Лазерное излучение. Свойства лазерного излучения Лазерное излучение характеристики и применения

Кратко остановимся на четырех особенностях лазерного излучения. Выше уже пояснялась причина очень высокой направленности светового луча лазера. Угол его расходимости примерно в 10 4 раз меньше, чем луча хорошего прожектора. На поверхности Луны лазерный луч создает пятно диаметром около 10 км . Благодаря высокой направленности энергия лазерного луча может пере­даваться на очень большие, в том числе и космические, расстояния. Этим создана основа для осуществления связи, передачи по лазерному лучу как телефонных разговоров, так и телевизионных изображений. Требуемая мощность лазерного передатчика при этом в десятки и сотни тысяч раз ниже мощности обычных радиостанций. В будущем лазерный луч будет использоваться и для дальней передачи энергии.

О свойстве необычайно спектральнойширины (монохроматичности ) излучения лазера также говорилось. Спектральный состав лазерного луча много меньше у всех других источников света и радиоволн. Высокая монохроматичность свойственна, однако, нe всем типам лазеров. В ряде случаев (полупроводниковые лазеры, лазеры на растворах красителей) полоса излучений весьма широка, что также может быть использовано на практике.

Третье важнейшее свойство лазерного луча - его высокая когерентность . Фазы различных световых волн, выходящих сквозь зеркала лазерного резонатора, или одинаковы, или взаимно согласованы. Испускание всех других источников в оптическом диапазоне не когерентно (в радио области шкалы электромагнитных волн, однако, многие источники волнового поля дают именно когерентное излучение).

Когерентность широко используется в интерферометрии, голографии и во многих других отраслях науки и техники. Ранее, до появления лазеров, малоинтенсивные когерентные волны в видимой области спектра создавались только искусственно, путем разделения одной волны на несколько.

Как особое свойство лазеров рассматривается возможность достижения высокой интенсивности и низкой длительности импульсов лазерного излучения . Выбор типа лазеров для его практического использования зависит от поставленной задачи. Есть лазеры непрерывного действия. Однако большинство лазерных систем излучает изолированные всплески световой энергии (све­товые моноимпульсы) или целую серию импульсов. Длительности импульсов также различны. В режиме свободной генерации длительность генерации близка к продолжительности свечения ламп накачки.

В режиме непрерывного действия излучают гелий - неоновые лазеры. Мощность лазера всего 0,002…0,020 Вт , что во много раз меньше мощности лампочки карманного фонаря. Для характеристики исключительных свойств излучения этого лазера приведём следующее сравнение. Интенсивность DI в видимом частотном диапазоне, получаемая от Солнца на среднем расстоянии до Земли, равна 186 Вт /м 2 . Эта мощность распределена в спектральном интервале от n 2 = 7,5×10 14 до n 1 = 4,3×10 14 Гц (Dn = n 2 - n 1 » 3×10 14 Гц ). Спектральная плотность интенсивности в солнечных лучах - I n = DI /Dn » 6×10 -13 Вт /(м 2 Гц ). He - Ne лазер может испускать 0,01Вт в пучке с поперечным сечением 1 мм 2 , соответственно интенсивность в световом пятне на экране равна 10 6 Вт /м 2 . Поскольку ширину спектральной линии такого лазера можно принять как Dn = 100 кГц , то спектральная плотность излучения He - Ne лазера I n » 10 Вт /(м 2 Гц ). Таким образом, спектральная плотность излучения даже относительно маломощного лазера на 13 порядков больше, чем у Солнца или другого теплового источника света. Именно поэтому характер взаимодействия с веществом лазерного света, распространяющегося в среде, существенно отличается от хорошо изученных случаев классической оптики.

Газодинамические лазеры на смеси СО 2 + N + He , работающие в непрерывным режиме в ИК области (~10 мкм ), имеют мощности в миллион раз больше (порядка сотен и тысяч Ватт). Чтобы оценить возможности подобных источников энергии, надо вспомнить, что для плавления 1 см 3 металла необходимо ~50 Дж . Если мощность лазерного луча 500 Вт , то в прин­ципе он может расплавить за 1 с ~ 10 см 3 металла. Реальные цифры, достигаемые на опыте, существенно меньше, так как значительная доля световой энергии, падающей на поверхность металла, отражается от нее.

Отметим, что понятие мощности говорит о концентрации энергии во времени, о способности системы произвести значительное действие в за­данный (обычно короткий) промежуток времени. Огромные мощности некоторых типов лазеров, излучающих моноимпульсы, свидетельствуют о высоком качестве лазерной энергии. Можно, например, получить в считанные мгновения плотности энергии, превышающие плот­ности энергии ядерного взрыва. С помощью лазеров удается получить температуры, равные десяткам миллионов градусов, давления порядка 100 млн атмосфер. С помощью лазеров получены самые высокие магнитные поля и т.д.

Для сокращения длительности импульсов излучения внутри резонатора лазера обычно помещают различные управляющие устройства - внутрирезонаторные модуляторы или создают многокаскадные схемы усиления из ряда последовательных звеньев, содержащих активные элементы. Применение полупроводниковых лазеров в системе накачки, элементов волоконной оптики и нелинейных преобразователей лазерного излучения позволило создать исключительно компактные эффективные и компактные лазерные системы.

В первом моноимпульсном генера­торе на рубине длительность свечения в импульсах достигала ~10 -8 с . Современные лазеры способны излучать импульсы длительностью около 5 фс , т. е. менее двух периодов све­товой волны, что близко к фундаментальному пределу. Даже сравнительно скромная по лазерным масштабам энергия излучения, будучи сосредоточенной в импульсе ультракороткой длительности (УКИ), дает высокую мощность, а при фокусировании пучка - огромную интенсивность. В частности, созданная в Ливерморской Национальной лаборатории (США) установка позволяет получать УКИ лазерного излучения с энергией 660 Дж при длительности импульса 440 фс , что обеспечивает получение пиковой мощности порядка 1 ПВт , а при фокусировании пучка - интенсивность излучения свыше 10 21 Вт /см 2 . Для представления об этой величине следует отметить, что давление света в этом случае составляет 300 Гбар , что сравнимо с давлением в центре Солнца. В данном примере рост мощности лазерного излучения достигался, главным образом, за счет сокращения длительности импульса. Сравнение современных фемтосекундных лазеров с первым из импульсных лазеров показывает, что увеличение мощности достигло 12 порядков. Для оценки роста энергии излуче­ния можно привести данные о лазерном устройстве УКИ, проектируемом в США для исследований по тер­моядерному синтезу. В 192 пучках этой установки величиной с футбольное поле должна достигаться энергия 2 МДж в импульсе наносекундной длительности. Т.о., рост энергии составит не менее 6 порядков.

По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источников света не имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7×10-12xT 4 вт/см 2 . Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см 2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W = 6,4×10 3 вт. Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую, чем в самом источнике света.

Если интенсивность излучения лазера сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Направленность лазерного излучения во многом определяется тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. При высокой степени пространственной когерентности угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией. Типичные значения составляют: для газовых лазеров (0,5-5)x10 -3 радиан, у твердотельных (2-20)x10 -3 радиан, у полупроводниковых (5-50)x10 -2 радиан.

Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн. Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре возбуждения атомов и молекул. Таким образом, в обоих случаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света, представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам — направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. — превосходящие классические устройства радиодиапазона.

В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии — высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной. Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной.

В настоящее время лазеры перекрывают диапазон от ультрафиолета до субмиллиметровых волн, достигнуты первые успехи в создании рентгеновских лазеров, созданы перестраиваемые по частоте лазеры.

Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3×10 -4 радиан при площади пучка 0,1 см 2 имеет яркость 10 6 Вт/(см 2 *стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см 2 стерадиан)).

Перечисленные выше свойства делают лазеры уникальными источниками света и определяют возможность их многочисленных применений.

Содержание статьи

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор)–устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды. Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation» – усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее.

Основы теории излучения.

Из законов квантовой механики (см . КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E 0 , при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E 1 , называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = h n равна разности начального и конечного уровней:

h n mn = E m – E n (1)

где h = 6,626176·10 –34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10 –8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):

n 21 = (E 2 – E 1)/h . (2)

Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.

Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:

I l = I 0 e –kl , (3)

где I 0 – исходная интенсивность, I l – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k . Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.

Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне E n называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E 2 > E 1 – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n 21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E 2 ® E 1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E 1 ® E 2) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k :

I l = I 0 e a l (4)

На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).

Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E 0 на самый верхний E 3 . Оттуда они спускаются на уровень E 2 , где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E 0 , испуская вынужденное излучение частотой n = (E 2 – E 0)/h , когерентное исходной волне.

Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.

Устройство лазера.

Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см . ОПТИКА), в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.

Типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al 2 O 3 с небольшой примесью ионов хрома Cr +++ . Сконструировал его Т.Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмо-иттриевый гранат Y 2 Al 5 O 12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10 –3 секунды, а лазерный импульс оказывается раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится. Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10 –6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10 –5 секунды. В этом режиме так называемой свободной генерации мощность импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность, просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность импульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (10 12 ватт).

Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.

К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).

Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.

В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом:

Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.

Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.

В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией E э спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию E д, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = E э – E д. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.

Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

Свойства лазерного излучения.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см . КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

2. Лазерная связь.Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10 –9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10 –9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Сергей Транковский

ВВЕДЕНИЕ

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 - энергия высшего энергетического уровня,

E1 - энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

где v - частота волны,

Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны,

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.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники - превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия - соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (-200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных лазерах - лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.

ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы.

Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало, поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10-20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого не радует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсировать ничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера под давлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело, позволяя уменьшить размер излучателя.

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

Называются они так потому, что их рабочая жидкость - раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку-кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя накачивается оптически, только вместо лампы-вспышки сначала использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее - лазеры газовые. Лазер-накачку внутрь жидкостного лазера не встраивают, а помещают вне лазера, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны - от ультрафиолета до инфракрасного света - и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт (миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на одной длине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. Это не просто окрашенное стекло. Он представляет собой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волны лазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобы лазер мог генерировать свет в разных участках спектра - переходить, скажем, от синего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, - достаточно сменить кювету с рабочей жидкостью. Наиболее перспективны они оказались для исследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Таким способом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсот километров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какого размера частицы его загрязняют. То есть можно построить прибор, автоматически и непрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха.

Но наряду с широкополосными жидкостными лазерами существуют и такие, у которых, наоборот, монохроматичность гораздо выше, чем у лазеров на твердом теле или на газе.

Длина волны света лазера может изменяться, укорачиваясь и удлиняясь примерно на одну сотую (у хороших лазеров). Чем меньше расстояние между зеркалами, тем эта полоса шире. У полупроводниковых лазеров, например, она составляет уже несколько длин волн, а у лазера на основе солей неодима эта полоса - одна десятитысячная. Такое постоянство длины волны можно получить только у больших газовых лазеров, да и то, если принять всяческие необходимые для этого меры: обеспечить устойчивость температуры трубки, силы тока, ее питающего, и включить в схему лазера систему автоматической подстройки длины волны излучения. Мощность излучения при этом должна быть минимальной: при ее повышении полоса расширяется. Зато в жидкостном неодимовом лазере узкая полоса излучения получается сама собой и сохраняется даже при заметном повышении мощности излучения, а это крайне важно для всякого рода точных измерений.

Поэтому от того, насколько точно выдерживается длина волны света, излучаемого лазером, зависит и точность измерений. Уменьшение полосы излучения лазера в сто раз сулит стократное увеличение точности измерения длин.

ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерного излучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовый генератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 или дейтерием D2 образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение - молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF - на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовых лазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре 1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С. Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде. Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденного состояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможно излучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двум оттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивно прокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15-20 не, частоте следования 10-100 кГц, средней мощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышению средней мощности «медного» лазера до 1 кВт.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых - возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10-50 кГц.

Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодный лазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложные молекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются на части. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и в дальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Часто называют и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могут находиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачивается энергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом она сразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квант излучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекула просто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерный лазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова, ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили при возбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять в нескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на других эксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами, например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты. Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.

МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики - это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путей высвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовой электроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазеры открыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высоких концентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подвода световой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатами по созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на три группы - импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают свет одиночными импульсами, вторые - непрерывными сериями импульсов, и, наконец, третьи, дают непрерывное излучение.

Мощность - характеристика относительная, она говорит о том, какая работа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единица мощности, как известно, ватт (Вт) - он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейся за 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждую секунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, а если 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100 Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж. На это «бы» не нужно обращать внимания - при определении мощности не имеет значения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это время выделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о его интенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго, во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что было действительно сделано за одну секунду.

В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-то ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получается огромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере, созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж и продолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощность импульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тот же джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе - до 10 нс (наносекунда, миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот же джоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющая мощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той, конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардные доли секунды, а электростанция - непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры дают импульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощность достигает 100 миллионов кВт.

Лазерный луч - это поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Именно за все эти качества мы платим столь высокую цену - кпд лазеров составляет доли процента, а в лучшем случае несколько процентов, то есть на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки, а то и сотни джоулей энергии накачки. Но часто даже такая высокая плата совершенно оправданна,- теряя количество, мы приобретаем качество. В частности, когерентность, направленность лазерного луча в сочетании с последующей фокусировкой в очень малом объеме, например, до сферы диаметром 0,1 мм, и сжатием процесса во времени, то есть излучением очень короткими импульсами, позволяет получить огромные плотности энергии. Об этом напоминает таблица 1. Из таблицы видно, что концентрации энергии в сфокусированном мощном лазерном луче всего в тысячу раз меньше своеобразного рекордного значения для полной аннигиляции вещества нормальной плотности, полного превращения массы в энергию. Увеличение мощности лазеров связано с некоторыми общими проблемами, прежде всего со свойствами рабочего тела, то есть самого вещества, где рождается излучение. Но есть и проблемы специфические для импульсных, импульсно-периодических и непрерывных лазеров. Так, например, для импульсных лазеров одна из важных проблем - стойкость оптических элементов в сильном световом поле очень коротких импульсов. Для непрерывных и импульсно-периодических очень важна проблема отвода тепла, так как эти лазеры развивают большую среднюю мощность. Для лазера, работающего в режиме длинной очереди, импульсная мощность говорит о том, как сконцентрирована во времени энергия одного импульса, а средняя - о работе, которую выполняет серия импульсов, длившаяся секунду. Так, например, если лазер в секунду дает 20 импульсов длительностью 1 мс и энергией 1 Дж в каждом, то импульсная мощность составит 1 кВт, а средняя - 20 Вт.

Все виды лазеров начинали с достаточно скромных энергетических показателей, а совершенствовались зачастую разными путями. В частности, первый импульсный лазер работал в режиме свободной генерации - в нем самопроизвольно возникала лавина лазерного излучения и опять-таки сама собой прекращалась по окончании возбуждения. Импульс длился по нынешним меркам долго, и это определило сравнительно невысокую импульсную мощность.

Через несколько лет научились управлять генерацией методом модуляции добротности, вводя в резонатор ячейку Керра или другой аналогичный элемент, который под действием электрического напряжения меняет свои оптические свойства. В обычном состоянии ячейка закрыта, непрозрачна, и лазерная лавина в резонаторе не возникает. Только под действием короткого электрического импульса ячейка открывается, и в рабочем теле возникает короткий лазерный импульс. Его длительность может быть всего в несколько раз больше времени прохождения света между зеркалами лазера, то есть может составлять 10-20 нс.

Этот метод дал заметный прирост импульсной мощности за счет уменьшения длительности импульса. Очень короткие импульсы, вплоть до пикосекундных, получают в режиме синхронизации, или, иначе, в режиме захвата мод. Здесь в резонатор вводят особый нелинейный элемент, он неодинаково ведет себя, неодинаково просветляется для разных по интенсивности всплесков излучения и как бы вырезает из наносекундного светового импульса очень короткие пикосекундные всплески интенсивности.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

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.

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 заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине -лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многих других “глазных центрах” стран содружества Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 - 0,1 Дж, длительность порядка - 0,1 с.). Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.

Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

1. Лазерное облучение - облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению

2. Лазерная коагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.

3. Лазерная хирургия - наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением.

ГОЛОГРАФИЯ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта на каком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка). Однако информация, содержащаяся в фотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновой фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью отсутствует информация о фазах волн. Голография позволяет устранить этот недостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентична первоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методом полной записи волны. Для того чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию. Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947 году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английский физик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.

СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

Говоря о процессе создания голографического изображения, необходимо выделить этапы голографирования:

1. Регистрация как амплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектом наблюдения. Эта регистрация происходит на фотопластинках, которые называют голограммами.

2. Извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого голограмму просвечивают световым пучком.

Для осуществления этих этапов на практике существует несколько способов.

Наиболее распространенные из них - метод плоской волны и метод встречных пучков.

Стандартная интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле, которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения, необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным в пространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве, будет обладать этими свойствами.

Если добавить к исследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты, например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной ), то на всём пространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарное распределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то есть стационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать на фотопластинке.

Для того чтобы восстановить голографическое изображение, уже записанное на голограмму, последнюю необходимо осветить тем же лучом лазера, который был использован при записи. Изображение объекта формируется в результате дифракции света на неоднородных почернениях голограммы.

В 1962 году советским ученым Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений, являющийся развитием практически уже тогда не применявшегося способа цветной голографии Липпмана . Объект наблюдения освещается сквозь фотопластинку (она вполне прозрачна для света даже в непроявленном состоянии). Стеклянная подложка фотопластинки покрыта фотоэмульсией с толщиной слоя около 15 - 20 мкм. Отраженное от объекта волновое поле распространяется назад по направлению к слою фотоэмульсии. Идущий навстречу этой волне исходный световой пучок от лазера выполняет роль опорной волны. Именно поэтому данный метод получил название метода встречных пучков. Интерференция волн, возникающая в толще фотоэмульсии вызывает ее слоистое почернение, которое регистрирует распределение, как амплитуд, так и фаз волнового поля, рассеянного объектом наблюдения. На голографии по методу встречных световых пучков основана цветная голография. Чтобы уяснить принцип действия цветной голографии нужно напомнить, в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображение цветным, а не черно-белым.

Опыты по физиологии зрения показали, что человек видит изображение цветным или хотя бы близким к натуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах, например, в синем, красном и зеленом. Совмещение этих цветов осуществляется при самой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественных репродукций используется 10 - 15 красочная печать)

Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта, необходимо сам объект осветить при записи голограммы одновременно или последовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих по длинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсии образуется три системы стоячих волн и, соответственно, три системы пространственных решеток с различным распределением почернения. Каждая из этих систем будет формировать изображение объекта в своем спектральном участке белого цвета, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому в отраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получится цветное изображение объекта, как результат суперпозиции трех участков спектра, что соответствует минимальным физиологическим требованиям зрения человека. Голографирование по методу Денисюка широко используется для получения высококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальных произведений искусства.

ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Как уже было указано, первоначальная задача голографии заключалась в получении объёмного изображения. С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла возможность создания объёмных цветных фотографий. На этой базе исследуются пути реализации голографического кино, телевидения и т. д. Один из методов прикладной голографии, именуемый голографическойинтерферометрией, нашел очень широкое распространение. Суть метода в следующем. На одну фотопластинку последовательно регистрируются две интерференционные картины, соответствующие двум разным, но мало отличающимся состояниям объекта, например, при деформации. При просвечивании такой “двойной” голограммы образуются, очевидно, два изображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что и объект в двух его состояниях.

Восстановленные волны, формирующие эти два изображения, когерентны, интерферируют, и на новом изображении наблюдаются интерференционные полосы, которые и характеризуют изменение состояния объекта. В другом варианте голограмма изготавливается для какого-то определенного состояния объекта. При просвечивании ее объект не удаляется и производится его повторное освещение, как на первом этапе голографирования. Тогда опять получается две волны, одна формирует голографическое изображение, а другая распространяется от самого объекта. Если теперь происходят какие-то изменения в состоянии объекта (в двух последовательных волнах возникает разность сравнения с тем, что было во время экспонирования голограммы), то между указанными хода, и изображение покрывается интерференционными полосами.

Описанный способ применяется для исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательного движения и вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п. Интерференционная картина наглядно свидетельствует о различии деформаций, напряжений в теле, крутильные моменты, распределение температур и т. д. Голография может применяться для обеспечения точности обработки деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазер – один из мощнейших инструментов сегодняшней науки. Не возможно перечислить все области его применения, так как каждый день для лазера находятся новые задачи.

В настоящей работе были рассмотрены основные виды лазеров и их принцип работы. Были также охвачены основные сферы применения, а именно: промышленность, медицина, информационные технологии, наука.

Такие разнообразные задачи могут выполняться с помощью лазера благодаря его свойствам. Когерентность, монохроматичность, высокая энергетическая плотность позволяют решать сложные технологические операции.

Лазер – инструмент будущего, уже прочно вошедший в нашу жизнь.

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

В основу лазеров положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере, большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких темпера

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление света в результате вынужденного излучения”.

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик

В.А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = О,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса==0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать, прежде всего, в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча - его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.