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 Come evidenziato dai fatti, un raggio laser può trasportare energia sufficiente per poter effettuare interventi chirurgici, perforare diamanti e persino riscaldare quantità microscopiche di una sostanza a temperature di milioni di gradi.
Quanta energia può trasportare un raggio laser? Dipende dal tipo di laser, dalla potenza della sorgente che lo fornisce, nonché dalle condizioni del suo funzionamento, che determinano l'efficienza dell'utilizzo dell'energia fornita.
E con i laser CW, l'energia in ingresso viene continuamente convertita nell'energia della radiazione emessa dal laser. La potenza dei raggi emessi da tali laser varia da milliwatt a decine di kilowatt (la stessa quantità emessa da mille lampadine da cento watt nel campo visibile). Con questi fasci di luce kilowatt, opportunamente focalizzati, ad esempio da una lente, è possibile tagliare una lamiera d'acciaio spessa un centimetro della pelle di una nave alla velocità di circa un centimetro al secondo. I laser meno potenti vengono utilizzati per altri scopi che non richiedono fasci di luce così potenti.
 Il laser più potente visto con i propri occhi al Naval Research Institute della US Navy a Washington, DC, avrebbe dovuto emettere un raggio di circa un megawatt (milioni di watt o migliaia di kilowatt) in pochi secondi. Questo laser, insieme a dispositivi ausiliari, occupava due sale di laboratorio piuttosto grandi. Non c'è nulla di particolarmente sorprendente qui, poiché la potenza del suo raggio era pari alla potenza di una cinquantina di motori di autovetture della classe media.
Per molti scopi, tuttavia, anche i fasci da megawatt sono deboli e richiedono fasci ancora più potenti. Ad esempio, un laser "lunare" avrebbe dovuto inviare un raggio con una potenza di diversi milioni di watt. Il fascio luminoso dopo la riflessione della Luna ritorna sulla Terra notevolmente indebolito per assorbimento e dispersione nell'atmosfera terrestre, dispersione sulla superficie della Luna, ecc. La sensibilità dell'apparecchiatura che registra la luce riflessa esclude la possibilità di utilizzare anche tradizionali le sorgenti luminose più potenti per localizzare la Luna. Un raggio di luce sufficientemente intenso potrebbe essere prodotto solo da un laser con una potenza di diversi megawatt. Per avviare una reazione termonucleare, è necessario un laser ancora più potente: la sua potenza dovrebbe essere dell'ordine di almeno diversi milioni di megawatt.
La creazione di un laser ad onda continua così potente non è ancora realistica. Un tale laser dovrebbe avere, soprattutto, dimensioni mostruose. Sarebbe anche un compito difficile fornire energia a un tale colosso e sarebbe anche difficile stabilire il raffreddamento. L'efficienza di un laser è tipicamente nell'intervallo da pochi a dieci percento, in modo che solo una frazione relativamente piccola dell'energia immessa al laser viene emessa come radiazione. Il resto viene dissipato, trasformandosi eventualmente in calore, che deve essere rimosso dall'impianto laser, sottoponendolo a un raffreddamento sufficientemente intenso.
Un laser che emettesse continuamente un raggio di un milione di megawatt consumerebbe l'energia generata simultaneamente da diverse migliaia di centrali elettriche di medie dimensioni. Durante il funzionamento di un tale laser, milioni di consumatori dovrebbero essere privati dell'alimentazione. Forse potrebbe ancora essere risolto in qualche modo, ma come si può raffreddare un gigante del genere?
Tuttavia, nonostante il fatto che siano necessari fasci di luce così potenti, non è necessario costruire tali laser cw.Il fatto è che in tutte quelle applicazioni in cui sono necessari raggi laser ad altissima potenza, non importa se il laser emetterà radiazioni per un millesimo o un milionesimo di secondo. Molto spesso accade che la radiazione laser sia necessaria solo per un breve periodo di tempo. In breve, stiamo parlando del fatto che il raggio laser ha avuto il tempo di causare l'effetto desiderato nell'oggetto ricevuto prima che si verifichi processi indesiderati associati all'energia della radiazione laser assorbita dall'oggetto. Se, ad esempio, quando si utilizza un raggio laser per rimuovere il tessuto malato durante un'operazione, i flash sono durati troppo a lungo, anche il tessuto sano adiacente al malato potrebbe subire un pericoloso surriscaldamento. Se la radiazione laser continua viene utilizzata per praticare un foro in un diamante invece di lampi separati, il diamante si surriscalda, si scioglierà e, di conseguenza, una parte significativa del diamante evaporerà.
 Gli esempi riportati indicano la necessità di utilizzare impulsi laser così brevi in modo che l'energia assorbita dall'oggetto irradiato non abbia il tempo di dissiparsi a causa dei processi di conduzione del calore. Naturalmente, ci sono molti altri meccanismi di dissipazione dell'energia indesiderabili e spesso dannosi. Nel caso generale, stiamo parlando del fatto che il raggio laser ha il tempo di completare il suo compito prima che i fattori elencati interferiscano con esso. Questo è il motivo per cui, in molti dispositivi, gli impulsi laser devono essere molto brevi e l'espressione "molto breve" a volte significa un nanosecondo o anche meno tempo.
Adesso ci appare chiara, dettata dalla necessità, un'idea semplice di risparmio energetico, sulla base della quale è possibile ottenere fasci di potenza gigantesca a un costo di energia relativamente basso. Invece di produrre, diciamo, un joule di energia sotto forma di radiazione (questa è una quantità molto piccola) per un secondo, o emettere un raggio di un watt (1 W = 1 J / s), segue semplicemente la stessa quantità di energia (un joule) emettono più velocemente come un impulso relativamente breve. Più breve è l'impulso, maggiore è la potenza del raggio. Se, ad esempio, un'esplosione di radiazione dura un millisecondo (un microsecondo, un nanosecondo), il raggio avrà una potenza 1000 volte maggiore (relativa).
Ovviamente, con un contributo energetico 1000 volte maggiore (1 kJ invece di 1 J), risulterà (in ciascuno dei casi precedenti) che il fascio è 1000 volte più potente. Se il tempo di emissione (emissione) fosse dell'ordine di un nanosecondo, allora in questo caso si otterrebbe un fascio con una potenza di un terawatt. Focalizzato, ad esempio, con una lente sulla superficie del corpo in un punto di circa 0,1 mm di diametro, un tale raggio darebbe a fuoco un valore di intensità inimmaginabile: da 10 alla 20 ° potenza di W / m2! (Per confronto, l'intensità della luce di una lampadina da 100 watt a una distanza di 1 m da essa è dell'ordine di pochi decimi di watt per metro quadrato.)
Rimane una domanda, apparentemente innocente a prima vista: come ridurre il tempo di radiazione laser a una data energia totale del raggio? Un tale compito è un problema complesso di natura sia fisica che tecnica. Non entreremo in queste sottigliezze qui, perché per la nostra storia, la questione di ricevere un impulso breve è troppo speciale. In ogni caso oggi la situazione è la seguente: il tempo di emissione della luce da parte di un laser pulsato senza alcun dispositivo aggiuntivo che costringerebbe il laser ad emettere luce più velocemente è dell'ordine di pochi microsecondi (ovvero un decimo di millesimo di secondo).
L'uso di dispositivi aggiuntivi, il cui funzionamento si basa su alcuni fenomeni fisici, aiuterà a ridurre questo tempo a valori dell'ordine di un picosecondo. Grazie a ciò, oggi è possibile ottenere giganteschi impulsi laser, la cui potenza massima può raggiungere anche diverse centinaia di terawatt.Naturalmente, tali fasci potenti sono necessari solo in dispositivi speciali (ad esempio, per avviare una reazione termonucleare). In molti altri casi vengono utilizzati impulsi di potenza molto inferiore.
Facciamo ora una domanda importante: è possibile ottenere fasci di luce così intensi in modo più economico e facile, cioè con l'aiuto delle tradizionali lampade ad alta potenza? Si riferisce a entrambe le lampade che funzionano in modalità continua (ad esempio, lampade di riflettori di aeromobili o telecamere cinematografiche) e lampade flash (ad esempio, torce utilizzate nella fotografia).
La risposta dipende dal tipo di raggi che vorremmo ottenere o, in altre parole, dalla potenza e dal tipo di divergenza di cui stiamo parlando. Se siamo indifferenti alla divergenza del raggio, le lampade tradizionali sono in grado di competere con i laser solo fino a un certo limite. Questo limite è, in ogni caso, ben al di sotto di un terawatt. Al di sopra di questo livello, il laser non ha concorrenti.
Ovviamente, meno fasci divergenti e più potenti vogliamo ottenere, più basso sarà il confine, al di sopra del quale dovremo abbandonare le sorgenti luminose tradizionali e rivolgerci ai laser. Come già accennato, le sorgenti luminose classiche non sarebbero in grado di soddisfare i requisiti di elevata precisione che sono stati imposti a una sorgente luminosa durante la misurazione della distanza dalla Terra alla Luna. In questo esperimento è stato necessario utilizzare un laser pulsato.
Gavrilova N.V.
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