Основные свойства лазерного излучения и их применение. Физические свойства лазерного излучения Свойства лазерного излучения их объяснение

Когда ученые узнали, каковы свойства лазерного излучения, общественность получила широкие возможности интерферометрии. В настоящее время научное сообщество имеет достаточно точные методы определения количественных оценок перемещений, длин. Первое время интерферометры применялись довольно ограниченно, так как источники световой волны не были в необходимой степени когерентными, яркими, поэтому картина, доступная человеку, была корректной лишь в случае, когда измерительное плечо составляло 50 см и менее. Многое изменилось, когда появилась возможность применения более высокоточного лазерного излучения.

Гемостатика

Этим термином принято обозначать кратко свойство лазерного излучения, выраженное через запаивание, сварку. Обусловлен процесс некрозом, связанным с обработкой температурой. Коагуляционный контролируемый некроз, спровоцированный изменением уровня нагрева, сопровождается формированием краевой пленки из элементов клеток, тканей. Это соединяет между собой несколько слоев органа единым уровнем.

Работа с лазером - это всегда взаимодействие с очень высокими температурами. За счет такой особенности жидкость, находящаяся в норме внутри клеток и между тканями, практически мгновенно испаряется, а сухие компоненты сгорают. Дистрофия определяется тем, какой именно тип лазерного излучения (свойства немного отличаются) применен в конкретной установке. Многое также зависит и от вида обрабатываемых органических тканей, от продолжительности контакта. Если лазер перемещать, это провоцирует испарение, по итогам которого получается линейный разрез.

Важные качества

Рассматривая, какими свойствами обладает лазерное излучение, важно упомянуть монохроматический спектр, высокий уровень когерентности, низкую расходимость, повышенную плотность спектра. Суммарно это позволяет сконструировать на базе лазера высокоточные приборы, надежные и применимые в самых разных условиях климата, геологических, гидрологических факторов.

В последние годы конструируются высокоточные приборы с лазерами для геодезистов. Они основаны на уже известных человечеству свойствах лазерного излучения. Использование лазеров в подобных установках широко распространено не только в нашей стране, но и за границей. Как видно из практики, для укладчиков труб, машин землеройного класса лазерные системы незаменимы как метод определения направления движения. Важны они и при создании дорог (ж/д, авто), многих других работах.

Это важно

Применение лазер нашел себе при формировании траншей. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Эксплуатация подобных современных приборов - гарант качественного исполнения всех этапов работ и создания траншей точно такими, какие заданы проектной документацией.

Лазер незаменим!

Если в школьном или университетском курсе в тестовой работе обучающемуся дают задание «Назовите характерные для лазерного излучения свойства», первыми в голову приходят когерентность, яркость. Если сравнить лазер и плазму, первый превышает по параметрам яркости в разы, применим для создания серийных вспышек, причем частота может достигать 1010 Гц. Один импульс может длиться (в пикосекундах) несколько десятков. При этом расходимость низкая, можно регулировать частоту. Указанные качества оказались применимы в установках, позволяющих изучать протекающие с очень высокой скоростью процессы.

В силу описанных особенностей лазеры стали незаменимыми в аналитике с применением технологии термооптической спектроскопии.

Тонкие структуры

Выявленные учеными (перечисленные выше) основные свойства лазерного излучения позволили применять эту технологию при разработке современного оружия и конструировании машин для нарезки различных материалов. Но только лишь этим спектр возможностей не ограничен. Применяя особенно точные и технологичные методы построения рабочей конструкции, на базе лазерного излучения можно создать систему изучения молекул, их структуры, свойств. Получая новейшую информацию таким образом, ученые формируют фундамент для создания новых типов лазеров. Как видно из наиболее оптимистичных прогнозов, уже в ближайшем будущем именно посредством лазерного излучения удастся раскрыть природу фотосинтеза, а значит, научные сотрудники получат все ключи к познанию сути жизни на планете и механизмов ее формирования.

Познание мира: тайны и открытия

Считается, что все основные свойства лазерного излучения в настоящее время уже исследованы. Ученые знают базовые принципы стимулированного излучения и сумели применить их на практике. Особенно важными считаются монохроматический спектр излучения, его интенсивность, импульсная длина, четкое направление. За счет таких особенностей луч лазера вступает в нетипичное взаимодействие с веществом.

Как дополнительно обращают внимание физики, указанные свойства лазерного излучения нельзя назвать независимыми характеристиками, описывающими все без исключения разновидности упомянутого явления. Между ними есть определенные связи. В частности, когерентность определяется направленностью излучения, а импульсная длина напрямую связана с монохроматическим спектром луча. Длительность, направление определяют интенсивность излучения.

Эффект Рамана

Это явление - одно из важных для оценки и понимания, применения свойств лазерного излучения. Термином принято обозначать такое состояние, для инициации которого необходима установка большой мощности. Под ее влиянием происходит рассеивание, когда наблюдается частотное смещение излучения. При выявлении специфики спектрального состава, оценке мощности можно заметить, что частотность корректируется в соответствии с довольно сложной закономерностью. Если стимулировать эффект Рамана искусственным путем, можно создать метод корректирования для оптики когерентных сигналов.

Это любопытно

Как показали исследования свойств лазерного излучения и процессов, которые оно инициирует в веществе, картина во многом сходна с наблюдаемой в структуре ферромагнетиков, сверхпроводников. Если добиться повышенного уровня накачки, используя резонатор низкой степени, лучи, испускаемые лазером, становятся хаотичными. При этом сам хаос - это такое световое состояние, которое совершенно не похоже на хаос, создаваемый излучающими тепло объектами.

Область использования расширяется

Так как лазерное излучение обладает следующими свойствами: монохроматический спектр, строго определенная направленность, следовательно, его можно применять в качестве светового источника. В настоящее время активно ведутся разработки в сфере эксплуатации этой технологии для передачи сигналов. Известно, что свет и вещество могут взаимодействовать таким образом, что процесс применим на практике в различных установках, но корректные подходы еще только предстоит разработать. Есть и иные, высокотехнологичные, сложные, наукоемкие актуальные задачи, для решения которых рано или поздно удастся применить высокомощное лазерное излучение.

Свойства описываемого явления позволяют конструировать спектральные приборы. Это в некоторой степени объясняется и низкой расходимостью луча, сопровождающейся повышенной плотностью спектра.

Возможностей много

Как удалось выяснить ученым, для создания максимально эффективных и широко применяемых установок разумно применять такие лазеры, для которых частоту можно настраивать в процессе работы. Они актуальны в первую очередь для спектральных приборов с повышенными показателями разрешения. В таких установках можно добиться корректного результата исследования, не прибегая к диспергирующему элементу.

Системы, основанные на лазере, частота которого корректируется во время работы, в настоящее время нашли себе применение в разных областях и сферах научной деятельности, медицины, промышленности. Во многом предназначение конкретного прибора определяется спецификой лазерного излучения, реализованного в нем. Линия генерации определяет спектральное разрешение, полуширину функциональности аппарата. Форма зависит от заданного интенсивного спектрального распределения.

Технические особенности

Обычно лазер конструируется как резонатор, где создается специфическая среда. Ее ключевая особенность - негативное по знаку поглощение электромагнитной энергии. Такой резонатор позволяет уменьшить потери радиации в специализированной среде. Обусловлено это созданием цикла для электромагнитной энергии. При этом частоты берутся лишь узкой полосы. Такой подход позволяет восполнять энергетические потери, спровоцированные тем фактом, что излучение вынужденное.

Чтобы генерировать электромагнитную энергию, имеющую характерные особенности лазера, не нужно использовать резонатор. Результат все равно будет когерентным, отличающимся высокой коллимацией и узким спектром.

О голографии

Чтобы реализовать подобные процессы, следует иметь в своем распоряжении источник, генерирующий излучение с высоким уровнем когерентности. В настоящее время это именно лазеры. Как только удалось впервые открыть такое излучение, практически сразу физики поняли, что свойства его можно применять для реализации голографии. Это стало толчком для широкого практического применения перспективной технологии.

О применении

Едва только лазеры были изобретены, как научное сообщество, а следом и весь мир, оценили их как уникальное решение любой проблемы. Это обусловлено свойствами излучения. В настоящее время лазеры эксплуатируются в технике, науке, при решении многочисленных бытовых задач: от воспроизведения музыки до считывания кодов при продаже товара. Промышленность применяет такие системы для спайки, нарезки, сварки. Благодаря возможности достижения очень высокой температуры можно сваривать такие материалы, которые не поддаются классическим методикам соединения. Это сделало возможным, к примеру, создавать цельные объекты из керамических, металлических частей.

Лазерный луч при использовании современной технологии можно сфокусировать так, что диаметр полученной точки будет оцениваться в микрон. Это позволяет применять технологию в микроскопических электронных приборах. В настоящее время такая возможность известна под термином «скрайбирование».

А где еще?

Довольно активно лазеры, благодаря своим уникальным качествам, используются в промышленности для создания покрытий. Это помогает повысить стойкость к износу разнообразных изделий, материалов. Не менее актуальна и лазерная маркировка, гравировка - при помощи современной установки таким образом можно обработать практически любую поверхность. Во многом это связано с отсутствием механического прямого влияния, то есть рабочий процесс провоцирует меньшие деформации, нежели при любом другом распространенном методе. Современный уровень развития техники и науки таков, что можно полностью автоматизировать все этапы работы с лазером, сохраняя при этом высокий производительный уровень и повышенную точность исполнения задач.

Технологии и техника

В последнее время довольно широко применяются лазерные установки с красителями. Они производят монохроматическое излучение с разными длинами волн, импульсы оцениваются в 10-16 с. Мощность таких установок очень большая, а генерируемые импульсы оцениваются как гигантские. Такая возможность особенно значима для спектроскопии и исследований в оптике относительно не обладающих линейностью эффектов.

Применение лазера стало базовой технологией для точной оценки расстояния между нашей планетой и ближайшим небесным телом - Луной. Точность измерения - до сантиметров. Локация с применением лазера позволяет увеличивать астрономические знания, уточнять навигацию в космосе, увеличивать базу данных об особенностях атмосферы и о том, из чего состоят планеты нашей системы.

Химия не осталась в стороне

Современные лазерные технологии используются для инициации химических реакций и исследования того, как они протекают. При применении подобных возможностей можно выявить предельно точно локализацию, дозу, стерильность, обеспечить необходимые энергетические показатели на моменте старта системы.

Ученые активно работают над формированием систем лазерного охлаждения и разрабатывают возможности применения такого излучения для контроля термоядерных реакций.

По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источников света не имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7×10-12xT 4 вт/см 2 . Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см 2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W = 6,4×10 3 вт. Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую, чем в самом источнике света.

Если интенсивность излучения лазера сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Направленность лазерного излучения во многом определяется тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. При высокой степени пространственной когерентности угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией. Типичные значения составляют: для газовых лазеров (0,5-5)x10 -3 радиан, у твердотельных (2-20)x10 -3 радиан, у полупроводниковых (5-50)x10 -2 радиан.

Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн. Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре возбуждения атомов и молекул. Таким образом, в обоих случаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света, представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам — направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. — превосходящие классические устройства радиодиапазона.

В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии — высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной. Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной.

В настоящее время лазеры перекрывают диапазон от ультрафиолета до субмиллиметровых волн, достигнуты первые успехи в создании рентгеновских лазеров, созданы перестраиваемые по частоте лазеры.

Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3×10 -4 радиан при площади пучка 0,1 см 2 имеет яркость 10 6 Вт/(см 2 *стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см 2 стерадиан)).

Перечисленные выше свойства делают лазеры уникальными источниками света и определяют возможность их многочисленных применений.

Теперь рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер
представляет собой источник монохроматического когерентного света с
высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при
точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или
молекулы).

В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового
фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и
поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием
данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных
фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными
атомами происходит также процесс самопроизвольного, спонтанного
испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г.

Если число возбуждённых атомов велико и существует инверсная
населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно)
большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое
число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем
направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей
лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем
получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так
как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным
фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было
использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с
высокой монохроматичностью, необходимо "снимать" инверсную
населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и
той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме.
В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного
луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно
родившиеся фотоны, направление распространения которых не
перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением "вбок" можно будет полностью
пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На
практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной
связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора
используют в большинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Е. Басовым и А. М.
Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип
создания первого в мире генератора квантов электромагнитного
излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи
приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т.
Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического
диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью
описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность
возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой
лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл
оксида алюминия Al2O3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При
добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают
розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней
ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина
поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света
ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В
результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в
основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих
уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими
интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую
параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома
в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса=0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или
быстродействующего электрического затвора можно "включить" обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности "снимется" вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается
гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме "свободной генерации", но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения = 100000000Вт.

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию
конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность
излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре
спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого
процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного
излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях
удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного
излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить
расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в
принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд
экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой.
Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра,
соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность
лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча,
можно с помощью формулы Планка вычислить температуру
воображаемого черного тела, использованного в качестве источника
светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча – его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной
населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка,
возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей
средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный).
Эти различия определяются многообразием требований к
характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения
поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной
последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных
импульсов может быть очень высокой - до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать "гигантские импульсы" (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кет), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10- 12 с, интенсивность в максимуме до 109 кет). В качестве активных элементов
лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые

материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовые
активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:

а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных
неодимом);

б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на
углекислом газе);

в) жидкостные (на растворах органических красителей);

г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих
друг с другом примесных полупроводниках разного типа);

д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические
реакции с выделением энергии);

е) газодинамические (на реактивной струе газа).

Газовые лазеры

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко
используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем,
что они, как правило, являются источниками атомных или
молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно
известны они определяются атомной структурой и обычно не зависят
от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации
при определенных усилиях может быть значительно улучшена по
сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее
время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом
другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2000 А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако
благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для
большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

Полупроводниковые лазеры

Основным примером работы полупроводниковых лазеров является
магнитно-оптический накопитель (МО). Принципы работы МО накопителя состоит в том, что МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает
определенные точки на диски, и под воздействием температуры
сопротивляемость изменению полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается нополярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем примененным к ней в момент нагрева. В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла, цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает
последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает
на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра,
заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного
лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае
является намагниченная при записи точка на поверхности диска,
соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании
используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к
нагреву считываемого участка, таким образом, при считывании хранимая
информация не разрушается.

Такой способ в отличии от обычного применяемого в оптических
дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличии от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его
высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО
диск необходим для задач, требующих большого дискового объема, это
такие задачи, как САПР, обработка изображений звука. Однако
небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять
МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому
применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них
временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным
использованием является резервное копирование жестких дисков или баз
данных. В отличии от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с
произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те
данные в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе
восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до
полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой
надежностью хранения информации делают применение МО дисков при
резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с
приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков
позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут хранится в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы, из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это
технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система
уже реализована некоторыми фирмами производителями. Существуют
еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология основанная на изменении фазового состояния,
основана на способности вещества переходить из кристаллического
состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на
поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество
в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется
отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом процессе деформируется
поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

Технология основанная на полимерных красителях, также
допускает повторную запись. При этой технологии поверхность диска
покрывается двумя слоями полимеров, каждый из которых
чувствителен к свету определенной частоты. Для записи используется
частота, игнорируемая верхним слоем, но вызывающая реакцию в нижнем. В точке падения луча нижний слой разбухает и образует выпуклость, влияющую на отражающие свойства поверхности диска. Для стирания используется другая частота, на которую реагирует только верхний слой полимера, при реакции выпуклость сглаживается. Этот метод как и предыдущий имеет ограниченное число циклов записи, так как при записи происходит деформация поверхности.

В настоящие время уже разрабатывается технология позволяющая
менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле
синхронно с поступлением данных на запись. Существует также
технология построенная на модуляции излучения лазера. В этой
технологии дисковод работает в трех режимах - режим чтения с низкой
интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска, и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера. В процессе записи инициализирующий слой записывается нулями, а при воздействии лазерного луча средней интенсивности записывающий слой намагничивается инициализирующим, при воздействии луча высокой интенсивности, записывающий слой намагничивается в соответствии с полярностью магнита смещения. Таким образом запись данных может происходить за один проход, при переключении мощности лазера.

Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся
устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими
объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от
технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей
информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

Лазерные технологии

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в
промышленности для различных видов обработки материалов: металлов,
бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на
два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой
фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в
импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических
процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней
мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

В последние годы в одной из важнейших областей
микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой
практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на XeCL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической nтехнике до 0,15 - 0,2 мкм.

Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с
применением в качестве экспонирующего источника света мягкого
рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В
этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны
рентгеновского излучения (1= 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто
фантастическим.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с
большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении,
автомобильной промышленности, промышленности строительных
материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки
материалов, но и улучшить технико-экономические показатели
производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных
листов толщиной 14 мКм достигает 100м\ч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.

Использование лазера

5.1. Лазерный луч в роли сверла. Сверление отверстий в часовых
камнях - с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о
рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине - материале весьма твердом и в то же время хрупком - отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление
часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением.
Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие - он его пробивает, вызывая
интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме - камень в секунду. Это в тысячу раз выше
производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее
задание, с которым справился столь же успешно, - сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, - ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего
протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе - сквозь так
называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно - для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как
оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких
мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо
твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной
хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма
деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении
отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной
керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое
сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное
расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с
появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия - диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений.
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя,

Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной

5.2. Лазерная резка и сварка. Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся С0 2 -лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки - когда одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

Первый пример такого рода резки лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает С0 2 -лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности. Так, С0 2 -лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100- 300 Вт.

В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных С02-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца - мощностью до 300 Вт. Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры.

Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

На рисунке изображён процесс вырезания квадратных отверстий в листе нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью С0 2 -лазера. Скорость
резания примерно 2 м/мин. Если длина стороны одного отверстия равна 10 мм, то за 1 мин лазерный луч может вырезать до 5 10 отверстий.

При газолазерной резке луч работает совместно с сильной струёй кислорода. Место разреза подвергается

5.3. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля. Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится С02-лазер. Излучение лазера поступает в шарнирный световод - систему полых раздвигающихся трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может перемещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча - ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скальпель.
В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см 2 . Излучение проникает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см 3 . для биологических тканей это очень много. Происходит их быстрое разогревание и испарение - налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см 2 , то ткань испаряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них - возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то

мере загораживает хирургу рабочее поле. Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность - ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживляется.

До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоящий в том, что до больного места добирались с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканями. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на такой шаг.

С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г. Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Метод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. для этого был использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реализации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из основания, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибкого соединения подвешена излучающая головка с рубиновым лазером. На одной оптической оси с лазером располагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кнопки, расположенной на одной из рукояток. Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающего персонала прибор снабжен световой и звуковой сигнализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02 до 0,1 дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облучение. Вся операция напоминает сварку металла точечным методом.

5.4. Лазерное оружие. В середине 80-х годов был получен ряд сообщений о том, что на американских полигонах было испытано несколько образцов лазерного оружия, часть из которого была изготовлена в виде пистолета, часть-в виде ружья. В сообщениях подчеркивалось, что оно было создано для борьбы с живой силой противника на поле боя. Действие оружия основано на использовании большой пиковой мощности лазера. Для чего применялся твердотельный (рубиновый или на стекле с неодимом) лазер с модуляцией добротности. В результате длительность импульса составляла всего i0 с, что при использовании энергии в 1 Дж приводило к мощности в 10 Вт. В первую очередь действие такого оружия, по замыслам создателей, должно состоять в поражении глаз, вызывая в них обратимые или необратимые процессы. Предположения основаны на том, что, попадая на хрусталик человеческого глаза, лазерное излучение не должно поражать сам хрусталик, так как он прозрачен для этого излучения. Но хрусталик, как всякая оптическая система, фокусирует излучение в очень маленькое пятно на сетчатке. В этом пятне плотность энергии возрастает настолько, что приводит к кровоизлиянию. Человек либо не успевает моргнуть настолько короткой является вспышка, либо даже не видит излучение если оно на волне 1,06 мкм. Но зрение теряется мгновенно. Образцы такого оружия представлены на рисунке ниже. В качестве источника излучения используется лазер на рубине, помещенный внутри съемного патрона. В этом же патроне находится источник возбуждения, представляющий собой химический элемент, питаемый от батареи. На рисунке показан патрон отдельно от пистолета. Управление таким оружием максимально приближено к обычному оружию. Оно наводится на объект поражения, нажимается спусковой курок, чем подается импульс от батареи на химический элемент, который дает питание на рубиновый стержень. Излучаемая энергия выбрасывается в сторону цели. Действие показанного на рисунке ружья аналогично. Разработчики считают, что для поражения органов зрения нет необходимости наведения луча точно в глаз противника. Достаточно облучить голову или весь корпус человека. Но если он будет расположен лицом в сторону источника излучения, то поражение органов зрения обеспечено. Механизм воздействия лазерного излучения на сетчатку и хрусталик подробно рассмотрен в предыдущем материале и здесь нет надобности повторяться. В сообщении отмечается, что даже если объект поражения находится к источнику излучения под некоторым углом, все же он может потерять зрение. С появлением лазеров на С0 2 , работающих в непрерывном режиме, работы по созданию наземного оружия были форсированы. Были созданы лазерные «пушки». Если первые пистолеты и ружья предназначались в основном против человека и только в отдельных случаях для поджога легко воспламеняющихся материалов, то лазерные пушки предполагали, в основном, борьбу с техникой.

В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запустили модель беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где размещалась эта пушка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости беспилотного самолета. Самого луча никто не видел, но самолет был сбит. В опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится о мощности излучения пушки, о высоте, на которой пролетел самолет, о материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.

Помимо использования так называемого прямого воздействия лазерного излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения применяется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и тренажеров. Использование лазеров для тренировки стрелков и наводчиков танковых пушек обосновывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка, повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность» стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года. В сообщении делают вывод, что лазерные имитаторы, которыми предполагают оснастить танковые подразделения, позволяют разыгрывать танковые бои в условиях, максимально приближенных к боевым.

Заключение

Сегодня трудно даже перечислить всевозможные применения лазеров в науке и технике. Лазеры используются в современной измерительной технике - для оптической локации, в геодезии, для сверхточных измерений расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений. Всё шире внедряются в практику лазерные методы контроля за состоянием атмосферы (степень и характер её загрязнённости), качеством различных изделий, наличием в тех или иных деталях высоких механических напряжений или внутренних дефектов. Развиваются системы лазерной связи (наземные, подводные, космические). Лазерное излучение начинают использовать и в современных вычислительных комплексах - для хранения, поиска, передачи и обработки информации. Накоплен большой материал по эффективному применению лазеров в медицине: созданы лазерные установки для выполнен для самых различных хирургических операций, включая операции на человеческом глазе. Наиболее широко лазеры используются для обработки материалов. Мощные лазеры используются в таких энергоёмких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве. Лазерным лучом делают на различных поверхностях, ставят клейма, зачищают провода от изоляции. И всякий раз лазерный луч применяется там, где требуется особо “тонкая” работа, где механические средства обработки оказываются грубыми или попросту непригодными.

Одно из наиболее эффективных применений лазера - при глазных операциях. Оказалось, что лазер идеальной точностью сообщает как раз то количество энергии, которое необходимо, чтобы отслоившуюся сетчатку к глазному дну.

Модулированные лазерные пучки эквивалентны огромному числу каналов радиосвязи, и влияние, которое они окажут на развитие техники связи, должно быть колоссальным.

Лазерный пучок используется для точного измерения величены. Отражая лазерный пучок от зеркала, помещённого на Луне, можно получать информацию о флуктуациях расстояния от земли до Луны, которая имеет важное значение для геофизики Земли и Луны.

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.

Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

Список использованных источников:

1. Блудов М.И. ”Беседы по физике”. Москва «Просвещение »1992 год.

2.Гинсбург Физике и Астрофизике”. Москва «Просвещение» ь1985 год.

3.МякишевГ.Я., Буховцев Б.Б. «Физика» Москва «Просвещение» 1991 год.

4.Поль Р.В. «Оптика и атомная физика». Москва «Наука» 1966 год.

5.Триг Дж. “Физика 20 века: ключевые эксперименты”. Москва издательство «Мир» 1978 год.

6.Элементарный учебник физики” Под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Москва том 3, 1986 год.

ТЕМА: МЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

1. Введение

2. История развития мембранных технологий

3. Мембранные технологии - авангардное направление
науки и техники XXI века

4. Мембранные процессы, применяемые для очистки воды

5. Заключение

6. Список литературы

Введение

XX столетие может быть названо веком накопления отходов и загрязнения окружающей среды, ликвидация которых (например, химического оружия), требует огромных средств, что нарушает нормальное развитие мировой цивилизации.

Процессы устойчивого развития общества и государства прямо связаны с решением основных глобальных проблем человечества - безопасностью проживания, обеспечением населения экологически чистыми продуктами питания и питьевой водой, созданием должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды.

Реализованные в последнее время современные технологические процессы получения различных веществ и материалов, а также обработки отходов и сточных вод, как это не покажется странным, увеличивают общий объем отходов. Существующая мировая статистика свидетельствует о том, что в настоящее время только 7-12% исходного сырья преобразуется в конечный продукт, а, примерно, 90% на разных стадиях производства и потребления переходят в отходы, которые в то же время могут быть ценным сырьем, представляющим собой полуфабрикат, переработка которого может быть в несколько раз рентабельней, чем стандартного сырья, конечно, при условии реализации экологически безопасных технологий и получения I. Особенности деятельности командиров и штабов при проведении миротворческих и контртеррористических операций

V2:Тема 1.6 Кости свободной нижней конечности, их соединения. Особенности строения стопы человека. Рентгенанатомия и развитие скелета нижней конечности.

Принцип действия и основные свойства лазера.

Квантовую электронику можно определить как раздел электроники, в котором фундаментальную роль играют явления квантового характера. Настоящая книга посвящена рассмотрению частного аспекта квантовой электроники, а именно описанию физических принципов действия лазеров и их характеристик. Прежде чем заняться детальным обсуждением предмета, целесообразно уделить некоторое внимание элементарному рассмотрению идей, на которых основаны лазеры.

В лазере используются три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного излучения и процесс поглощения.

Принцип работы лазера

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N 1 и N 2 . Пусть в этой среде в направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F. Тогда в соответствии с выражениями (1.3) - (1.6) изменение плотности потока dF, обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz (заштрихованная область на рис. 1.2) определяется уравнением

dF=σF(N 2 -. N 1) (1.7)

Из уравнения (1.7) следует, что в случае N 2 > N 1 среда ведет себя как усиливающая (т. е. dF/dz > 0), а в случае N 2 <. N 1 - как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N 2 e и N 1 e - населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

N 2 e /N 1 e = exp[-(E 2 -E 1)/kT], (1.8)

где k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура среды. Таким образом, мы видим, что в случае термодинамического равновесия N 2 <. N 1 . В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте ν, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N 2 >. N 1 , то среда будет действовать как усилитель. В этом случае будем говорить, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что разность населенностей (N 2 -. N 1 > 0) противоположна по знаку той, которая существует в обычных условиях (N 2 -. N 1 < 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Если частота перехода ν = (Е 2 - Е 1)/h попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий усилитель называется мазером. Слово мазер (англ. maser) образовано из начальных букв слов следующей фразы: microwave amplification by stimulated emission of radiation - усиление микроволн вынужденным испусканием излучения. Если же частота перехода ν соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером. Слово лазер (англ. laser) образовано аналогично, только начальная буква «м», происходящая от первой буквы в слове microwave, заменена буквой «л», происходящей от слова light (свет).

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В СВЧ-диапазоне это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте ν. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. 1.3. Такая система зеркал обычно именуется резонатором Фабри-Перо оптическим резонатором или открытым резонатором). В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения Однако как в мазерах, так и в лазерах генерация возможна лишь при выполнении некоторого порогового условия. Например, в лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловленные частичным выходом излучения из резонатора через зеркало). В соответствии с выражением (1.7) усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно exp[σ(N 2 - N 1)∙l], где l- длина активной среды. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1.9)

где R 1 и R 2 - коэффициенты отражения зеркал по интенсивности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению, называемому критической инверсией и определяемому соотношением

(N 2 - N 1) кр =-ln(R 1 R 2)/2σl (1.10)

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. Однако теперь слово лазер широко применяется к любому устройству, испускающему вынужденное излучение - будь то в дальнем или ближнем ИК-, УФ- и даже в рентгеновском диапазонах. В таких случаях мы будем говорить соответственно об инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лазерах. Заметим также, что названия твердотельный, жидкостный и газовый лазер определяются агрегатным состоянием активной среды.

Схемы накачки

Рассмотрим задачу о том, каким образом в данной среде можно получить инверсию населенностей. На первый взгляд может показаться, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты v, определяемой выражением (1.1). Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1 - 2, чем переходов 2-1, и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N 2 =N 1), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (1.7) среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

Рис. 1.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера.

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? Мы увидим, что в этом случае ответ будет утвердительным и можно будет соответственно говорить о трех и четырехуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровней (рис. 1.4). В трехуровневом лазере (рис. 1.4, а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1. В четырехуровневом лазере (рис. 1.4,6) атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей. Когда в таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 2 на уровень 1. Поэтому для непрерывной работы четырехуровневого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уровне 1, очень быстро переходили на нулевой уровень.

Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для получения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще!), зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос: зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей? Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 1.4) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана [см., например, формулу (1.8)] почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии. Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как Nt, то в случае трехуровневой системы эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень 3. Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов Nt, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов. Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, разумеется, использование большего числа энергетических уровней.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера), называется накачкой. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

Свойства лазерных пучков

Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Рассмотрим теперь эти свойства подробнее.

1.4.1. Когерентность .

Для любой электромагнитной волны можно определить два независимых понятия когерентности, а именно пространственную и временную когерентность. Для того чтобы определить пространственную когерентность, рассмотрим две точки P 1 и Р 2 , выбранные с таким условием, что в момент времени t = 0 через них проходит волновой фронт некоторой электромагнитной волны, и пусть E 1 (t) и Е 2 (t) - соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию, в момент времени t = 0 разность фаз электрических полей в данных точках равна нулю. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени t > 0, то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью. Практически для любой точки Р 1 , если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка Р 2 должна располагаться внутри некоторой конечной области, включающей точку P 1 . В этом случае говорят, что волна характеризуется частичной пространственной когерентностью, причем для любой точки Р можно соответственно определить область когерентности.

Для того чтобы определить временную когерентность, рассмотрим электрическое поле волны в данной точке Р в моменты времени t и t + τ. Если для данного интервала времени τ разность фаз колебаний поля остается одной и той же в любой момент времени t, то говорят, что существует временная когерентность на интервале времени τ. Если такое условие выполняется для любого значения τ, то волна характеризуется полной временной когерентностью. Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени т, такого, что 0 < τ < τ 0 , то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ 0 . Представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. Электромагнитная волна с временем когерентности, равным τ 0 , имеет спектральную ширину Δν ~ 1/ τ 0 . В случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина 1/ Δν.

Следует заметить, что понятия временной и пространственной когерентности на самом деле не зависят друг от друга. Действительно, можно привести примеры волны, имеющей полную пространственную когерентность, но лишь частичную временную когерентность, и наоборот. Понятия пространственной и временной когерентности дают описание лазерной когерентности только в первом порядке.

Направленность

Это свойство является простым следствием того, что активная среда помещена в резонатор, например плоскопараллельный резонатор, показанный на рис. 1.3. В таком резонаторе могут поддерживаться только такие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или в очень близком к оси направлении. Для более глубокого понимания свойств направленности лазерных пучков (или в общем случае любой электромагнитной волны) удобно рассмотреть отдельно случаи, когда пучок обладает полной пространственной когерентностью и когда он имеет частичную пространственную когерентность.

Рассмотрим вначале пучок с полной пространственной когерентностью. Даже в этом случае пучок с конечной апертурой неизбежно расходится вследствие дифракции. Пусть пучок с постоянной интенсивностью и плоским волновым фронтом падает на экран, в котором имеется отверстие диаметром D. Согласно принципу Гюйгенса волновой фронт в некоторой плоскости Р за экраном может быть получен путем суперпозиции элементарных волн, излученных каждой точкой отверстия. Из-за конечного размера D отверстия пучок имеет конечную расходимость θ. Ее значение можно вычислить с помощью теории дифракции. Для произвольного распределения амплитуды имеем

θ=βλ/D (1.11)

здесь λ - длина волны, a D - диаметр пучка. β- числовой коэффициент порядка единицы, значение которого зависит от формы распределения амплитуд и способа, каким определяются расходимость и диаметр пучка (для пучка с гауссовым распределением интенсивности по сечению, образующегося в одномодовом резонаторе β=0,61). Пучок, расходимость которого описывается выражением (1.11), называется дифракционно-ограниченным. Если волна имеет частичную пространственную когерентность, то ее расходимость будет больше, чем минимальное значение расходимости, обусловленное дифракцией. При соответствующих условиях работы выходной пучок лазера можно сделать дифракционно-ограниченным.

Яркость

Определим яркость какого-либо источника электромагнитных волн как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Точнее говоря, рассмотрим элемент площади dS поверхности источника в точке О (рис. 1.7). Тогда мощность dP, излучаемая элементом поверхности dS в телесный угол dΩ в направлении 00", может быть записана следующим образом:

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

здесь θ - угол между направлением 00" и нормалью к поверхности. Величина В зависит, как правило, от полярных координат θ и φ, т. е. от направления 00" и от положения точки О. Эта величина В на-зывается яркостью источника в точке О в направлении 00".

Яркость лазера даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство в основном является следствием высокой направленности лазерного пучка.

Импульсы малой длительности

При помощи специального метода, называемого синхронизацией мод, можно получить импульсы света, длительность которых приблизительно обратно пропорциональна ширине линии перехода 2-1. Например, в газовых лазерах, ширина линии усиления которых относительно узкая, можно получать импульсы излучения длительностью --¦ 0,1 - 1 нс. Такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже некоторые лампы-вспышки способны излучать световые импульсы длительностью менее 1 нс. Однако у твердотельных или жидкостных лазеров ширины линий усиления могут быть в 10 3 - 10 5 раз больше, чем у газовых лазеров, и поэтому генерируемые ими импульсы оказываются значительно короче (от 1 пс до ~5 фс). Получение столь коротких импульсов света привело к новым возможностям в лазерных исследованиях и их применениях.

Свойство генерации коротких импульсов, которое подразумевает концентрацию энергии во времени, в некотором смысле аналогично свойству монохроматичности, означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн. Однако генерация коротких импульсов является, по-видимому, менее фундаментальным свойством, чем монохроматичность. В то время как любой лазер можно в принципе изготовить таким, что он будет генерировать достаточно монохроматическое излучение, короткие импульсы можно получать лишь от лазеров с широкой линией излучения, т. е. на практике только от твердотельных или жидкостных лазеров. Газовые же лазеры, обладающие более узкими линиями усиления, лучше всего подходят для генерации высокомонохроматического излучения.

Ширина линии.

Однородное уширение.

Любые процессы, сокращающие время жизни частиц на уровнях, приводят к уширению линий соответствующих переходов. Действительно, определение энергии состояния должно про­водиться за время, не превышающее время жизни в этом состо­янии т. А тогда неточность определения энергии в соответствии с соотношением неопределенностей «энергия - время»

ΔЕΔt ≥ ђ (1.13)

не может быть меньше ђ /τ. Неопределенность энергии состояния приводит к неопределенности частоты перехода, равной 1/2πτ. Постоянная времени τ является мерой времени, необходимого для того, чтобы возбужденная система отдала свою энергию. Значе­ние т определяется скоростями спонтанного излучения и безызлучательных релаксационных переходов.

В отсутствие внешних воздействий спонтанное излучение оп­ределяет время жизни состояния. Поэтому наименьшая возмож­ная, так называемая естественная ширина линии Δν 0 определяет­ся вероятностью спонтанного перехода А:

Δν 0 =А/2π (1.14)

Естественная ширина, как правило, существенна только на очень высоких частотах (А ~ ν 3) и для хорошо разрешенных перехо­дов. Обычно влиянием спонтанного излучения на ширину линии можно пренебречь, так как в реальных условиях релаксационные переходы более эффективно сокращают время жизни.

Как уже говорилось, в системах с дискретными уровнями энергии, кроме индуцированных и спонтанных переходов, суще­ственную роль играют релаксационные безызлучательные перехо­ды. Эти переходы возникают в результате взаимодействий кван­товой частицы с ее окружением. Механизм процессов этих взаи­модействий сильно зависит от вида конкретной системы. Это мо­жет быть взаимодействие между ионом и решеткой кристалла; это могут быть соударения между молекулами газа или жидко­сти и т. д. В конечном счете результатом действия релаксацион­ных процессов является обмен энергией между подсистемой рас­сматриваемых частиц и тепловыми движениями во всей системе в целом, приводящий к термодинамическому равновесию между ними.

Обычно время установления равновесия, время жизни части­цы на уровне, обозначается Т 1 и называется продольным време­нем релаксации. Такая терминология отвечает традиции, устано­вившейся при исследовании явлений ядерного магнитного резо­нанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Продольная релаксация соответствует движению вектора высоко­частотной намагниченности системы частиц вдоль направления внешнего постоянного магнитного поля. Существует еще попе­речное время релаксации Т 2 , которое соответствует движению вектора намагниченности в плоскости, перпендикулярной направ­лению внешнего постоянного поля.

Время Т 2 является мерой того отрезка време­ни, в течение которого частицы приобретут случайные по отно­шению друг к другу фазы. Любой процесс, вносящий вклад во время релаксации Т 2 т. е. любой процесс потери энергии частицами, приводит к потере фа­зы. Следовательно, Т 2 < Т 1 . Так как время Т 2 является самым коротким временем ре­лаксации, то именно оно и определяет ширину линии перехо­да. Конечность времени жизни частицы в возбужденном энергетическом состоянии ведет к уширению уровней энергии. Излучение с уширенных уровней приобретает спектральную ши­рину. Наиболее общим, фундаментальным механизмом, ограничи­вающим сверху время жизни частицы на возбужденном уровне, является спонтанное излучение, которое должно, таким образом, иметь спектральную ширину, соответствующего скорости актов спонтанного распада.

Квантовая электродинамика позволяет вычислить спектраль­ное распределение квантов спонтанного излучения, исходящих с уровня шириной

ΔЕ = ђ /τ 0 . (1.15)

Контур линии спонтанного излучения оказывается имеющим так называемую лоренцеву форму с шириной

Δν л = ΔЕ / ђ = 1/2πτ 0 (1.16).

Лоренцева форма линии определяется форм-фактором

q(ν) (1.17)

и имеет вид резонансной кривой с максимумом на частоте ν =ν 0 , спадающей до уровня половины пиковой величины при ча­стотах ν=ν 0 ±Δν л /2. Очевидно, что полная ширина кривой на половине максимальной величины составляет Δν л.

Если принимать во внимание возможность спонтанного распа­да не только верхнего из двух рассматриваемых уровней энер­гии, но и нижнего, когда нижний уровень не является основным, то под Δν л, входящей в формулу (1.17), следует понимать вели­чину, определяемую суммой скоростей распада этих уровней

Δν л =1/2πτ 01 +1/2πτ 02 (1.18)

Уширение линии, обусловленное конечностью времени жизни состояний, связанных рассматриваемым переходом, называется однородным. Каждый атом, находящийся в соответствующем со­стоянии, излучает при переходе сверху вниз линию с полной ши­риной Δν л и спектральной формой q(ν). Аналогично каждый атом, находящийся в соответствующем нижнем состоянии, поглощает при переходе снизу вверх излучение в спектре с полной шири­ной Δν л и в соответствии со спектральной зависимостью q(ν). Не­возможно приписать какую-либо определенную спектральную компоненту в спектре q(ν) какому-то определенному атому. При однородном уширении вне зависимости от его природы спект­ральная зависимость q(ν)есть единая спектральная характери­стика как одного атома, так и всей совокупности атомов. Измене­ние этой характеристики, в принципе возможное при том или ином воздействии на ансамбль атомов, происходит одновременно и оди­наковым образом для всех атомов ансамбля.

Примерами однородного уширения являются естественная ши­рина линии и столкновительное уширение в газах.

Неоднородное уширение.

Экспериментально на­блюдаемые спектральные линии могут явиться бесструктурной суперпозицией нескольких спектрально неразрешимых однородно уширенных линий. В этих случаях каждая частица излучает или поглощает не в пределах всей экспериментально наблюдаемой линии. Такая спектральная линия называется неоднородно уши­ренной. Причиной неоднородного уширения может быть любой процесс, приводящий к различию в условиях излучения (погло­щения) для части одинаковых атомов исследуемого ансамбля ча­стиц, или наличие в ансамбле атомов с близкими, но различны­ми спектральными свойствами (сверхтонкая структура того или иного вида), однородно уширенные спектральные линии которых перекрываются лишь частично. Термин «неоднородное уширение» возник в спектроскопии ЯМР, в которой уширение этого типа происходило из-за неоднородности внешнего намагничивающего поля в пределах исследуемого образца.

Классическим примером неоднородного упшрения является доплеровское уширение, характерное для газов при малых дав­лениях и (или) высоких частотах.

Атомы (молекулы, ионы) газа находятся в тепловом движе­нии. Доплер-эффект первого порядка приводит к смещению час­тоты излучения частиц, летящих на наблюдателя со скоростью и, на величину ν 0 u/с, где ν 0 - частота излучения покоящейся части­цы, а с - скорость света. Естественное уширение превращает из­лучение на частоте ν 0 в спектральную линию, но это уширение однородно, и частотный сдвиг ν 0 и/с испытывает вся линия. Так как частицы газа движутся с различными скоростями, то частот­ные сдвиги их излучения различны, а суммарная форма линии газа в целом определяется распределением частиц по скоростям. Последнее верно, строго говоря, если естественная ширина линии много уже доплеровских сдвигов частоты, что, как правило, име­ет место. Тогда, если обозначить через р(и) функцию распреде­ления частиц по скоростям, форм-фактор доплеровской линии q(ν)оказывается связанным с р(и) простым соотношением:

ν = ν 0 (1+u/с) ). (1.20)

Следовательно, и = с(ν - ν 0 )/ ν 0 и du = c dν . При максвелловском распределении частиц по скоростям

(1.21)

где средняя тепловая скорость

Здесь k - постоянная Больцмана, Т - температура газа, т - масса атома (молекулы) газа. Комбинируя (1.20) и (1.21), лег­ко получить q(ν) в виде

, (1.22)

где Δν T =ν 0 u 0 /c - ширина спектральной линии.

Линия, форма которой определяется форм-фактором (1.22), назы­вается доплеровски уширенной линией. Ее форма описывается функцией Гаусса и симметрична относитель­но центральной частоты ν 0 . Спад кривой q(ν) (1.22) при сильной отстройке от ν 0 происходит гораздо более круто, чем в случае лоренцева контура линии (1.17). Около центральной частоты гауссо­ва кривая более полога. Очевидно, что ее ширина определяется параметром Δν T . При удалении от центра кривой на Δν T интен­сивность падает в е раз.

AИГ-Nd-лазер.

Рис. 2.1. Лазерно активные переходы в кристалле АИГ - Nd.

а - схема энергетических уровней; б - зависимость интенсивности люминесценции (в произвольных единицах) от длины волны.

АИГ-Nd-лазер принадлежит к твердотельным лазерам с оптической накачкой. Лазерно активными веществами служат синтетические кристаллы иттрий-алюминиевого граната (Y 3 Al 5 O 12), содержащие ионы Nd 3+ в объемной концентрации, приблизительно равной 1,5 %. Более высокие концентрации невозможны вследствие различия в радиусах ионов Nd 3+ и Y 3+ . АИГ-кристаллы имеют кубическую решетку и поэтому являются оптически изотропными. На рис. 2.1, а показана схема уровней энергии иона Nd 3+ , находящегося в электрическом поле кристалла. Из левой части рис. 2.1, а видно, что схема относится к четырехуровневому лазеру.

Уровни 4 F 3/2 и 4 I 11/2 играют роль верхнего и нижнего лазерных уровней. Выше уровня 4 F 3/2 расположена целая последовательность уровней накачки или полос накачки, с которых возбужденные ионы благодаря взаимодействию с решеткой быстро переходят на верхний лазерный уровень. Нижний лазерный уровень находится выше основного уровня на величину энергии, которая много больше kT. Поэтому при тепловом равновесии этот уровень почти не заселен. Уровни 4 F 3/2 и 4 I 11/2 расщепляются в кристаллическом поле, вследствие чего становятся возможными многие переходы, показанные в правой части рис. 2.1. (Соответствующие расщепления других уровней не показаны.) Наиболее интенсивный переход наблюдается при 1,0641 мкм. Поперечное сечение этого перехода равно 8,8-10~~23 м2, излучательное время жизни верхнего уровня равно 230 мкс и выход люминесценции равен 0,995. При комнатной температуре переходы однородно уширены в результате взаимодействия с колебаниями решетки. Вследствие регулярности структуры кристалла неоднородное уширение пренебрежимо мало, тогда как в системах на неодимовых стеклах оно является доминирующим. Главный лазерный переход имеет ширину линии Δν≈120 ГГц. Для накачки АИГ-Nd-лазера наиболее подходит криптоновая дуговая лампа, поскольку ее полосы излучения хорошо согласуются с уровнями накачки. На рис. 2.2 представлена схема накачки. Накачка осуществляется в двойном эллиптическом отражателе, изготовленном из материала с высоким коэффициентом отражения. Цилиндрический АИГ-стержень находится на общей фокальной линии. Обе криптоновые лампы помещаются на двух других фокальных линиях. Для охлаждения системы стержень и лампы омываются потоком воды. В связи с хорошей теплопроводностью материала и его релаксационными свойствами, а также благодаря эффективному охлаждению АИГ-лазер может работать в режиме высоких мощностей излучения (до 102 Вт) в непрерывном режиме или с высокими частотами следования импульсов (приблизительно до 100 Гц) и с энергиями в импульсе от 0,1 до 1 Дж.

Кристалл АИГ имеет высокий показатель преломления (n(1,064 мкм) = 1,818). Поэтому на концевых поверхностях происходит довольно сильное френелевское отражение лазерного излучения. Его можно существенно уменьшить путем диэлектрического просветления или посредством скашивания стержней под углом Брюстера. Однако часто с этими потерями приходится мириться, что допустимо благодаря большому усилению в веществе. Но тогда необходимо концевые поверхности отполировать под малым углом наклона друг относительно друга (по меньшей мере около 1°), чтобы они не образовали лазерный резонатор или вторичный резонатор внутри главного резонатора.

Рис. 2.2. Установка для накачки с двойным эллиптическим отражателем. 1 - лампы; 2 - АИГ - Nd-стержень; 3 - отражатель; 4 - водяное охлаждение.

Для генерации ультракоротких световых импульсов с помощью АИГ: Nd-лазера успешно применяются различные методы. Для лазера с непрерывной накачкой применяется преимущественно метод активной синхронизации мод с использованием акустооптических или электрооптических модуляторов. В случае АИГ: Nd-лазера с импульсной накачкой чаще всего с помощью пассивной синхронизации создается такой режим, при котором лазер испускает цуг ультракоротких импульсов. АИГ: Nd-лазеры в непрерывном и импульсном режимах часто служат источниками света для генерации высших гармоник, а также для параметрической генерации.

Лазеры на красителях

Органические красители в растворе отличаются высокими значениями поперечных сечений поглощения и испускания, а также широкими полосами. Они пригодны как активные вещества для лазеров с перестраиваемой длиной волны.

На системы синглетных и триплетных электронных уровней накладываются колебательные уровни. Вследствие большого числа колебательных степеней свободы и сильного уширения линий в жидкостях отдельные колебательные переходы по большей части остаются совсем неразрешенными, так что возникает однородная спектральная полоса.

Лазер на красителе наиболее часто описывается как четырехуровневый лазер. Под действием света накачки происходят переходы на возбужденные колебательные уровни состояния S 1 в соответствии с принципом Франка-Кондона. Колебательная дезактивация состояния S 1 происходит чрезвычайно быстро (~ 10 -13 с), благодаря чему молекулы собираются на нижнем крае системы уровней S 1 .

Содержание статьи

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор)–устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды. Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation» – усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее.

Основы теории излучения.

Из законов квантовой механики (см . КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E 0 , при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E 1 , называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = h n равна разности начального и конечного уровней:

h n mn = E m – E n (1)

где h = 6,626176·10 –34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10 –8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):

n 21 = (E 2 – E 1)/h . (2)

Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.

Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:

I l = I 0 e –kl , (3)

где I 0 – исходная интенсивность, I l – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k . Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.

Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне E n называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E 2 > E 1 – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n 21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E 2 ® E 1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E 1 ® E 2) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k :

I l = I 0 e a l (4)

На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).

Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E 0 на самый верхний E 3 . Оттуда они спускаются на уровень E 2 , где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E 0 , испуская вынужденное излучение частотой n = (E 2 – E 0)/h , когерентное исходной волне.

Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.

Устройство лазера.

Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см . ОПТИКА), в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.

Типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al 2 O 3 с небольшой примесью ионов хрома Cr +++ . Сконструировал его Т.Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмо-иттриевый гранат Y 2 Al 5 O 12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10 –3 секунды, а лазерный импульс оказывается раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится. Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10 –6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10 –5 секунды. В этом режиме так называемой свободной генерации мощность импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность, просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность импульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (10 12 ватт).

Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.

К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).

Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.

В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом:

Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.

Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.

В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией E э спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию E д, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = E э – E д. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.

Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

Свойства лазерного излучения.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см . КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

2. Лазерная связь.Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10 –9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10 –9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Сергей Транковский