Лазеры и их применение

Введение

Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г . (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой ) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями"

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором" (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом

В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководством Ч. Таунса )

Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой " L " (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой

Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А. М. Прохоров сказал: " Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне"

Упомянутые А. М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечном счете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г . Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г . Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г . В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г . А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке ) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали: "Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн". Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана . В 1960 г . в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1 x 1 x 1 см), две противоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика

В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану , В. Беннету , Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой , выполненными в 1957г. Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. Так начинается новый, "лазерный" период оптики. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства

1. Принцип работы лазера

Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо "накачать" активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

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

В результате этого взаимодействия возбужденный 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 возбужденных атомов 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, как уже говорилось выше, А. Эйнштейном в 1916 г.

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

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. Спонтаннородившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды. 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 направленностью излучения и 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 перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся 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 на столько эффективной, что излучение "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 используется в большинстве существующих лазеров

2. 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 10 ⁷ - 10 ⁸ раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе. Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 10 ^-4 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 не осуществимые без использования лазера

3. Применение лазеров в различных технологических процессах

Появление лазеров сразу оказало и продолжает оказывать влияние на различные области науки и техники, где стало возможным применение лазеров для решения конкретных научных и технических задач. Проведенные исследования подтвердили возможность значительного улучшения многих оптических приборов и систем при использовании в качестве источника света лазеров и привели к созданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры, быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики. Ниже приведен краткий перечень применений лазеров в различных областях науки и техники, где уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс или привели к совершенно новым научным и техническим решениям.

Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, инициировании химических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно, выделить применение лазеров в голографии.

Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размерная обработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике.

Направленность лазерного излучения, его малая расходимость применяются при провешивании направлений (в строительстве, геодезии, картографии), для целенаведения и целеуказания , в локации, в том числе и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в системах связи через космос и подводной связи.

С созданием лазеров произошел колоссальный прогресс в развитии нелинейной оптики, исследовании и использовании таких явлений, как генерация гармоник, самофокусировка световых пучков, многофотонного поглощения, различных типов рассеивания света, вызванных полем лазерного излучения.

Лазеры успешно используются в медицине: в хирургии (в том числе хирургии глаза, разрушение камней в почках и т.д.) и терапии различных заболеваний, в биологии, где фокусировка в малое пятно позволяет действовать на отдельные клетки или даже на их части.

Большинство из перечисленных выше областей применения лазеров представляет собой самостоятельные и обширные разделы науки или техники и требует, естественно, самостоятельного рассмотрения. Цель приведенного здесь краткого и неполного перечня применений лазеров - проиллюстрировать то громадное влияние, которое оказало появление лазеров на развитие науки и техники, на жизнь современного общества.

4. Применение лазера в строительстве

Лазеры и основанные на них лазерные технологии нашли широкое применение в различных областях науки, хозяйствования, медицины, биологии (кроме, военной и космической). В технических применениях лазеры используются, например, для резки и сварки металлов, их термической обработки; получения отверстий малого диаметра в сверхтвердых материалах. Применение лазерной техники в геодезии явилось последним шагом на пути проникновения лазеров в строительство. Сегодня применение лазеров при проведении всевозможных измерений и контроля положения строительных элементов конструкции является нормой. Точность лазеров и их функциональные свойства не только облегчили весьма трудоемкие операции, но и придали им завидную достоверность. Лазерные инструменты составляют серьезную конкуренцию традиционным измерительным приборам и оборудованию - нивелирам, рейкам, рулеткам, уровням и отвесам. Время надежды на опытный глазок дяди Васи ушло в прошлое.

Применение лазеров в строительстве в качестве измерительных и геодезических приборов обусловлено их существенными характеристиками. Световой луч лазера имеет характеристики, недостижимые для любого другого источника света. Во-первых, каждый из миллиардов фотонов, составляющих лазерный луч, имеет точно ту же волновую длину или цвет. Все остальные источники света испускают свет довольно широкого спектра. Во-вторых, фотоны излучаются лазером с максимальной плотностью, так что световая точка, находящаяся на расстоянии нескольких десятков метров от лазера, имеет такой размер, как исходная точка или, по крайней мере, ее центр точно совпадает с центром самого лазерного луча. Это означает отсутствие аберрации и кривизны, являющихся характерными недостатками многих оптических приборов. Большинство предлагаемых на рынке «строительных» лазеров снабжено одним лазерным диодом в качестве источника света. Вторым конструкционным элементом лазера, во многом определяющим его функциональные характеристики и сферы применения, являет ся оптическая система, которая может состоять из системы зеркал, призм и оптических стекол. Благодаря этой системе лазерный луч может быть уплотнен, расщеплен на несколько лучей; при этом каждый из них направлен в определенную, отличную от других, сторону.

Таким образом, лазер может формировать одновременно несколько скоординированных точек, линий (line projector), а также пробегать все четыре стороны прямоугольника наподобие праздничной гирлянды (rotator). Более технологически сложную группу образуют лазеры, формирующие одновременно вертикальные, горизонтальные и угловые линии (line projectors). Большим преимуществом лазерных «рисунков» необходимых линий является то, что они исчезают только в случае выключения лазера. В отличие от традиционного мела или карандаша, независимо от погодных условий, онивсегда остаются на своем месте. Относительно новым направлением в области конструкции строительных лазеров являются ротационные лазеры (rotating lasers). Среди них можно выделить четыре группы, отличающиеся по конструкционному принципу. Первую группу образуют лазеры, в которых выравнивание лазера (leveling) осуществляется вручную. Вторая - состоит из лазеров с полуавтоматическим выравниванием. Третья - состоит из лазеров с компенсационным выравниванием, а четвертая снабжена сервомеханизмом для выравнивания лазера. Кроме несомненных преимуществ относительно точности измерения, существенным недостатком лазеров первой и второй групп является их чрезмерная чуткость на вибрацию (дрожание), особенно при настройке лазера на предельную точность измерения. Третья группа лазеров является сегодня наиболее богатой и по ценовому диапазону. Нахождение точного уровня осуществляется в них в два этапа. На первом - уровень находят приблизительно вручную. Затем включается сервомеханизм, который находит наиболее близкую к идеальной горизонтальную линию. Основной конструкционной их частью является механизм маятника, который в некоторых моделях весит несколько унций. Благодаря такому решению отмеченная раз линия остается неизменной в течение всего периода работы лазера. Это достоинство является в то же время и недостатком, поскольку нельзя определить наклонной линии от уровня горизонтальной линии - операции важной, например, при укладке дренажных труб (*Любопытные статьи, шокирующие факты, развлечении: http://tebea.ru *) . Этого недостатка лишены лазеры первой и второй групп («ручные») и, прежде всего, четвертой группы. Последние считаются «кадиллаками» среди лазерных строительных инструментов.

Соответственно их цена находится в пределах от 1200 до 2000 $, тогда как лазеры первой группы можно приобрести уже всего за 280-700 $. Все полуавтоматические и тем более автоматические лазеры являются весьма чувствительными к качеству основания, на котором они устанавливаются (штатива, треножника). Его качество определяет не только стойкость к вибрации, но также и материал, из которого оно изготовлено. В случае сильной зависимости термического линейного расширения материала при прямом попадании солнечных лучей на одну или две из трех ног штатива, положение самого лазера будет изменяться, а сервомеханизм - заново определять идеальную горизонтальную линию. В результате при ветреной и переменной погоде получается пучок горизонтальных линий, и угадать, которая из них является верной, становится трудно или даже невозможно.

Заключение

За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а также приборы, основанные на их использовании. Лазеры теперь применяются в локации и в связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое научное направление - голография, становление и развитие которой также немыслимо без лазеров.

Однако, ограниченный объем этой работы не позволил отметить такой важный аспект квантовой электроники, как лазерный термоядерный синтез, об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы, устойчивость светового сжатия. Не рассмотрены такие важные аспекты, как лазерное разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ, лазерная химия и многое другое.

Мы еще не знаем, а вдруг может произойти научная «революция» в мире, основанная на сегодняшних достижениях лазерной техники. Вполне возможно, что лет через 50 действительность окажется гораздо богаче нашей фантазии. Может быть, переместившись в «машине времени» на 50 лет вперед, мы увидим мир, затаившийся под прицелом лазеров. Мощные лазеры, нацелившись из укрытий на космические аппараты и спутники. Специальные зеркала на околоземных орбитах приготовились отразить в нужном направлении беспощадный лазерный луч, направить его на нужную цель. На огромной высоте зависли мощные гамма-лазеры , излучение которых способно в считанные секунды уничтожить все живое в любом городе на Земле. И негде укрыться от грозного лазерного луча - разве, что спрятаться в глубоких подземных убежищах. Но это все фантазии. И не дай бог она превратиться в реальность.

Все это зависит от нас, от наших действий сегодня, от того, насколько активно все мы будет относиться к достижениям нашего разума правильно, и направлять наши решения в достойное русло этой необъятной “реки”, имя которой - лазер.

Список использованной литературы

1. Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П

2. Горный С.Г. «Применение лазеров в ювелирной отрасли» 2002г. (Интернет)

3. Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974

4. Квантовая электроника М.: Советская энциклопедия, 1969

5. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988

6. Лазеры в авиации (под ред. Сидорина В.М.) Воениздат 1982г

7. Напартовича . М.: Энергоатомиздат , 1991

8. Орлов В.А. Лазеры в военной технике Воениздат 1986г

9. Петровский В.И. «Локаторы на лазерах» Воениздат

10. Реди Дж. «Промышленной применение лазеров» Мир 1991г

11. Тарасов Л.В. «Знакомьтесь - лазеры» Радио и связь 1993 г

12. Тарасов Л.В. «Лазеры действительность и надежды» изд Наука 1985г

13. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического

излучения. М.: Радио и связь, 1981

14. Федоров Б.Ф. «Лазерные приборы и системы летательных аппаратов» Машиностроение 1988г

15. «PC Magazine» ( Russion Edition ) №2 1991 г.