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.

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 все нарастающую 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.

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 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 АL2О3 с небольшой добавкой = О,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.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава»

Реферат

по дисциплине: «Электрофизические и электрохимические методы обработки»

Тема: «Типы и характеристики лазеров»

Введение

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, всякий мальчишка теперь знает слово лазер. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах - квантовой электроники - академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Замечательные свойства лазеров - исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме - уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов.

Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода - вывода информации.

1. Классификация лазеров

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

2. Характеристики лазеров

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, целина. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

2.1 Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр - 4-5 см. Энергия импульса генерации такого стержня - 1000 дж за 10-3 сек.

Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10-3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.

Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.

Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения.

Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования.

2.2 Жидкостные лазеры

Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии.

Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот.

Еще один вид жидкостных лазеров - устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек).

2.3 Газовые лазеры

Существует много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения.

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1.

Рис. 1 - Принцип устройства СО2-лазера

Разновидность СО2-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Электроионизационная накачка

Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области.

2.4 Полупроводниковые лазеры

Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Рис. 3 - Поперечная накачка электронным пучком

Рис. 4 - Продольная накачка электронным пучком

Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход (рис. 5), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019см-3. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД довольно высок - 50-60%.

Рис. 5 - Принцип устройства инжекционного лазера

усилитель генератор луч волна

Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1-100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10-3 до 10-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощность составляет 109 Вт для наносекундных импульсов и 1012 Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов.

2.5 Лазеры на красителях

Лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов).

В качестве накачки сегодня обычно применяют другой лазер, например Nd: YAG с диодной накачкой, или Аргоновый лазер. Очень редко можно встретить лазер на красителях с накачкой лампой-вспышкой. Основная особенность лазеров на красителях - очень большая ширина контура усиления. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях.

Существует две возможности использовать такую большую рабочую область лазера:

перестройка длины волны на которой происходит генерация -> лазерная спектроскопия,

генерация сразу в широком диапазоне -> генерация сверх коротких импульсов.

В соответствии с этими двумя возможностями различаются и конструкции лазеров. Если для перестройки длины волны используется обычная схема, только добавляются дополнительные блоки для термостабилизации и выделения излучения со строго определённой длиной волны (обычно призма, дифракционная решётка, или более сложные схемы), то для генерации сверх коротких импульсов требуется уже гораздо более сложная установка. Изменяется конструкция кюветы с активной средой. Из-за того, что длительность импульса лазера в конечном итоге составляет 100÷30·10?15 (свет в вакууме успевает пройти лишь 30÷10мкм за это время), инверсия населённости должна быть максимальна, этого можно добиться только очень быстрой прокачкой раствора красителя. Для того чтобы это осуществить применяют специальную конструкцию кюветы со свободной струёй красителя (краситель прокачивается из специального сопла со скоростью порядка 10м/с). Наиболее короткие импульсы получаются при использовании кольцевого резонатора.

2.6 Лазер на свободных электронах

Вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе - периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях - у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов - ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур - есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения.

Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Лазерное излучение обладает следующими физическими свойствами:

1. Высокая пространственная и временнáя когерентность. Это означает, что определённые фазовые соотношения между отдельными волнами сохраняются в течение некоторого времени не только в данной точке пространства, но и между колебаниями, происходящими в разных точках. Такая согласованность процессов позволяет сфокусировать пучок лазерного излучения в пятно диаметром равным длине волны этого излучения. Это позволяет увеличить и без того большую интенсивность пучка лазерного излучения.

2. Строгая монохроматичность излучения. Интервал длин волн Δλ испускаемых лазером достигает величины ~ 10 -15 м (в среднем Δλ < 10 -11).

3. Большая плотность потока энергии. Так, например, неодимовый лазер генерирует импульсы длительностью 3·10 -12 с и энергией 75 Дж, что соответствует мощности 2,5·10 13 Вт (мощность Красноярской ГЭС 6·10 9 Вт)! Для сравнения отметим так же, что интенсивность солнечного света на поверхности Земли всего лишь 10 3 Вт/м 2 , в то время как лазерные системы могут давать интенсивность до 10 20 Вт/м 2 .

Необычные свойства лазерного излучения находят широкое практическое применение. В промышленности лазеры используют для обработки, резания и микросварки твёрдых материалов (например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе), скоростного и точного обнаружения дефектов обработки поверхностей и др. В науке лазерное излучение применяют для исследования механизма химических реакций и получения сверхчистых веществ; для разделения изотопов и изучения высокотемпературной плазмы; для сверхточных дистанционных измерений перемещений, показателей преломления, давления и температуры (в астрономии). Высокая когерентность лазерного излучения позволила осуществить принципиально новый метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн. Этот метод получения трёхмерного изображения был назван голографией (от греческого слова holos – весь). Он заключается в следующем (рис.7): перед экраном-фотодетектором (фотопластинка) 3 помещён объект 2. Полупрозрачное зеркало 4 расщепляет лазерный пучок на опорную 7 и сигнальную 8 волны. Опорная волна 7, сфокусированная линзой 5, отражается зеркалом 6 прямо на фотопластинку. Сигнальная волна 8 попадает на фотодетектор после отражения от предмета 2. Т.к. волны 7 и 8 когерентны, то накладываясь друг на друга, они образуют на фотопластинке интерференционную картину. После проявления фотодетектора получается голограмма – «негатив» интерференционной картины сложения двух когерентных световых волн 7 и 8.

При освещении голограммы световой волной тождественной опорной под соответствующим углом происходит дифракция этой «считывающей» волны на «дифракционной решётке», которую представляет собой зафиксированная на голограмме интерференционная картина. В результате восстанавливается (становится наблюдаемым) зарегистрированное на голограмме изображение объекта.

Если фотодетектор имеет толщину светочувствительного слоя сравнимую с расстоянием между соседними интерференционными полосами, получают обычную двухмерную, плоскую голограмму, если же толщина слоя много больше расстояния между полосами – получают трёхмерное (объёмное) изображение.

Восстановить изображение с объёмной голограммы можно и в белом свете (солнечный свет или свет обычной лампы накаливания) – голограмма сама “выбирает” из сплошного спектра ту длину волны, которая может восстановить записанное на голограмме изображение.

Рассмотрим основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с веществом и биологическими объектами.

Термический эффект. При поглощении лазерного излучения веществом, тканями человека, животных и растений значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологических тканях поглощение происходит избирательно, т.к. входящие в состав тканей структурные элементы имеют разные показатели поглощения и отражения. Термический эффект лазерного облучения определяется интенсивностью светового потока и степенью его поглощения тканью. При этом изменения, возникающие в тканях, сходны с ожогом. Однако в отличие от ожога границы области локального повышения температуры чётко очерчены. Это связано с очень малым поперечным сечением пучка лазерного излучения, кратковременностью воздействия и плохой теплопроводности биологических тканей. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при нагревании разрушаются первыми, что в свою очередь приводит к замедлению биохимических реакций в клетках. При достаточной интенсивности лазерного облучения может происходить коагуляция (необратимая денатурация) белков и полное разрушение тканей.

Ударный эффект. Выделение тепла в зоне воздействия лазерного луча происходит за миллионные, и даже стомиллионные доли секунды. Мгновенное испарение частиц тканей и их быстрое объёмное расширение вызывает резкий рост давления в очаге нагревания. В результате, в жидких компонентах клеток и тканях возникает ударная волна, которая распространяется со сверхзвуковой скоростью (~1500 м/с) и способная вызвать их повреждение.

Электрические явления. Лазерное излучение по своей природе представляет собой электромагнитное поле. При достаточно большой электрической составляющей этого поля воздействие лазерного луча будет вызывать ионизацию и возбуждение атомов и молекул. В биологических тканях это может привести к избирательному разрушению химических связей в молекулах, образованию свободных радикалов и, как следствие, к различным патологическим процессам в организмах животных и человека. Предполагается, что они обуславливают химические мутации, возникновение раковых заболеваний, биологическое старение.

Перечисленные выше свойства лазерного излучения и эффекты его взаимодействия с биотканями определяют уникальные возможности применения лазеров в экспериментальной биологии и медицине.

Сфокусированный до диаметра всего в несколько микрон, лазерный луч становиться исследовательским и микрохирургическим инструментом на клеточном уровне. Облучая определённые участки хромосом можно вызвать изменение наследственности. Такой лазерный луч позволяет отщепить от макромалекулы отдельные фрагменты и «пришить» на их место новые. Использование лазера сделало технически возможным решение целого ряда задач цитологии, цитогенетики, эмбриологии и других направлений биологической науки.

Основными областями применения лазеров в медицине является хирургия, офтальмология и онкология.

В хирургии применяются СО 2 -лазеры мощностью 30 ÷ 100 Вт, работающие в непрерывном режиме. Свойства лазерного луча разрушать биологические ткани, совмещённые с коагуляцией белка, позволяет проводить бескровные рассечения. Лазерный скальпель перед традиционным скальпелем имеет ряд преимуществ. Основными проблемами хирургии является боль, кровотечение и стерильность. Эти проблемы решаются при использовании лазера очень просто: лазерное излучение, в отличие от обычного скальпеля, не может внести инфекцию, оно стерилизует рассекаемые ткани, даже если они уже инфицированы нагноением; потери крови не происходит, поскольку кровеносные сосуды мгновенно закупориваются свернувшейся кровью; лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, что снижает ощущение боли. Кроме того, с помощью современных эндоскопов и гибких световодов (волоконная оптика) лазерное излучение может вводиться во внутренние полости, благодаря чему становятся возможными остановка внутреннего кровотечения и испарение нагноений без вскрытия органов. Для целей хирургии у нас в стране созданы установки «Скальпель-1» (Р = 30Вт) и «Ромашка-1» (Р = 100 Вт).

В офтальмологии используются импульсные рубиновые лазеры (длительность импульсов 30 ÷70 нс; Е = 0, 1 ÷ 0,3 Дж), которые позволяют без нарушения целостности глаза осуществлять ряд сложных операций: приваривание отслоившейся сетчатки к сосудистой оболочке глаза (офтальмокоагулятор); лечение глаукомы путём прокалывания лазерным лучом отверстия диаметром 50-100 нм, для оттока жидкости с целью снижения внутриглазного давления; лечения некоторых видов катаракт и других дефектов радужной оболочки глаза. Для лечения глаукомы была создана установка «Ятаган-1».

В онкологии лазерное излучение используется при иссечении и некротизации клеток злокачественных опухолей. При некротизации злокачественных опухолей используется избирательность поглощения лазерного излучения различными тканями. Например, некоторые пигментированные опухоли (меланома, гемангиома) поглощают лазерное излучение гораздо интенсивнее, чем окружающие ткани. При этом в микроскопическом объеме ткани молниеносно выделяется тепло с образованием ударной волны. Эти факторы вызывают разрушение злокачественных клеток. При импульсном воздействии температура тканей на глубине 4-5 мм повышается до 55-60 0 С. При использовании лазеров, работающих в непрерывном режиме, температуру можно повысить до 100 0 С. Для воздействия на опухоли используется сфокусированное лазерное излучение (d = 1,5÷3 мм на поверхности объекта) интенсивностью I = 200 ÷ 900 Вт/см 2 .

Установлено, что лазерное излучение имеет ряд преимуществ перед используемой для лечения рака кожи рентгенотерапией: существенно уменьшается радиационная нагрузка и в несколько раз уменьшаются затраты. С помощью менее интенсивного излучения можно подавлять рост раковых клеток (лазерная терапия). Для этой цели используется специальная лазерная установка «Пульсатор-1» или аргоновые лазеры мощностью до 1 Вт. Рак кожи излечивается лазером в 97% случаев.

«Лазерное излучение»

Введение

Лазерное излучение является одним из наиболее интересных научно-технических достижений ХХ века. Создание лазеров привело ко второму рождению научной и технической оптики и развитию совершенно новых отраслей промышленности. В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.
Важно, что 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.
Вследствие того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд. 1
Эти перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру. Так, например, импульсный лазер мощностью 1015 Вт имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов. Благодаря этим свойствам лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в оптических локаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих-кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. В обработке материалов при помощи лазера осуществляют сварку, резку, сверление очень маленьких отверстий с высокой точностью. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции. Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трехмерные объемные изображения. В метрологии лазер применяется при измерении длины, скорости, давления. Создание лазеров результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии. Создание лазера стало определяющим фактором и в развитии оптических систем передачи. Сказанным выше, определяется актуальность исследования в данной работе.
Целью данной работы является изучить лазерное излучение. Задачами данной работы являются рассмотреть:
- свойства лазерного излучения;
- краткую историю возникновения и усовершенствования лазеров;
- источники, свойства и типы лазеров;
- вредное действие лазерного излучения;
- классы безопасности лазеров и средства защиты.

1. Лазерная техника

Лазерная техника еще очень молода - ей нет и полувека. Однако за это совсем небольшое время лазер из любопытного лабораторного устройства превратился в средство научного исследования, в инструмент, применяемый в промышленности. Трудно найти такую область современной техники, где бы не работали лазеры. Их излучение используется для связи, записи и чтения информации, для точных измерений; они незаменимы в медицине хирургии и терапии. Многие учёные считают, что кардинальные изменения, которые лазер внёс в жизнь человека, - подобны последствиям промышленного применения электричества в конце XIX века.
Большие возможности лазерной технологии объясняются особыми свойствами лазерного излучения. Его природу изучает квантовая механика. Именно её законы описывают процессы, происходящие в лазере, поэтому его также называют оптическим квантовым генератором.
Таким образом, свет - это поток испускаемых атомами особых частиц - фотонов, или квантов электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии, выброшенной атомом. 2
Излученные фотоны абсолютно идентичны, их частоты равны и фазы одинаковы. Когда они встретятся с двумя возбужденными атомами, фотонов станет 4. Потом 8, 16 и т. д. Возникнет лавина неотличимых друг от друга фотонов, образующих так называемое монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Это вынужденное излучение обладает целым рядом интересных свойств.
Лазерное излучение имеет очень высокую температуру. Её величина зависит от мощности излучения и достигает порой миллионов градусов.
При этом лазер излучает энергию на одной частоте, на одной длине волны. Раньше такое монохроматическое излучение получали только в диапазоне радиоволн. Свет, испускаемый даже очень маленьким кусочком раскалённого вещества, всегда состоит из волн самой разной частоты. По этой причине в оптике никак не удавалось, например, создать узконаправленные и сфокусированные пучки излучения, которыми радиоинженеры пользуются уже не один десяток лет.
Так же, лазерное излучение очень стабильно. Электромагнитная волна, которую генерирует лазер, распространяется на многие километры не изменяясь. Её амплитуда, частота и фаза могут оставаться постоянными очень долго. Это качество называется высокой пространственной и временной когерентностью.
Эти три особенности лазерного излучения нашли применение в самых разных отраслях техники, при решении различных технологических задач. Для каждого случая можно подобрать лазер нужного типа и требуемой мощности. 3

2. Характеристика лазеров

2.1 Рождения семейства лазеров

То, как получить когерентное излучение, стало в общих чертах понятно в 1918 году когда Альберт Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения. Если создать среду, в которой атомы находятся в возбуждённом состоянии, и «запустить в неё слабый поток когерентных фотонов, то его интенсивность станет расти. В начале 50-х гг. российские исследователи Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и независимо от них американский физик Чарлз Хард Таунс создали усилитель радиоволн высокой частоты на молекулах аммиака. Нужные для работы возбуждённые молекулы отбирало из потока газа электрическое поле сложной конфигурации. Новорождённое устройство получило название мазер.
В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман сконструировал первый квантовый генератор оптического диапазона лазер. Усиление света происходило в кристалле рубина прозрачной разновидности окиси алюминия с небольшой примесью хрома (на этот материал указали третья годами раньше Н.Г Басов и А.М. Прохоров). В лазере использовался охлаждаемый жидким азотом рубиновый стержень длиной около 4 см и диаметром 5 мм. Посеребренные торцы стержня служили зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Энергию в кристалл накачивала мощная импульсная лампа. Поток фотонов высокой энергии переводил атомы хрома в возбужденное состояние. На одном из высокоэнергетических уровней атомы задерживаются в среднем на 0,003 с время по атомным масштабам огромное. За этот период часть атомов успевает самопроизвольно излучить фотоны. Их поток, многократно пробегая между зеркалами, заставляет все возбужденные атомы излучать кванты света. В результате рождается световая вспышка - лазерный импульс мощностью в десятки тысяч ватт. Сегодня лазерные стержни изготовляют из различных материалов, но чаще всего из рубина, граната и стекла с примесью редкого металла - неодима Некоторые твердотельные лазеры (например, на гранате) генерируют сотни и тысячи импульсов в секунду. 4
И в том же 1960 году американские физики А Джэван, В Бепнет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Этот лазер излучал красный свет уже не импульсами, а непрерывно. Смесь газов оказалась настолько хорошо подобранной, что гелиево-неоновые лазеры до сих пор остаются самыми распространёнными источниками когерентного света, хотя излучения удалось добиться и от множества других газов и паров. Энергию в газовую смесь накачивает тлеющий электрический разряд. Цвет луча зависит от состава газа или пара, на котором лазер работает. Аргон, например, даёт синий свет, криптон - жёлтый, ксенон и пары меди зелёный. углекислый газ и пары воды невидимые тестовые (инфракрасные) лучи.
В семейство газовых лазеров можно отнести и квантовые генераторы, в которых возбужденные молекулы не готовятся заранее, а появляются непосредственно в момент излучения. Это так называемые газодинамические и химические лазеры, развивающие колоссальную мощность в сотни киловатт и даже десятки мегаватт в непрерывном режиме.
Газодинамический лазер напоминает реактивный двигатель. Молекулы сильно нагретого газа, вылетающие из него, отдают энергию в виде светового излучения. В химическом лазере возбуждённые молекулы возникают в результате химической реакции. Самая энергичная из них - соединение атомарного фтора с водородом.
Непрерывное излучение дают и жидкостные лазеры. Рабочим веществом для них служат, например, растворы солей неодима и соединений анилина. Поскольку соединения анилина используются для окраски тканей, генераторы на их основе называют лазерами на красителях. Для более стабильной работы лазера жидкость можно пропускать через холодильник.
Самые миниатюрные лазеры - полупроводниковые: в спичечный коробок их можно поместить несколько десятков, а объём вещества, в котором происходит вынужденное излучение, не превышает тысячных долей кубического миллиметра. Энергию в полупроводник накачивает электрический ток. Больше половины его «превращается» в свет, т. е. коэффициент полезного действия этих лазеров может достигать более чем 50 %.

2.2 Типы лазеров

1) Твердотельные лазеры.
Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al2O3 с небольшой примесью ионов хрома Cr +++ . Сконструировал его Т. Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмоиттриевый 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 (1012 ватт). 5
2) 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.
3) Химические лазеры.
В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом.
4) 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.
5) 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. 6
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 Eэ спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию Eд, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = Eэ – Eд. 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.
6) 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.

2.3 Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств. 7
1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.
Эти 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. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.
Эти 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 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.
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.

3. Механизмы вредного воздействие лазерного излучения

Ткани и органы, которые обычно подвержены лазерному облучению это глаза и кожа. Существуют три основных типа повреждения тканей, вызванных лазерным облучением. Это тепловые эффекты, фотохимическое воздействие, а также акустические переходные эффекты (подвержены только глаза). Тепловые эффекты могут возникать при любой длине волны и являются следствием излучения или светового воздействия на охлаждающий потенциал кровотока тканей.
В воздухе, фотохимический эффекты происходят между 200 и 400 нм и ультрафиолете, а также между 400 до 470 нм фиолетовых длинах волн. Фотохимические эффекты связанны с продолжительностью и также частотой повторения излучения.
Акустические переходные эффекты, связанные с длительностью импульса, могут произойти в короткий срок импульсов (до 1 мс) в зависимости от конкретной длины волны лазера. Акустическое воздействие переходных эффектов плохо изучено, но оно может вызвать повреждение сетчатки, которая отлична от термической травмы сетчатки.
Потенциальные места повреждения глаза напрямую связаны с длиной волны лазерного излучения. Длины волн короче 300 нм или более 1400 нм, воздействуют на роговицу. Длины волн между 300 и 400 нм, воздействуют на водянистую влагу, радужную оболочку глаза, хрусталик и стекловидное тело. Длины волн от 400 нм и 1400 нм, направлены на сетчатку. 8
Вред лазера для сетчатки может быть очень большим из-за фокусного усиления (оптического усиления) от глаз, что составляет примерно 105. Это означает, что излучение от 1 мВт/см 2 через глаз будет эффективно увеличено до 100 мВт/см2, когда оно достигает сетчатки.
При термических ожогах глаза нарушается охлаждающая функция сосудов сетчатки глаза. В результате повреждающего воздействия термического фактора могут происходить кровоизлияния в стекловидное тело в следствии повреждения кровеносных сосудов.
Так как сетчатка может восстановиться от незначительных повреждений, основные ранения жёлтого пятна сетчатки может привести к временной или постоянной потере остроты зрения или к полной слепоте. Фотохимические ранения роговицы путем ультрафиолетового облучения может привести к photokeratoconjunctivitis (часто называют болезнью сварщиков или снежной слепотой). Это болезненные состояния могут длиться несколько дней с очень изнуряющими болями. Долгосрочное облучение может привести к формированию катаракты.
Общая продолжительность воздействия также влияет на травматизацию глаза. Например, если лазер видимых длин волн (400 до 700 нм), мощность луча которого составляет менее 1,0 МВт, а время экспозиции составляет менее 0,25 секунд (время за которое человек закроет глаз), никаких повреждений на сетчатке глаза не будет. Класс 1, 2А и 2-лазеров подпадают под эту категорию и, как правило, не могут навредить сетчатке. К сожалению, при прямом или отраженном попадании лазера класса 3A, 3B, или 4, и диффузных отражений лазеров выше 4 класса могут вызывать повреждения, прежде чем человек сможет рефлекторно закрыть глаза.
Для импульсных лазеров, длительности импульса также влияет на потенциальный вред для глаз. Импульсы менее чем на 1 мс при попадании на сетчатку может вызвать акустические переходные эффекты, что приводит к существенному ущербу и кровотечениям в дополнение к ожидаемым тепловым повреждениям. Многие импульсные лазеров в настоящее время имеют время импульса менее 1 пикосекунды.
Стандарт ANSI определяет максимально допустимую мощность воздействия лазера на глаз без каких либо последствий (под воздействием конкретных условий).
Травмы кожи от лазеров в первую очередь, делятся на две категории: тепловые травмы (ожоги) от острого воздействия мощных лазерных лучей и фотохимического индуцированного повреждения от хронического воздействия рассеянного ультрафиолетового лазерного излучения. Тепловой травмы могут возникнуть в результате прямого контакта с лучом или его зеркальным отражением. Эти травмы хоть и болезненны но, как правило, не являются серьезными и, обычно, легко предотвращаются при надлежащем контроле над лазерным лучом. Фотохимические повреждения могут произойти с течением времени от облучения прямого света, зеркальных отражений, или даже диффузного отражения. Эффект может быть незначительными но могут быть и серьезные ожоги, а длительное воздействие может способствовать формированию рака кожи. Хорошие защитные очки и одежда могут быть необходимы для защиты кожи и глаз. При работе с лазерами необходимо иметь очки, защищающие от лазерного излучения. Защитные очки нужны даже для лазера 15мВт, так как без них глаза сильно устают.
Степень защиты очков от лазерного излучение измеряется в OD (Optical Density). Оптическая плотность показывает, во сколько раз очки ослабляют свет. Единица означает «в 10 раз». Соответственно, «оптическая плотность 3» означает ослабление в 1000 раз, а 6 - в миллион. Правильная оптическая плотность для видимого лазера такова, чтобы после очков от прямого попадания лазера осталась мощность, соответствующая классу II (максимум где-то 1 мВт).
От красного и некоторых инфракрасных лазеров защищают отечественные очки марки ЗН-22 С3-С22. Они похожи на очки сварщика, но имеют стекла голубого цвета. В связи с широким применением лазерных источников излучения в научных исследованиях, промышленности, медицинский связи и др. возникает необходимость сохранения здоровья людей эксплуатирующих различные лазерные установки. 9
Лазер - источник когерентного излучения, то есть согласованного во времени и пространстве движения фотонов в виде выделенного луча. Характер воздействия на зрительный аппарат и степень поражающего действия лазера зависят от плотности энергии излучения, длины волны излучения (импульсное или непрерывное). Характер повреждения кожи зависит от цвета кожи, например пигментированная кожа значительно сильнее поглощает лазерное излучение, чем не пигментированная. Светлая кожа отражает до 40 % падающего на нее излучения. При действии лазерного излучения обнаружен ряд нежелательных изменений со стороны органов дыхания, пищеварения, сердечнососудистой и эндокринной систем. В некоторых случаях эти общие клинические симптомы носят довольно стойкий характер, являясь результатом влияния на нервную систему.
Охарактеризуем действие наиболее биологически опасных спектральных диапазонов лазерного облучения. В инфракрасной области энергия наиболее «коротких» волн (0,7-1,3 мкм) может проникать на сравнительно большую глубину в кожу и прозрачные среды глаза. Глубина проникновения зависит от длины волны падающего излучения. Участок высокой прозрачности на длинах волн от 0,75 до 1,3 мкм имеет максимум прозрачности в районе 1,1 мкм. На этой длине волны 20 % энергии, падающей на поверхностный слой кожи, проникает в кожу на глубину до 5 мм. При этом в сильно пигментированной коже глубина проникновения может быть еще больше. И, тем не менее, кожа человека достаточно хорошо противодействует инфракрасному излучению, так как она способна рассеивать тепло благодаря кровообращению и понижать температуру ткани вследствие испарения влаги с поверхности.
Но значительно труднее от инфракрасного облучения защитить глаза, в них тепло практически не рассеивается, и хрусталик, фокусирующий излучение на сетчатке, усиливает эффект биологического воздействия. Все это заставляет при работе с лазерами особое внимание обращать на защиту глаз. Роговая оболочка глаза прозрачна для излучения в интервале длин волн 0,75-1,3 мкм и становится практически непрозрачной только для длин волн более 2 мкм.
Степень теплового поражения роговицы зависит от поглощенной дозы облучения, причем травмируется главным образом поверхностный, тонкий слой. Если в интервале волн 1,2-1,7 мкм величина энергии облучения превышает минимальную дозу облучения, то может произойти полное разрушение защитного эпителиального слоя. Ясно, что подобное перерождение тканей в области, положенной непосредственно за зрачком, серьезно сказывается на состоянии органа зрения.
Следует иметь в виду, что радужная оболочка, отличающаяся высокой степенью пигментации, поглощает излучение практически всего инфракрасного диапазона. Особенно сильно подвержена она действию излучения длиной волны 0,8-1,3 мкм, поскольку излучение почти не задерживается роговицей и водянистой жидкостью передней камеры глаза.
Минимальной величиной плотности энергии облучения в интервале волн 0,8-1,1 мкм, способной вызвать поражение радужной оболочки, считают 4,2 Дж/см 2 . Одновременное поражение роговой и радужной оболочек всегда носит острый характер, а поэтому оно наиболее опасно. 10
Поглощение средами глаза энергии излучения в инфракрасной области, падающей на роговую оболочку, растет с увеличением длины волны. При длинах волн 1,4-1,9 мкм роговица и передняя камера глаза поглощают практически все падающее излучение, а при длинах волн выше 1,9 мкм роговица становится единственным поглотителем энергии излучения.
При оценке допустимых уровней лазерной энергии необходимо учитывать суммарный эффект, производимый на прозрачные среды глаза, сетчатку и сосудистую оболочку. Оценим действие лазерного излучения на сетчатую оболочку глаза.
Прогнозируя возможность опасности лазерного облучения, необходимо учитывать:
и т.д.................