В настоящее время существуют лазеры, отличающиеся друг от друга тем, что среда, в которой происходит преобразование, или «накачка», энергии, может быть газом, жидкостью, полупроводником, кристаллом. Отсюда и названия: газовые лазеры, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные… Кроме того, лазеры могут давать как непрерывное, так и импульсное излучение, быть более и менее мощными, использоваться для самых различных целей — зондирования атмосферы, сигнализации, связи и т. д.
Квантовые генераторы могут также, кроме видимого света, давать излучение самой различной длины волны — от жесткого гамма-излучения до радиоволн. Не используемыми какое-то время оставались миллиметровая и субмиллиметровая области. Вопрос об их освоении встал сразу после Второй мировой войны, потому что излучение этого диапазона можно использовать в оборонных целях.
Изучением перспективного диапазона занимались нобелевские лауреаты, академики A.M. Прохоров и В.Л. Гинзбург. Они отметили, что у обычных лазеров есть недостаток — фиксированная либо изменяемая в небольших пределах длина волны излучения. Используя такой прибор, ученый или инженер вынужден «подстраиваться» под этот спектр, что ограничивает и область исследований, и выбор технических устройств. Поэтому многим специалистам очень хотелось бы иметь генератор, у которого можно было бы в широких пределах изменять частоту излучения. Кроме того, хорошо бы иметь в своем распоряжении столь мощный пучок излучения, чтобы em можно было использовать подобно гиперболоиду инженера Гарина, описанному в романе А. Толстого.
Для работы обычного лазера, как уже говорилось, необходимо какое-нибудь вещество, которое возбуждается, «накачивается» энергией. Для особо мощных лазеров, как установили наши ученые, удобнее всего использовать пучок электронов, движущийся в ондуляторе — особом устройстве, представляющем собой специальную отклоняющую систему, заставляющую электронный пучок «колебаться» внутри активного объема. Изменяя параметры пучка, можно менять по своему усмотрению длину волны излучения в очень широких пределах.
Единственный недостаток такого устройства — большие размеры. Например, лазер в Новосибирске занимает площадь более 100 кв. м. Зато мощность его излучения — 500 Вт. Других источников когерентного субмиллиметрового излучения такой мощности в мире больше нет.
Схема лазерного комплекса на свободных электронах:
1 — рабочие станции; 2 — ускорительное кольцо; 3 — источник излучения.
Схема разгона лазерного пучка в активном объеме.
«Мы выбрали субмиллиметровый участок спектра в основном из экономических соображений, — объяснил академик Г.Н. Кулипанов. — Скажем, рентгеновский лазер на свободных электронах стоил бы миллиард долларов, таких денег у нас не было. А вот установку в миллиметровом диапазоне (от 5 до 200 микрон) мы смогли построить, затратив на это около 20 миллионов долларов».
Проект возглавил доктор физико-математических наук Николай Винокуров. Процесс создания нового лазера был довольно долгим. В середине 90-х годов XX века наши ученые сделали похожую, но менее мощную установку по заказу Южной Кореи. А на вырученные деньги решили построить мощный лазер на свободных электронах для себя.
«Многие коллеги не понимали тогда нашей затеи, — вспоминает академик Г.Н. Кулипанов. — Вместо того чтобы потратить полученные деньги на зарплату, мы расходовали их на создание дорогого оборудования. Но как показало время, наше решение оказалось верным.
Создав уникальный лазер, мы обеспечили интересной работой нашу молодежь. А кроме того, руководитель этого проекта Николай Винокуров был удостоен самой престижной награды нашей страны — Государственной премии Российской Федерации».
По словам самого лауреата, длина волны излучения может быть практически любой — от ангстрема до сантиметра — и плавно перестраиваться. Кроме того, теперь можно создавать лазеры с мощностью до нескольких мегаватт, использовать их для спектроскопии, лазерного разделения изотопов, передачи энергии на искусственные спутники Земли…
Первая очередь лазера на свободных электронах запущена в Сибирском центре фотохимических исследований в 2003 году. С помощью этого прибора уже ведутся эксперименты по абляции материалов, т. е. обработке их поверхности лучом с образованием плазмы. Кроме того, идут исследования органических и неорганических материалов и объектов. В частности, электронный луч за несколько фемтосекунд может сделать снимок белка.