Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Для разнообразных применений этого или подобного инструмента важны следующие его свойства: возможность локализации энергии на исключительно малой площади, возможность точной дозировки порции энергии, возможность подачи энергии без применения каких-либо проводов дли контактов.

Характерно применение лазера в часовой промышленности. Всем хорошо известно, что часы изготовляются на «камнях». Возможно, читатель и не знает, для чего нужны в часах маленькие рубины, но что их количество определяет качество часов — ему, конечно, известно. В рубиновых шайбах надо буравить отверстия. Без помощи лазера эта операция занимала несколько минут для каждого камня. Теперь процесс полностью автоматизирован и занимает доли секунды. Если учесть, что число камней, нужных промышленности, измеряется многими миллионами в год, то значение этого использования инструмента становится совершенно очевидным.

Тем же целям служит лазер в алмазной промышленности. При изготовлении алмазных камней для протяжки или бурения лазер применяется как инструмент, с помощью которого камню можно придать любой профиль и проделать в нем отверстие вплоть до размера в несколько микрометров!

Но я прервал разговор о производстве часов. Лазер оказывает ему еще одну большую услугу: приваривает пружину к часовому механизму. Вполне очевидно, что и во всех других областях промышленности, где требуется точечная сварка (а современная техника имеет в этом крайнюю нужду), может о большим успехом использоваться лазерный луч. Огромным достоинством тончайшего луча является, то, что нет заботы об охране и охлаждении частей, соседствующих с местом, подлежащим сварке.

Уже тривиальным стало использование лазерного инструмента как ножа для вырезывания любых контуров на любом материале.

Упомянем об одной неожиданной области применения лазера: для реставрации мраморных скульптур. Атмосфера XX века, увы, — далеко не чистый воздух. Различные вредные газы, и прежде всего окись серы, образуют на мраморе черную корку. Корка эта пориста и поэтому как губка впитывает влагу и дополнительные дозы вредных веществ. Удаление корки механическими, и химическими средствами может привести к порче скульптуры. Действуя же лазером в импульсном режиме, удаляют корку не затронув мрамора.

При помощи лазера на углекислом газе осуществляется рост кристаллов без тиглей. Процесс этот не нов. Токи высокой частоты применялись уже давно для такого выращивания кристаллов, но не для диэлектриков, обладающих слишком малой теплопроводностью. При помощи лазеров сейчас растят без тиглей кристаллы ниобатов и других очень нужных веществ. Важность безтигельного роста кристаллов для нужд микроэлектроники невозможно переоценить, ибо миллионные доли примесей могут сыграть отрицательную роль; а избавиться от того, чтобы какие-либо «вредные» атомы не перешли из материала тигля в кристалл, практически невозможно.

Я не буду останавливаться на описании конструкции соответствующего аппарата. О росте кристаллов шла речь во 2-й книге. Как и в случае токов высокой частоты, луч лазера создает небольшую расплавленную зону, которая медленно подводит вещество к растущему кристаллу. Мне кажется вероятным, что использование лазера потеснит другие методы выращивания кристаллов.

Каждый источник света можно охарактеризовать энергией, которую он излучает. Однако во многих случаях нас интересует только та часть потока энергии, которая приводит к зрительному ощущению. Такой особенностью обладают, как мы говорили, электромагнитные волны, длины которых лежат в пределах примерно от 380 до 780 нм.

Воспринимаемый мозгом свет характеризуется яркостью и цветом. Если сопоставить зрительные ощущения, которые создаются светом равной интенсивности, но разной длины волны, то окажется, что наиболее ярким глазу представляется источник света, дающий волну длиной 555 нм, что соответствует зеленому цвету.

Восприятие света можно характеризовать кривой видимости (рис. 2.8), которая показывает (в относительных единицах) чувствительность нормального глаза к волнам различной длины. Однако техники оставляют эту кривую вне внимания и предоставляют глазу выносить суждение об интегральной силе света.

Идя по этому пути, надо выбрать какой-то эталонный источник света, а затем сравнивать с ним другие источники. За единицей силы света долго сохранялось название свечи, ибо первые попытки выбора эталона как раз и заключались в том, чтобы подобрать некое стандартное пламя свечи. Не приходится и говорить, как это трудно сделать.

Международный эталон, принятый на сегодня, представляет собой раскаленное черное тело. Материалом служит платина. Черное тело испускает свет, излучаемый платиной, нагретой до температуры плавления, т. е. до 2046 К, через небольшое отверстие.

Единица силы света получила название канделы («свеча» по-латыни). Международное определение старается избежать прямого указания на температуру свечения (чтобы не внести ошибки, связанные с измерением температуры). Поэтому кандела определяется так: если в качестве источника взять платину, находящуюся в состоянии затвердевания при нормальном атмосферном давление, то площадь 1/ 610 -5м 2дает в направлении, перпендикулярном поверхности, силу света, равную одной канделе.

На достаточно больших расстояниях, источник света представляется точкой. Именно в этих случаях и удобно измерять силу света. Построим около точечного источника сферу, выделим на этой поверхности участок площадью S . Поделив S на квадрат расстояния от центра, мы получим так называемый телесный угол. Единицей телесного угла является стерадиан. Если на сфере радиусом один метр вырезается площадка S = 1 м 2, то телесный угол равен одному стерадиану.

Световым потоком называют силу света точечного источника, умноженную на величину телесного угла.

Пусть вас не смущает то обстоятельство, что световой поток обращается в нуль, когда речь идет о параллельных лучах. В подобных случаях понятием светового потока не пользуются.

За единицу светового потока принимается люмен, равный потоку, который посылает точечный источник с силой света в одну канделу в угол, равный одному стерадиану. Суммарный световой поток, излучаемый точкой во все стороны, будет равняться 4π лм.

Сила света характеризует источник света вне зависимости от его поверхности. В то же время совершенно ясно, что впечатление будет различным в зависимости от протяженности источника. Поэтому пользуются понятием яркости источника. Это — сила света, отнесенная к единице поверхности источника света. Яркость измеряется в стильбах: один стильб равен канделе, поделенной на квадратный сантиметр.