Лазерный луч

  Введение. 

    Уже   самое  начало  XX  века  было  отмечено  величайшими  достижениями

человеческого ума. 7 мая 1895 г. на  заседании  Русского  физико-химического

общества А. С. Попов  продемонстрировал изобретенное им устройство связи  без

проводов, а год  спустя аналогичное устройство предложил  итальянский  техник

и предприниматель  Г. Маркони. Так родилось радио.  В  конце  уходящего  века

был создан автомобиль с  бензиновым  двигателем,  который  пришел  на  смену

изобретенному еще  в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX  столетия  уже

действовали линии  метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште,  Вене.  17  декабря

1903 г. американские  инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт  пролетели 260  м

на созданном  ими первом в мире аэроплане, а  через 12 лет русский инженер  И.

И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный  самолет,

дав ему имя  «Илья Муромец».

   Не менее  потрясающими оказались  достижения  в  физике.  Только  за  одно

десятилетие на рубеже двух веков было  сделано  пять  открытий.  В  1895  г.

немецкий физик  В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее  его

именем; за это  открытие он получил  в  1901  г.  Нобелевскую  премию,  став,

таким  образом,  первым  в  истории  нобелевским  лауреатом.   В   1896   г.

французский    физик    Антуан     Анри     Беккерель     открыл     явление

радиоактивности  — Нобелевская премия 1903 г. В  1897  г.  английский  физик

Дж. Дж. Томсон открыл электрон и  в  следующем  году  измерил  его  заряд  —

Нобелевская премия 1906  г.  14  декабря  1900  г.  на  заседании  Немецкого

физического  общества  Макс  Планк  дал  вывод  формулы  для  испускательной

способности черного  тела; этот вывод  опирался  на  совершенно  новые  идеи,

ставшие фундаментом  квантовой теории — одной из основных  физических  теорий

XX века. В 1905 г.  молодой Альберт Эйнштейн —  ему тогда было всего 26 лет   —

опубликовал   специальную   теорию   относительности.   Все   эти   открытия

производили    ошеломляющее    впечатление    и    многих    повергали     в

     замешательство — они  никак  не  укладывались  в  рамки  существовавшей

физики, требовали  пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись,  20-

й век возвестил  о рождении  новой  физики,  обозначил  невидимую  грань,  за

которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

   И вот  сегодня человек получил в  своё распоряжение всемогущий  луч  лазера.

На  что  употребит  он  это  новое  завоевание  ума?   Чем   станет   лазер:

универсальным  инструментом,  надёжным  помощником  или,  напротив,  грозным

космическим оружием, ещё одним разрушителем? 
 

                                Лазерный луч. 

    Человек  никогда не хотел жить в  темноте; он изобрел много разнообразных

источников света  — от канувших в прошлое стеариновых  свечей, газовых  рожков

и керосиновых  ламп до  ламп  накаливания  и  ламп  дневного  света,  которые

сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один  источник  света

—  лазер.

    Этот  источник света совершенно  необычен.  В  отличие  от  всех  других

источников, он вовсе  не предназначается для освещения. В отличие  от  других

источников света, лазер генерирует  световые  лучи,  способные  гравировать,

сваривать, резать материалы, передавать информацию, осуществлять  измерения,

контролировать  процессы,  получать  особо   чистые   вещества,   направлять

химические реакции...  Так что это поистине удивительные лучи.

    В чем  же причина удивительных свойств  лазерного  луча?  Для  объяснения

этих свойств  в научном языке есть специальный  термин - когерентность.

    В общих  чертах такое пояснение дать  вроде бы несложно. Вполне  понятно,

что поток света, распространяющийся  от  любого  источника,  есть  суммарный

результат  высвечивания   великого   множества   элементарных   излучателей,

каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося  тела.  В  случае

лампы накаливания  каждый атом-излучатель высвечивается, никак не  согласуясь

с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается  световой  поток,

который можно назвать внутренне неупорядоченным,  хаотическим.  Это есть

некогерентный свет. В лазере  же  гигантское  количество  атомов-излучателей

высвечивается согласованно — в результате возникает внутренне  упорядоченный

световой поток. Это есть когерентный свет.

    Внутренне  упорядоченный,  иными  словами,  когерентный  световой  пучок

отличается,   во-первых,   высокой    монохроматичностью    и,    во-вторых,

исключительно малой  расходимостью. Это понятно, поскольку  разные  атомы  при

взаимной согласованности  испускают волновые цуги одинаковой (точнее  говоря,

почти одинаковой) частоты  и  одинакового  (почти  одинакового)  направления

движения.

    Когда  мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе  яркий  и

тонкий световой шнур  или  световую  нить.  Эту  нить  можно  увидеть,  если

включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер  маломощный  -  настолько,

что его луч  можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч  не  «ослепительно

белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо  создать  в

лаборатории полумрак и легкую задымленность.  Луч  почти  не  расширяется  и

везде имеет практически  одинаковую интенсивность. Можно  разместить  на  его

пути ряд зеркал и заставить его  описать  сложную  изломанную  траекторию  в

пространстве лаборатории. В результате возникнет эффектное зрелище-комната,

как  бы  «перечеркнутая»  в  разных  направлениях  яркими  красными  прямыми

нитями.

    Однако  не всегда лазерный луч выглядит  столь  эффектно.  Например,  луч

СО2-лазера вообще невидим — ведь его длина  волны  попадает  в  инфракрасную

область спектра. Кроме того, не следует  думать,  что  лазерный  луч  -  это

обязательно  непрерывный  поток  световой  энергии.  В  большинстве  случаев

лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а  световые импульсы.

    Современная   лазерная  техника  позволяет   регулировать   длительность,

энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и  частота  следования

импульсов;  это  очень  важно,  так  как  от  частоты  следования  импульсов

существенно  зависит  средняя  мощность  лазерного  излучения.  О  том,  как

управляют лазерными  импульсами, будет рассказано позднее. 
 
 

                         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