1. Про разнообразие лазеров
Первый "разрез" классификации лазеров - по классу активной среды: твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые (ПП). В каждом из этих классов есть подклассы, причем по разным признакам. И есть и другие "разрезы" классификации.
Так, среди газовых лазеров можно выделить лазеры, в к-рых "работают" электронные переходы в атомах (гелий-неоновые лазеры видимого и ИК диапазонов), ионах (аргоновый и криптоновый лазеры в видимом диапазоне) или молекулах (азотный лазер и т.н. "эксимерные" лазеры в УФ диапазоне), а также колебательные переходы в молекулах (СО2 и многие другие газовые лазеры в ИК диапазоне), и в этой связи эти лазеры существенно различаются физикой работы и параметрами. Другой "разрез" по активной среде - ее состояние: отпаянные газоразрядные приборы, проточные (с прокачкой газовой смеси), лазеры на парАх металлов (в т.ч., весьма популярные лазеры на парах меди) и даже т.н. "газодинамические" (активная зона - на выходе сверхзвукового сопла, при расширении в к-ром происходит "активация" газа). Ясно, что это разные "весовые категории" по сложности реализации и применения.
Другой важный "разрез" базовой классификации лазеров - по методу возбуждения ("накачки") активной среды: оптическая накачка тепловыми источниками (импульсные лампы или пиротехнические смеси), оптическая накачка другими высокоэффективными лазерами (в т.ч., т.н. "диодная накачка" - оптическая накачка твердотельного лазера излучением ПП лазера или набором таких лазеров), накачка электрическим разрядом в большинстве газовых лазеров (существенно различаются продольный или поперечный разряд), электрическая накачка полупроводниковых лазеров (обычно прямым током через кристалл, но применяется также накачка электронным пучком в ЭЛТ) и химическая накачка сверхмощных ("оружейных") газовых лазеров. Также ясно, что это совершенно различные технологии.
Наконец, бывают различные временнЫе режимы работы лазеров: непрерывный, кратковременный непрерывный (ограниченный теплоемкостью активной зоны и т.п.) и множество разных импульсных режимов - вплоть до т.н. "сверхкоротких импульсов" (до десятков фемтосекунд - это "волновой пакет", содержащий всего десяток колебаний
). Эти режимы радикально различаются как в устройстве и работе лазеров, так и в их применениях.
В общем, единственное, что объединяет разнообразные лазеры - это их фундаментальный принцип действия: усиление света посредством вынужденного излучения (ЛАЗЕР - аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Т.е., на любое предложение считать обязательным свойством всякого лазера какой-либо другой признак, кроме "усиления света посредством вынужденного излучения", можно привести пример лазера, у к-рого этого признака нет (бывают даже лазеры без резонатора!). Я попытался вспомнить какой-либо другой класс устройств, столь же разнообразных, как лазеры - и не смог ...
2. Про вынужденное излучение
Вынужденное излучение - чисто квантовое явление, т.е., не имеет классического аналога и объяснения. Явление вынужденного излучения было предсказано Эйнштейном еще в 1905г, экспериментально подтверждено в 1928г, а в 1938г советский физик В.А.Фабрикант сформулировал принципиальную возможность усиления ЭМ излучения на этой основе (АС на открытие с приоритетом от 1951г). Но всерьез этим занялись в США и СССР только в конце 40х ради создания малошумящих усилителей и генераторов СВЧ (мазеры - от Microwave Amplification by ...), к-рые реально появились в начале 50х. А первые лазеры - это 1960г.
Суть вынужденного излучения в том, что фотон может не только поглотиться или рассеяться на микрочастице (атоме, ионе или молекуле). В том случае, если эта частица находится в возбужденном состоянии, а энергия и момент импульса фотона равны изменению энергии и момента импульса при переходе этой частицы в какое-то "нижнее" состояние (с меньшей энергией, но не обязательно основное), то фотон может остаться в неизменном состоянии и при этом спровоцировать переход микрочастицы в это "нижнее" состояние, с одновременным излучением второго фотона, идентичного первому по всем характеристикам (точная копия). Этот способ распада возбужденного состояния микрочастицы - дополнительный к спонтанному излучению и к т.н. "безызлучательным переходам" (с передачей энергии другим степеням свободы).
Если каким-то способом (накачкой) в среде создано преобладание кол-ва микрочастиц в возбужденном ("верхнем") состоянии по сравнению с "нижним" состоянием, то такая среда (с т.н. "инверсной населенностью" энергетических уровней) не ослабляет, а усиливает излучение. А помещение усиливающей среды в резонатор создает положительную обратную связь, и усилитель становится генератором. Впрочем, бывают и безрезонаторные лазеры, но это отдельная песня, здесь неуместная.
Проблема создания лазеров - это во многом проблема создания усиления в активной среде. Из фундаментальных законов квантовой теории следует, что при прочих равных условиях создать усиление излучения тем труднее, чем короче длина волны. Поэтому большинство видов лазеров работают в ближнем ИК диапазоне (твердотельные - практически все). Более того, лазеры видимого и УФ диапазонов появились в значительной степени лишь потому, что "очень хотелось", а появление ПП лазеров видимого диапазона стало в свое время сенсацией (Нобелевская премия Ж.Алферову фактически была дана именно за создание такой возможности).
3. Основные применения лазеров в мирной жизни
В гражданских технологиях я бы выделил 5 основных направлений.
1) "Силовые" технологии: резка разнообразных листовых материалов (от раскроя тканей при мощности луча десятки Вт до резки толстой корабельной стали при мощности луча до 10 кВт), гравировка (в т.ч., в объеме прозрачных деталей) и маркировка, деликатная резка и сварка металлов (например, герметизация миниатюрных корпусов ЭРИ сваркой по шву), сверление особо твердых материалов (в т.ч., алмазных фильер), скрайбирование полупроводниковых пластин, подгонка параметров ЭРИ и т.д. и т.п. Сюда же примыкают 3D принтеры. В этих делах в основном применяются разнообразные твердотельные лазеры и некоторые газовые (азотные, аргоновые, СО2), причем волоконные лазеры явно вытесняют газовые на СО2.
2) Разнообразные бесконтактные измерения размеров в машиностроении, приборостроении, строительстве, геодезии, топографии и т.п. В соответствующих приборах применяются разные твердотельные, газовые и ПП лазеры.
3) ИТ: передатчики и ретрансляторы волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), оптическая запись и считывание информации, голографическая память и т.п. Другая область применения лазеров в ИТ - лазерные принтеры и сканеры (офисные и штрих-кодов). Наконец, в каждой мышке есть ПП лазер. В основном в ИТ применяются ПП лазеры, но есть и дела для газовых.
4) Медицина: разная хирургия (как "силовая" - разрез с одновременной заваркой сосудов, так и микрохирургия, в т.ч., глазная), разные косметические операции и терапевтические облучения. Применяются все классы лазеров.
5) Разнообразнейшее научное лабораторное оборудование (и серийное, и уникальное) и "штучные" установки (например, лазерные локаторы для дистанционной регистрации примесей в атмосфере). Применяются все классы лазеров, в т.ч., жидкостные и ПП с плавной перестройкой длины волны.
4. Основные применения лазеров в ВиВТ
В ВиВТ и примыкающей к ней авиакосмической технике я бы выделил 4 основные области применения.
4.1. Разнообразные приборы и системы наблюдения, дистанционного зондирования и наведения.
1) Оптическая разведка и целеуказание: лазерные дальномеры (ЛД-...) - как автономные (в виде лазерных приборов разведки ЛПР-...) так и в составе прицельных комплексов самых разных ВиВТ; лазерные целеуказатели (ЛЦ-...) и целеуказатели-дальномеры (ЛЦД-...) для разнообразных артиллерийских и авиационных боеприпасов с полуактивным лазерным самонаведением; лазерные маркеры (ЛМ) для применения стрелково-пушечного вооружения (ЛМ создает яркое ИК пятно на цели, видимое в ПНВ и ночные прицелы).
2) Лазерные высотомеры разных ЛА и дистанционные взрыватели УР (и то, и другое - это по существу специализированные маломощные автоматические лазерные дальномеры, но они значительно отличаются от дальномеров для оптической разведки по устройству и характеристикам).
3) Приборы обнаружения оптических средств противника (т.н. "антиснайпер" и т.п.). Сюда же примыкают станции обнаружения и подавления таких средств (в т.ч., ПРО самолетов от ракет с ИК ГСН) - хотя это можно считать "нелетальной" разновидностью лазерного оружия.
4) Приборы лазерно-лучевого управления УР в разных ракетных комплексах - наземных противотанковых и зенитных, а также авиационных (по разным наземным целям).
5) Приборы и системы "дальновидения" сквозь туман или осадки, а также сквозь толщу воды (подсветка "пейзажа" импульсным лазером и стробирование телекамеры, пропускающее только излучение от выбранной дальности).
Масштабы применения таких приборов внушают. Так, в современной мотострелковой или танковой дивизии по моим прикидкам должно быть несколько десятков автономных ЛПР в стрелковых ротах и артбатареях, сотни встроенных ЛД в прицельных комплексах бронетехники (в современных машинах - аж по 2 ЛД: у наводчика и у командира) и до 16 ЛЦД (по 2 шт.? в каждом взводе разведки каждого артдивизиона во всех полках дивизии).
Во всех этих делах применяются твердотельные и ПП лазеры.
4.2. Навигационные системы. Прежде всего, это БИНС на основе кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ), к-рые, НЯЗ, сильно потеснили или даже (почти?) вытеснили механические ГСП в современных ТР, ОТР, КР, АУР и фронтовых ЛА, а также в самолетах ГА (в СССР - вроде начиная с ИЛ-96). Сюда же примыкают лазерные гирокомпасы с КЛГ для топопривязки в сухопутном войске.
4.3. Передатчики и ретрансляторы на ПП лазерах в ВОЛС (как локальных, так и магистральных) в разных информационных системах. Кстати, система сбора данных для диагностики и телеметрии на РН "Ангара", с сотнями датчиков, реализована на основе ВОЛС.
4.4. Наконец, лазерное оружие. ИМХО, слухи о его возможностях и перспективах сильно преувеличены. Однако его применение для обороны важных объектов от легких и сверхлегких беспилотников, и даже от "средних" беспилотников и некоторых боеприпасов (не столь быстрых и не столь прочных, как артснаряды или БЧ баллистических ракет) вполне реально уже сейчас.
ЗЫ. Приведенные выше списки видов лазеров и их применений, ИМХО, более-менее представительные, но отнюдь не исчерпывающие. Так, я сознательно не указал ряд известных мне лазерных технологий, субъективно считая их недостаточно значимыми для упоминания в таком ликбезном обзоре.
Кстати, прежде чем писать этот трактат, я посмотрел обзорную статью про лазеры в Вики (в надежде, что удастся отделаться ссылкой или подборкой цитат) и был сугубо разочарован: у меня возникла масса претензий к адекватности подбора примеров, и я заметил ряд некорректностей. Глянул также заметку в Вики про целеуказатели - там вообще бред. Пришлось писать все самому ...
