Лазерные технологии

 

 

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1

1 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ  ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 2

2  ОСНОВНЫЕ  ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ 5

3 ЛАЗЕРНЫЕ  ТЕХНОЛОГИИ 6

4  ОССОБЕННОСТИ  ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ 17

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Лазер - одно из самых значимых изобретений 20-го века, он нашол применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза.

Прошло 50 лет со дня появления первых лазеров, открывших начало новой лазерной эры в истории развития науки и техники. Этот период действительно можно назвать новой эрой, т. к. динамика развития, глобальность использования в различных областях человеческой деятельности, масштаб влияния на качество жизни и еще не осознанные до конца дальнейшие перспективы расширения сфер воздействия этого достижения позволяют рассматривать лазерную технологию как одно из самых замечательных открытий ХХ века.

Созданию лазеров человечество, прежде всего, обязано глубоким теоретическим  разработкам в области квантовой  физики, электроники, оптики ряда величайших ученых прошлого столетия: А. Эйнштейна, А. Прохорова, Н. Басова, Ч. Таунса, А. Меймана, Дж., Гоулда и многих других.

Первоначально лазерное излучение  с его уникальными свойствами рассматривалось прежде всего как возможное новое мощное оружие для поражения живой силы и техники. Поэтому наиболее индустриально развитые страны направили на развитие новой отрасли огромные ресурсы, что позволило обнаружить и другие перспективные области использование лазерной техники и технологии.

 

 

 

1 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В 1964 году на церемонии присуждения  Нобелевской премии в Стокгольме академик А.М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 года, фундаментом квантовой  электроники следует считать  явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 году». Сущность этого явления заключается в том, что возбужденные атомы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны. Однако только много лет спустя появилась мысль применить это явление практически. В авторском свидетельстве СССР от 18/VI. 51 г., выданном В.А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «квантовое усиление».

Явление индуцированного  излучения легло в основу современной  квантовой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Вебером  был предложен квантовый усилитель.

 В 1954 г. Н.Г. Басов  и А.М. Прохоров предложили  устройство молекулярного газового  генератора и усилителя сантиметрового  диапазона с теоретическим обоснованием  эксперимента. Независимо от них  к идее такого же генератора  пришли Д. Гордон, X.Цайгер и  Ч. Таунс, опубликовавшие в  1954 г. сообщение о действующем  квантовом усилителе на пучке молекул аммиака.                                 В 1956 г. Н. Бломберген теоретически разработал вопрос о парамагнитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г. Г.Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройства, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазон радиоволн и назывались мазерами.

Следующий этап развития квантовой  электроники связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч.Таунс, А.Л.Шавлов и А.М.Прохоров показали возможность  использования явлений вынужденного усиления в поле оптических излучений. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Labora-tories способствовали популяризации  идеи лазера в научных кругах и  вызвали бурный всплеск экспериментальных  исследований, направленных на создание работающего лазера.

О значении, которое придается  этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1964 г. советские  ученые Н.Г. Басов, и А.М. Прохоров и  американский ученый Ч. Таунс удостоились  Нобелевской премии по физике за фундаментальные  труды в области квантовой  электроники.

В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый  лазер и получил патент. Это  открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана  лежат в основе всех современных  лазеров.

В конце 1960 г. Али Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором  инфракрасное когерентное излучение  испускали атомы неона.

Первый молекулярный лазер  был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел К.П.Д. Примерно 10% и значительную мощность около 10 Вт. Разработке первого  полупроводникового инжекционного  лазера на арсениде галлия (Р. Холл, 1962г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом, Ю.М. Поповым (1958-1961 гг.). Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.

В 1970 г. (год разработки первых ОВ со светоослаблением менее 20 Дб/км) академик Ж.И. Алферов с сотрудниками впервые реализовали полупроводниковый  лазер на основе двойной гетероструктуры AlAs - GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре. За это  научное открытие Жорес Алферов  был удостоен Нобелевской премии.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

К настоящему времени насчитывается  более 360 различных применений лазерного  излучения — прошивка прецизионных микроотверстий; получение микрощелей, пазов, разделение хрупких материалов (скрайбирование); программный раскрой листовых металлических и неметаллических материалов; упрочнение, локальное легирование, наплавка; сварка; высококачественное полирование поверхности изделий; маркировка и гравирование изделий; послойное выращивание 3-мерных изделий из порошковых материалов или из фотореактивной жидкой среды (Rapid Prototyping) и др.

Хорошо зарекомендовала  себя лазерная технология в медицине и изготовлении уникального медицинского инструментария.

Среди наиболее эффективных  использований лазерной технологии следует назвать применение лазеров  для изготовления новых поколений  компактных микропроцессоров, что позволило  за счет значительного уменьшения размеров структурных элементов в последние  годы на три порядка увеличить  объем их памяти. Это в свою очередь  позволило создать новые поколения  различной многофункциональной  техники с использованием таких  микропроцессоров — ноутбуков, фото- и видеокамер, мобильных телефонов и т. п. Можно утверждать, что именно благодаря такому революционному развитию микропроцессорной техники, стимулированному успехами лазерной технологии, информационные технологии так быстро вошли в жизнь современного общества.

 Особая роль отводится  лазерной технике и технологии в создании и развитии нового научно-технического направления — наноматериаловедения и нанотехнологии.

 

 

3 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 ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической  технике 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 - О,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.

 

 

 

 

 

 

 

 

4  ОССОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Одним из самых замечательных  достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - оптического  квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой  источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью  светового луча. Само слово “лазер”  составлено из первых букв английского  словосочетания, 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 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. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными  атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения 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 невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов  с невозбужденными атомами происходило  бы поглощение фотонов. Такая среда  называется средой с инверсной населенностью  уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными  атомами происходят также процесс  самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная  выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в  нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного  излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света в среде с инверсной  населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский  физик В.А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность 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.