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 Comme en témoignent les faits, un faisceau laser peut transporter suffisamment d'énergie pour pouvoir effectuer une intervention chirurgicale, forer des diamants et même chauffer des quantités microscopiques d'une substance à des températures de millions de degrés.
Quelle quantité d'énergie un faisceau laser peut-il transporter? Cela dépend du type de laser, de la puissance de la source qui l'alimente, ainsi que des conditions de son fonctionnement, qui déterminent l'efficacité d'utilisation de l'énergie fournie.
Et avec les lasers CW, l'énergie d'entrée est continuellement convertie en énergie du rayonnement émis par le laser. La puissance des faisceaux émis par ces lasers va de milliwatts à des dizaines de kilowatts (la même quantité que mille ampoules de cent watts émettent dans le domaine du visible). Avec ces faisceaux de lumière kilowatts, correctement focalisés, par exemple par une lentille, il est possible de découper une tôle d'acier d'un centimètre d'épaisseur de peau de navire à une vitesse d'environ un centimètre par seconde. Des lasers moins puissants sont utilisés à d'autres fins qui ne nécessitent pas de faisceaux lumineux aussi puissants.
 Le laser le plus puissant vu de vos propres yeux au Naval Research Institute de Washington, DC, était censé émettre un faisceau d'environ un mégawatt (million de watts ou mille kilowatts) en quelques secondes. Ce laser, avec des dispositifs auxiliaires, occupait deux salles de laboratoire assez grandes. Rien de particulièrement étonnant ici, puisque la puissance de son faisceau était égale à la puissance d'une cinquantaine de moteurs de voitures particulières de classe moyenne.
À de nombreuses fins, cependant, même les faisceaux mégawatts sont faibles et nécessitent des faisceaux encore plus puissants. Par exemple, un laser "lunaire" était censé envoyer un faisceau d'une puissance de plusieurs millions de watts. Le faisceau lumineux après réflexion de la Lune retourne vers la Terre fortement affaibli en raison de l'absorption et de la diffusion dans l'atmosphère terrestre, de la diffusion à la surface de la Lune, etc. La sensibilité de l'équipement enregistrant la lumière réfléchie exclut la possibilité d'utiliser les sources lumineuses traditionnelles, même les plus puissantes, pour localiser la Lune. Un faisceau de lumière suffisamment intense ne pourrait fournir qu'un laser d'une puissance de plusieurs mégawatts. Pour initier une réaction thermonucléaire, un laser encore plus puissant est nécessaire - sa puissance doit être de l'ordre d'au moins plusieurs millions de mégawatts.
La création d'un laser à ondes continues aussi puissant n'est pas encore réaliste. Un tel laser devrait avoir avant tout des dimensions monstrueuses. Ce serait également une tâche difficile de fournir de l'énergie à un tel colosse, et il serait également difficile d'établir un refroidissement. L'efficacité d'un laser est typiquement dans la plage de quelques à dix pour cent, de sorte que seule une fraction relativement petite de l'énergie fournie au laser est émise sous forme de rayonnement. Le reste est dissipé pour finir par se transformer en chaleur, qui doit être évacuée de l'installation laser en la soumettant à un refroidissement suffisamment intense.
Un laser qui émettrait en continu un faisceau d'un million de mégawatts consommerait l'énergie produite simultanément par plusieurs milliers de centrales électriques de taille moyenne. Pendant le fonctionnement d'un tel laser, des millions de consommateurs devraient être privés d'alimentation électrique. Peut-être que cela pourrait encore être réglé, mais comment un tel géant peut-il être refroidi?
Cependant, malgré le besoin de faisceaux lumineux aussi puissants, il n'est pas nécessaire de construire de tels lasers cw.Le fait est que dans toutes ces applications où il y a un besoin de faisceaux laser à ultra-haute puissance, peu importe si le laser émettra un rayonnement pendant un millième ou un millionième de seconde. Le plus souvent, le rayonnement laser n'est nécessaire que pendant une courte période de temps. En bref, nous parlons du fait que le faisceau laser a eu le temps de provoquer l'effet désiré dans l'objet reçu avant d'en venir à des processus indésirables associés à l'énergie du rayonnement laser absorbé par l'objet. Si, par exemple, lors de l'utilisation d'un faisceau laser pour retirer un tissu malade pendant une opération, les éclairs durent trop longtemps, alors le tissu sain adjacent au malade pourrait également subir une surchauffe dangereuse. Si un rayonnement laser continu est utilisé pour percer un trou dans un diamant au lieu de flashs séparés, le diamant surchauffera, fondra et, par conséquent, une partie importante du diamant s'évaporera.
 Les exemples ci-dessus indiquent la nécessité d'utiliser de telles impulsions laser courtes pour que l'énergie absorbée par l'objet irradié n'ait pas le temps de se dissiper en raison des processus de conduction thermique. Bien entendu, il existe de nombreux autres mécanismes de dissipation d'énergie indésirables et souvent nocifs. Dans le cas général, nous parlons du fait que le faisceau laser a le temps de terminer sa tâche avant que les facteurs énumérés ne l'interférent. C'est pourquoi, dans de nombreux appareils, les impulsions laser doivent être très courtes, et l'expression «très courte» signifie parfois une nanoseconde voire moins de temps.
Maintenant, il nous devient clair, dicté par le besoin, une simple idée d'économie d'énergie, sur la base de laquelle il est possible d'obtenir des faisceaux d'une puissance gigantesque à des coûts énergétiques relativement bas. Au lieu de produire, disons, un joule d'énergie sous forme de rayonnement (c'est une très petite quantité) pendant une seconde, ou d'émettre un faisceau d'un watt (1 W = 1 J / s), il suit simplement la même quantité d'énergie (un joule ) émettent plus rapidement sous la forme d'une impulsion relativement courte. Plus l'impulsion est courte, plus la puissance du faisceau est élevée. Si, par exemple, une rafale de rayonnement dure une milliseconde (une microseconde, une nanoseconde), alors le faisceau aura une puissance 1000 fois supérieure (relative).
Evidemment, avec une contribution énergétique 1000 fois supérieure (1 kJ au lieu de 1 J), il s'avérera (dans chacun des cas ci-dessus) que le faisceau est 1000 fois plus puissant. Si le temps d'émission (émission) équivaut à une valeur de l'ordre de la nanoseconde, alors dans ce cas un faisceau d'une puissance d'un térawatt serait obtenu. Focalisé, par exemple, avec une lentille sur la surface du corps dans un spot d'environ 0,1 mm de diamètre, un tel faisceau donnerait au foyer une valeur d'intensité inimaginable - 10 à la 20e puissance de W / m2! (À titre de comparaison, l'intensité lumineuse d'une ampoule de 100 watts à une distance de 1 m de celle-ci est de l'ordre de quelques dixièmes de watt par mètre carré.)
Reste une question, apparemment innocente à première vue: comment réduire le temps de rayonnement laser à une énergie totale du faisceau donnée? Une telle tâche est un problème complexe de nature à la fois physique et technique. Nous n'entrerons pas dans de telles subtilités ici, car pour notre histoire, la question de recevoir une courte impulsion est trop particulière. Dans tous les cas, aujourd'hui la situation est la suivante: le temps d'émission de lumière par un laser pulsé sans aucun dispositif supplémentaire qui forcerait le laser à émettre de la lumière plus rapidement est de l'ordre de quelques microsecondes (soit un dixième de millième de seconde).
L'utilisation d'appareils supplémentaires, dont le fonctionnement est basé sur certains phénomènes physiques, permettra de réduire ce temps à des valeurs de l'ordre de la picoseconde. Grâce à cela, il est aujourd'hui possible d'obtenir des impulsions laser géantes, dont la puissance maximale peut même atteindre plusieurs centaines de térawatts.Bien entendu, des faisceaux aussi puissants ne sont nécessaires que dans des dispositifs spéciaux (par exemple, pour déclencher une réaction thermonucléaire). Dans de nombreux autres cas, des impulsions de puissance beaucoup plus faible sont utilisées.
Posons maintenant une question importante: est-il possible d'obtenir des faisceaux lumineux aussi intenses moins chers et plus faciles, notamment à l'aide de lampes traditionnelles à haute puissance? Il s'agit à la fois des lampes fonctionnant en mode continu (par exemple, les lampes des réflecteurs d'avion ou des appareils photo à pellicule) et des lampes flash (par exemple, les lampes de poche utilisées en photographie).
La réponse dépend du type de faisceaux que nous souhaitons obtenir ou, en d'autres termes, de la puissance et du type de divergence dont nous parlons. Si nous sommes indifférents à la divergence du faisceau, les lampes traditionnelles ne peuvent rivaliser avec les lasers que jusqu'à une certaine limite. Cette limite se situe en tout cas bien en dessous d'un térawatt. Au-dessus de ce niveau, le laser n'a pas de concurrents.
Bien sûr, moins nous voulons obtenir des faisceaux divergents et plus puissants, plus la limite sera basse, au-dessus de laquelle nous devrons abandonner les sources de lumière traditionnelles et nous tourner vers les lasers. Comme déjà mentionné, les sources de lumière classiques ne seraient pas en mesure de répondre aux exigences de haute précision imposées à une source de lumière lors de la mesure de la distance entre la Terre et la Lune. Dans cette expérience, un laser pulsé a dû être utilisé.
Gavrilova N.V.
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