Лазеры и их преминение

Типичный дисковый усилитель повышает мощность излучения в 3—4 раза, а наибольшая выходная мощность всей усилительной системы определяется размерами последнего диска — его диаметр обычно не превышает 30 см, а наибольшая выходная энергия составляет 1—2 кДж при длительности импульса 0,1 нс. Увеличение диаметра диска, а вместе с ним излучаемой мощности тоже ограничено несколькими сложными процессами, в частности возникновением самопроизвольной паразитной генерации.

Много трудностей связано также с многокаскадностью усилителей, и поэтому, стремясь к очень большой мощности, создают не только многокаскадные, но еще и многоканальные лазерные системы. В них несколько многокаскадных усилителей, получающих первичный импульс от общего генератора, работают параллельно, а затем с помощью оптических приборов — зеркал, призм, объективов — все эти параллельные каналы складывают свои излучения на общей мишени. Примером такой многоканальной установки может служить «Дельфин», созданный в Физическом институте Академии наук имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика Н. Г. Басова. В «Дельфине» 216 параллельных многокаскадных усилительных каналов по 50 Дж, суммарная энергия лазерного излучения — около 10 кДж, что при длительности импульса 1 не дает мощность в импульсе 10 миллиардов кВт, то есть 10 ТВт (тераватт). В Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в США была создана двенадцатиканальная установка «Шива» (стоившая, кстати, 20 миллионов долларов), каждый дисковый усилитель которой дает излучение с энергией 1 кДж в импульсе.

Другое вещество для рабочего тела мощных лазеров, сегодня, может быть, даже самое удачное, это углекислый газ, точнее, его смесь с азотом и гелием. В углекислотных, или, иначе, СО2-лазерах, основной излучатель — это молекула СО2, она в столкновениях получает энергию от молекулы азота N2, а он легко приобретает энергию в процессе накачки. Одно из важных достоинств углекислотного лазера — его универсальность, здесь характеристики самих процессов накопления энергии и излучения позволяют работать и в импульсном, и в импульсно-периодическом, и в непрерывном режимах. Во всех случаях СО2-лазер генерирует инфракрасные лучи на волне порядка 10 600 нм, что примерно в 15 раз длиннее волны, соответствующей красному свету.

Основной источник накачки в углекислотном лазере — электрический ток, а конкретно — тлеющий разряд в самом газе, в процессе которого молекулы N2 получают энергию от движущихся электронов.

Помимо чисто физических проблем, связанных с тонкими молекулярными механизмами излучения и накачки, создатели мощных лазеров сталкиваются еще и с непростыми инженерными задачами. Одна из них — снижение температуры активного вещества в резонаторе. В частности, СО2-лазеры имеют сравнительно высокий кпд, примерно 10%, но даже при этом на каждый киловатт излучаемой средней мощности приходится 9 киловатт мощности теряемой, выделяющейся в газе в основном в виде тепла. А сильный нагрев газовой смеси снижает усиление, нарушает оптическую однородность газа, наконец, просто производит разрушения — разваливает молекулы активного вещества, разрушает кювету, в которой находится газ.

Одно из ограничений мощности — пробой газовой смеси самим инфракрасным излучением, он происходит при плотности лазерного потока в резонаторе 10 Дж/см2. Но реальный допустимый порог плотности еще ниже. Уже при потоках 3 Дж/см2 повреждаются элементы инфракрасной оптики и при еще меньшей энергии возникают сложные явления, нарушающие когерентность излучения. В первых углекислотных лазерах использовался продольный разряд — высокое напряжение действовало вдоль трубы с газом, а мощность наращивали, увеличивая длину труб, создавая очень длинные, многометровые резонаторы. В итоге удавалось получать мощности порядка киловатта непрерывного излучения, один из первых мощных киловаттных СО2-лазеров был построен в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика А. М. Прохорова. Полезно вспомнить, что первые непрерывные гелий-неоновые лазеры имели мощности в несколько милливатт и какое-то время казалось, что милливаттами, в лучшем случае ваттами дело и ограничится.

Заметное продвижение вперед по шкале мощности лазерного излучения связано с идеей быстрой прокачки газа. Слово это созвучно «накачке», но ничего общего с ней не имеет — углекислый газ прокачивают, прогоняют через резонатор и создают, таким образом, интенсивную циркуляцию газа, обеспечивая последующее его охлаждение в теплообменниках. Прокачку производят не вдоль резонатора, а поперек, и электрический разряд тоже создают не продольный, а поперечный. Интересное направление в части накачки газовых лазеров открыли работы лаборатории академика Н. Г. Басова. Чтобы получить равномерное возбуждение плотного газа, при давлении вплоть до 25 атмосфер, на него извне воздействуют пучком быстрых электронов. Так родилось семейство лазеров с несамостоятельным разрядом. Примером современного мощного СО2 лазера с непрерывным излучением может служить установка ЛТ-1, созданная в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова в лаборатории академика Е. П. Велихова. В ней осуществляется поперечная циркуляция смеси СО2: N2: Не, в которую эти составляющие входят в пропорции 1:20:20. Через теплообменник ежесекундно проходит 2—3 кубометра газа, от которого отбирается 50 кВт тепловой мощности. Предварительные исследования позволили применить сравнительно маломощный источник внешней ионизации газа и, не повышая его давления, создать непрерывное лазерное излучение мощностью 5 киловатт.

В числе самых мощных источников непрерывного когерентного излучения — газодинамические лазеры. Эти приборы не имеют аналогов в квантовой электронике, в них когерентное излучение рождается непосредственно из тепловой энергии. В одном из вариантов газодинамического лазера сильно нагретая смесь азота, углекислого газа и паров воды N2: СО2: Н2О под высоким давлением входит в расширяющееся сопло. На выходе поток газа достигает сверхзвуковых скоростей, его температура и давление резко падают. При этом энергия хаотического движения молекул переходит в энергию упорядоченного движения газового потока. Только молекулы азота N2, обладающие большой инерцией собственных колебательных движений, оказываются хранителями заметных энергетических запасов. Эти запасы с большой эффективностью передаются молекулам углекислого газа CO2, которые, попадая в пространство между двумя зеркалами, то есть попадая в оптический резонатор, генерируют инфракрасное излучение с обычной для СО2 длиной волны—10600 нм. Газовая смесь, отдавшая свою энергию лазерному лучу, сама уходит из резонатора, на смену ей приходят другие порции газа, и таким образом нет проблемы перегрева, хотя и расход газа велик. Созданы и описаны в литературе газодинамические лазеры с мощностью непрерывного излучения до 100 кВт, их кпд 1 — 2%, расход газа — 1 кг на 10—20 кДж, энергии излучения. Обсуждается идея фотонной машины, в которой газ, выбрасываемый газодинамическим лазером, будет поступать в компрессор и из него вновь возвращаться к началу расширительного сопла. Во многих лабораториях разрабатываются химико-газодинамические и электрогазодинамические лазеры, где для накопления энергии и формирования исходного газового потока используются электрические или химические процессы.

Интересный способ накачки газового лазера был продемонстрирован в лаборатории академика Е. П. Велихова и двух американских лабораториях — накачка углекислотного лазера осуществлялась нейтронами прямо от ядерного реактора. При этом гелий, который входил в газовую смесь, под действием нейтронной бомбардировки превращался в тритий, выбрасывая протон, и именно энергией протонов производилась накачка молекул газовой смеси. Рассматриваются другие возможности использования ядерной энергии для создания лазерного излучения, вплоть до введения излучающих элементов непосредственно в реактор. В этом случае появляется возможность создания замкнутой системы реактор—лазер, в которой будет происходить прямое, без посредников, преобразование ядерной энергии в когерентное световое излучение высокой мощности. Такой реактор-лазер мог бы стать важным элементом энергетики будущего. В частности, работая на космической орбите, он мог бы передавать энергию на Землю в виде мощного лазерного луча.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

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. 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 точнее 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. 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.

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:

1. Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

2. 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;

3. 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;

4. Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

5. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

6. Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

7. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.