Лазерные технологи и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерные технологи и их применение

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

В основу лазеров положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере, большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

hн=E2-E1,

где hн - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 - энергия высшего энергетического уровня,

E1 - энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

,

где v - частота волны,

Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны,

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.1(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 1(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е1 + Е2

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными

значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E2

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 - интенсивность света первого пучка,

I2 - интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

I12 = 2 (E1 * E2)

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно, некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I <> I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности.

Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники -- превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия -- соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (--200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных лазерах -- лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы.

Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало, поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10--20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого не радует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсировать ничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера под давлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело, позволяя уменьшить размер излучателя. лазерный луч голография промышленность

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

Называются они так потому, что их рабочая жидкость -- раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку-кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя накачивается оптически, только вместо лампы-вспышки сначала использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее -- лазеры газовые. Лазер-накачку внутрь жидкостного лазера не встраивают, а помещают вне лазера, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны -- от ультрафиолета до инфракрасного света -- и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт (миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на одной длине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. Это не просто окрашенное стекло. Он представляет собой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волны лазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобы лазер мог генерировать свет в разных участках спектра -- переходить, скажем, от синего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, -- достаточно сменить кювету с рабочей жидкостью. Наиболее перспективны они оказались для исследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Таким способом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсот километров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какого размера частицы его загрязняют. То есть можно построить прибор, автоматически и непрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха.

Но наряду с широкополосными жидкостными лазерами существуют и такие, у которых, наоборот, монохроматичность гораздо выше, чем у лазеров на твердом теле или на газе.

Длина волны света лазера может изменяться, укорачиваясь и удлиняясь примерно на одну сотую (у хороших лазеров). Чем меньше расстояние между зеркалами, тем эта полоса шире. У полупроводниковых лазеров, например, она составляет уже несколько длин волн, а у лазера на основе солей неодима эта полоса -- одна десятитысячная. Такое постоянство длины волны можно получить только у больших газовых лазеров, да и то, если принять всяческие необходимые для этого меры: обеспечить устойчивость температуры трубки, силы тока, ее питающего, и включить в схему лазера систему автоматической подстройки длины волны излучения. Мощность излучения при этом должна быть минимальной: при ее повышении полоса расширяется. Зато в жидкостном неодимовом лазере узкая полоса излучения получается сама собой и сохраняется даже при заметном повышении мощности излучения, а это крайне важно для всякого рода точных измерений.

Поэтому от того, насколько точно выдерживается длина волны света, излучаемого лазером, зависит и точность измерений. Уменьшение полосы излучения лазера в сто раз сулит стократное увеличение точности измерения длин.

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерного излучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовый генератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 или дейтерием D2 образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение -- молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF -- на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовых лазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре 1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С. Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде. Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденного состояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможно излучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двум оттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивно прокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15--20 не, частоте следования 10--100 кГц, средней мощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышению средней мощности «медного» лазера до 1 кВт.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых -- возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10--50 кГц.

Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодный лазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложные молекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются на части. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и в дальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Часто называют и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могут находиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачивается энергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом она сразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квант излучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекула просто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерный лазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова, ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили при возбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять в нескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на других эксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами, например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты. Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики -- это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путей высвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовой электроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазеры открыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высоких концентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подвода световой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатами по созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на три группы -- импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают свет одиночными импульсами, вторые -- непрерывными сериями импульсов, и, наконец, третьи, дают непрерывное излучение.

Мощность -- характеристика относительная, она говорит о том, какая работа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единица мощности, как известно, ватт (Вт) -- он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейся за 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждую секунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, а если 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100 Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж. На это «бы» не нужно обращать внимания -- при определении мощности не имеет значения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это время выделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о его интенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго, во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что было действительно сделано за одну секунду.

В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-то ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получается огромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере, созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж и продолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощность импульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тот же джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе -- до 10 нс (наносекунда, миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот же джоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющая мощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той, конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардные доли секунды, а электростанция -- непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры дают импульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощность достигает 100 миллионов кВт.

Источник энергии	Плотность энергии Дж/см3	Плотность мощности Вт/см3
Электрический конденсатор	10-2	--
Электрический разряд	10-4	108--109
Химическое взрывчатое вещество	104	109
Сильноточный электронный пучок	106	1013--1014
Ядерное взрывчатое вещество	1010-- 1011	1016--1018
Сфокусированный мощный лазерный пучок	1010--1012	1020--1022
Аннигиляция вещества (плотность 10 г/см3)	1015	--

Лазерный луч -- это поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Именно за все эти качества мы платим столь высокую цену -- кпд лазеров составляет доли процента, а в лучшем случае несколько процентов, то есть на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки, а то и сотни джоулей энергии накачки. Но часто даже такая высокая плата совершенно оправданна,-- теряя количество, мы приобретаем качество. В частности, когерентность, направленность лазерного луча в сочетании с последующей фокусировкой в очень малом объеме, например, до сферы диаметром 0,1 мм, и сжатием процесса во времени, то есть излучением очень короткими импульсами, позволяет получить огромные плотности энергии. Об этом напоминает таблица 1. Из таблицы видно, что концентрации энергии в сфокусированном мощном лазерном луче всего в тысячу раз меньше своеобразного рекордного значения для полной аннигиляции вещества нормальной плотности, полного превращения массы в энергию. Увеличение мощности лазеров связано с некоторыми общими проблемами, прежде всего со свойствами рабочего тела, то есть самого вещества, где рождается излучение. Но есть и проблемы специфические для импульсных, импульсно-периодических и непрерывных лазеров. Так, например, для импульсных лазеров одна из важных проблем -- стойкость оптических элементов в сильном световом поле очень коротких импульсов. Для непрерывных и импульсно-периодических очень важна проблема отвода тепла, так как эти лазеры развивают большую среднюю мощность. Для лазера, работающего в режиме длинной очереди, импульсная мощность говорит о том, как сконцентрирована во времени энергия одного импульса, а средняя -- о работе, которую выполняет серия импульсов, длившаяся секунду. Так, например, если лазер в секунду дает 20 импульсов длительностью 1 мс и энергией 1 Дж в каждом, то импульсная мощность составит 1 кВт, а средняя -- 20 Вт.

Все виды лазеров начинали с достаточно скромных энергетических показателей, а совершенствовались зачастую разными путями. В частности, первый импульсный лазер работал в режиме свободной генерации -- в нем самопроизвольно возникала лавина лазерного излучения и опять-таки сама собой прекращалась по окончании возбуждения. Импульс длился по нынешним меркам долго, и это определило сравнительно невысокую импульсную мощность.

Через несколько лет научились управлять генерацией методом модуляции добротности, вводя в резонатор ячейку Керра или другой аналогичный элемент, который под действием электрического напряжения меняет свои оптические свойства. В обычном состоянии ячейка закрыта, непрозрачна, и лазерная лавина в резонаторе не возникает. Только под действием короткого электрического импульса ячейка открывается, и в рабочем теле возникает короткий лазерный импульс. Его длительность может быть всего в несколько раз больше времени прохождения света между зеркалами лазера, то есть может составлять 10--20 нс.

Этот метод дал заметный прирост импульсной мощности за счет уменьшения длительности импульса. Очень короткие импульсы, вплоть до пикосекундных, получают в режиме синхронизации, или, иначе, в режиме захвата мод. Здесь в резонатор вводят особый нелинейный элемент, он неодинаково ведет себя, неодинаково просветляется для разных по интенсивности всплесков излучения и как бы вырезает из наносекундного светового импульса очень короткие пикосекундные всплески интенсивности.

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Значительный прогресс в создании мощных импульсных лазеров связан с использованием столь удачного материала, как неодимовое стекло. Здесь излучателями служат включенные в стеклянную структуру ионы неодима Nd (один из лантанидов, 60-й элемент таблицы Менделеева), их в стекло вводится несколько процентов. Под действием накачки ионы неодима переходят на один из высоких энергетических уровней, а затем сами спускаются на некоторый метастабильный уровень, где могут находиться сравнительно долго, примерно 300 мкс. Это позволяет накапливать на метастабильном уровне довольно большое число ионов, а затем «высвечивать» их энергию в коротком импульсе. Излучение происходит на волне 1,06 мкм = 1060 нм = 10 600 Е, то есть в инфракрасном диапазоне самое длинноволновое видимое излучение -- это красный свет с длиной волны примерно 750 нм (7500Е).

При хорошей накачке в неодимовом стержне удается получить плотность энергии 0,5 Дж/см3, то есть в каждом кубическом сантиметре накопить 0,5 Дж, рассредоточенных в огромном числе возбужденных ионов неодима. Здесь, казалось бы, виден простой путь повышения средней мощности -- нужно просто увеличить число работающих ионов, то есть увеличить объем рабочего тела, и тогда общая накопившаяся в нем энергия возрастет. Именно так и поступают, но только разделяют в пространстве процесс генерирования лазерного излучения и повышения его мощности -- установки делают многоступенчатыми, многокаскадными.

Первый каскад -- это сам лазер-генератор, в котором формируется световой импульс. От него не требуется большой мощности -- генератор должен выдать короткий импульс, а увеличение мощности произойдет в следующих каскадах, в лазерах-усилителях. Для усилителя световой импульс лазера-генератора -- это и сигнал к действию, и образец, по которому нужно создать более мощный световой импульс. Излучение света ионами неодима происходит не самопроизвольно, а под действием светового импульса, поступающего от лазера-генератора. Усилитель в принципе устроен так же, как генератор, но в нем нет резонатора, то есть, нет зеркал.

Большой средней мощности от неодимового лазера не получить -- стекло плохо проводит и отдает тепло. Что же касается импульсной мощности, то она ограничивается нелинейными процессами, такими, например, как самофокусировка, которая приводит к разрушению стекла в сильном световом поле. Чтобы неодимовый стержень отдал всю мощность, которую в нем можно накопить, по этому стержню должен идти поток световой энергии 6 Дж/см2. Но, к сожалению, такая энергетическая нагрузка для неодимового стекла недопустима -- уже поток 1--2 Дж/см1 приводит к повреждению оптических элементов. А поток мощностью в 5 ГВт/см2, который при длительности импульса 0,1 нс сопровождается потоком энергии всего 0,5 Дж/см2, приводит к самофокусировке луча в резонаторе -- из-за неравномерного изменения оптических свойств стекло искривляет лучи, искажает волновой фронт, концентрирует излучение до такой степени, что само же и разрушается. Чтобы увеличить поток энергии, не превышая допустимую ее плотность, то есть, не превышая терпимое еще число джоулей, которое приходится на каждый квадратный сантиметр сечения стержня, стараются сделать это сечение как можно больше. Таким образом, неодимовый стержень лазера-усилителя превращается в диск, его располагают под определенным углом и накачку производят через плоскости диска.

Типичный дисковый усилитель повышает мощность излучения в 3--4 раза, а наибольшая выходная мощность всей усилительной системы определяется размерами последнего диска -- его диаметр обычно не превышает 30 см, а наибольшая выходная энергия составляет 1--2 кДж при длительности импульса 0,1 нс. Увеличение диаметра диска, а вместе с ним излучаемой мощности тоже ограничено несколькими сложными процессами, в частности возникновением самопроизвольной паразитной генерации.

Много трудностей связано также с многокаскадностью усилителей, и поэтому, стремясь к очень большой мощности, создают не только многокаскадные, но еще и многоканальные лазерные системы. В них несколько многокаскадных усилителей, получающих первичный импульс от общего генератора, работают параллельно, а затем с помощью оптических приборов -- зеркал, призм, объективов -- все эти параллельные каналы складывают свои излучения на общей мишени. Примером такой многоканальной установки может служить «Дельфин», созданный в Физическом институте Академии наук имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика Н. Г. Басова. В «Дельфине» 216 параллельных многокаскадных усилительных каналов по 50 Дж, суммарная энергия лазерного излучения -- около 10 кДж, что при длительности импульса 1 не дает мощность в импульсе 10 миллиардов кВт, то есть 10 ТВт (тераватт). В Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в США была создана двенадцатиканальная установка «Шива» (стоившая, кстати, 20 миллионов долларов), каждый дисковый усилитель которой дает излучение с энергией 1 кДж в импульсе.

Другое вещество для рабочего тела мощных лазеров, сегодня, может быть, даже самое удачное, это углекислый газ, точнее, его смесь с азотом и гелием. В углекислотных, или, иначе, СО2-лазерах, основной излучатель -- это молекула СО2, она в столкновениях получает энергию от молекулы азота N2, а он легко приобретает энергию в процессе накачки. Одно из важных достоинств углекислотного лазера -- его универсальность, здесь характеристики самих процессов накопления энергии и излучения позволяют работать и в импульсном, и в импульсно-периодическом, и в непрерывном режимах. Во всех случаях СО2-лазер генерирует инфракрасные лучи на волне порядка 10 600 нм, что примерно в 15 раз длиннее волны, соответствующей красному свету.

Основной источник накачки в углекислотном лазере -- электрический ток, а конкретно -- тлеющий разряд в самом газе, в процессе которого молекулы N2 получают энергию от движущихся электронов.

Помимо чисто физических проблем, связанных с тонкими молекулярными механизмами излучения и накачки, создатели мощных лазеров сталкиваются еще и с непростыми инженерными задачами. Одна из них -- снижение температуры активного вещества в резонаторе. В частности, СО2-лазеры имеют сравнительно высокий кпд, примерно 10%, но даже при этом на каждый киловатт излучаемой средней мощности приходится 9 киловатт мощности теряемой, выделяющейся в газе в основном в виде тепла. А сильный нагрев газовой смеси снижает усиление, нарушает оптическую однородность газа, наконец, просто производит разрушения -- разваливает молекулы активного вещества, разрушает кювету, в которой находится газ.

Одно из ограничений мощности -- пробой газовой смеси самим инфракрасным излучением, он происходит при плотности лазерного потока в резонаторе 10 Дж/см2. Но реальный допустимый порог плотности еще ниже. Уже при потоках 3 Дж/см2 повреждаются элементы инфракрасной оптики и при еще меньшей энергии возникают сложные явления, нарушающие когерентность излучения. В первых углекислотных лазерах использовался продольный разряд -- высокое напряжение действовало вдоль трубы с газом, а мощность наращивали, увеличивая длину труб, создавая очень длинные, многометровые резонаторы. В итоге удавалось получать мощности порядка киловатта непрерывного излучения, один из первых мощных киловаттных СО2-лазеров был построен в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика А. М. Прохорова. Полезно вспомнить, что первые непрерывные гелий-неоновые лазеры имели мощности в несколько милливатт и какое-то время казалось, что милливаттами, в лучшем случае ваттами дело и ограничится.

Заметное продвижение вперед по шкале мощности лазерного излучения связано с идеей быстрой прокачки газа. Слово это созвучно «накачке», но ничего общего с ней не имеет -- углекислый газ прокачивают, прогоняют через резонатор и создают, таким образом, интенсивную циркуляцию газа, обеспечивая последующее его охлаждение в теплообменниках. Прокачку производят не вдоль резонатора, а поперек, и электрический разряд тоже создают не продольный, а поперечный. Интересное направление в части накачки газовых лазеров открыли работы лаборатории академика Н. Г. Басова. Чтобы получить равномерное возбуждение плотного газа, при давлении вплоть до 25 атмосфер, на него извне воздействуют пучком быстрых электронов. Так родилось семейство лазеров с несамостоятельным разрядом. Примером современного мощного СО2 лазера с непрерывным излучением может служить установка ЛТ-1, созданная в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова в лаборатории академика Е. П. Велихова. В ней осуществляется поперечная циркуляция смеси СО2: N2: Не, в которую эти составляющие входят в пропорции 1:20:20. Через теплообменник ежесекундно проходит 2--3 кубометра газа, от которого отбирается 50 кВт тепловой мощности. Предварительные исследования позволили применить сравнительно маломощный источник внешней ионизации газа и, не повышая его давления, создать непрерывное лазерное излучение мощностью 5 киловатт.

В числе самых мощных источников непрерывного когерентного излучения -- газодинамические лазеры. Эти приборы не имеют аналогов в квантовой электронике, в них когерентное излучение рождается непосредственно из тепловой энергии. В одном из вариантов газодинамического лазера сильно нагретая смесь азота, углекислого газа и паров воды N2: СО2: Н2О под высоким давлением входит в расширяющееся сопло. На выходе поток газа достигает сверхзвуковых скоростей, его температура и давление резко падают. При этом энергия хаотического движения молекул переходит в энергию упорядоченного движения газового потока. Только молекулы азота N2, обладающие большой инерцией собственных колебательных движений, оказываются хранителями заметных энергетических запасов. Эти запасы с большой эффективностью передаются молекулам углекислого газа CO2, которые, попадая в пространство между двумя зеркалами, то есть попадая в оптический резонатор, генерируют инфракрасное излучение с обычной для СО2 длиной волны--10600 нм. Газовая смесь, отдавшая свою энергию лазерному лучу, сама уходит из резонатора, на смену ей приходят другие порции газа, и таким образом нет проблемы перегрева, хотя и расход газа велик. Созданы и описаны в литературе газодинамические лазеры с мощностью непрерывного излучения до 100 кВт, их кпд 1 -- 2%, расход газа -- 1 кг на 10--20 кДж, энергии излучения. Обсуждается идея фотонной машины, в которой газ, выбрасываемый газодинамическим лазером, будет поступать в компрессор и из него вновь возвращаться к началу расширительного сопла. Во многих лабораториях разрабатываются химико-газодинамические и электрогазодинамические лазеры, где для накопления энергии и формирования исходного газового потока используются электрические или химические процессы.

Интересный способ накачки газового лазера был продемонстрирован в лаборатории академика Е. П. Велихова и двух американских лабораториях -- накачка углекислотного лазера осуществлялась нейтронами прямо от ядерного реактора. При этом гелий, который входил в газовую смесь, под действием нейтронной бомбардировки превращался в тритий, выбрасывая протон, и именно энергией протонов производилась накачка молекул газовой смеси. Рассматриваются другие возможности использования ядерной энергии для создания лазерного излучения, вплоть до введения излучающих элементов непосредственно в реактор. В этом случае появляется возможность создания замкнутой системы реактор--лазер, в которой будет происходить прямое, без посредников, преобразование ядерной энергии в когерентное световое излучение высокой мощности. Такой реактор-лазер мог бы стать важным элементом энергетики будущего. В частности, работая на космической орбите, он мог бы передавать энергию на Землю в виде мощного лазерного луча.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия. Пример такого способа сверления - пробивка отверстий в часовых камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 - 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 - 0,5 Дж. и длительностью около 10-4 с. Производительность установки в автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности механического сверления. Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов.

При изготовлении проволок применяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры). Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!). Зато совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг. Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария - перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку и должным образом фокусирую его, можно осуществить сварочную работу. Лазеры с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой.

Например, пусть требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длины волны. Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10-3 см-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу. Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

В настоящее время в мире существует несколько десятков лазерных локационных систем. Многие из них уже имеют космическое значение. Они осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева. Погрешность измерения при использовании данной системы составляет 40 см. Проведение таких исследований организуется для того, чтобы точнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени, например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную важность.

Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны. Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабые стороны. Например, не так просто при помощи остронаправленного луча лазера обнаружить объект, так как время обзора контролируемой области пространства оказывается слишком большим. Поэтому оптические локационные системы используются вместе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры цели и осуществляет слежение за ней. Большой интерес представляют последние разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качеством изображения. Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения.

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

1. Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

2. Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

3. Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

4. Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

5. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

6. Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

7. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине -лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многих других “глазных центрах” стран содружества Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 - 0,1 Дж, длительность порядка - 0,1 с.). Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.

Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

1. Лазерное облучение - облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению

2. Лазерная коагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.

3. Лазерная хирургия - наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением.

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта на каком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка). Однако информация, содержащаяся в фотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновой фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью отсутствует информация о фазах волн. Голография позволяет устранить этот недостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентична первоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методом полной записи волны. Для того чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию. Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947 году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английский физик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.

...