีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ส่วนที่เหลือจะถูกสลายไปในที่สุดก็เปลี่ยนเป็นความร้อนซึ่งจะต้องนำออกจากการติดตั้งเลเซอร์โดยให้มีการระบายความร้อนที่เข้มข้นเพียงพอ

เลเซอร์ซึ่งปล่อยลำแสงอย่างต่อเนื่องหนึ่งล้านเมกะวัตต์จะใช้พลังงานที่สร้างขึ้นพร้อมกันโดยโรงไฟฟ้าขนาดกลางหลายพันแห่ง ในระหว่างการทำงานของเลเซอร์ดังกล่าวผู้บริโภคหลายล้านคนจะต้องขาดแหล่งจ่ายไฟ บางทีมันยังคงเป็นไปได้ที่จะแยกแยะออก แต่ยักษ์ตัวนี้จะเย็นลงได้อย่างไร?

อย่างไรก็ตามแม้ว่าจะมีความต้องการลำแสงที่ทรงพลังเช่นนี้ แต่ก็ไม่จำเป็นต้องสร้างเลเซอร์ cw ขึ้นมาประเด็นก็คือในทุกแอปพลิเคชันที่จำเป็นต้องใช้ลำแสงเลเซอร์กำลังสูงพิเศษไม่สำคัญว่าเลเซอร์จะปล่อยรังสีออกมาเป็นเวลาหนึ่งในพันหรือหนึ่งในล้านของวินาที ส่วนใหญ่มักเป็นกรณีที่ต้องการการฉายรังสีเลเซอร์ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น ในระยะสั้นเรากำลังพูดถึงความจริงที่ว่าลำแสงเลเซอร์มีเวลาที่จะทำให้เกิดเอฟเฟกต์ที่ต้องการในวัตถุที่ได้รับก่อนที่จะเกิดกระบวนการที่ไม่พึงปรารถนาที่เกี่ยวข้องกับพลังงานของรังสีเลเซอร์ที่ดูดซับโดยวัตถุ ตัวอย่างเช่นหากเมื่อใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อขจัดเนื้อเยื่อที่เป็นโรคในระหว่างการผ่าตัดแสงกะพริบจะคงอยู่นานเกินไปเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีที่อยู่ติดกับโรคอาจได้รับความร้อนสูงเกินไปซึ่งเป็นอันตราย หากใช้การฉายรังสีเลเซอร์อย่างต่อเนื่องเพื่อเจาะรูในเพชรแทนที่จะใช้การกะพริบแยกเพชรจะร้อนมากเกินไปละลายและเป็นผลให้ส่วนสำคัญของเพชรระเหยออกไป

ตัวอย่างที่ให้ไว้ระบุถึงความจำเป็นในการใช้เลเซอร์พัลส์สั้น ๆ เพื่อให้พลังงานที่ดูดซับโดยวัตถุที่ฉายรังสีไม่มีเวลาสลายไปเนื่องจากกระบวนการนำความร้อน แน่นอนว่ายังมีกลไกการกระจายพลังงานที่ไม่พึงปรารถนาและเป็นอันตรายอีกมากมาย ในกรณีทั่วไปเรากำลังพูดถึงความจริงที่ว่าลำแสงเลเซอร์มีเวลาในการทำงานให้เสร็จก่อนที่ปัจจัยที่ระบุจะเข้ามารบกวน ด้วยเหตุนี้ในหลาย ๆ อุปกรณ์เลเซอร์พัลส์จึงต้องสั้นมากและบางครั้งนิพจน์ "สั้นมาก" หมายถึงหนึ่งนาโนวินาทีหรือน้อยกว่านั้นด้วยซ้ำ

ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนสำหรับเราโดยกำหนดโดยความจำเป็นแนวคิดง่ายๆในการประหยัดพลังงานบนพื้นฐานที่เป็นไปได้ที่จะได้รับลำแสงขนาดมหึมาด้วยการใช้พลังงานที่ค่อนข้างต่ำ แทนที่จะผลิตพลังงานหนึ่งจูลในรูปของการแผ่รังสี (ซึ่งเป็นปริมาณที่น้อยมาก) เป็นเวลาหนึ่งวินาทีหรือปล่อยลำแสงหนึ่งวัตต์ (1 W = 1 J / s) ก็จะเป็นไปตามจำนวน พลังงาน (หนึ่งจูล) จะเปล่งออกมาเร็วกว่าเนื่องจากชีพจรที่ค่อนข้างสั้น ยิ่งชีพจรสั้นพลังลำแสงก็จะยิ่งสูงขึ้น ตัวอย่างเช่นหากการแผ่รังสีระเบิดเป็นเวลาหนึ่งมิลลิวินาที (หนึ่งไมโครวินาทีหนึ่งนาโนวินาที) ลำแสงจะมีกำลังสูงกว่า 1,000 เท่า (สัมพัทธ์)

เห็นได้ชัดว่าด้วยการสนับสนุนพลังงานมากกว่า 1,000 เท่า (1 kJ แทนที่จะเป็น 1 J) จะทำให้ลำแสงมีพลังมากกว่า 1,000 เท่า (ในแต่ละกรณีข้างต้น) ถ้าเวลาของการปล่อย (การปล่อย) จะเท่ากับค่าของลำดับหนึ่งนาโนวินาทีดังนั้นในกรณีนี้จะได้ลำแสงที่มีกำลังหนึ่งเทราวัตต์ ตัวอย่างเช่นโฟกัสโดยใช้เลนส์บนพื้นผิวของร่างกายเป็นจุดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.1 มม. ลำแสงดังกล่าวจะให้ค่าความเข้มที่ไม่สามารถจินตนาการได้ที่โฟกัส - 10 ถึงกำลัง 20 ของ W / m2! (สำหรับการเปรียบเทียบความเข้มแสงของหลอดไฟ 100 วัตต์ที่ระยะ 1 ม. จากนั้นขึ้นอยู่กับไม่กี่ในสิบของวัตต์ต่อตารางเมตร)

ยังคงมีคำถามอีกข้อหนึ่งที่ดูเหมือนจะไร้เดียงสาในตอนแรก: จะลดเวลาการแผ่รังสีของเลเซอร์สำหรับพลังงานลำแสงทั้งหมดได้อย่างไร? งานดังกล่าวเป็นปัญหาที่ซับซ้อนทั้งทางกายภาพและทางเทคนิค เราจะไม่เข้าไปดูรายละเอียดปลีกย่อยเช่นนี้เพราะสำหรับเรื่องราวของเราคำถามของการได้รับชีพจรสั้น ๆ นั้นพิเศษเกินไป ไม่ว่าในกรณีใด ๆ ในวันนี้สถานการณ์จะเป็นดังนี้: เวลาของการปล่อยแสงโดยเลเซอร์พัลซิ่งโดยไม่มีอุปกรณ์เพิ่มเติมใด ๆ ที่จะบังคับให้เลเซอร์เปล่งแสงได้เร็วขึ้นนั้นอยู่ในลำดับไม่กี่ไมโครวินาที (หรือหนึ่งในสิบของหนึ่งในพันของ วินาที).

การใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมซึ่งการทำงานนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางกายภาพบางอย่างจะช่วยลดเวลานี้ให้เป็นค่าของลำดับของ picosecond ด้วยเหตุนี้วันนี้จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับพัลส์เลเซอร์ขนาดยักษ์ซึ่งกำลังสูงสุดซึ่งสามารถเข้าถึงได้หลายร้อยเทราวัตต์แน่นอนว่าคานที่ทรงพลังเช่นนี้จำเป็นต้องใช้ในอุปกรณ์พิเศษเท่านั้น (ตัวอย่างเช่นเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์) ในกรณีอื่น ๆ จะใช้พัลส์ที่มีกำลังไฟต่ำกว่ามาก

ตอนนี้เรามาถามคำถามที่สำคัญ: เป็นไปได้ไหมที่จะได้รับลำแสงที่เข้มข้นเช่นนี้ถูกกว่าและง่ายกว่าโดยใช้หลอดไฟกำลังสูงแบบเดิม หมายถึงหลอดไฟทั้งสองแบบที่ทำงานในโหมดต่อเนื่อง (เช่นโคมไฟสะท้อนเครื่องบินหรือกล้องถ่ายภาพยนตร์) และหลอดไฟแฟลช (เช่นไฟฉายที่ใช้ในการถ่ายภาพ)

คำตอบขึ้นอยู่กับชนิดของคานที่เราต้องการหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือพลังอะไรและประเภทของความแตกต่างที่เรากำลังพูดถึง หากเราไม่สนใจกับความแตกต่างของลำแสงหลอดไฟแบบดั้งเดิมจะสามารถแข่งขันกับเลเซอร์ได้ในจำนวนที่ จำกัด เท่านั้น ขีด จำกัด นี้อยู่ต่ำกว่าหนึ่งเทราวัตต์ เหนือระดับนี้เลเซอร์ไม่มีคู่แข่ง

แน่นอนว่ายิ่งเราต้องการลำแสงที่แตกต่างกันน้อยลงและมีพลังมากเท่าไหร่ขอบเขตก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้นซึ่งเราจะต้องละทิ้งแหล่งกำเนิดแสงแบบดั้งเดิมและหันไปใช้เลเซอร์ ดังที่ได้กล่าวไปแล้วแหล่งกำเนิดแสงแบบคลาสสิกจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการความแม่นยำสูงที่กำหนดไว้ในแหล่งกำเนิดแสงเมื่อวัดระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ ในการทดลองนี้ต้องใช้เลเซอร์พัลซิ่ง

Gavrilova N.V.

สิ่งพิมพ์ที่คล้ายกัน

หมู่เกาะของโลกที่หายาก

ศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ดกำลังได้รับแรงผลักดัน

แรงโน้มถ่วงมีผลต่อวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตอย่างไร