1. Вступление
Спектроскопия — разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии — для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

Задача спектроскопии - предсказание вида спектра вещества исходя из знаний о его строении, составе и т.д.. Но возможна и обратная задача: известный спектр, но неизвестный состав. И по спектру можно определить, что за вещество (химический состав, агрегатное состояние (твердое тело, жидкость, газ, плазма), если газ, то можно примерно определить давление, для плазмы температуру и степень ионизации, также можно определить количественные характеристики)

Различают: спектр излучения и спектр поглощения
Для сравнения:

А) Спектр излучения
В) Спектр поглощения
_________________________________________________________________
Спектры твердых тел (далее: тт), молекул, газов (ионов) существенно различаются.
Спектр тт непрерывный.
Вот, к примеру, спектр излучения тела разогретого до 6 000 градусов:

Вообще по спектру тт невозможно определять химический состав. Потому что там есть температурная зависимость. Пик интенсивности перемещается от красного к фиолетового диапазона.
Вот спектр излучения тела разогретого до 10 000 градусов:

А вот для тела разогретого до 3 000 градусов:

По этим графикам это очень отчетливо видно.
___________________________________________________________________
Спектр молекул полосатый. Но определить хим. состав вполне можно.
Вот, к примеру, спектр парафина:

Молекула парафина большая и поэтому спектр более напоминает непрерывный. Но, обратите внимание на синий диапазон (фиолетового нет)! Вот те 2 линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Вот спектр углекислого газа (СО2):

Это спектр излучения от бутановой горелки:

Линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Это спектр принадлежит горящему спирту:

Так же видно линии, которые принадлежат молекулам радикалов CH и C2. Но видно также линии, которые им явно не принадлежат (это натриевые линии). Просто натрий был в фитиле, а фитиль тоже горел. И вот появился спектр натрия.

Я думаю, благодаря фотографиям теперь очевидно, что такое полосатый спектр и чем он отличается от других (к примеру, от линейчатого). Линии полосатого спектра намного шире, чем для линейчатого.
___________________________________________________________________
У атомов и ионов спектр линейчатый (или по-другому: дискретный) (в принципе у очень малых молекул типа: СО2, N2 и т.д. спектр тоже напоминает линейчатый, но при более детальном исследовании видно, что он полосатый)
Вот примеру этому:

Это спектр водорода. На переднем фоне спектр атома, а на заднем (слабее и очень много линий) это спектр молекулы водорода H2.

Это спектр кадмия:

Это спектр рубидия:

Это спектр цинка:

___________________________________________________________________
Вот ещё пару спектров:
Спектр излучения белого светодиода:

Спектр излучения лазерного диода (660 нм):

Спектр излучения DPSS лазера (532 нм):

____________________________________________________________________

2. Спектры
Спектр излучения (или поглощения) для каждого вещества уникален (связано с энергетическими уровнями молекул/атомов/ионов)
Но на спектр влияет также условия, в которых находится вещество. Ну, к примеру, есть колба с неоном. При разряде с слабым током возникает излучение со спектром:

Это спектр излучения атома неона

Но, допустим, мы увеличиваем ток. И уже некоторая часть атомов неона начинает ионизироваться. Но у иона неона спектр другой (ну, добавляются новые линии, некоторые линии, в принципе, могут исчезать или менять интенсивность).

Вот спектр неона, но это уже смесь (атомы неона и ионы неона):

p.s. Вот почему необходимо следить за спектром излучения трубки гелий-неонового лазера! Газовая смесь как бы сама говорит, что ей не нравится! Если слишком большой ток, то появляются новые линии (преимущественно это касается неона), если есть течь у трубки и в трубку попадают посторонние газы, то тоже появляются другие линии («левые»). Если гелия в трубке мало, то это тоже можно увидеть (в современных трубках это основная проблема! У старых может ещё и натечь, что-то), т.к. линии гелия слабеют

Кому интересно, почему для каждого атома/молекулы/иона свой уникальный спектр, могу посоветовать почитать в книгах:
1. Пихтин А.Н. — Оптическая и квантовая электроника, 2001
2. Ельяшевич М.А. — Атомная и молекулярная спектроскопия, 2001
Ну, или спросить у меня )
____________________________________________________________________
И ещё одно. Часто в спектроскопии (да и не только) можно встретить такую запись: ArI или ArII или FeV. Теперь я объясню, что означает такая запись. Ну, к примеру, к вам попала фотография спектра ArII. Запись ArII означает, что этот спектр принадлежит иону аргона с зарядом +1(т.е. без одного электрона)
И так:
ArI — нейтральный атом аргона (заряд равен 0)
ArII — ион аргона (заряд равен +1)
ArIII — ион аргона (заряд равен +2)
ArIV — ион аргона (заряд равен +3)
FeV — ион железа (заряд равен +4)
____________________________________________________________________
Вот спектры атомов в видимом диапазоне:

Здесь не все линии. Нет слабых! Здесь только основные (сильные) линии для видимого диапазона (400 нм -700 нм)
Кому надо со всеми линиями и спектры ионов (или с интенсивностями), то обращайтесь, у меня есть.
____________________________________________________________________
Я думаю, вам это не помешает:
Это спектр, который видит человеческий глаз с длинами волн:

____________________________________________________________________

3. Самодельные дифракционные решетки

Для работы любого спектроскопа есть 2 самые главные вещи:
1. Наличие диспергируещего элемента (далее: дэ)(если в роли дэ играют решетка или призма)
2. Диафрагма на входе в прибор.
Остальные элементы не очень важны, но с ними качество изображения и разрешающую способность увеличится.
В роли дэ может служить призма дифракционная решетка или интерферометр (в нашем случае не рассматриваем). Решетка предпочтительней, потому что у неё большая разрешающая способность(по сравнению с призмой) и её легче сделать (по сравнению с интерферометром). Но, правда, с призмой будет ярче изображение. Можно и призмы дома делать. Но это гораздо тяжелее (есть, правда, один фокус с зеркалом и водой, но такая призма будет очень не удобной).Если делать спектроскоп с интерферометром(обычно Фабри-Перо), то диафрагма на входе не обязательна. Но для начала надо хотябы сделать с решеткой.Потому что у призм разрешающая способность ниже, а итерферометр делать не так уж легко, не говоря работать с ним.
Есть 2 варианта:
1. Самый простой, быстрый и дешевый. Решетка получится довольно неплохого качества. Неплохая разрешающая способность. Нормальная яркость. Профиль прямоугольный (или напоминающий его). Но штрихи в виде дуг. И из-за этого будут некоторые «аномалии» при работе такой решетки.
2. Сложный, долгий (4-5 часов и не учитывая подготовки!) и дорогой (ну, 5-15 $ за решетку). Количество штрихов /мм вы контролируйте. Качество достижимо практически идеальное (но, разумеется, зависит от ваших рук!). Профиль синусоидальный. Штрихи прямые. Нужно специальное приспособление (ну, там: лазер, некоторая оптическая схема)
____________________________________________________________________
Метод №1
Не секрет, что оптические диски могут служить как неплохие дифракционные решетки. При использовании разных типов дисков, мы получаем решетки с разными количествами штрихов /мм.
Вот справочные данные:
625 штрихов/мм — CD(700 МБ)
633 штрихов/мм — CD(800 МБ)
1351 штрихов/мм — DVD
3125 штрихов/мм — Blu ray
____________________________________________________________________
Для CD:
1. Находим ненужную болванку (можно пустую, а можно и записанную) и желательно пустую, и относительно новую. Со старыми будут проблемы!

2. С помощью ножниц разрезаем диск на 2 половинки:

В принципе это уже и есть дифракционной решеткой, работающей на отражение. Но если вам интересно сделать решетку на пропускание, то продолжим дальше. Обратите внимание на края. Там где вы разрезали. Пленка алюминиевая начинает отходить. Для решеток, которые будут работать на отражение это плохо. У меня такое произошло, потому что диск старый (ему 2 года). С новыми такое гораздо реже случается.
3. Берем скотч. Отрезаем кусок скотча и наклеиваем на кусок от диска (на ту часть, где этикетка (картинка)!!!). Наклеивать по всей площади этикетки!

4. Отдираем скотч.
Вот как показано здесь:

Всё нормально, фольга и должна со скотчем остаться!
В результате получим такое:

Если остаются остатки пленки на решетке, то не вздумайте её отдирать скотчем. Если вы наклеите на рабочую поверхность (после того как удалили пленку) скотч, то потом будут следы от него, которые уже не возможно будет удалить! Попробуйте её снять аккуратно ногтем. Или чем-то другим, но оно должно быть достаточно мягким, но чтобы можно было счистить остатки пленки и не острым.

Если вы делаете такую решетку на отражения, то могут возникнуть проблема. Когда вы разрезали диск на 2 части, а диск у вас достаточно старый (хотя такое может произойти и на не качественных новых), то на краях, где вы резали, будет отслаиваться алюминиевая пленка.
Вот как показано здесь:


Проблема заключается в том, что если нечего не делать дальше, то пленка может и дальше отслаиваться.
Решение есть такое:
1. Берем скотч, отрезаем кусок примерно такой же, как указано на фотографии ниже. И очень аккуратно наклеивается на диск (на ту же сторону, что и на фотографии)


2. Отрезаем излишки скотча

3. И та часть скотча, которая выступает за край диска (когда вы отрезали излишки скотча, то надо чтобы некоторая часть потом выступала за края диска) прижимаем к самому диску. В результате должно получиться такое:


Это продлит жизнь таких решеток.

Вот теперь у вас есть решетка, работающая на пропускание с периодом:

1.6 мкм для CD(700 МБ)
1.58 мкм для CD(800 МБ)

____________________________________________________________________
Для DVD:
Здесь сложнее. Просто взять и отрезать кусок от диска не прокатит. Потери слишком большие.
И так:
1. Находим ненужную болванку(можно пустую, а можно и записанную). Я предпочитаю брать пустые болванки компании:

Так как с них получаются очень хорошие решетки. И качество этих болванок очень высокое. А пустые потому что, меньше риск, что алюминиевая пленка начнет отслаиваться. Ну, а вы берите какие хотите. Только если болванка плохого качества, то решетки может не выйти. Читайте дальше почему.
2. С помощью хороших ножниц делаем из одной болванке — две болванки! Отрезать лучше всего посередине!

3. Берем одну половинку и в торец и пытаемся просунуть ноготь (я обычно так и делаю) или остриё ножа. Там в реале 2 диска. Они спрессованные в один. А ногтем или ножиком мы их разделяем и у нас получается 2 половинки диска.

И разделяйте эти слои.


В итоге вы должны получить это:

И не переживайте если увидите это:

Всё нормально.

Но если диск плохого качества, то может начать отслаиваться пленка алюминия. Вот как здесь:

То это уже всё — напрасно убили болванку.

Одна часть, в принципе, уже может работать как решетка на пропускание (теоретически её ещё можно помыть спиртом, только спиртом!но на практике яркость изображения потом падает). На этой половинке вполне вероятно, что и вовсе нет решетки. Но за счет, что там остается фоторезист, который повторяет контура дорожек и происходит дифракция. А вторую надо немного доделать.
4. Мы решили сделать решетку с очень низкими потерями. Для этого там нужна та часть, где осталась алюминиевая пленка с основной частью фоторезиста.
Вот эта половинка диска:

Берем ацетон или спирт. Также берем ватку (ну или что-то другое, только оно должно впитывать растворитель и не растворятся в нем). Макаем ватку в растворитель и протираем поверхность. Это необходимо делать крайне осторожно! И сильно не нажимать! Желательно обеспечить минимально трение. Потому что тогда будет отдираться пленка (хотя, если диск хреновый она и так отойдет)! А это очень хреново. Придется всё заново делать!
Вот, что мы в результате должны получить:

Слева 2 пропускающих решетки. А справа 2 отражающие решетки со снятым фоторезистом. Те темные точки на отражающих решеток, это следы влаги. Они легко устраняются.

Кстати, так можно проверять качество дисков. Но посмертно .
Вот теперь у вас есть решетки на пропускание и отражение с периодом 0.74 мкм!
____________________________________________________________________
Для Blu ray:
Про Blu ray я практически ничего не могу сказать. Я их в живую не видел. И поэтому алгоритма как сделать с них решеток я пока не даю. Мне известно только то, что их можно приспособить для наблюдения спектров и есть основание полагать, что они имеют такую же структуру, как и DVD (2 спрессованных диска). Как попадется она мне в руки, я напишу.
____________________________________________________________________
Метод №2

Не задавали ли вы себе вопрос: что такое голограмма? По сути это дифракционная решетка, но это очень хитрая дифракционная решетка!
Вот фотография, голографическая пластинка с записанной голограммой под электронным микроскопом:

Это лишь малый её участок. Как видно по фотографии такая решетка очень сложна. Но нам не требуется, чтобы штрихи на решетки не описывали какие-то сложные узоры. Нам нужно, чтобы они были прямые! Такое можно сделать. Для начала необходимо вообще познать теорию записи голограмм.

Вот рекомендуемые ссылки:
http://www.holography.ru/techrus.htm
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/71-holographypart1.html
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/72-holographypart2.html

Я не буду касаться технологии записи голограмм. Алгоритм записи голографической решетки такой же, как и для голограммы. Только схема установки другая. Метод Денисюка для записи голографических дифракционных решеток не подходит. Там свой метод.
Вот схема установки для записи голографических дифракционных решеток:

Два когерентных пучка получаются после отражения от зеркала 1 при делении излучения лазера на зеркале 2. Затем отражательные зеркала 3, 4, 7, 5 и 8 формируют два сходящихся пучка, которые расширяются с помощью микрообъективов 6 и 9 и коллимируются объективами 10 и 11. Зеркала 3 и 4 необходимые для того, чтобы были одинаковые оптически длины пути. Но идеально уравнять их не получится и здесь в дело вступает длина когерентности. Конструкция должна быть защищенная от вибраций! Голографические пластинки не должны быть сенсибилизированы для одной длины волны. Необходимо, чтобы они были сенсибилизированы для нескольких длин волн или небыли вовсе не сенсибилизированы (это лучше всего!). Для большой эффективности у используемых фотопластинках толщина эмульсионного слоя должна быть побольше (но в меру). Скажем, хорошо подходят те пластинки, которые предназначены для записи методом Денисюка (там эмульсионный слой достаточно толстый). И разрешающая способность должна быть достаточно высокой. И тут появляются проблемы, для обеспечения максимальной эффективности нужны фазовые голограммы (меняется коэффициент преломления), а не амплитудная (меняется коэффициент поглощения). Нужно использовать пластинки на хромированной желатине (БХЖ) (такие как ПФГ-04(ПФГ-04 — фотопластинки для записи отражающих и пропускающих голограмм на хромированной желатине (БХЖ)). Имеют разрешающую способность более 10 000 лин/мм. Рассчитаны на запись голограмм аргоновым лазером в сине-зеленой области спектра)). Не, ну можно использовать и другие, но решетка не очень получится. Такие пластины можно делать дома. В принципе можно делать и галоидно-серебряные фотопластинки дома, но эти гораздо проще. Хотя и их не совсем просто делать. Для них (голографических фотопластинок на БХЖ) будет оптимально будет использовать лазер на 405 нм.
Вам необходимо изучить, как проявлять пластины ПФГ-04 и им подобные. Для этого зайдите на форум сайта:
http://www.holography.ru
Период будущей решетки можно вычислить по формуле:

P.S. Кстати, есть любопытная информация, что можно улучшить спектр полупроводникового лазера с помощью решетки! И решетки, которые делаются по методу №2 вполне годятся для этого.

В принципе, практически все современные дифракционные решетки производят по голографическому методу. Так дешевле и качественнее, чем нарезные. Профиль у таких решеток синусоидальный. Эффективность, у них, очень высокая.
____________________________________________________________________
Для спектроскопов, работающих в видимой области наилучшая будет решетка на 2 000 — 2 500 штрихов на мм. При очень большом количестве штрихов на мм (ну, скажем 6 000) решетка не сможет работать в видимой области. А с решеткой на 3 000 — 3 500 штрихов на мм будет очень неудобно работать. Но если слишком мало, то будет низкая разрешающая способность решетки. По этому для профессионалов оптимально будет 2 000 — 2 500 штрихов на мм. Но для любителей вполне сойдет 600 — 1 500 штрихов на мм.
____________________________________________________________________

4. Самодельные спектроскопы

Немного теории

Для справки:
Спектроскоп — оптический прибор, предназначенный для наблюдения спектра непосредственно глазом.
Спектрограф — оптический прибор, предназначенный для фиксирования изображения спектра на фото. Роль регистрирующего элемента играет фотопластинка или CCD матрица фотоаппарата.
Монохроматор — оптический прибор, предназначенный для выделения одной длины волны в пределах заданного спектрального диапазона.

Теперь немного теории с решетками.
Допустим, у нас есть решетка, работающая на отражение.
Мы знаем:
1. Под каким углом падает свет на решетку
2. Период решетки (он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм)
3. Порядок максимума
4. Угол максимума
Нас будет интересовать длина волны соответствующая этим параметрам.
Это можно вычислить по этой формуле:

n — порядок максимума; может принимать только целые положительные или отрицательные значения, n=0,±1,±2,±3,…
D — период решетки; он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм
β — угол падения света на решетку
α — угол максимума (угол между нулевым порядком(n=0) и интересующим порядком)
λ — длина волны

p.s. Могут быть проблемы с кодировкой и греческие символы альфа, лямбда и т.д. могут отображаться не корректно. Если это случилось, то, пожалуйста, сообщите мне

А если решетка работает на пропускание:

только здесь:
d тоже, что и D в формуле выше
ϑm тоже, что и α в формуле выше
ϑ0 тоже, что и β в формуле выше
m тоже, что и n в формуле выше

Давайте рассмотрим простейший случай. Когда свет падает на решетку перпендикулярно. Это означает, что ϑ0 или β (для самой первой формуле) будут равными 0 (обратите внимание, на картинках указано откуда отсчитывается углы!).
Тогда мы получим:

Из выше написанного можно сделать выводы:
1. Вот почему оптимально использовать решетки до 2 000 2 500 штрихов на мм
2. Чем меньшая длина волны, тем слабее отклоняется (с призмой иначе).
3. У решетки параметры линейные. Спектр не искажается (сжимается или расширяется). Потому что зависимость длина волны и угол, на который она отклоняется линейная. А у призмы нет! У призмы зависимость коэффициента преломления от длины волны изменяется нелинейно.
Зависимость коэф. преломления от длины волны (энергии фотона) для кварца:

____________________________________________________________________

Теперь немного практики
Возьмите свою дифракционную решетку (или призму) и попытайтесь увидеть спектр от лампы дневного света.
Вы увидите примерно такое:

Если картинка отличается, то ничего. Смысл здесь другой. Обратите внимание на изображение. Линии размытые. Трудно заметить несколько близко расположенных линий, что это отдельные линии, а не одна. Но не страшно. Нужно просто немного ограничить количество света идущего на наш дэ. Нужно добавить диафрагму (по-другому называют оптический нож, или просто щель). Щель не должна быть круглой, а должна быть прямоугольной. А для того, чтобы не было засветки нужно корпус.
Короче говоря, что-то такое должно быть:
Для решеток работающих на пропускание:

Для решеток работающих на отражение:

1. Изучаемый источник света
2. Диафрагма (щель)
3. Диспергирующий элемент (дэ); в нашем случае решетка.
4. Приемник света

Теперь алгоритм:
1. Ищем хорошую коробку (корпус)
2. Достаем дэ или просто делаем его (в случае решетки)
3. Ищем, в роли чего может выступать диафрагмы. Оно должно быть ровным, не прозрачным (бумага не подходит, оно должно быть из пластика или метала). Хорошо подходят ненужные пластиковые карточки или лезвия.
4. Всё это клеим (скотчем или клеем). Учтите! С решетками надо крайне аккуратно! Их легко поцарапать!

Вот что у меня получилось:
Диафрагма(вид сверху)

Диафрагма(вид снизу)

Теперь посмотрим спектр лампы дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Это уже другая лампа дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Решетка на 625 штрихов/мм:

Вот теперь другое дело. Только не повторяйте моей ошибки. Корпус должен быть покрашен черной краской и желательно изнутри. Иначе будет засветка. Особенное внимание уделите передней части.

На счет диафрагмы. Возникает вопрос: какую щель установить? С одной стороны, чем она уже, тем лучше. Разрешающая способность возрастает. Но с другой стороны, меньше света попадает в прибор. А значит, яркость будет меньше. Вот такая проблема. Я рекомендую делать диафрагму регулируемой и настраивать её в зависимости от ситуации. Если нет такой возможности, то устанавливайте её в этих пределах:
1. Для большой яркости источника света: толщина 0.5 — 1 мм (ртутная лампа, натриевая лампа, солнце, и т.д.)
2. Для средней яркости источника света: толщина 1 -1.5 мм (лампа дневного света, лампа накаливания на 30-100 ватт, и т.д.)
3. Для малой яркости источника света: толщина 2 и более мм (трубка гелий-неонового лазера, неоновая лампа, и т.д.)
Диафрагма должна быть вдоль нарезки дорожек! Между диафрагмой и решеткой должно быть не менее 5 см (лучше всего около 10-15 см, почему будет в следующей части).

Это у меня была решетка на пропускание. Для решетки на отражение всё тоже самое. Только нужно вычислить угол её наклона относительно нижней стенки корпуса (на рисунке этот угол помечен как: *)
Если в качестве дэ использовать призму, то надо ещё будет придумать, как её закрепить.

Вот попытка заснять спектр солнца:

Если присмотреться, то видно, что спектр солнца не непрерывный(это спектр поглощения, значит искать темные полосы!). Скоро я заменю на более качественную фотографию. Ну, спектроскоп хоть и игрушечный и фотка получилась не очень (просто солнце тогда не было в прямом поле зрения), но некоторые линии я могу рассмотреть и определить чью они(2 линии водорода, магния, железа, ещё нормально видно 2 линии это скорее всего это гелий)
____________________________________________________________________

p.s. В следующей части точно будет: разрешающая способность, как усовершенствовать свой спектроскоп, оцифровка спектра и анализ на компьютере. И также я может ещё что-то добавлю дополнительно про то, что я уже писал (решетки с Blu ray дисков, голографические диф. решетки, и т.д.). И может быть я расскажу про самодельные интерферометры Майкельсона и Фабри-Перо.
Если есть вопросы, то задавайте.
Меня можно найти здесь:
http://www.lasers.org.ru/forum (Ник: Korol)
Или в крайнем случае здесь:
http://vkontakte.ru/id14028736 (Когда будете добавлять в друзья, то пожалуста сделайте пометку, что вы по поводу статьи по спектроскопии!)
Но лучше будет если через форум.

Уже самое начало XX века было отмечено величайшими достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстрировал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил итальянский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену изобретенному еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря
1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И.
И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец».

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности — Нобелевская премия 1903 г. В 1897 г. английский физик
Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд —
Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной способности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий
XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет — опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20- й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера.
На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер: универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным космическим оружием, ещё одним разрушителем?

Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех других источников, он вовсе не предназначается для освещения. В отличие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, резать материалы, передавать информацию, осуществлять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реакции… Так что это поистине удивительные лучи.

В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин — когерентность.

В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распространяющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно назвать внутренне неупорядоченным, хаотическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечивается согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок отличается, во-первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых, исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при взаимной согласованности испускают волновые цуги одинаковой (точнее говоря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления движения.

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Эту нить можно увидеть, если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный — настолько, что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепительно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффектное зрелище-комната, как бы «перечеркнутая» в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.

Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч
СО2-лазера вообще невидим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч — это обязательно непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования импульсов; это очень важно, так как от частоты следования импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как управляют лазерными импульсами, будет рассказано позднее.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин
«лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом.
Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом.
Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме —камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики.
Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

То, что сверление — призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений.
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт.
Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки — когда одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

Первый пример такого рода резки — лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм.
Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример — автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности.
Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.

В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка — на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт.

Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется.
Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения
20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см2. Излучение проникает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см3. Для биологических тканей это очень много. Происходит их быстрое разогревание и испарение — налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см2, то ткань испаряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель — удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле.
Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность — ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживляется.

До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоящий в том, что до больного места добирались с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканями. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на такой шаг.

С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г.
Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Метод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. Для этого был использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реализации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из основания, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибкого соединения подвешена излучающая головка с рубиновым лазером. На одной оптической оси с лазером располагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кнопки, расположенной на одной из рукояток.
Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающего персонала прибор снабжен световой и звуковой сигнализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02 до 0,1 Дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облучение. Вся операция напоминает сварку металла точечным методом.

В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запустили модель беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где размещалась эта пушка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости беспилотного самолета. Самого луча никто не видел, но самолет был сбит. В опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится о мощности излучения пушки, о высоте, на которой пролетел самолет, о материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.

Помимо использования так называемого прямого воздействия лазерного излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения применяется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и тренажеров. Использование лазеров для тренировки стрелков и наводчиков танковых пушек обосновывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка, повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность» стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года.
В сообщении делают вывод, что лазерные имитаторы, которыми предполагают оснастить танковые подразделения, позволят разыгрывать танковые бои в условиях, максимально приближенных к боевым.

Заключение.

За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

Нам, молодому поколению, нужно знать об этом интересном приборе, переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.