Реферат: Лазеры
Лазеры
Ведущая рольв становлении и развитии лазеров принадлежит советским ученым и инженерам. Академики Н.Г. Басови А.М. Прохоров были удостоены Нобелевской премии за выдающиеся работы поквантовой электронике, послужившие основой создания лазеров.
За много лет,прошедших после открытия лазеров, эта область науки испытала бурное развитие. Врезультате стремительных успехов физики и техники созданы мощныетехнологические лазеры и на их основе возникло новое прогрессивноетехнологическое направление – лазерная обработка материалов.
Дляконструирования и изготовления лазерной техники и разработки новыхтехнологических процессов обработки новых технологических процессов обработкиматериалов лазерным излучением необходимы квалифицированные специалисты.
Слово «лазер»является аббревиатурой выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает усилениесвета в результате индуцированного или, как иногда называют, вынужденногоизлучения квантов.
Доизобретения лазеров все источники света представляли собой протяженныеисточники типа дуги или нити накаливания диаметром один миллиметр или околоэтого. Если линза располагается вблизи такого источника, то чтобы собратьзначительную долю излучаемой им энергии, она должна давать изображение,соизмеримое с размером источника. Таким образом, до тех пор, пока не появилисьлазеры, не существовало способов получения плотностей энергии, которыепревышали бы плотность энергии источника света.
Возможностьсуществования процессов вынужденного излучения, являющихся основой лазернойтехники, была предсказана в 1916 году Альбертом Эйнштейном. Он предположил, чтопомимо известных в то время процессов поглощения и спонтанного излучения долженсуществовать процесс испускания резонансного кванта, в результате которогоквант света, взаимодействуя с резонансно возбужденным атомом или молекулой,может создавать квант, подобный себе. Учет этого процесса позволил А. Эйнштейнуполучить формулу Планка из квантово-механических представлений и предсказать,таким образом, принципиальную возможность усиления света при его прохождениичерез среду с резонансным возбуждением.
Первоеэкспериментальное подтверждение возможности усиления света было получено в 30-хгодах советским ученым В.А. Фабрикантом. В 1950–1960 гг. работы поизучению возможности усиления света были развернуты во многих странах мира.Большой вклад в развитие этой новой области физики внесли и советские ученые.За основополагающие работы по квантовой электронике советским физикам Н.Г. Басовуи А.М. Прохорову и американцу Ч. Таунсу в 1964 году была присужденаНобелевская премия по физике. Успехи в развитии квантовой электроники позволилиТ. Мейману в 1960 году создать первый лазер на рубине. Следом за ним, в1961 году А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смесигелия и неона. В 1962 году появился полупроводниковый лазер на основе кристаллаарсенида галлия.
Наиболееинтенсивное развитие лазерной физики и техники приходится на период 1962–1968 гг.В это время были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявленобольшинство областей их возможного применения.
Развитиефизики взаимодействия лазерного излучения с веществом и начало промышленноговыпуска лазеров способствовало превращению лазера из физического прибора винструмент для проведения различных технологических процессов. Интерес к лазерамсо стороны технологов обусловлен уникальными характеристиками лазерногоизлучения. Возможность получения монохроматичных пучков света делает лазернезаменимым источником излучения при решении задач связи, метрологии имедицины. Высокая интенсивность и монохроматичность лазерных пучков позволяетвоздействовать на газовые среды и вещества, характеризующиеся большим числомуровней возбуждения, селективно, и открывает тем самым перспективыиспользования лазеров для разделения изотопов, проведения химических реакций,для направленного воздействия на различные биологические объекты.
Возможностьдостижения высоких значений мощности и плотности потока энергии делает лазерныйлуч уникальным инструментом и для проведения различных операций в термическойтехнологии. Эксперименты показали, что лазерная резка и сварка, поверхностноетермоупрочнение, плакирование и легирование позволяют не только экономитьматериалы, но и получать новые свойства обрабатываемого вещества, недостижимыес помощью традиционных термических технологий. Уже первые результатыиспользования лазеров в промышленности продемонстрировали возможность иэкономическую эффективность их применения в условиях массового производства.
«Технологические»способности лазерных пучков изменили отношение к лазеру как к прибору,предназначенному только для научных исследований, и инициировали проведениеведущими научными организациями нашей страны широкой программы работ,направленных на совершенствование надежности и эффективности способоввозбуждения уже известных лазерных систем. Результаты этих исследований и леглив основу большинства технологических лазеров, разрабатываемых в настоящее времяв нашей стране.
Газовыелазеры являются наиболее представительным классом лазеров. Как следует изназвания, рабочим телом газовых лазеров является газовая среда. В зависимостиот конкретной схемы уровней и способов создания инверсной заселенности вактивных частицах она может состоять из одной или нескольких атомарных илимолекулярных компонент. Число ионов и нейтральных атомов и молекул, на которыхполучена генерация, уже превысило 100 и продолжает расти. Диапазон длин волн, вкотором могут работать различные газовые лазеры, простирается от вакуумногоультрафиолета до инфракрасного, по существу субмиллиметрового диапазона спектра.
Газовыеактивные среды, как правило, отличаются высокой оптической однородностью, чтопозволяет достигать уровня расходимости, близкого к дифракционной, иобеспечивать локальность воздействия и высокие значения плотности мощностиизлучения в фокальном пятне. Сравнительно невысокие плотности среды в газовыхлазерах определяют весьма низкие значения ширины линии усиления. Поэтому имсвойственна высокая монохроматичность излучения. Если добавить к этому высокиемощности излучения и способность работать в импульсном, импульсно-периодическоми непрерывном режимах генерации, что обеспечивает возможности проведения самыхразличных процессов в селективной и термической технологии, то становитсяпонятным, что эти лазеры являются не только прекрасным прибором для физическихисследований, но и могут служить эффективным инструментом в промышленномпроизводстве. В настоящее время наибольшее распространение нашли газоразрядный,газодинамический и химический методы накачки.
Обычно подтвердотельными лазерами подразумевают достаточно представительный классквантовых генераторов, инверсная заселенность в твердом рабочем теле которыхсоздается путем оптической накачки. При этом за пределами этого класса лазеровостаются полупроводниковые приборы, использующие электронный или жеинжекционный способы возбуждения.
Активнаясреда твердотельного лазера содержит активные ионы примеси в твердотельнойматрице. Именно в ионах примесей и создается инверсная заселенность. В качествепримесных ионов обычно используют ионы переходных металлов (марганец, хром,никель и кобальт) или редкоземельных элементов. Эти вещества имеютнезаполненные внутренние оболочки при наличии электронов на внешней. Электронына внешней оболочке частично экранируют электрическое поле соседних ионовкристаллической решетки, приводящие к сильному уширению испускаемых активнымионом спектральных линий, что, в свою очередь, приводит к росту коэффициентаусиления и облегчает получение инверсной заселенности.
Рабочийактивный элемент технологического лазера должен удовлетворять большому числузачастую противоречивых требований. Он должен обеспечивать большой коэффициентусиления, быть оптически однородным, механически прочным, термостойким,технологичным, прозрачным для излучения накачки, а также допускать механическуюи оптическую обработку, допускать изготовление образцов больших размеров ииметь высокую теплопроводность. Поэтому неудивительно, что число активныхэлементов, используемых в технологических лазерах, крайне невелико.
Созданный в1960 году Т. Мейманом рубиновый лазер был первым оптическим квантовымгенератором и именно с его появлением связывают рождение лазерной техники.
Положительныеи отрицательные свойства рубиновых лазеров. К первым необходимо отнести:генерацию лазера в видимом диапазоне длин волн и возможность достаточно частогоповторения импульсов. Среди недостатков нужно указать высокую энергию накачки,низкий КПД, ограничение энергии излучения на уровне нескольких Дж, плохаярасходимость излучения, невозможность реализации стационарного режима генерациии, наконец, технологическую сложность и высокую стоимость изготовления активныхэлементов.
Наиболееактуальными задачами квантовой электроники с точки зрения развития лазернойтехнологии являются расширение спектрального диапазона генерации лазеров,предназначенных для решения проблем селективной технологии, а также повышениеэнергетических характеристик лазерных устройств, необходимое для расширениявозможностей и роста эффективности термической лазерной технологии.
Процессразвития квантовой электроники и лазерной техники еще весьма далек от своегозавершения и можно надеяться, что в ближайшие годы он приведет к появлениюновых лазерных систем.