Лазеры. Строение и применение

    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.

o       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.

o       Неодимовый лазер.

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.

o       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.

o       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.

o       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.

4.Практическое  использование оптических  квантовых генераторов.

     Прежде  всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения  с веществом представляют исключительно  большой интерес. Лазеры находят  широкое применение в современных  физических, химических и биологических  исследованиях, имеющих фундаментальный  характер. Ярким примером могут служить  исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой  мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.        

 Лазер дает  возможность осуществлять сильную  концентрацию световой мощности  в пределах весьма узких частотных  интервалов: при этом возможна  плавная перестройка частоты.  Поэтому лазеры применяются для  получения и исследования оптических  спектров веществ. Лазерная спектроскопия  отличается исключительно высокой  степенью точности(высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществить избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

     При обсуждении практических применения лазеров  обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение(как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов(например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов,, применение лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают  с так называемым информативным применением лазеров – для передачи и обработки информации, для осуществления контроля измеренй.   

4.1. 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.

    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.