Рисунок 1 - Принцип действия лазеров

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

=

Эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетическое состояние, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

На рисунке 2 а, показаны возбужденный атом и волна, а на рисунке 2 б схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

2 2

1 1

а) б)

Рисунок 2 - Принцип действия лазеров

Принципиальная схема работы лазера показана на рис.3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема работы лазера

1.3 Устройство рубинового лазера

Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет (рис.4).

Рисунок 4 - Устройство рубинового лазера

Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным». В результате самопроизвольных переходов 21 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, другой - полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного цвета. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной - при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных, т.к. свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина (рубин - это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al₂O₃ с примесью атомов хрома (0,05%), и именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами).

1.4 Типы лазеров

Существует множество лазеров разного типа. Они различаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки наиболее универсальны оптическая накачка и накачка с помощью электрического разряда в самой активной среде. Следует отметить, что накачка может быть непрерывной и импульсной. Последняя удобна для получения импульсного лазерного излучения и выгодна, тем, что активная среда меньше нагревается, что облегчается её охлаждение. Рубиновый лазер, с которым мы познакомились выше, работает в импульсном режиме. Итак, основные типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Активная среда в таких лазерах - диэлектрический кристалл или специальное стекло. Лазерный эффект в твердом теле осуществляется благодаря наличию в нем примеси (например, окиси хрома в случае рубина), концентрация которой - единицы процентов. Возможность лазерного излучения существует у нескольких сотен диэлектрических кристаллов. Примером твердотельного лазера служить лазер на рубине, исторически первый и широко используемый в настоящее время.

Химические лазеры. В ходе некоторых химических реакций выделяется много энергии, и в конечных продуктах таких реакций оказывается достаточно возбужденных атомов, чтобы осуществить лазерную генерацию. Наиболее перспективным из лазеров этого типа представляется генератор на фтороводороде, образующемся при прямом взаимодействии атомарных компонентов.

Жидкостные лазеры. Многие жидкие органические красители генерируют лазерное излучение при накачке ультрафиолетовым излучением, газоразрядными импульсными лампами и лазерами (обычно газовыми) непрерывного действия. В качестве активной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. У лазеров на красителях два важных достоинства: во-первых, они способны перестраиваться по длине волны и, во-вторых, могут излучать сверхкороткие импульсы - длительностью менее одной триллионной доли секунды. В связи с этим лазеры на красителях широко применяются в методах спектроскопии, в том числе в спектральном анализе с временным разрешением.

Известны несколько сотен различных органических красителей, пригодных для лазерной генерации. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или от газоразрядной лампы.

Газовые лазеры. Многие газы и газовые смеси при возникновении в них электрического разряда начинают генерировать лазерное излучение. Их пучки характеризуются очень высокой степенью когерентности и малой расходимостью, близкой к теоретическому пределу; по этим параметрам они выгодно отличаются от пучков твердотельных лазеров. Для решения прикладных задач успешно применяются лазеры с газовой смесью в качестве активной среды (углекислого газа с азотом и гелием, гелия с неоном или криптона со фтором).

Существует много разновидностей газовых лазеров. Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ, а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты.

Полупроводниковые лазеры. Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей. В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его.

2. Области применения лазеров

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

2.1 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) 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 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.

Оптические методы измерения расстояний и углов хорошо известны в промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с использованием модулированного света были возможны лишь при небольших расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и упростить их.

Обработка материалов и сварка с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получило название лазерной технологии. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении. Основные достоинства лазерной обработки материалов:

- разнообразие процессов обработки самых различных видов материалов;

- высокая скорость выполнения операций по обработке;

- высокое качество обработки;

- возможность высокоточной прецизионной обработки;

- селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможность дистанционной обработки;

- сравнительная легкость автоматизации операций.

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией для промышленного использования в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, то же самое происходит и с зоной расплавленного материала. Затем при остывании образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким, принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным. Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения.

Лазерная маркировка и гравировка -- В настоящее время лазерная маркировка и гравировка применяются практически во всех отраслях промышленного производства для идентификационного и защитного кодирования промышленных образцов, нанесения надписей на приборные панели, измерительный инструмент, клавиатурные поля, изготовление табличек и шильдов; в рекламном бизнесе -- для художественной отделки сувениров и изготовления ювелирных изделий. Достоинства гравировки и маркировки лазерным излучением: миниатюрность наносимой информации; отсутствие механического воздействия на изделие, что позволяет маркировать тонкостенные, хрупкие детали, а также узлы и изделия в сборе; высокая точность и качество нанесения знаков, что гарантирует надежность и стабильность их считывания; высокая производительность; возможность полной автоматизации.

2.2 Лазеры в медицине

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна.

При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза -- это точечная контактная сварка; лазерный скальпель -- автогенная резка; сваривание костей -- стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани -- тоже контактная сварка. Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии -- углекислотный. Лазер применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких, коррекции зрения, стоматологии, диагностики заболеваний, делают кожно-пластические операции.

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).

2.3 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.

Очень перспективно применение лазерного луча для связи в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.

В настоящее время успешно осуществляется стыковка космических аппаратов на орбите. Для этого все они оборудуются целым рядом устройств, среди которых и лазерный локатор.

Обеспечение безопасности полетов, связанная с увеличением точности систем посадки, снижением ограничений по метеоусловиям, с комфортностью работы экипажа в экстремальных условиях, является очень актуальным. Появление лазеров стимулировало усилия разработчиков систем посадки самолета, которая получила название «Глиссада». Ее основные преимущества:

- имеется возможность производить приземление самолетов с точностью, превосходящей точность существующих инструментальных систем посадки;

- пространственные ориентиры, образованные лазерными лучами системы за счет рассеяния на неоднородностях атмосферы, на каплях дождя и частицах дымки, хорошо обнаруживаются в сумерках и ночью с удалений, превышающих дальность метеовидимости в 2.5-3 раза;

- система пространственных ориентиров позволяет летчику установить уверенный контакт с землей гораздо раньше, чем он начнет различать ориентиры на поверхности аэродрома, и раньше, чем он установит контакт с огнями малой интенсивности, располагаемыми на аэродроме.

Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

2.4 Применение лазеров в военном деле

Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:

Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).

Введение противника в заблуждение. В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого -- предотвратить нападение со стороны противника. Показанное на рисунке устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.

Другое военное применение лазеров -- оружейные системы наведения. Такие системы представляют собой лазер небольшой мощности, «подсвечивающий» цель для боеприпасов с лазерным наведением -- «умных» бомб или ракет, запускаемых с самолёта. Ракета автоматически меняет свой полет, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая таким образом высокую точность попадания. Лазерный излучатель может находиться как на самом самолёте, так и на земле. В устройствах лазерного наведения обычно используются инфракрасные лазеры, так как их работу проще скрыть от противника.

Лазерная связь.

Лазерные навигационные системы.

Лазерное оружие. В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания. Лазерный прицел прикреплён к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу. Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол.

Лазерные системы ПРО и ПКО, создаваемая в рамках стратегической оборонной инициативы - СОИ.

Системы обнаружения снайперов. Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.). Как преимущество -- подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями. Такие системы выпускаются как в России, так и в других странах.

Лазерный дальномер -- устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Лазерный дальномер -- простейший вариант лидара. Значение расстояния до цели может использоваться для наведения оружия, например танковой пушки.

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.

2.5 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).

2.6 Голография

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. Лазер является крайне удобным источником света, хорошо удовлетворяющим условию голографии. До изобретения лазеров голография практически не развивалась. В 70 годы происходит бурное развитие технических приложений голографии: голографической интерферометрии, оптической записи и обработки информации, Фурье-голографии, радиоголографии, акустоголографии, цифровой голографии, поляризационной голографии. Сейчас, в период компьютеризации, все больше физиков обращается к возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. Голографический метод записи информации является наиболее полным среди всех методов, известных раннее. Поэтому голография находит широкое применение во многих областях науки и техники: для передачи и обработки информации, в кибернетике, вычислительной технике, в технологии и приборостроении.

Кроме вышеназванного, можно отметить и пищевую промышленность, промышленность микробиологических препаратов, которые также стали использовать лазерное излучение. Уже сейчас применяется лазерная стимуляция посевного материала, лазерное дистанционное зондирование полей, космическое землеведение, лазерное прогнозирование состояния атмосферы, лазерное исследование качества зерна, лазерный контроль качества яиц и обработка мясных продуктов лазерным излучением. Ну и, конечно, лазерное излучение используется в машиностроении пищевой промышленности, например для обработки режущих инструментов, закалки подшипников и шестерен, контроля поверхности и т.п.

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

Заключение

Лазер - это источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

Главный элемент лазера -- активная среда, для образования которой используют различные методы накачки.

Разработаны лазеры на основе газовых, жидкостных и твердотельных активных сред (в том числе на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках).

Лазеры решительно и широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяет получать уникальные результаты.

Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века.

Перечислим кратко применение 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, иницировании 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) и терапии различных заболеваний, в биологии, где фокусировка в малое пятно позволяет действовать на отдельные клетки или даже на их части.

Огромная мощность лазерного луча используется для испарения материалов в вакууме, для сварки и т.д.

Широкое применение найдут лазеры в научных исследованиях.

Большинство из перечисленных выше областей применения лазеров представляет собой самостоятельные и обширные разделы науки или техники и требует, естественно, самостоятельного рассмотрения.

В настоящие время лазеры получили столь разнообразные и многочисленные применения, что и перечислить их здесь не представляется возможным. В ближайшие годы появятся еще более производительные, мощные и надежные установки, которые позволят ускорить применение лазеров в различных областях науки и техники.

Можно не сомневаться, что лазерная технология будет занимать передовые позиции в промышленном производстве XXI века и в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими.

Список используемой литературы

1. Кабардин В.А. Факультативный курс физики: 10 класс / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.И. Шефер. - М.: Просвещение, 1995. - 208 с.

2. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. - М.: Просвещение, 1993. - 336 с.

3. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение / Б.Ф. Федоров. - М.: ДОСААФ, 1988. - 190 с.

4. Энциклопедия для детей [т.14]. Техника / М. Аксенова. - М.: Аванта+, 2009. - С.509.

5. Жаботинский М.Е. Лазер (оптический квантовый генератор) / М.Е. Жаботинский. - М.: «Советская энциклопедия», 1984. - С.337-340.