Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер»
, однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.
За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?
Что такое лазер?
Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.
Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.
Принцип функционирования лазера
Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.
Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.
Классификация лазеров
По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:
- газовыми;
- жидкостными;
- твердотельными;
- на свободных электронах.
В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:
- при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
- при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
- при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
- путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
- путём электронно-лучевой накачки среды;
- ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
- при помощи особых химических реакций – химические лазеры.
Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.
Практическое использование лазеров
На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:
- резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
- нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
- сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
- формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
- передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
- выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
- косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
- наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
- создание и использование голографических методов;
- применение в различных научно-исследовательских работах;
- измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
- запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.
Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.
Лазер
- это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
Название лазер
- это аббревиатура английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) . усиление света с помощью вынужденного излучения.
Все лазерные системы можно разделить на группы в зависимости от типа используемой активной среды. Важнейшими типами лазеров являются:
Активная среда представляет собой совокупность атомов, молекул, ионов или кристалл (полупроводниковый лазер), которая под действием света может приобретать усиливающие свойства.
Итак, каждый атом обладает дискретным набором энергетических уровней. Электроны атома, находящегося в основном состоянии (состояние с минимальной энергией), при поглощении квантов света переходят на болеее высокий энергетический уровень - атом возбуждается; при излучении кванта света все происходит наоборот. Причем излучение света, т.е переход на более низкий энергетический уровень (рис. 1б) может происходить самопроизвольно (спонтанно) или под действием внешнего излучения (вынужденно) (рис.1в). Причем, если кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, то квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант вызвавший это излучение, то есть оба кванта полностью тождественны.
Рис.1 Виды лазерного излучения
Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии (переходы с верхнего энергетического уровня на нижний), необходимо создать повышенную концентрацию возбужденных атомов или молекул (создать инверсную населенность). Это приведет к усилению падающего на вещество света. Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным, а среда, состоящая из такого вещества - активной средой.
Процесс создания инверсной населенности уровней называется накачкой. И еще одна классификация лазеров производится по способу накачки (оптический, тепловой, химический, электрический и т.д.). Методы накачки зависят от типа лазера (твердотельного, жидкостного, газового, полупроводникового и т.п.).
Основная задача процесса накачки может быть рассмотрена на примере трехуровневого лазера (рис. 2)
Рис.2 схема трехуровневого лазера
Нижний лазерный уровень I с энергией E1, является основным уровнем энергии системы, на котором первоначально находятся все активные атомы. Накачка возбуждает атомы и соответственно переводит с основного уровня I, на уровень III,с энергией E3. Атомы, оказавшиеся на уровне III, излучают кванты света и переходят на уровень I, либо на быстро переходят на верхний лазерный уровень II. Чтобы происходило накапливание возбужденных атомов на верхнем лазерном уровне II,с энергией E2 , нужно иметь быструю релаксацию атомов с уровня III на II, которая должна превышать скорость распада верхнего лазерного уровня II. Созданная таким образом инверсная населенность обеспечит условия для усиления излучения.
Однако что бы возникла генерация, необходимо еще обеспечить обратную связь, то есть что бы вынужденное излучение, раз возникнув, вызывало новые акты вынужденного излучения. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор.
Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда (рис. 3). Он обеспечивает многократное происхождение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая мощность излучения.
Рис.3 Схема лазера
При достижении определенной мощности излучение выходит через полупрозрачное зеркало. Из-за участия в развитии генерации только той части квантов, которые параллельны оси резонатора, К.П.Д. лазеров обычно не превышает 1%. В некоторых случаях, жертвуя теми или иными характеристиками, К.П.Д. можно довести до 30%.
Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:
1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;
2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;
3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.
Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.
В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.
В качестве лазерной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечить инверсию населенности. Это возможно у следующих материалов:
а) свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;
б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;
в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;
г) легированные полупроводники;
д) свободные электроны.
Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов очень велико. В одном только элементе неоне наблюдается около 200 различных лазерных переходов. По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.
Известны линии лазерной генерации от ультрафиолетовой области спектра (100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК-диапазоне. Лазеры плавно переходят в мазеры. Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн (рис. 16).. Но практическое значение приобрели только два-три десятка типов лазера. Наиболее широкое медицинское применение сейчас нашли СО 2 -лазеры, лазеры на ионах аргона и криптона, Nd:YAG-лазеры непрерывного и импульсного режима, лазеры на красителях непрерывного и импульсного режима, He-Ne-лазеры и GaAs-лазеры. Эксимерные лазеры, Nd:YAG-лазеры с удвоение частоты, Er:YAG-лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.
Рис. 16. Типы лазеров, наиболее часто применяемые в медицине.
Кроме того, лазерные активные среды можно различать по тому, формируют ли они дискретные лазерные лини, т.е. только в очень узком определенном интервале длин волн, или излучают непрерывно в широкой области длин волн. Свободные атомы и ионы имеют из-за их четко определенных энергетических уровней дискретные лазерные линии. Многие твердотельные лазеры излучают также на дискретных линиях (рубиновые лазеры, Nd:YAG-лазеры). Были разработаны, однако, также твердотельные лазеры (лазеры на центрах окраски, лазеры на александрите, на алмазе), длины волн излучения у которых непрерывно могут изменяться в большой спектральной области. Это касается в особенности лазеров на красителях, в которых эта техника прогрессировала в наибольшей степени. Лазеры на полупроводниках ввиду зонной структуры энергетических уровней полупроводников также не имеют дискретных четких лазерных линий генерации.
