Лазер

     Одним из самых замечательных достижений физики второй половины XXвека было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - лазера. В советской литературе употребляется также термин "оптический квантовый генератор" (ОКГ).

     Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой  направленностью светового луча. Само слово “лазер” пришло к  нам из английского языка, а именно из словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «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.

     В 1954 году был изобретен первый микроволновой  генератор американским физиком  Ч. Таунсом, позже ему была присуждена Нобелевская премия в 1964 году. Роль обратной связи играл объемный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм. Весомый вклад в изучение принципов квантового усиления и генерации внесли также советские физики А. Прохоров и Н. Басов, которые также получили Нобелевскую премия в 1964 году. Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно. В 1960 году ученый Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме.

     Лазеры  различаются 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.  

ЛАЗЕРНАЯ  ТЕХНОЛОГИЯ

     Лазерные  технологические  процессы   можно  условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность  чрезвычайно тонкой   фокусировки  лазерного луча и точного дозирования  энергии как  в импульсном, так  и  в непрерывном  режиме. В  таких технологических процессах  применяют  лазеры   сравнительно  невысокой  средней  мощности - это  газовые  лазеры  импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий алюминиевого  граната  с  примесью неодима.  С помощью последних  были  разработаны технология  сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной  до 10 - 100 мкм)  в  рубиновых  и  алмазных  камнях  для  часовой промышленности  и  технология   изготовления  фильеров для протяжки тонкой  проволоки. Основная  область применения  маломощных   импульсных  лазеров   связана  с резкой  и  сваркой  миниатюрных деталей  в микроэлектронике  и  электровакуумной  промышленности,  с маркировкой  миниатюрных  деталей,  автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической  промышленности.                                  

     В  последние  годы  в  одной  из  важнейших областей микроэлектроники, фотолитографии, без применения которой  практически невозможно  изготовление  сверхминиатюрных  печатных плат,  интегральных схем  и других   элементов   микроэлектронной   техники, обычные источники  света  заменяются  на  лазерные. 

     Второй  вид лазерной технологии основан  на применении лазеров с большой  средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких  энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых  стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается  высокое качество шва и не требуется  применение вакуумных камер, как  при электроннолучевой сварке, а  это очень важно в конвейерном  производстве.

     Мощная  лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной  промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические  показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14  мКм достигает 100м/ч при расходе электроэнергии 10 кВт/ч.                        

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

     Лазерное  излучение - есть свечение объектов при  нормальных температурах. Но в обычных  условиях большинство атомов находятся  в 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: hv=E₂-E₁, где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

      E₂ - энергия высшего энергетического уровня,

      E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

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.  

ПРИМЕНЕНИЕ  ЛАЗЕРОВ

     Прежде  всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения  с веществом представляют исключительно  большой научный интерес. Лазеры находят широкое применение в  современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. При обсуждении практических применений лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с  применениями, в которых лазерное излучение (как правило, достаточно высокой мощности) используется для  целенаправленного воздействия  на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применения лазеров в медицине и т. д. Второе направление связывают с так  называемыми информативными применениями лазеров — для передачи и обработки  информации, для осуществления контроля и измерений.

     Луч лазера может быть сфокусирован в  точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его  в микроэлектронике. Лазеры используются для получения поверхностных  покрытий материалов с целью повышения  их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная  маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.

     Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов. При  изготовлении проволок применяют технологию протаскивания проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому  лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в  алмазе. Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако на механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов. Зато совсем нетрудно пробить это  отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых  камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

     Лазерное  сверление широко применяется при  получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В  качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные  из глиноземной керамики. Из-за высокой  хрупкости керамики механическое сверление  выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании  “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.

     Большой интерес представляют последние  разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор  должен отличаться сверхвысоким качеством  изображения.

     Стоит также отметить использование лазеров  в уже давно известных принтерах  высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение  используется для создания на специальном  светочувствительном барабане скрытой  копии печатаемого изображения.

     В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его  широко используют в качестве скальпеля. 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.

     Помимо  всего вышеперечисленного существует еще и 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. Особенности голограмм  как носителей информации делают весьма перспективными разработки по созданию голографической памяти, которая  характеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.