От хирургии до энергетики: как управляемый свет меняет мир
Лазеры режут металл, лечат людей и создают шоу на концертах. Их лучи способны разжечь мини-Солнце на Земле или передать информацию на большие расстояния. «Энергия +» выяснила, в чем секрет многогранности лазеров и как они могут изменить энергетику.
Чем лазер отличается от лампочки
Свет лампочки — это ее тщетная попытка избавиться от избыточной энергии, поступающей в виде электричества из вашей розетки. Атомы тоже могут «светиться», излучая излишки энергии в виде электромагнитных волн (они же потоки фотонов). «Зарядить» и привести их в возбужденное состояние могут как электричество, так и другие формы энергии извне — например, тепло.
Лазер похож на лампочку, но вместо того чтобы хаотично светить во все стороны, он заставляет атомы испускать свет синхронно, в одном направлении и с одной длиной волны. Это происходит благодаря квантовому эффекту вынужденного излучения: атомы облучают направленным потоком фотонов, они «заряжаются» и сами начинают светиться, и со временем благодаря резонатору (например, системе зеркал) новые хаотичные потоки фотонов синхронизируются с первоначальным. Процесс можно сравнить с волнением на море: одна волна запускает слаженное движение по водной глади, и вот уже множество волн подхватывают и усиливают друг друга.
От изначального набора атомов (активной среды) и резонатора зависят цвет (длина волны) и мощность лазерного луча, а также то, насколько он сфокусирован. Например, мощность излучения лазерной указки маленькая, потому что резонатор лишь собирает небольшой поток фотонов в яркую видимую точку. Резонаторы промышленных лазеров концентрируют в маленькую точку огромный поток света и выдают настолько мощный луч, что им можно резать твердые материалы.
В больницах, на заводах и в вашем компьютере
Лазеры отличаются составом активной среды, цветом и мощностью луча. Мощные твердотельные, в которых активная среда состоит из кристаллов (например, искусственных рубинов), помогают сваривать и резать металлы, проводить косметологические процедуры, а также используются в лазерных радарах.
Волоконные лазеры — разновидность твердотельных, где фотоны движутся внутри оптоволокна (тонких прозрачных волокон), — обеспечивают людей высокоскоростным интернетом. Распространенные лазерные диоды на основе устройства из полупроводников с двумя электродами работают в CD- и DVD-плеерах, лазерных указках, компьютерных мышках и дальномерах.
Высокоточные газовые лазеры, где активная среда состоит из газа (углекислого, аргона, ксенона, криптона), используют в хирургии, гравировке и производстве электронных микросхем.
Лучезарное настоящее энергетики
В энергетике лазеры помогают возводить промышленные объекты, следить за их состоянием и создавать их трехмерные модели. Лазерное сканирование позволяет сличить сооружения с цифровым проектом, чтобы предупредить любые неточности при строительстве. С 3D-сканером по стройплощадке может пройти геодезист или робот.
Геодезисту на работу может потребоваться несколько дней, а с роботом можно просканировать то же количество помещений за пару часов.
Олег Гайдабура
Руководитель штаба строительства исследовательского центра «Геосфера»
Сканирование вкупе с лазерными датчиками применяют для анализа надежности конструкций энергообъектов — например, атомных электростанций, ветряных турбин, трубопроводов. Лазерная диагностика помогает выявлять повреждения, потери тока и перегревы на линиях электропередач, а лазерная вырубка упрощает создание просеки при их строительстве.
Лазерные методы исследований и измерений используют в лабораториях — например, для анализа образцов горных пород и флюидов при разведке и добыче углеводородов, а также для повышения качества нефтепродуктов и контроля их качества.
Лазерно-индуцированное напряжение (LIER) помогает мгновенно оценить перспективность сланцевых пород. Что раньше требовало недель лабораторных испытаний, теперь занимает минуты. Геолог с портативным лазерным анализатором может определить состав породы прямо на месторождении. Это как носить с собой целую лабораторию в компактном чемоданчике.
Борис Белозеров
Эксперт по развитию и геологоразведке «Газпром нефти»
Еще одна полезная нефтяникам технология — лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (LIBS). По словам Бориса Белозерова, она показывает распределение химических элементов в образце горной породы как на ладони. Каждый лазерный импульс вызывает образование плазмы микроскопических размеров, и ее свет рассказывает о составе. Отношение водорода к углероду определяется лазером и показывает, больше нефти или газа даст месторождение.
Лазерные технологии будущего
Ученые разрабатывают технологии лазерного бурения. Так, в Петербурге придумали, как можно усилить приток нефти с помощью лазерной перфорации стенки скважины и бурить каналы для добычи метана из угольных залежей.
За рубежом испытывают и дорабатывают технологию лазерного обогащения урана — топлива ядерных реакторов. Рассматривают лазер и для «приручения» термоядерного синтеза: один из вариантов запуска реакции, который предлагают ученые, — мгновенный нагрев изотопов водорода сверхмощным лазерным лучом. Эксперименты в этом направлении последние 15 лет проводят в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США.
Без лазеров невозможно создать квантовый компьютер, который ускорит многие процессы, в том числе поиск залежей углеводородов.
Звучит фантастически, но лазеры предлагают использовать даже для беспроводной передачи энергии, в том числе в космосе. Такие технологии уже тестируют — ученые разработали лазер, который передает энергию на расстояние до километра. Возможно, когда-нибудь лазеры смогут доставить на Землю солнечную энергию, собранную спутниками на орбите, и питать космические базы на Луне.
