Л а зерно випромінювань е ня (дія на речовину). Висока потужність Л. і. в поєднанні з високою спрямованістю дозволяє отримувати за допомогою фокусування світлові потоки величезної інтенсивності. Найбільші потужності випромінювання отримані за допомогою твердотільних лазерів на склі з домішкою Nd з довжиною хвилі випромінювання l = 1,06 мкм і в газових CO2 - лазерах з l = 10,6 мкм (див. табл.).
Тривалість імпульсу, с
Енергія імпульсу, дж
Потужність, вт
Максимальна щільність потоку випромінювання, вт / см2
CO2
CO2
Nd + скло
Nd + скло
10-3
6 × 10-8
10-9
(0,3) 10-11
-
104
3 × 102
3 × 102
10-20
103
107
5 × 1019
3 × 1011
1012-1013
до 107
до 107-1011
1013
1016
1015-1016
Особливості Л. і. привели до відкриття цілого ряду нових фізичних явищ, коло яких швидко розширюється в міру збільшення потужності лазерів.
Розвинуте випаровування металів. При впливі на метали Л. і. (наприклад, імпульсів неодимового лазера, тривалістю декілька мсек) з щільністю потоку випромінювання 106-108 Вт / см2 метал в зоні опромінення руйнується і на поверхні мішені виникає характерний кратер. Поблизу мішені спостерігається яскраве свічення плазмового факела, що представляє собою рухомий пар, нагрітий і іонізований Л. і. Реактивний тиск пари, що викидається з поверхні металу, повідомляє мішені імпульс віддачі (рис. 1).
Випаровування відбувається з поверхні тонкого шару рідкого металу, нагрітого до температури в кілька тис. Градусів. Температура шару визначається рівністю поглиненої енергії і втрат на охолодження, пов'язане з випаровуванням. Роль теплопровідності в охолодженні шару при цьому неістотна. На відміну від звичайного випаровування, такий процес називається розвиненим випаровуванням.
Тиск в шарі визначається силою віддачі пара і в разі сформованого газодинамічного перебігу пари від мішені складає 1/2 тиску насиченої пари при температурі поверхні. Т. о., Рідкий шар є перегрітою, його стан метастабільним. Це дозволяє досліджувати умови граничного перегріву металів, при досягненні яких відбувається бурхливе об'ємне скипання рідини. При нагріванні до температури, близької до критичної, в рідкому шарі металу може відбуватися стрибкоподібне зменшення електропровідності і він набуває властивостей діелектрика . При цьому спостерігається стрибкоподібне зменшення коефіцієнта відбиття світла.
Опромінення твердих мішеней. При опроміненні практично всіх твердих мішеней мілісекундними імпульсами Л. і. з щільністю потоку випромінювання ~ 107-109 Вт / см2 в потоці пари від іспаряющеіся мішені, як і в попередньому випадку, утворюється плазма . Температура плазми 104-105 К. Таким методом можливе отримання значної кількості хімічно чистої щільної низькотемпературної плазми для заповнення магнітних пасток і для різного роду технологічних цілей. Випаровування твердих мішеней під дією Л. і. широко використовується в техніці (див. лазерна технологія ).
При фокусуванні на тверду мішень наносекундних лазерних імпульсів з щільністю потоку випромінювання 1012-1014 вт / см2 поглинаючий шар речовини розігрівається так сильно, що відразу перетворюється в плазму. У цьому випадку вже не можна говорити про випар мішені, межі розділу фаз і т.п. Енергія Л. і. витрачається на нагрівання плазми і просування фронту руйнування і іонізації в глиб мішені. Температура плазми виявляється настільки високою, що в ній утворюються багатозарядні іони, зокрема Са16 + і ін. (Рис. 2). Освіта іонів такої високої кратності іонізації до недавнього часу спостерігалося тільки в випромінюванні сонячної корони . Освіта іонів з майже обдертою електронною оболонкою цікаво також з точки зору можливості здійснення в прискорювачах багатозарядних іонів ядерних реакцій на важких ядрах.
Лазерна іскра (оптичний пробій газу). При фокусуванні в повітрі при атмосферному тиску лазерного променя з щільністю потоку випромінювання ~ 1011 Вт / см2 в фокусі лінзи спостерігається яскрава світлова спалах (рис. 3) і сильний звук. Це явище називається лазерною іскрою. Загальна тривалість спалаху в 10 і більше разів перевищує тривалість лазерного імпульсу (30 нсек). Освіта лазерної іскри можна уявити собі що складається з 2 стадій: 1) освіту в фокусі лінзи первинної (затравочной) плазми, що забезпечує сильне поглинання Л. і .; 2) поширення плазми уздовж променя в області фокуса. Механізм утворення плазми приманки аналогічний високочастотному пробою газів. Звідси термін - оптичний пробій газу. Для пікосекундних імпульсів Л. і. (I ~ 1013-1014 вт / см2) освіту плазми приманки обумовлене також многофотонной іонізацією (див. Багатофотонні процеси ). Нагрівання плазми приманки Л. і. і її поширення уздовж променя (назустріч променю) обумовлено декількома процесами, одним з яких є поширення від плазми приманки сильною ударної хвилі . Ударна хвиля за своїм фронтом нагріває і іонізує газ, що, в свою чергу, призводить до поглинання Л. і., Т. Е. До підтримки самої ударної хвилі і плазми уздовж променя (світлова детонація). В ін. Напрямках ударна хвиля швидко затухає.
Т. к. Час життя плазми, утвореної Л. і., Значно перевищує тривалість лазерного імпульсу, то на великих відстанях від фокусу лазерну іскру можна розглядати як точковий вибух (майже миттєве виділення енергії в точці). Це пояснює, зокрема, високу інтенсивність звуку. Лазерна іскра досліджена для ряду газів при різних тисках, різних умовах фокусування, різних довжинах хвиль Л. і. при тривалості імпульсів від 10-6 до 10-11 сек.
Лазерну іскру можна спостерігати і при значно менших інтенсивностях, якщо приманки поглинає плазма в фокусі лінзи створюється заздалегідь. Наприклад, в повітрі при атмосферному тиску лазерна іскра розвивається з електророзрядної плазми приманки, при інтенсивності Л. і. ~ 107 Вт / см2, Л. і. «Підхоплює» електророзрядними плазму і за час лазерного імпульсу свічення поширюється уздовж каустичної поверхні лінзи. При відносно малої інтенсивності Л. і. поширення плазми обумовлене теплопровідністю, в результаті чого швидкість поширення плазми - дозвукова. Цей процес аналогічний повільному горінню, звідси термін «лазерна іскра в режимі повільного горіння».
Стаціонарне підтримка лазерної іскри було здійснено в різних газах за допомогою безперервного СО2-лазера потужністю в кілька сотень пн. Приманки плазма створювалася імпульсним СО2-лазером.
Термоядерний синтез. За допомогою Л. і. можливе здійснення реакції термоядерного синтезу. Для цього необхідно освіту надзвичайно щільною і гарячої плазми з температурою, в разі синтезу ядер дейтерію, ~ 108 К. Для того щоб енерговиділення в результаті реакції перевищувало енергію, вкладену в плазму при її нагріві, необхідне виконання умови:
nt ³ 1014 см-3сек,
де n - щільність плазми, t - час її існування. Для коротких лазерних імпульсів ця умова виконується при дуже високій щільності плазми. При цьому тиск в плазмі настільки велике, що її магнітне утримання практично неможливо. Виникає поблизу фокуса плазма розлітається зі швидкістю ~ 108 см / сек. Тому t - час, за яке згусток щільної плазми ще не встигає істотно змінити свій обсяг (час інерційного утримання плазми). Для здійснення термоядерного синтезу тривалість лазерного імпульсу TЛ, очевидно, не повинна перевищувати t. Мінімальна енергія лазерного імпульсу E при щільності плазми n = 5 × 1022 см-3 (щільність рідкого водню), часу утримання t = 2 × 10-9 сек і лінійних розмірах плазмового згустку 0,4 см повинна становити: E = 6 × 105 дж . Однак ефективне поглинання світла плазмою в умовах її інерційного утримання і виконання умови nt ~ 10-14 має місце лише для певних довжин хвиль l:
l кр> l> (lкр / 
),
де l кр - критична довжина хвилі для плазми з щільністю n (див. плазма ). При n = 5 × 1022 см-3 l лежить в ультрафіолетовій області спектра, для якої поки не існує потужних лазерів. У той же час при l = 1 мкм (неодимовий лазер) навіть для n = тисячі двадцять одна см-3, що відповідає l кр, виходить важко здійсненне значення мінімальної енергії E = 109 дж. Труднощі введення енергії Л. і. видимого і інфрачервоного діапазонів в щільну плазму є фундаментальною. Існують різні ідеї щодо її подолання, серед яких представляє інтерес отримання надщільного гарячої плазми в результаті адіабатичного стиснення сферичної дейтерієва мішені реактивним тиском плазми, що викидається з поверхні мішені під дією Л. і.
Вперше високотемпературний нагрів плазми Л. і. був здійснений при оптичному пробої повітря. У 1966-67 при щільності потоку Л. і. ~ 1012-1013 вт / см2 було зафіксовано рентгенівське випромінювання від плазми лазерної іскри, що має температуру ~ 1-3 × 106 К. У 1971 при опроміненні твердої сферичної водородосодержащей мішені Л. і. з щільністю потоку до 1016 Вт / см2 була отримана плазма з температурою (виміряної по рентгенівському випромінюванню) 107 К. При цьому спостерігався вихід 106 нейтронів за імпульс. Отримані результати, а також наявні можливості збільшення енергії і потужності лазерів створюють перспективу отримання за допомогою Л. і. керованої термоядерної реакції.
Хімія резонансно-збуджених молекул. Під дією монохроматичного Л. і. можливо селективну дію на хімічні зв'язки молекул, що дозволяє вибірково втручатися в хімічні реакції синтезу, дисоціації і процеси каталізу. Багато хімічних реакцій зводяться до руйнування одних хімічних зв'язків в молекулах і створення інших. Зв'язки між атомами обумовлюють коливальний спектр молекули. Частоти ліній цього спектру залежать від енергії зв'язку і маси атомів. Під дією монохроматичного Л. і. резонансної частоти окрема зв'язок може бути «розгойдана». Такий зв'язок легко може бути зруйнована і замінена іншою. Тому коливає збуджені молекули виявляються хімічно активнішими (рис. 4).
За допомогою Л. і. можна здійснити поділ молекул з різним ізотопним складом. Ця можливість пов'язана із залежністю частоти коливань атомів, складових молекулу, від маси атомів. Монохроматичність і висока потужність Л. і. дозволяють вибірково порушувати на преддіссоціаціонний рівень молекули лише одного ізотопного складу і отримувати в продуктах дисоціації хімічні сполуки моноізотопіческого складу або сам ізотоп. Т. к. Число дисоційованому молекул даного ізотопного складу дорівнює числу поглинених квантів, то ефективність методу в порівнянні з іншими методами ізотопів поділу може бути високою.
Перераховані ефекти не вичерпують всіх фізичних явищ, обумовлених дією Л. і. на речовина. Прозорі діелектрики руйнуються під дією Л. і. При опроміненні деяких феромагнітних плівок спостерігаються локальні зміни їх магнітного стану, що може бути використано при створенні швидкодіючих перемикаючих пристроїв і елементів пам'яті ЕОМ. При фокусуванні Л. і. всередині рідини має місце так званий светогідравліческій ефект, що дозволяє створювати в рідині високі імпульсні тиску. Нарешті, при щільності потоку випромінювання ~ 1018-1019 вт / см2 можливе прискорення електронів до релятивістських енергій. З цим пов'язаний цілий ряд нових ефектів, наприклад народження електронно-позитронного пар.
Літ .: Райзер Ю. П., Пробій і нагрівання газів під дією лазерного променя, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 87, ст. 1, с. 29; Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Дії випромінювання великої потужності на метали, під ред. А. М. Бонч-Бруєвича і М. А. Ельяшевіч, М., 1970; Басов Н. Г., Крохин О. Н., Крюков П. Г., Лазери і керована термоядерна реакція, «Природа», 1971, № 1; Дія лазерного випромінювання. Зб. ст., пер. з англ., під ред. Ю. П. Райзера, М., 1968; Басов Н. Г. [и др.], Лазери в хімії, «Природа», 1973, № 5.
В. Б. Федоров, С. Л. Шапіро.
Лазерне випромінювання в біології. Майже одночасно зі створенням перших лазерів почалося вивчення біологічної дії Л. і. Деякі можливі біолого-медичні аспекти його використання були намічені Ч. Таунсом (1962). В подальшому виявилося, що можлива сфера застосування Л. і. ширше. Біолого-медичні ефекти Л. і. пов'язані не тільки з високою щільністю потоку випромінювання і можливістю фокусування променя на найменших площах, але, мабуть, і з ін. його характеристиками (монохроматичністю, довжиною хвилі, когерентністю, ступенем поляризації), а також з режимом випромінювання. Один з важливих питань при використанні Л. і. в біології та медицині - дозиметрія Л. і. Визначення енергії, поглиненої одиницею маси біооб'єкту, пов'язане з великими труднощами. Різні тканини неоднаково поглинають і відображають Л. і. Крім того, Л. і. в різних областях спектру надає не однакове, а часом і антагоністична дія на біооб'єкт. Тому і неможливо ввести при оцінці ефекту Л. і. коефіцієнт якості. Характер ефекту Л. і. визначається перш за все його інтенсивністю, або щільністю потоку випромінювання. У разі імпульсних випромінювачів важливі також тривалість імпульсів і частота їх проходження. Через вибірковості поглинання Л. і. біологічна ефективність може не відповідати енергетичним характеристикам Л. і. Умовно розрізняють термічні і Нетермічні ефекти Л. і .; перехід від нетермічних до термічних ефектів лежить в діапазоні 0,5-1 вт / см2. При щільності потоку випромінювання, що перевищують зазначені, відбувається поглинання Л. і. молекулами води, що призводить до їх випаровуванню і подальшої коагуляції молекул білка. Спостережувані при цьому структурні зміни аналогічні результатам звичайного термічного впливу. Однак Л. і. забезпечує сувору локалізацію ураження, чому сприяє сильна обводненность біооб'єкту і поглинання розсіюється енергії в прикордонних областях, суміжних з облучаемой. При імпульсних термічних впливах на увазі дуже короткого часу впливу і швидкого випаровування води спостерігається так званий вибуховий ефект: виникає султан викиду, що складається з частинок тканини і парів води; цьому сприяє виникненню ударної хвилі, що впливає на організм в цілому.
Л. і. з меншою щільністю потоку випромінювання викликає в Біооб'єкти зміни, механізм яких не повністю з'ясований. Це зрушення в активності ферментів, структурі пігментів, нуклеїнових кислот і ін. Важливих в біологічному відношенні речовин. Нетермічні ефекти Л. і. викликають складний комплекс вторинних фізіологічних змін в організмі, чому, можливо, сприяють резонансні явища, які відбуваються в біосубстраті на молекулярному рівні. Нетермічні ефекти Л. і. супроводжуються реакціями з боку нервової, кровоносної та ін. систем організму. Вибірковість поглинання Л. і. і можливість фокусування променя на площах близько 1 мкм2 особливо зацікавили дослідників внутріклітинних структур і процесів, що використовують Л. і. в якості «скальпеля», що дозволяє вибірково руйнувати ядро, мітохондрії або ін. органели клітини без її загибелі. Як при термічних, так і при нетермічних впливах Л. і. найбільш вираженою здатністю до його поглинання володіють пігментовані тканини. Прижиттєве фарбування специфічними барвниками дозволяє руйнувати і прозорі для даного Л. і. структури. В установках для внутріклітинних дій використовують Л. і. з довжиною хвилі як видимого спектру, так і ультрафіолетового та інфрачервоного діапазонів, в безперервному і імпульсному режимах.
Фотографування біооб'єктів в Л. і. з метою отримання просторового зображення клітин і тканин стало можливим із створенням лазерних голографічних установок для мікрофотографування. У зв'язку з можливістю концентрації енергії Л. і. на дуже малих площах відкрилися нові можливості для спектрального ультрамікроаналізу окремих ділянок клітки, життєдіяльність якої при цьому тимчасово зберігається. З цією метою коротким імпульсом Л. і. викликають випаровування речовини з поверхні досліджуваного об'єкта і в газоподібному вигляді піддають спектральному аналізу. Маса зразка при цьому не перевищує часткою мкг.
Встановлено, що ряд фізіологічних змін відбувається в організмі тварин під дією випромінювання гелій-неонових лазерів малої потужності. При цьому відзначаються стимуляція кровотворення, регенерація сполучної тканини, зрушення артеріального тиску, зміни провідності нервового волокна і ін. Як при безпосередньому опроміненні гелій-неоновими лазерами рослинних тканин, так і при передпосівному опроміненні насіння виявлено стимулюючий вплив Л. і. на ряд біохімічних процесів, зростання і розвиток рослин.
Н. Н. Шуйський.
Лазерне випромінювання в медицині. Медичне! Застосування Л. і. обумовлено як термічнімі, так и нетермічній ЕФЕКТ. У хірургії Л. і. Використовують в якості «світловій скальпель». Его Преимущества - стерільність и безкровність операции, а такоже можлівість варіювання ширини розрізу. Безкровність операции пов'язана з коагуляцією білковіх молекул и закупорки Судін по ходу променя. Цей ефект відзначається навіть при операціях на таких органах, як печінка, селезінка, нирки та ін. На думку ряду дослідників, післяопераційне загоєння при лазерній хірургії йде швидше, ніж після застосування електрокоагуляторів. До недоліків лазерної хірургії слід віднести деяку обмеженість рухів хірурга в операційному полі навіть при використанні светопроводов різної конструкції. Як «світловий скальпель» найширше застосовують СО2-лазери з довжиною хвилі 10 590 
і потужністю від декількох Вт до декількох десятків пн.
В офтальмології за допомогою лазерного променя лікують відшарування сітківки, руйнують внутрішньоочні пухлини, формують зіницю. На основі рубінового лазера сконструйований офтальмокоагулятор.
При використанні Л. і. в онкології для видалення поверхневих пухлин (до глибини 3-4 см) частіше застосовують імпульсні лазери або лазери на склі з домішкою Nd з потужністю імпульсу до 1500 пн. Руйнування пухлини відбувається майже миттєво і супроводжується інтенсивним паротворенням і викидом тканини з області опромінення у вигляді султана. Щоб попередити розкидання злоякісних клітин в результаті «вибухового» ефекту, застосовують повітряні відсмоктування. Операції із застосуванням Л. і. забезпечують хороший косметичний ефект. Перспективи використання лазерного «скальпеля» в нейрохірургії пов'язані з операціями на оголеному мозку.
Терапія Л. і. заснована переважно на нетермічних ефекти і являє собою світлотерапії з використанням в якості джерел монохроматичноговипромінювання гелій-неонових лазерів з довжиною хвилі 6328 
Терапевтичний вплив на організм здійснюється Л. і. з щільністю опромінення в декілька мвт / см2, що повністю виключає можливість прояву теплового ефекту. На уражений орган або ділянку тіла впливають як місцево, так і через відповідні рефлексогенні зони і точки (див. голкотерапія ). Л. і. застосовують при лікуванні довго не загоюються виразок і ран; вивчається можливість його застосування і при ін. захворюваннях (ревматоїдний поліартрит, бронхіальна астма, деякі гінекологічні захворювання і т.д.). З'єднання лазера з волоконної оптикою дозволяє різко розширити можливості його застосування в медицині. За гнучким светопроводов Л. і. досягає порожнин і органів, що дозволяє провести голографічне дослідження (див. Голографія ), А при необхідності і опромінення ураженої ділянки. Досліджується можливість просвічування і фотографування за допомогою Л. і. структури зубів, стану судин і ін. тканин.
Робота з Л. і. вимагає суворого дотримання відповідних правил техніки безпеки. Перш за все необхідний захист очей. Ефективні, наприклад, тіньові захисні пристрої. Слід оберігати від поразки Л. і. шкірні покриви, особливо пігментовані ділянки. Для захисту від ураження відбитим Л. і. з можливого шляху променя видаляють блискучі (дзеркальні) поверхні. Припущення про можливість виникнення іонізуючого випромінювання при роботі високоінтенсивних лазерів не підтвердилися.
В. А. Думчев, Н. Н. Шуйський.
Літ .: Файн С., Клейн Е., Біологічна дія випромінювання лазера, пер. з англ., М., 1968; Лазери в біології та медицині, К., 1969; Гамалія Н. Ф., Лазери в експерименті та клініці, М., 1972; Деякі питання біодинаміки і біоелектроніки організму в нормі та патології, біостимуляція лазерним випромінюванням. (Матеріали Республіканської конференції 11-13 травня 1972 г.), А.-А., 1972.
Рис. 4. Схема реакції тетрафторгідразіна (N2F4) і окису азоту (NO) при нагріванні (вгорі) і при резонансному збудженні зв'язку N - F лазерним випромінюванням (внизу). Спіральки зображують хімічні зв'язки.
Рис. 3. У фокусі лазерного пучка в повітрі утворюється лазерна іскра.
Рис. 1. Рух пари поблизу поверхні металу і передача мішені механічного імпульсу від впливає на неї лазерного випромінювання: Q - вектор кількості руху випаруваного речовини, - Q - імпульс, отриманий твердої мішенню.
Рис. 2. Спектральні лінії багатозарядних іонів Са, що утворюються в плазмі від твердої мішені, що містить Са.
