Лазеры

B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических иссле­дованиях, в машиностроении, в медицине, в вычисли­тельной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что ла­зеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершен­ствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических, химических, биологических.

B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет исполь­зование лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высо­томеры, локаторы, системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излу­чения используется лазер.

В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для соз­дания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в ка­честве активного вещества.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопас­ности посадки самолетов в сложных условиях.

В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обра­ботка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.

В пищевой промышленности исследуются возможно­сти применения лазеров для улучшения качества хлебо­продуктов, ускорения производства безалкогольных на­питков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предва­рительная обработка режущего инструмента и подшип­ников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.

Огромные средства направ­ляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

ЛАЗЕРЫ.

На вопрос о том, что такое лазер¹, академик Н.Г. Басов отвечал 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 более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».

Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуци­рованного (вынужденного) излуче­ния света атомами. Под индуци­рованным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возник­шая при индуцированном излучении световая волна не отличается от вол­ны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вы­нужденное излучение означает пере­ход атома из высшего энергетиче­ского состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излу­чении, а под влиянием внешнего воздействия.

¹ Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление света при помощи индуцированного излучения»).

Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для уси­ления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Ба­сов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцирован­ного излучения для создания микро­волнового генератора радиоволн с длиной волны l=1,27 см.

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исклю­чительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет не­зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз­ком интервале спектра кратковре­менно (в течение промежутка време­ни продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 7·10³ Вт/см², причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер­вал Dl=10^-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². На­пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

hn=E₂–E₁

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

2 2

1 1

а б Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

n=

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические со­стояния, излучая волны, совпадаю­щие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна, а на ри­сунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное состоя­ние, а волна усилилась.

2 2

1 1

а б Рис. 2

Трехуровневая система. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждают­ся за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для ра­боты лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет боль­ше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные пере­ходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использо­вании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда ве­лико, но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке 3 изобра­жены три энергетических уровня. Су­щественно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находит­ся в различных энергетических со­стояниях («время жизни»), неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10^-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается крис­таллической решетке.) «Время жиз­ни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10^-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромаг­нитной волны сопровождается излу­чением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы сис­тема переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10^-8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уров­нем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин – это ярко-красный крис­талл оксида алюминия Al₂O₃ с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свой­ствами.

Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, име­ющая форму спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковре­менный импульс тока от батареи кон­денсаторов емкостью в несколько ты­сяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».

В результате самопроизвольных переходов 2®1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах ни­какой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вы­зывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а дру­гой полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микро­секунд) импульс красного света, об­ладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рас­сказано выше. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуци­рованном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Рис. 4

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Приведенная ниже классификация лазеров не претен­дует на полноту и законченность, что объясняется зада­чами, которые стояли перед автором реферата, – дать лишь общие представления о принципе работы и применении 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 перевозбуждённом 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 твёрдотельными (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 энергии взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излуче­ния (последние привлекают сейчас пристальное внима­ние зарубежных военных специалистов). Различают так­же лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсныx 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.