Лазерные технологии

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.Г. 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 1960г., 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 АL2О3 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 испущеных  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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазерное оборудование сегодня  широко пошло в нашу жизнь. Доля энергии, употребляемой индустриально развитыми  странами в форме лазерного луча, бистро растет — настолько быстро, что у экспертов появились  основания говорить о начале третьей  промышленной революции. Лазеры, выйдя  за стены лабораторий, находят широчайшее применение практически во всех отраслях экономики, и число лазерных методик  и технологий постоянно растет. Вспомним, какую важную роль играют сегодня  систем и оптоволоконной связи, ставшие  основой мировой сети телекоммуникации, Интернета и даже современной  банковской системы, обеспечивающей клиенту  мгновенный доступ к своему счету  из любой точки мира, позволяющей  использовать пластиковые карты  вместо наличных, и так далее. Миллионы владельцев оптических дисков пользуются системами записи, хранения и считывания информации, подчас и не подозревая об их «лазерной» сущности. Вся современная  электронная аппаратура изготавливается  с массовым использованием лазерных технологий обработки и контроля, а одна из таких технологий —  лазерная фотолитография — напрямую определяет плотность упаковки элементов  в чипах, в кубиках, из которых  строится электронная схема, и соответственно определяет компактность этой техники.

Лазерный раскрой металлического листа, точечная и шовная сварка, маркировка, модифицирование поверхностного слоя металла и другие лазерные технологии быстро осваиваются машиностроительными  и приборостроительными заводами, обеспечивая  им высокую производительность и  гибкость производства, экономию материальных и энергетических ресурсов, возможность  использования новых конструкционных  материалов.

В медицине лазерная аппаратура давно стала применяться очень  широко, и количество используемых врачами методов диагностики  и лечения заболеваний с помощью  лазерного луча продолжает стремительно увеличиваться. Фотодинамическая и  фототермическая терапия, коррекция  зрения, косметологические и пластические операции, термопластика хрящевых тканей, диагностика капиллярного кровотока  — только немногие примеры новых  лазерных технологий в медицине. Японские специалисты прогнозируют, что к 2005 году каждая третья медицинская  процедура будет проводиться  с использованием лазера.

Перечень областей применений лазерного луча в наши дни был  бы не полон, если бы мы не вспомнили  полиграфию с ее лазерными принтерами и настольными печатными машинами, экологический мониторинг с помощью  лидаров и диодных спектроанализаторов, навигацию, использующую лазерные гироскопы, маяки и локаторы. На службе пауки  примеры использования лазеров  просто не сосчитать: лазерный луч и  препарирует клетку, и создает  экстремально плотную плазму, и измеряет скорость дрейфа материков... Вот почему объем производства лазерной техники  в мире стабильно увеличивается  на 15—20% в год.

К сожалению, сегодня в  России лазерные технологии используются недостаточно. И это весьма огорчительно еще потому, что в результате бурного  развития работ по лазерной физике и технике, возглавлявшихся в  СССР нобелевскими лауреатами Н. Г. Басовым  и Л. М. Прохоровым, многие эти технологии именно в нашем отечестве были придуманы и впервые освоены  на практике. В 1969 году на московском АЗЛК под руководством главного сварщика завода А. Хины создана и внедрена в основное производство технологическая  установка на базе отечественного серийного  киловагтного СО₂-лазера «Кардамон», которая использовалась для поверхностного локального упрочнения коробки дифференциала заднего моста автомобиля. В 1977 году на заводе «Красный пролетарий» совместными усилиями группы специалистов завода во главе с его будущим главным технологом В. Дауге и сотрудников ФИАН и НПО «Астрофизика» отработана лазерная сварка ступенчатого блока шестерен серийного токарного станка 16К20. К концу 70-х годов предприятия Минэлектронпрома выпустили более 4000 лазерных технологических установок «Квант», полностью оснастив собственную отрасль и многие смежные предприятия. В 1965 году М. Ф. Стельмах организовал в НИИ «Полюс» первую в мире лабораторию лазерной техники для медицины, а уже в начале 70-х у нас в стране были запущены в серию лазерные скальпели. Лазерные диоды на гетероструктурах, являющиеся основой сегодняшней информационной фотоники, тоже появились в нашей стране; признанием этого стала Нобелевская премия, присужденная в 2000 году Ж. И. Алферову.

Сегодня отечественные лазерщики  предлагают более трех тысяч моделей  лазерного оборудования, в России производятся лазерные источники излучения, приборы и установки практически  всех известных в мире типов. Российский лазерный экспорт составляет, по разным оценкам, от 30 до 50 миллионов долларов в год и постоянно растет. А  вот внутренний спрос очень невелик. Внедрение лазерных технологий не отвечает ни нашим реальным потребностям, ни реальным возможностям. Не последнюю  роль здесь играет слабая информированность  пользователей. Очень многие из них  уверены, что хорошая лазерная техника  производится только за рубежом.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. / Ю. В.  Байбородин - Киев, Издательство Выща школа, Головное изд-во, 1988г.
2. Борейшо А. С. Лазеры: Устройство и действие: Учебное пособие / А. С.  Борейшо -  Санкт-Петербург, Механический институт, 1992
3. Астапчик С. А. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке. / С. А. Астапчик, В. С. Голубев, А. Г. Маклаков - Белорусская наука, 2008. - 252 с.
4. Крылов К.И. Основы лазерной техники. / К.И.Крылов, В.Т.Прокопенко, В. А.Тарлыков -  Ленинград "Машиностроение", 1990