Удар светом, или О некоторых необычных способностях

Удар светом,
ИЛИ
О некоторых
необычных
способностях
лазерного
импульса
Илисты и бруски во многих
местах были просверлены,
иные разрезаны пополам, места
разрезов и отверстий казались
обожженными и оплавленными.
А.Н.Толстой. Гиперболоид
инженера Гарина
Лазерный луч это тоже свет
- Ну почему такой избитый эпиграф,
сколько можно сравнивать толстовский
гиперболоид с лазером, — возмутит­
ся, вероятно, читатель, — ведь это
совершенно разные вещи!
—А насколько разные, позвольте спро­
сить? — осведомится автор лукаво.
— Ну как же, ведь лазер дает моно­
хроматический и когерентный нерасходящийся пучок света, а лучевой
шнур инженера Гарина —это просто
сфокусированное «белое» излучение
от пламени свечи, — так мне ответит
начитанный оппонент.
— Совершенно справедливо, а как
эта разница сказывается в действии,
к примеру, лазерного резака?
-Э-э-э...
Вот именно, никак. Сегодня матери­
алы разрушают и режут лазерами тем
самым способом, который столь кра­
сочно описал Алексей Николаевич еще
в 1927 году, когда не только лазера
не было, но и сама квантовая механи­
ка пребывала в пеленках. Выглядит это
так. Сначала луч достаточной плотно­
сти (измеряется обычно в Вт/см2) до­
ставляет к поверхности энергию. Ма­
териал ее поглощает и, соответствен­
но, сначала нагревается, а потом и
разрушается путем плавления или ис­
парения. И здесь не имеет значения,
какой источник был у излучения: ла­
зер, мощная галогенная лампа или по-
8
Доктор химических наук
В.З.Мордкович
Международный центр материаловедения,
Кавасаки, Япония
просту сфокусированный луч солнца.
Кстати, плотность солнечного излуче­
ния даже в наших широтах может и
без фокусировки достигать 0,1 Вт/см2,
что отнюдь не мало. А в более теплых
местах легко устроить солнечный ре­
зак без всякого лазера. На Лазурном
берегу Франции, в городе Монпелье,
например, в 2000 году была построе­
на и испытана солнечная установка,
фокусирующая 50 кВт солнечного све­
та в лучевой шнур плотностью до 1000
Вт/см 2 , причем луч этот специально
применили для совершения несколь­
ких работ, которые считаются исклю­
чительным делом лазера, в частности
для производства углеродных нанотрубок испарением графита в атмо­
сфере гелия.
Современная промышленность вы­
пускает мощные лазеры непрерывно­
го действия (чаще всего это газовые
лазеры на двуокиси углерода) и им­
пульсные (обычно это твердотельные
лазеры на иттрий-алюминиевых гра­
натах, ИАГ) со средней мощностью до
нескольких киловатт. Результаты их
действия на твердое тело выглядят со­
вершенно так же, как и в романе «Ги­
перболоид инженера Гарина», —дым,
гарь, оплавленные, обожженные края
разрезов и технологических отвер­
стий. В их лучах достигается очень
большая плотность излучения: мега­
ватты на квадратный сантиметр в не­
прерывном режиме или гигаватты в
режиме миллисекундных импульсов.
Несколько примеров приведены в таб­
лице 1, из которой видно, что альтер­
нативы лазеру все-таки пока нет,
французская солнечная печь способ­
на имитировать действие лазерного
луча, но все равно уступает мощным
промышленным лазерам по плотно­
сти излучения на многие порядки. Что
же получается: единственное преиму­
щество лазера — в способности до­
стигать высокой плотности излучения,
а принцип воздействия не отличается
от дедушкиной синей лампы для про­
грева суставов? Так быть не должно!
Лирическое отступление:
лазерная мечта фантастов
Беспокойство по поводу содержаще­
гося в рассуждениях подвоха осозна­
ют как общественное мнение, так и
выражающие его писатели-фантасты.
Во многих произведениях разные ав­
торы пытались как-то обозначить, что
лазер — это не просто лампочка, а не­
что особое, квантовый генератор всетаки. Иногда, правда, доходили до
полного абсурда. «Фух!»
-вздохнул
«Ультиматум», выпуская тонкий белый
Таблица 1
Плотность излучения современных промышленных лазеров
Источник
излучения
Длина
волны
(мкм)
Изготовитель
Солнечная
ne4bSolful
Непрерывный
спектр
Университет
Монпелье,
Франция
ОКБ лазерной
техники
ИТПМ СО РАН,
Новосибирск
Средняя
Типичная
мощность
плотность
излучения (кВт) (Вт/см 2 )
50
1-Ю3
5
5-106
5-105
Непрерывный
С0 2 лазер
АЛТК-2
10,6
Непрерывный
ИАГ лазер
МЛТ-500
Импульсный
ИАГ лазер
МЛТИ-1200
1,064
Туламашзавод,
Тула
0,5
1,064
Туламашзавод,
Тула
1
1-Ю9
(в импульсе)
импульсный
лазер
короткоимпульсный
(наносекундный) лазер
10- 4 —10– 2 С
10-10—10 8 с
ультракороткоимпульсный
(фемтосекундный)
лазер
10-15—10 1 1 с
1
Так можно себе представить волновые пакеты разных лазеров
луч. ЭТО не было собственно
выстрелом - импульсный ла­
зер выжег молекулы воздуха
на линии огня, освобождая
путь пучку античастиц», — пи­
шет, например, С.Лукьяненко в «Линии грез».
Хотел бы я спросить люби­
мого мною писателя, как
именно он представляет
себе «выжигание» молекул
воздуха. Впрочем, не исключаю, что здесь можно предложить кое-что интерес­
ное...
Напротив, те произведе­
ния, где подчеркивается
сходство между лазерным и
обычным лучом, не пользуются популярностью, и читаю­
щая публика их отвергает.
Вот, к примеру, блестящий
фантастический детектив
Ларри Нивена «ARM» («Рука»).
Расследуются таинственные
убийства, лица жертв выжжены до затылочной кости —
явно мощным широкопучко­
вым лазером.Расследование
в тупике, никто не понимает,
где преступник мог разжиться таким лазером. И вот
главный герой находит раз­
гадку—убийства соверше­
ны... карманным фонариком,
луч которого спрессован при
помощи хитроумного устройства на
основе машины времени. Чудный сюжет, залихватская интрига, но читатель
не принял кощунственного приравни­
вания лазера к фонарику. Книгу, ка­
жется, даже не перевели на русский,
в отличие от других произведений цикла «Known Space» («Известный кос­
мос»), — я, во всяком случае, не нашел сведений о русском издании.
И все-таки наши подспудные ожи­
дания имеют основу. Лазер не все­
гда работает как очень мощная грел­
ка, при определенных условиях с по­
мощью лазерного луча можно воздей­
ствовать на твердое тело совершен­
но особым, нетепловым,способом.
Все, что для этого нужно, —умень­
шить длительность импульса.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПРИРОДА
2
Диаметры и глубина
пробиваемых
отверстий, а также
размер неупорядоченной
зоны, которая образуется
после теплового
воздействия,
сильно различаются,
если светить
миллисекундным,
наносекундным
и фемтосекундным
импульсом
одинаковой плотности
на твердую мишень
Жар коротких импульсов
Попробуем объяснить на пальцах, отчего
так важна длина импульса (рис. 1).Формируясь со скоростью света 3-108 м/с,
волновой пакет за одну миллисекунду вырастает до 3-105 м, что составляет невообразимо много, около 1011, единичных
волн. А вот пакет короткоимпул ьсного
лазера за одну наносекунду вырас­
тает только до 30 см. В этом пакете
число единичных волн уже можно со­
считать, их около 600 000. Наконец,
ультракороткоимпульсный лазер за
одну фемтосекунду успевает выстрелить пакет длиною всего в 300 нм короче длины волны видимого света!
Волна длиною меньше единицы соб­
ственной длины не есть волна — свет
фемтосекундного лазера
можно рассматривать как поток частиц-фотонов и пре­
небречь волновой его природой. Эта примитивная иллюстрация помогает понять качественную разницу между
импульсами разной длительности.
Попробуем взглянуть на эту
проблему с другой стороны.
В твердом теле характерное
время перехода энергии возбужденных электронов в энергию колебаний кристаллической решетки, так называемое
время электронно-фононной
релаксации, составляет 10 1 1 10–10 с. По истечении этого короткого срока энергия электронов пе­
реходит в тепловую (конечно, если не
находит другого пути, чтобы разря­
диться, например, через люминесцен­
тное свечение). Материал нагревается. Представим, что лазерное излуче­
ние начало оказывать некое специфи­
чески лазерное, нетепловое воздей­
ствие на поверхность, а всё прибывающий волновой пакет доставляет и доставляет энергию. Прошло время, в
тысячи раз большее времени релаксации; длинный импульс попросту вкачивает энергию в тепловые колебания
решетки и подавляет любые тонкие
эффекты, какими бы они ни были.
Теперь обратимся к рис. 2 и по­
смотрим на схематическое изображение действия миллисекундного, нано-
9
3
Фотография
высокотемпературного
плазменного облака, которое из графитовой
мишени выбил импульс пикосекундного
лазера.
Размер облака - около 5 см в поперечнике,
а температура - много тысяч градусов
секундного и фемтосекундного им­
пульсов одинаковой плотности на
твердое тело.
Миллисекундный импульс начинает
прогревать зону своего действия спустя несколько наносекунд. Продолжая
вкачивать энергию, импульс через несколько десятков микросекунд рас­
плавляет материал, а затем испаряет
расплав. Из зоны воздействия луча
вылетают и пары, и выбитые кипением
капли расплава, и отдельные микро­
кусочки твердого материала, отколо­
тые тепловым ударом. Наконец им­
пульс заканчивается. Остается отвер­
стие, диаметр которого немного(до
полутора раз) больше, чем диаметр
лазерного луча. Отверстие окаймляет
вал из выплеснутого и осажденного из
паров материала, так называемый
грат, или заусенец. На расстояние 1015 диаметров луча вокруг отверстия
простирается зона теплового воздей­
ствия, в которой структура так или
иначе искажена нагревом.
Наносекундный импульс действует
иначе. Вся та энергия, которую обыч­
ный импульсный лазер закачивал в
течение миллисекунды, вбивается в
тысячу раз быстрее. Этого времени,
однако, достаточно для того, чтобы
привести в тепловое движение атомы
кристаллической решетки и превратить зону воздействия в сжатый пе­
регретый пар с температурой несколько тысяч градусов. Пар выбрасывается, образуется отверстие диаметром
как раз с поперечник луча, заусенец и
зона теплового воздействия все рав­
но образуются, но куда менее выра­
женные — зона теплового воздей­
ствия, в частности, не превышает трех
диаметров отверстия. Отверстие глубже, чем при обычном импульсе той же
плотности, и это неудивительно, ведь
на бесполезный разогрев прилегаю­
щих к зоне воздействия областей
энергии ушло меньше.
Действие ультракороткоимпульсного лазера на твердое тело принципи­
ально отличается от всего вышеопи­
санного. «Недоволна» полностью вхо­
дит в материал за несколько фемтосекунд. Она превращает электроны в
зоне воздействия луча в высокотем­
10
пературный электронный газ, «срывает их с орбит» и в течение нескольких
пикосекунд вышвыривает в простран­
ство. В твердом теле остается как бы
пробка из положительно заряженных
ионов, которые притягиваются тем самым вышвырнутым электронным облаком—происходит холодный взрыв, называемый кулоновским, и пробка вы­
летает, оставляя аккуратное, с ровны­
ми краями без всяких заусенцев, отверстие. Зона теплового воздействия отсутствует, а отверстие может оказаться в три раза глубже, чем при наносекундном импульсе.
Реально происходящие процессы на
самом деле сложнее этого изящного
механизма кулоновского взрыва, особенно в металлах. Конечный эффект,
однако, именно таков.
Фемтоимпульсы в деле
Ясно, что для резания, перфорации,
гравировки ультракороткоимпульсные
лазеры — просто находка. Каждый
импульс аккуратно, можно сказать,
атравматично, вынимает кусочек материала, не оставляя наплывов и заусенцев. Точность обработки можно
повысить до одного микрона, а при­
меняя ультрафиолетовое излучение —
и до нескольких десятых долей микрона. Наконец-то мы превзошли ин­
женера Гарина.
А уж противоракетное оружие из
достаточно мощного фемтосекунд­
ного лазера получается просто иде­
альным. Представьте: при помощи
зеркал нацеленный луч мгновенно
фокусируется на боеголовке; одним
импульсом пробивает цилиндрическое
отверстие в оболочке, вышибленный
сгусток плазмы отлетает с первой космической скоростью и по крайней мере
сбивает боеголовку с траектории если нанесенное повреждение ее во­
обще не разрушило. Всего-навсего
пятикиловаттный фемтосекундный лазер может таким толчком придать им­
пульс в полтонны. Подобное о р у ж и е просто чудо эффективности, особен­
но по сравнению с опубликованными
в США проектами устройств, которые
будут ловить цели в створ непрерыв­
ного мегаваттного лазера и долгие
секунды поджаривать боеголовку,
пока та не лопнет. Уж не знаю, зани­
маются ли подобными разработками
военные ведомства каких-либо стран
или нет.
Не следует забывать и о той части
материала, что выбита из отверстия и
в виде плазменного облака с температурой в 20-30 тысяч градусов вышла в
окружающее пространство (рис. 3). Это
облако способно на химические пре­
вращения, ценность которых может
быть не меньше, чем ценность уни­
кально прецизионной резки материала. Фемтосекундный импульс обеспечивает стопроцентную атомизацию
плазмы, а более длительные импульсы способны избирательно испарить
из мишени крупные и стойкие кластеры, например фуллерены. Воздей­
ствие на графитовые и композитные
графит-фуллереновые мишени им­
пульсами разной длительности по­
зволяет синтезировать из плазмы те
самые виды нанотрубок и многослой­
ных фуллеренов, которые исследователь хочет получить. Именно это мы с
коллегами пытаемся делать в нашей
лаборатории, а другие ученые докладывают, например, об осаждении из
плазмы ультракоротких импульсов
твердых покрытий-пленок идеального
качества.
Правило выбора лазера
Хочу затронуть еще один интересный
вопрос, возникший при внедрении в
практику короткоимпульсных лазеров.
А именно — как оценивать их произ­
водительность. Физики и инженеры
со времен зарождения лазерной техники привыкли оперировать мощно­
стью излучения в ваттах как главным
показателем производительности лазера. Для импульсныхлазеров пришлось
различать среднюю мощность и гораздо более высокую мощность в импуль-
4
В зависимости от плотности
лазерный импульс пробьет
в графитовой мишени
отверстие разной глубины.
На двух кривых показаны
данные для фемтосекундного
и наносекундного лазеров
ТЕХНОЛОГИЯ И ПРИРОДА
Плотность
импульса Д ж / с м 2
Аттосекунды
летят и летят
Таблица 2
Некоторые короткоимпульсные лазеры*
Рабочее тело лазера Длина волны излучения (нм)
ИАГ, допированный
1064 (ИК), или 532 (зеленый),
или 266 (УФ)
Nd
KrF
248 (УФ)
Сапфир,
допированный Ti
740-950 (багровый)
Форстерит Mg 2 [Si0 4 ],
допированныйСг
1230-1280 (ИК)
Длина импульса
10-30 не
10-30 не
20-50 фс
50-70 фс
*1 фс = 1 0 , 5 с .
се, онаже мгновенная. Например, рас­
пространенные в лабораториях пятиват­
тные эксимерные лазеры излучают 10
импульсов в секунду, каждый длитель­
ностью 30 не, что дает, как нетрудно убе­
диться, 1,67-Ю7 Вт на импульс. Мгно­
венная мощность совсем небольших,
настольных фемтосекундных лазеров
может достигать уровня 1 ■ 1012 Вт, то
есть измеряться уже в тераваттах.
Разработчики новыхлазеров обычно
с гордостью докладывают о новых не­
бывалых величинах мгновенной мощ­
ности.
Однако эти цифры, сами по себе
впечатляющие, мало что говорят о
возможностях лазера. Скажем, фемтосекундный лазер с мегаваттной
мгновенной мощностью не способен
даже пластмассу серьезно поцара­
пать, а наносекундный с той же мгно­
венной мощностью легко режет ле­
гированную сталь, очень уж велика
разница в количестве доставляемой
импульсом энергии. Поэтому химики
и инженеры по лазерной обработке
больше ссылаются на энергию или
плотность импульса, а как вторую,
качественно дополняющую характе­
ристику используют его длитель­
ность. В самом деле, из рис. 2 вид­
но, что именно полная энергия им­
пульса в первую очередь определя­
ет, сколько вещества будет выбито
из мишени. А чем короче импульс,
тем меньше потери. Закономернос­
ти, показанные на графике (рис. 4),
помогают понять, в чем тут дело. По
достижении некоего порогового зна­
чения глубина пробитого импульсом
отверстия с увеличением энергии им­
пульса растет почти линейно. При
более коротком импульсе и порого­
вое значение ниже, и скорость роста
выше, но разница эффектов относи­
тельно невелика, при различии мгно­
венной мощности на шесть порядков
глубина выбитого отверстия отлича­
ется всего в три раза.
Ультракороткоимпульсные лазеры
сегодня не такая уж экзотика, хотя сто­
имость их пока что на порядок выше,
чем у короткоимпульсных аналогов. В
таблице 2 показаны некоторые ко­
роткоимпульсные и ультракороткоим­
пульсные лазеры, причем характеристи­
ки фемтосекундных предоставлены вы­
пускающим их предприятием «Авеста» из
подмосковного Троицка. Наносекундные
лазеры и вовсе широко вошли в практи­
ку, хотя пока их покупают почти исклю­
чительно для научных исследований. Как
видим, новейшая техника тут прямо-таки
наступает на пятки новой, ведь даже
обычные непрерывные и импульсные ла­
зеры пока не заняли и половины при­
надлежащей им промышленной ниши
(см. «Химию и жизнь», 2002, № 6).
е успел еще стихнуть в научном мире
I
1 радостный
рг
шум после появления
лазеров и вручения
I фемтосекундных
ф
за
их использование Нобелевской премии,
заихис
как впереди замаячили совсем фантасти­
ческие приборы - л а з е р ы , у которых им­
пульс длится считанные сотни аттосекунд.
Фемтосекундные лазеры дали химикам воз­
можность снимать кино о том, как ведут себя
отдельные молекулы. Новые приборы, ко­
торые позволят проследить за поведением
электронов, собираются разработать бри­
танские ученые во главе с доктором Джо­
ном Тишем из лондонского Королевского
колледжа. В конце января Британский ис­
следовательский совет выделил им грант в
размере 3,5 миллионов фунтов стерлингов.
Аттосекунда в тысячу раз короче фемтосекунды, то есть длится 1 Сг15с. Это ха­
рактерное время движения электронов. На­
пример, за двадцать четыре аттосекунды
электрон совершает полный круг (если так
можно сказать о квантовой частице, кото­
рая для постороннего наблюдателя, в сущ­
ности, размазана в пространстве) вокруг
атома водорода.
«Представьте себе, что вы захотели сфо­
тографировать пулю, пробивающую поми­
дор, — поясняет идею руководитель про­
екта. - Для этого понадобится стробо­
скоп, который станет освещать этот поми­
дор вспышками света, каждая продолжи­
тельностью в микросекунды. Тогда пуля как
будто остановится. Чтобы на изображении
остановить электрон, нужно аттосекундное
разрешение. Иначе он просто размоется в
блестящее облачко».
«Все изменения в материалах, -добав­
ляет координатор проекта Йон Марангос, будь то отдельные молекулы, твердые ве­
щества или мягкие ткани, можно просле­
дить, наблюдая перегруппировку связыва­
ющих атомы электронов. Аттосекундные
импульсы впервые дадут нам возможность
следить за чрезвычайно быстрыми изме­
нениями, происходящими с этими части­
цами».
В планируемом приборе импульс будет
длиться не более 200 аттосекунд. А собрать
его из отдельных деталей участники про­
екта планируют к 2005 году, при этом одну
половину выделенных миллионов они из­
расходуют на покупку оборудования, а вто­
рую половину — на оплату труда 30 науч­
ных сотрудников, которые работают в семи
британских университетах.
С. Комаров
11