Лазеры и их применение

              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. Генерация в лазере достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы.            В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии. Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной. 
Заселение уровней в лазерах может осуществляться:

- за  счет поглощения света (оптическая  накачка). Подбирая источник света  с соответствующим спектром, можно  обеспечить высокую селективность  накачки. Наиболее успешно этот  вид накачки используется в  твердотельных (на кристаллах  и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях.

- в неупругих  столкновениях атомов и молекул  со свободными электронами, при  которых часть энергии электрона  идет на возбуждение атома  или молекулы. Свободные электроны  могут создаваться или в газовом  разряде, или вводиться в газ  в виде пучка, сформированного в ускорителе.

- за  счет неупругих столкновений  атомов рабочего вещества с  возбужденными атомами или ионами  вспомогательного газа с передачей  энергии возбуждения от них  рабочему веществу. В некоторых  типах столкновений передача  энергии носит резонансный характер  и достигается высокая степень  селективности заселения уровней. 
- в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным. 
- за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров. 
Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях. 
Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество. Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур.

           Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения. 
Лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. 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. С помощью лазера на XeCL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.  

Дальнейший  прогресс  в  субмикронной литографии связан с применением в  качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

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              
 
 
 
 

4. 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.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Основные  свойства лазерного  луча.

        Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

         Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

         Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн. Тогда источники волн можно назвать когерентными.

             Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна:

Е = Е1 + Е2

Так как  в явлениях интерференции и дифракции  оперируют относительными значениям  величин, то дальнейшие операции будем  производить с величиной - интенсивность  света, которая обозначена за I и  равна 

I = E2.

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 - интенсивность света первого  пучка,  

I2 - интенсивность  света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным  членом. Это слагаемое равно:

I12 = 2 (E1 * E2).

Если  взять независимые источники  света, например, две электрические  лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность  равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный  член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I ¹ I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

        С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.

        Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

        Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.