Какую энергию генерирует лазер

3.4 Лазеры

В лазере энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в малое пятно диаметром порядка длины световой волны и получить очень высокую плотность энергии, превышающую плотность энергии ядерного взрыва. Лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки.

Для генерации лазерных колебаний необходимо:

• использование квантовой структуры (системы) с избирательным «заселением» (возбуждением) одного или нескольких энергетических уровней, позволяющих обеспечить инверсию населенностей (избыточную концентрацию возбужденных микрочастиц);
• создание путем внешней электрической или оптической накачки активной среды, обладающей избыточной концентрацией возбужденных микрочастиц и способной существенно усиливать электромагнитное (оптическое) излучение;
• помещение активной среды в оптический резонатор, обеспечивающий эффективное возбуждение и систематическую генерацию лазерных колебаний путем многократного отражения оптического (лазерного) луча и, как следствие, положительной обратной связи, систематически подпитывающей (регенирующей) лазерные колебания.

3.4.1 Принципы работы лазеров

Атомы и молекулы веществ находятся в определенных квантовых состояниях, характеризующихся дискретными величинами энергии. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком. При переходе атома на более высокий энергетический уровень происходит поглощение порции излучения — кванта света, или фотона. При переходе атома на более низкий уровень происходит испускание фотона. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома Е₂– E₁, между которыми совершается переход, то есть hν=Е₂ – E₁ где – частота излучения; h – постоянная Планка. Пусть атом находится на нижнем энергетическом уровне Е₁(рис. 3.8). При облучении этого атома квантом светаhпроисходит поглощение этого кванта и переход атома на верхний энергетический уровень Е₂. Рисунок 3. 8 – Схема квантового перехода между двумя энергетическими уровнями Если атом находится на верхнем энергетическом уровне Е₂, то при облучении атома квантом света hатом не может поглотить фотон. Зато он может под действием фотона перейти обратно на уровень Е₁. При этом появится еще один фотон, имеющий энергию Е₂– E₁. Это и есть процесс вынужденного испускания света. Существенно, что оба фотона (и появившийся, и первичный) имеют одинаковую энергию и одно и то же направление движения. Первичный фотон может инициировать переход с уровня Е₂на уровень Е₁сразу во многих атомах. В результате появится не один вторичный фотон, а целая лавина таких фотонов. Все они будут иметь одинаковую энергию и двигаться в одном направлении – в направлении движения первичного фотона. Оказавшись на уровне Е₂, атом может возвратиться на уровень Е₁самопроизвольно. Этот процесс называется спонтанным испусканием света. Возникающий при этом фотон имеет энергию, равную Е₂– E₁; а направление его движения произвольно. Таким образом, имеются два типа процессов испускания света атомами и молекулами: вынужденное и спонтанное. Первый процесс – управляемый. Его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атома с уровня Е₂на уровень Е₁, но и определяет направление движения родившегося при этом переходе фотона. Второй процесс имеет ярко выраженный случайный характер: случаен момент перехода, случайно направление движения родившегося фотона. Если при вынужденном испускании возникает лавина фотонов, дружно летящих в одном направлении, то при спонтанном испускании фотоны разлетаются в разные стороны и движение их не согласовано друг с другом. Известно, что вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на уровне Е₁, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся на уровне Е₂. Если атомов больше на уровне Е₁, то чаще будут происходить акты поглощения фотонов атомами – световой пучок будет ослабляться. Если же большинство атомов окажется на уровне Е₂, то чаще будут происходить акты вынужденного испускания фотонов. В этом случае вынужденное испускание света должно преобладать над поглощением света, и в результате световой пучок усилится. Следовательно,для усиления пучка светанадо создать необычную ситуацию, когда число атомов или молекул на более высоком уровне энергии больше, чем на нижнем. Как говорят,надо создать инверсную (обращенную) населенность энергетических уровней в веществе, то есть привести атомную систему в возбужденное состояние. Инверсия населенностей равнозначна энергетическому обогащению вещества, происходящему за счет подвода к нему энергии извне. Методом получения инверсии, применяемым в лазерах, является накачка,заключающаяся в облучении активной среды лазера светом (оптическая накачка) или в возбуждении активной среды электрическим током (электрическая накачка). При этом в ответ на каждый импульс накачки возникает импульс лазерного излучения. Возможна также непрерывная накачка. В этом случае лазерное излучение может возникать как в виде непрерывного светового луча, так и в виде регулярной последовательности световых импульсов. Активная среда, в которой получают лазерный эффект, играет решающую роль. Вид применяемого для этой цели материала (его энергетическая структура, оптические, тепловые и другие свойства) оказывает принципиальное влияние на параметры лазера и определяет его конструкцию. В связи с этим лазеры прежде всего различают в соответствии с основными группами применяемых в качестве активной средыматериалов:твердотельные, то есть с твердым телом в качестве активной среды,газовые, жидкостные, полупроводниковые и волоконные. Основными элементами лазера являются оптический резонатор Фабри—Перо, состоящий из полностью отражающего зеркала 1 и частично пропускающего (около 50%) выходного зеркала 2, активной среды 3 и устройства накачки 4 (рис. 3.9). Рисунок 3.9 – Принципиальная схема лазера При подаче излучения определенной частоты устройством накачки 4 в активной среде 3 возникает избыток возбужденных атомов. Спонтанные фотоны, возникающие внутри активной среды, взаимодействуют с возбужденными атомами и в конечном счете инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. За счет отражения от двух параллельных зеркал оптического резонатора увеличивается плотность вынужденного излучения и формируется его направление. Лазерный луч выходит в виде параллельного пучка света из резонатора через выходное зеркало2, частично пропускающее световое излучение.

Теоретические основы лазерной технологии

Лазер — это генератор когерентного света. Идеальная когерент­ная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и час­тоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некоге­рентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации.

В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и неко­герентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интер­вале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно ре­альную световую волну можно рассматривать как набор плоских мо­нохроматических поляризованных волн с разными частотами, направ­лениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение ко­герентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны.

Когерентное излучение обладает такими свойствами, как мо­нохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обраба­тываемого материала с помощью простой оптической системы. Линей­ные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут дости­гать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия из­лучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратно­го сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокуси­рованный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие мате­риалы.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосо­четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский — усиление света вынужденным испуска­нием.

Работа лазера основана на ис­пользовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещест­ва, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых под­чиняются законам квантовой механики.

Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е₁, Е₂,…, Е_к называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным, остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне Е₁, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Е_m на уровень Е_n, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света _mn:

(1.1)

где h – постоянная Планка.

Рис.1. Энергетический спектр атома

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются в виде волновых цугов(пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот _mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Е_m на уровень Е_n, то его частота равна _mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне E_m, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Е_n. Атом, находящийся на нижнем уровне Е_n, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Е_m. Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N_m было больше числа атомов на нижнем уровне N_n, между которыми происходит переход.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называют активным, или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, — это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода полупрозрачного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:

• нужно рабочее вещество с инверсной заселенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;
• рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;
• усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепло­вой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др. Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и на­качку с использованием самостоятельного электрического разряда. Первый способ является универсальным и применяется для воз­буждения различных активных сред — диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных ак­тивных сред. Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульса­ми), а при непрерывной — непрерывно (стабильно). Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) об­ладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При им­пульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой кон­центрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхко­роткие световые импульсы мощностью до 10 12 Вт). Возбуждение активных центров при оптической накачке происхо­дит в результате поглощения излучения от специального источника света. При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы. При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуж­дающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего по­ля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электро­нов из ускорителя. Та­ким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: актив­ного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функци­ональная схема лазера представлена на рис.3. Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки Твердотельные лазеры. Твердотельными называют лазеры, актив­ная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных цент­ров. Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному эле­менту 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражате­ля 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси ци­линдра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого свето­вые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллип­тической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей. Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 — ак­тивный элемент, 2 — лам­па-вспышка (источник накачки), 3 — отражатели В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат про­тивоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла. Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr₂O₃ в сапфире Al₂O₃. Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr 3+ , что дает возможность при накачке получать лазерные перехо­ды в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм. Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили ши­рокое распространение. Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режи­ме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными ла­зерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спи­ральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое примене­ние среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточ­но высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксе­ноновыми или криптоновыми лампами. Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками ко­герентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относи­тельная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тон­копленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в ин­тегрально-оптических системах. Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде. Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными. Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов. Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), — He-Ne-лазер — является газоразряд­ным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм. Аргоновый и крип­тоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров неп­рерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт — в окрестностях 0,35 мкм, кпд ла­зеров не превышает 0,1%. Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обла­дают лазеры на углекислом газе (СО₂-лазеры). Они просты в экс­плуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности. Рис.6. Устройство СО₂-лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 — система прокачки азота, 2 — об­ласть электрического разряда, 3 — рабочий объем резонатора, 4 — выходное зеркало резонатора, 5 — система прокачки диоксида уг­лерода Активная среда СО₂-лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Ла­зер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО₂ и передают им свою энергию. СО₂-лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В пер­вом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерыв­ные СО₂-лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО₂-лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизаци­онные — энергией более 2 кДж. Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF₃J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах. Устройство лазерных технологических установок.В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники ис­пользуются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и ана­логичные конструктивные элементы (рис.7). Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фоку­сирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической систе­мы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой дета­ли относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают об­рабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фикси­руют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки. Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках пре­дусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки. В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной об­работки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной рез­ки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Пе­ремещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали — датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию. Рис.7. Структурная схема лазер­ной технологической установки: 1 — программной устройство, 2 — лазер, 3 — датчик параметров излучения, 4 — лазерное излуче­ние, 5 — оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 — обрабатываемая де­таль, 8 — устройство для зак­репления и перемещения обраба­тываемой детали, 9 — датчик па­раметров технологического про­цесса, 10 — устройство подачи технологической среды

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈ 0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов — монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2 ).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2 ).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с — скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р_и и длительностью импульса τ_и

Для хирургических лазеров Р_и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т_и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е_и) определяется соотношением Е_и = Р_и-т_и, где т_и — длительность импульса излучения (обычно т_и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е_и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р_ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I_и = P_и/S и среднюю интенсивность I_ср = Р_ср/S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I_и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 — 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E_и/S, где S (см 2 ) — площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях — и областях применения — физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

1. со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
2. с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
3. с образованием «параллельного луча», который не расходится в стороны.

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение — это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово «лазер» относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер — это аббревиатура, которая расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения».

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Его основная часть — рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева — зеркало, которое полностью отражает свет, справа — зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу — это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии — энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор — являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни — это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень — это основное состояние, а все остальные — возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение — это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E₂ — E₁. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

[2]

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин «длина когерентности». Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе — от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово «лазер». Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

[4]

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры — это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Список использованной литературы

1. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник — Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
2. В.А. Касьянов углубленный уровень физика 11 класс
3. William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
4. Генденштейн Лев Элевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 класс