Лазеры

нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа

при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы.

Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно

черного тела. Излучение поглощается ионами Cr+, переходящими в результате

этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих

уровней ионы Сr+3 очень быстро в результате безызлучательного перехода

переходят на уровни Е1, Е1’. При этом излишек энергии передается решетке,

т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в

энергию фотонов. Уровни Е1, Е1’ метастабильны. Время жизни на уровне Е1

равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е1, Е1’ накапливаются

возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность

относительно уровня Е0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера

обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см.

Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с

хорошо отражающей внутренней поверхностью (рис. 4). Чтобы обеспечить

попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и

лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы

эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому

на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности

излучения на источнике накачки.

Рис 4. Рубиновый лазер (в плоскости сечения)

Ксеноновая лампа (белый круг) и кристалл рубина (красный круг) находятся

внутри зеркала-отражателя

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза

обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез

заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан

под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения

луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора

ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера

линейно поляризовано.[2]

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия

и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими

уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия

передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате

более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии

с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в

видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным

ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются

метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен

квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы

накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с

невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему.

Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения

энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона

образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая

к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в

непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано.

Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па.

Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет

коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит

лазерное излучение, — около 0,990. В качестве зеркал используют

многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не

обеспечивают достижения порога генерации.

С02-лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие

молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и

вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает

излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области

спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать

частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам

CO2 передается от молекул азота N2, которые сами возбуждаются электронным

ударом при прохождении тока через смесь.

N2 CO2

(001)

10,6 мкм

9,6 мкм

(100)

(020)

(010)

Рис. 5. Схема энергетических уровней в CO2-лазере

Возбужденное состояние молекулы азота N2 является метастабильным и

отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1, что весьма близко к

энергетическому уровню (001) молекулы CO2 (рис. 5). Ввиду метастабильности

возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов

накапливается. При столкновении N2 с CO2 происходит резонансная передача

энергии возбуждения от N2 к CO2. Вследствие этого возникает инверсия

заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO2. Обычно для

уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни,

что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В

типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота

(133 Па) и углекислого газа (133 Па).

При работе CO2 - лазера происходит распад молекул CO2 на СО и О,

благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а

углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу

СO2-лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую

систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О ® CO2.

Используются платиновые электроды, материал которых является

катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды

резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO2, N2, Не,

которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для

поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO2-лазер, в

состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО2-лазер. Важной модификацией является проточный СО2-лазер,

в котором смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается через резонатор.

Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью

свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Безызлучательные

переходы

2

Лазер 1,06 мкм

1

Рис. 6. Неодимовый лазер

Неодимовый лазер. На рис. 6 показана схема так называемого неодимового

лазера. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не

металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима

беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка

производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от

0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Совершенно

условно она изображена пятью черточками. Атомы совершают безызлучательные

переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию,

которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, помеченный

цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм.

Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень «не

работает». Энергия выделяется в виде некогерентного излучения.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-

лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и

возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды

расположены параллельно оси резонатора, для. получения больших значений

напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно

небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность

работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация

CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность,

достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения

продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких

лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К)

смесь CO2 и N2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло

сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом

термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется

инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла

оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности

генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры

называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности

излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у

которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни

в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие

внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена

порядка 10-11—10-12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический

уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень

короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е1 сосредоточатся все

возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный

переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом,

возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем

ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в

качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в

зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную

перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на

красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка

лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением

других лазеров,

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации

создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и

зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря

дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной

длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация.

Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения

лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что

позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом

диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой

областей спектра.[5]

Глава II. Практическое использование оптических квантовых генераторов.

2.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике

Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во

многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается

применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и

диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в

текстильной промышленности.

Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление

отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление

не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его

пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия.

Пример такого способа сверления - пробивка отверстий в часовых камнях,

которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются

твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом.

Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 - 0.5 мм.) пробивается

серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 - 0,5

Дж. и длительностью около 10-4 с. Производительность установки в

автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше

производительности механического сверления.

Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди,

бронзы, вольфрама и других металлов. При изготовлении проволок применяют

технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень

малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в

материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых

сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего

протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры).

Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на

механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!).

Зато совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных

лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых камнях,

для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в

материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно

привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за

высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на “сыром”

материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит

некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных

отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с

керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.

Интересно применение лазера и как универсального паяльника.

Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария -

перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка

вышла из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет

собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме,

внутри стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть.

Однако, лазерный луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в

нужную точку и должным образом фокусирую его, можно осуществить сварочную

работу.[3]

Лазеры с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных

приборов с исключительно высокой разрешающей силой. Например, пусть

требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив

величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего

через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая

частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент

поглощения как функцию от длины волны. Разрешающая способность этого метода

совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно

сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10-3 см-1 обеспечивает

такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей

поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти

неразрешимую задачу.

Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого

расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров.

Такая точность недоступна для радиолокаторов.

В настоящее время в мире существует несколько десятков лазерных

локационных систем. Многие из них уже имеют космическое значение. Они

осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В

качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического

института имени П. Н. Лебедева. Погрешность измерения при использовании

данной системы составляет 40 см.

Проведение таких исследований организуется для того, чтобы поточнее

узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени, например, в

течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого расстояния со

временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную важность.

Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в

космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных

измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом

корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны.

Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабые стороны.

Например, не так просто при помощи остронаправленного луча лазера

обнаружить объект, так как время обзора контролируемой области пространства

оказывается слишком большим. Поэтому оптические локационные системы

используются вместе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый

обзор пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет

параметры цели и осуществляет слежение за ней.[8]

Большой интерес представляют последние разработки в области создания

телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов,

такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качеством изображения.

Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных

принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах

лазерное излучение используется для создания на специальном

светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения.[1]

2.2 Применение лазеров в медицине

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного

скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций

определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с

рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные

кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на

твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для

механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый

участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа,

всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого

механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью

взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в

точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше,

чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не

болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году

в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в

операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее

время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода,

желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень

Страницы: 1, 2, 3