додати матеріал


Лазерна технологія

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ПЛАН

  1. Історія відкриття

  2. Принцип роботи лазера

    1. Сутність явища посилення світла

    2. Активні речовини

    3. Резонатори

    4. Пристрої накачування

  3. Застосування лазерів

    1. Термоядерний синтез

    2. Лазери в технології

    3. Лазери в авіації

    4. Лазери в дослідженні атмосфери й океану

    5. Лазери в медицині

    6. Лазерна локація і зв'язок

Висновок

Література

1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ

Лазери - це джерела когерентного оптичного випромінювання, принцип дії яких заснований на використанні явища індукованого випромінювання. Слово «лазер» представляє собою абревіатуру англійської фрази «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що переводиться як посилення світла в результаті вимушеного випромінювання. Гіпотеза про існування вимушеного (індукованого) випромінювання була висловлена ​​в 1917 р. А. Ейнштейном. У 1940 р. професор Московського енергетичного інституту В. А. Фабрикант сформулював умови, при виконанні яких можна виявити індуковане випромінювання, а в 1951 р. він спільно з М. М. Вудинскім і Ф. А. Бутаєва отримав авторське свідоцтво на спосіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, що генерує електромагнітні коливання на основі використання явища індукованого випромінювання в НВЧ діапазоні, було створено в 1953-1954 рр.. Н. Г. Басовим й А. М. Прохоровим в СРСР і групою Ч. Таунса в США.

У 1958 р. А. М. Прохоров в СРСР, а в США Ч. Таунс і А. Шавлов показали можливість використання індукованого випромінювання для створення генераторів когерентного оптичного випромінювання - лазерів. У 1959 р. М. Г. Басову і А. М. Прохорову за розробку нового принципу генерування і посилення електромагнітних коливань і створення на основі цього принципу НВЧ генераторів і підсилювачів була присуджена Ленінська премія, а в 1964 р. спільно з Ч. Таунсом - Нобелівська премія з фізики за дослідження в галузі квантової електроніки.

2. ПРИНЦИП РОБОТИ ЛАЗЕРА

2.1 Сутність явища посилення світла

Для розуміння сутності цього явища необхідно більш детально вивчити елементарні акти взаємодії електромагнітного випромінювання з атомної системою. Розглянемо для простоти дворівневу систему, тобто атоми, які мають двома енергетичними рівнями Е 1 і Е 22> Е 1). Нехай N 1 - число атомів в одиниці об'єму речовини, що знаходяться на нижньому енергетичному рівні Е 1, а N 2 - на верхньому рівні Е 2. Тоді в результаті взаємодії електромагнітної хвилі з атомами речовини будуть відбуватися зміни її інтенсивності, що обумовлені такими елементарними процесами.

Винужденнное поглинання фотонів частоти V 12 = (E 2 - E 1) / h = V 0, яке буде відбуватися зі швидкістю

dN 1 / dt = B 12 p (v) N 1,

де B 12 - коефіцієнт Енштейна, такий, що B 12 p (v) - імовірність цього вимушеного переходу, а p (v) - спектральна щільність енергії хвилі.

Спонтанне випромінювання атомів, при якому вони спонтанно переходять з верхнього збудженого стану Е 2 на рівень Е 1. число цих переходів в одиницю часу дорівнюватиме

dN 2сп / dt = A 21 N 2,

де A 21 - коефіцієнт Ейнштейна. Так як ці переходи відбуваються в результаті внутрішніх причин і статистично незалежні, то спонтанне випромінювання носить тепловий характер і по відношенню до зовнішнього електромагнітного поля буде некогерентним.

Вимушене, або індуковане, випромінювання фотонів частоти v 21 = v 0, при якому атоми переходять з порушеної верхнього стану Е 2 на нижнє Е 1 під дією зовнішнього світлового поля. Швидкість цього процесу буде

dN 2вин / dt = B 21 p (v) N 2.

Головною особливістю цих переходів є те, що випромінюється під дією зовнішнього поля квант повністю когерентних з цим полем, тобто має ту ж частоту, фазу, поляризацію і поширюється по тому ж напрямку. Таким чином, вимушене випромінювання є когерентним по відношенню до зовнішнього поля. Імовірнісні коефіцієнти Ейнштейна, B 21 і B 12 пов'язані між наступним чином:

B 12 = B 21, A 21 = (8п hv 3 / c 3) * B 12.

У звичайних умовах середовищ, близьких до рівноваги, має місце послаблення розглянутої хвилі за законом Бугера: I = I 0 e - kx, N 1> N 2, k <0, тобто відбувається вимушене (позитивне) поглинання. Якщо в середовищі створити умова N 2> N 1, то в цьому випадку k> 0 і середовище буде посилювати проходить хвилю, тобто буде спостерігатися негативного поглинання. Середовища, у яких виконується ця умова, називаються середовищами з інверсією заселеності або активними середовищами.

Коли в умовах інверсії заселеності рівнів електрон переходить на нижній рівень, випускаючи фотон, то останній, проходить через безліч навколишніх його збуджених атомів і здатний викликати випромінювання фотона у якого-небудь з них. Обидва фотона переміщуються в одному і тому ж напрямку і до того ж вони практично когерентні. Кожен з цієї пари фотонів може повторити той же процес, і через дуже нетривалий час завдяки свого роду ланцюгової реакції утворюється фотонна лавина, в якій всі фотони мають одну і ту ж саму частоту, всі рухаються в одному напрямі і все оптично когерентні. Ця лавина фотонів може бути значно посилена з допомогою одного оптичного трюку. Якщо всю систему помістити у резонатор (між двома не повністю відображають дзеркалами), то у високому ступені когерентний і направлене світло буде багаторазово проходити всередині області інверсією заселеності. Оскільки швидкість світла дуже велика, весь процес багаторазового відбиття світла з постійно наростаючою інтенсивністю відбувається за дуже малий проміжок часу, і при дотриманні необхідних умов виникає дуже інтенсивний і дуже короткочасний світловий імпульс, що володіє скоєно особливими властивостями. Лазерні промені суворо монохроматичного і когерентні, мають дуже малу кутову расходимость, мають величезну потужність випромінювання.

Таким чином, для отримання лазерного випромінювання необхідно мати частинки, в яких може бути створена інверсна заселеність, резонатор і пристрій, що забезпечує отримання інверсного стану. Частинки, в яких може бути створена інверсна заселеність, називають активними речовинами лазера. Сукупність же елементів, які забезпечують отримання інверсної заселеності, називають пристроєм або системою накачування.

2.2 Активні речовини

В даний час в якості активних речовин лазерів використовуються тверді тіла, напівпровідники, рідини, гази. Відповідно до цього розрізняють твердотільні лазери, тобто лазери, у яких в якості активної речовини використовуються діелектричні кристали або скла з домішкою активних частинок; рідинні лазери, у яких активну речовина знаходиться в рідкому стані; напівпровідникові лазери і газові лазери, активними частинками яких можуть бути атоми, іони або молекули власне газів або пари металів.

Активна речовина твердотільних лазерів складається з двох основних компонентів: матриці і активатора. Енергетичні рівні атомів в кристалі відрізняються від рівнів вільних атомів, так як на атом у кристалі впливають електричні і магнітні поля оточуючих атомів. Це призводить до розщеплення рівнів, появи підрівнів і, в кінцевому рахунку, енергетичних смуг. Найбільше розширення відчувають рівні зовнішніх електронів, тому що внутрішні електрони екрануються від впливу полів сусідніх атомів зовнішніми електронними оболонками. В якості матриці використовуються діелектричні кристали, заборонена зона яких зазвичай становить кілька електрон-вольт. Тому чиста кристалічна основа є абсолютно безбарвною і прозорою середовищем. Введення в кристалічну основу іонів активатора призводить до появи в активованому кристалі областей селективного поглинання і спонтанної люмінесценції (центрів забарвлення). Іони активатора заміщають іони основи, тому радіус іона активатора повинен практично збігатися з радіусом іона матриці. Чим точніше це геометричне відповідність, тим більш високі концентрації іонів активатора в основі можуть бути досягнуті без помітних оптичних дефектів. Атом активатора в кристалічній основі повинен мати метастабільний рівень з великим часом життя і вузькою лінією люмінесценції (шириною не більше декількох см -1). Чим більше час життя верхнього рівня лазерного переходу і чим менше ширина його лінії, тим менше потужність накачування, при якій досягається інверсна населеність. Ширина ліній люмінесценції та їх число повинні бути мінімальними також і для збільшення квантового виходу люмінесценції, тобто відношення числа фотонів, поглинутих активною речовиною на частоті накачування, до числа фотонів, випромінюваних даними активною речовиною на частоті лазерного переходу. Квантовий вихід характеризує, в кінцевому рахунку, ефективність перетворення поглиненого некогерентного з лучения в когерентне. Зазначеним вище вимогам відповідають актіноідние (U-уран), рідкоземельні (Nd, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Але, Er, Tu, Yb) та деякі перехідні (Сг, Со, Ni) метали. Мала ширина спектральних ліній у цих атомів пояснюється тим, що лазерні переходи у них відповідають переходам електронів в глибоко лежачих шарах, добре екранованих від впливу зовнішнього поля кристалічної решітки.

Властивості активної речовини визначаються не тільки активатором, але і матрицею. Матриця повинна бути прозорою, тобто не мати ні власного, ні домішкового поглинання на частоті генерації, мати високу оптичну і механічну однорідність, теплопровідність, твердість, термічну та хімічну стійкість. В якості матриць активних речовин широко використовуються:

- Прості оксидні кристали з впорядкованою структурою (рубін А1 2 О 3: Сг 3 +; ітрій-алюмінієвий гранат, активоване неодимом, Y 3 Al 5 O 12: Nd 3 +; вольфрамат кальцію, активоване неодимом, тощо);

- Змішані фторидним кристали з разупорядкований структурою (CaF 2 - SrF 2: Nd 13 +; BaF 2 - GdF 3: Nd 3 + і ін);

- Оксидні лазерні кристали з разупорядкований структурою (Lr 0 2 - Y 2 0 3: Nd 3 +; Na 5 N (WO 4): Nd 3 + і ін);

- Лазерні скла.

У лазерні скла іони активатора входять не як іони, ізоморфно заміщають катіони решітки, а як компоненти скла. Стекла мають безсумнівні переваги перед кристалічними основами. Вони виготовляються з дешевої сировини, прості у виробництві і можуть проводитися масово з заданими і відтворюваними властивостями. З стекол просто виготовити вироби будь-яких розмірів і форми при збереженні високої однорідності складу та ізотропності властивостей. Одним з найбільш важливих їх переваг є можливість введення активатора в практично будь-яких концентраціях. Так, концентрація неодиму в склі досягає 3-4%, в той час як концентрація хрому в рубіні не повинна перевищувати сотих часток відсотка.

Робочі схеми активних речовин твердотільних лазерів поділяються на три-і чотирьохрівневі. За якою зі схем працює даний активний елемент, судять за різницею енергій між основним і нижнім робочими рівнями. Чим більше ця різниця, то при більш високих температурах можлива ефективна генерація. Так, наприклад, у іона Сг 3 + основний стан характеризується двома підрівнями, відстань між якими становить 0,38 см -1. При такій різниці енергій навіть при температурі рідкого гелію (~ 4К) заселеність верхнього підрівня тільки на ~ 13 ° / 0 менше нижнього, тобто вони заселені однаково і, отже, рубін - активна речовина з трирівневої схемою при будь-якій температурі. У іона неодиму ж нижній лазерний рівень для випромінювання при = 1,06 мкм розташований на 2000 см -1 вище основного. Навіть при кімнатній температурі на нижньому рівні іонів неодиму в 1,4 -10 4 разів менше, ніж на основному, і активні елементи, у яких в якості активатора використовується неодим, працюють за чотирирівневої схемою.

Напівпровідникові активні речовини відрізняються тим, що в них використовуються оптичні переходи між станами в електронних енергетичних зонах, тобто в оптичних переходах беруть участь вільні носії струму (електрони і дірки). Крім того, в напівпровідниках випромінювальні переходи можуть виникати також за рахунок домішкових центрів і екситонів. (Екситонів називається елементарне електрично нейтральне збудження, що має характер квазічастинки в напівпровідниках і діелектриках). Якщо енергія збудження менше ширини забороненої зони, то при переході електрона з валентної зони в зону провідності може утворитися пара електрон - дірка. Електрон і дірка, що утворюють таку пару, не можуть переміщатися незалежно, а перебувають у зв'язаному стані електрично нейтральної квазічастинки - екситона. Екситони мають зонний енергетичний спектр, цілий спін. Їм приписують квантові числа.

Найбільш простими і наочними є переходи «зона - зона», коли перехід із зони провідності у валентну зону відбувається з випромінюванням фотона, а зворотний - з поглинанням.

Під впливом накачування електрон переходить із валентної зони в зону провідності, і утворюється пара електрон - дірка. Як і будь-яка система, електрон і дірка прагнуть зайняти положення, відповідне мінімальної енергії, тому електрон прагне зайняти дозволене положення біля дна зони провідності, а дірка - біля стелі валентної зони. Практично у всіх напівпровідників стану у дна зони провідності є метастабільними, і в цьому відношенні вони можуть вважатися чотирьохрівневий системами.

Для напівпровідників, легованих воднеподібних атомами (наприклад, атомом цинку в арсеніді галію), характерні переходи «зона - домішка». Атоми домішки швидко захоплюють надлишкові носії з близькою до них зони, так що швидкість рекомбінації через домішка порівнянна зі швидкістю міжзонного рекомбінації, і перехід здійснюється між рівнем домішки і зоною власне напівпровідника. У разі сильного легування рівні уширяется, енергія іонізації зменшується і в межі рівні повністю зливаються з власною зоною. Ширина забороненої зони при цьому зменшується, а довжина хвилі генерується випромінювання збільшується.

Випромінювальні переходи можливі й у донорноакцепторних парах, тобто можливі переходи між воднеподібних домішками в обох країв забороненої зони. Такі переходи відбуваються з великим квантовим виходом, але вони досить яскраво виражені лише в слаболегірованних напівпровідниках.

До напівпровідниковим лазерам відносять зазвичай і лазери на твердих розчинах споріднених сполук, часто званих лазерами на основі гетеропереходів. Ці розчини цікаві, насамперед, тим, що при змішуванні сполук з однаковим типом решітки можна отримати безперервний ряд твердих розчинів з практично безперервним зміною ширини забороненої зони, а, отже, і довжини хвилі лазерного випромінювання.

У рідинних лазерах в якості активної речовини використовують:

- Розчини дікстонатов рідкоземельних елементів (європію, тербия або неодиму) в органічних барвниках;

- Розчини неорганічних сполук рідкоземельних елементів;

- Барвники - складні органічні сполуки, які мають інтенсивними смугами поглинання у видимій та ультрафіолетовій областях спектру. У рідинних лазерах з рідкісноземельними елементами лазерне випромінювання виникає на переходах з метастабільних рівнів іонів цих елементів. Порушення активного іона в металлоорганічеокой рідини відбувається в результаті внутрішньомолекулярної передачі енергії від органічної частини комплексу до іона.

У неорганічні розчинники в даний час вводять тільки один активний елемент - неодим. Генерація йде по чотирирівневої схемою. Випромінювання накачування поглинається власними смугами поглинання іона неодиму. Як розчинник часто використовують двокомпонентні суміші оксихлоридов селену (S еОС1 2) і фосфору (РОС1 3) з галогенідами елементів III, IV та V груп.

Найбільш ефективними лазерними матеріалами на органічних барвниках є кумарини, фталімідів, похідні окзасола і діозола, ксантенових, поліметинові і оксазіновие барвники. Активною речовиною в них виступає барвник, а матрицею - розчинник. Спектр генерації органічних барвників без селекції типів коливань зазвичай становить 5-20 нм. Введенням селективних елементів можна звузити спектр лазерного випромінювання до 0,05-1 нм без істотного зменшення вихідної потужності та здійснювати перебудову довжини хвилі випромінювання в одному і тому ж розчині в межах десятків нанометрів. Перебудова в більш широкому діапазоні можлива шляхом зміни концентрації та складу розчину барвника.

У рідких лазерних середовищах може бути досягнута велика концентрація активних частинок, що дозволяє отримувати, так само як і в лазерах на твердому тілі, великі енергії та потужності випромінювання з одиниці об'єму активної речовини. У рідинах відсутні постійні напруги, структурні неоднорідності і включення, внаслідок чого їх оптичні характеристики за обсягом ізотропні і постійні, а це сприяє одержанню випромінювання з високим ступенем просторової когерентності і спрямованості. У рідинних лазерах не виникають необоротні руйнування активної речовини при великих густинах енергії.

До недоліків рідких лазерних матеріалів слід віднести високі значення температурних змін коефіцієнта заломлення, що призводить до появи значних оптичних неоднорідностей і до погіршення генераційних характеристик. При великих плотностях лазерного випромінювання необхідно рахуватися також з нелінійними ефектами.

Газові активні середовища лазерів істотно відрізняються від описаних вище тим, що дозволяють генерувати випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль (від ваккумних ультрафіолетової області до інфрачервоного, практично субміліметрового, діапазону) в імпульсному і безперервному режимах. Газоподібного активного середовища обумовлює ряд специфічних особливостей газових лазерів. Їм властива висока монохроматичность і спрямованість випромінювання, оскільки гази мають суттєво меншу щільність і велику однорідність.

При малій щільності газу уширення ліній люмінесценції відбувається тільки внаслідок ефекту Доплера та істотно менше, ніж у конденсованих середовищах. Це дозволяє отримувати високомонохроматічное випромінювання.

Мала щільність газу не дозволяє отримати таку концентрацію активних частинок, як у конденсованих середовищ, і, отже, питома енергос'ем в газів істотно менше, це твердження справедливе для відпаяти лазерів; використання газових лазерів високого тиску, застосування прокачування газу суттєво підвищили потужність випромінювання лазера.

Крім того, газові середовища порушуються внаслідок різноманітних процесів - зіткнень в електричному розряді, хімічних реакцій, фотодиссоціації, газодинамічних процесів, оптичного накачування.

У газових лазерах в якості активної речовини використовуються:

- Нейтральні атоми газів (Н, Не, О, Ne та ін), металів (пари міді, золота, тулію, ітербію та ін);

- Іонізовані атоми аргону (Аг), ксенону (Хе), азоту (N), свинцю (Pb) та ін;

- Двоатомні - СО (чадний газ), багатоатомні - СО 2 (вуглекислий газ), Н 2 О (вода) і молекули інших газів.

В активних речовинах на нейтральних і іонізованих атомах для отримання лазерного випромінювання використовуються переходи між електронними рівнями, а в молекулярних лазерах - між електронними, електронно-коливальними, коливальними, коливально-обертальними і чисто обертальними рівнями. Генерування лазерного випромінювання відбувається в більшості випадків за багаторівневою схемою.


Рис.1 Чотирьохрівнева система накачування в гелій-неонового лазера.

2.3 Резонатори

В лазерній техніці як резонаторів використовуються відбивачі (дзеркала), між якими розташовується активна речовина. У найпростішому випадку відкритий резонатор складається з двох плоскопараллельних дзеркал. Використовувати його для одержання генерації у субміліметровому та інфрачервоному діапазонах хвиль запропонував А. М. Прохоров. Основна особливість оптичного діапазону хвиль полягає в тому, що довжина хвилі електромагнітного випромінювання цього діапазону дуже мала, так що практично завжди розміри резонаторів виявляються суттєво більше довжини хвилі. У сантиметровому діапазоні хвиль широко використовуються об'ємні е резонатори, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі. У такому резонаторі зазвичай виникає один, основний, тип коливань, довжина хвилі кр якого визначається розмірами об'ємного резонатора і діелектриком, що заповнює його. Коливання з великими довжинами хвиль ( > кр) не виникають внаслідок того, що не виконуються умови резонансу для них. Коливання ж з < кр в резонаторі виникають, але втрати для них у генераторі істотно більше, ніж для основного коливання, і вони швидко згасають. Число власних типів коливань об'ємного резонатора з ідеально провідними стінками визначається виразом

,

де V-об'єм резонатора, а довжина хвилі власного типу коливань резонатора в формі прямокутного паралелепіпеда - із співвідношення

= ,

де m, n і q - цілі числа; L і D - довжини сторін паралелепіпеда.

В оптичному діапазоні хвиль інтервали між частотами сусідніх типів коливань дуже малі, так що спектр власних коливань об'ємного резонатора практично безперервний. У результаті цього можливе одночасне збудження великої кількості власних коливань, що не дозволяє отримати високу монохроматичность випромінювання. Істотне розрідження спектра власних коливань спостерігається у відкритих резонаторах, тому що в них відсутні бокові стінки і, отже, стоячі хвилі не можуть встановлюватися перпендикулярно довжині резонатора.

У відкритому резонаторі втрати малі тільки для тих хвиль, напрям поширення яких перпендикулярно площинам дзеркал або відхилене від нього на невеликий кут. Всі інші типи коливань мають дуже великі втрати і швидко згасають. В лазерній техніці часто типи коливань позначають ТИМ nmq і називають модами. Розрізняють поперечні і поздовжні моди відкритих резонаторів. Поперечні моди характеризують розподіл поля на дзеркалах. Порядок поперечної моди визначається числами m = 0, 1, 2, 3 ... і п = 0, 1, 2, 3 ,..., які показують, скільки півхвиль має розподіл поля вздовж сторони дзеркала (рис). Поздовжні моди характеризують розподіл поля по довжині резонатора. Порядок поздовжньої моди визначається числом q, яке практично дорівнює числу півхвиль лазерного випромінювання, укладаються на довжині

резонатора. Так як в лазерній техніці зазвичай довжина резонатора істотно більше довжини хвилі лазерного випромінювання, то числа q дуже великі. Зміна числа q на одиницю мало змінює частоту (у порівнянні із самою частотою) випромінювання лазера, тому часто однією поперечною моді (заданим числах т і n) відповідає велика кількість поздовжніх мод. Режим роботи лазера, при якому випромінюється одна або кілька поперечних мод з m = 0 або n = 0 і кілька поздовжніх мод, називається багатомодовим. Якщо ж лазер випромінює хвилю Темо, тобто поперечну моду, що характеризується числами m = 0, n = 0, і кілька поздовжніх типів коливань, то режим роботи лазера називають одномодовим. Таким чином, і в одномодовом режимі лазер випромінює на декількох частотах. Режим ж роботи лазера, при якому випромінюється тільки один тип поперечних і тільки один тип поздовжніх коливань, називають одномодовим і одночастотних.


Рис.2 Розподіл поля для лінійно-поляризованих коливань у резонаторах з квадратними дзеркалами.

Розглянемо коротко, яким чином формується спектр випромінювання лазера. Спектр випромінювання лазера визначається в основному шириною лінії люмінесценції активної речовини і власними частотами резонатора. Лазер випромінює тільки на тих частотах, які є власними частотами резонатора, збігаються з лінією люмінесценції та коефіцієнт підсилення для яких достатній для компенсації всіх втрат в резонаторі.

Лінією люмінесценції називають розподіл інтенсивності випромінювання за частотами. Лінія люмінесценції характеризується формою, а найбільш простий характеристикою форми лінії є її ширина 2 f, тобто різниця між частотами, інтенсивність поглинання (випромінювання) на яких в задане число разів менше інтенсивності, відповідної максимуму поглинання (випромінювання). Ширина і форма лінії залежать як від зовнішніх умов, в яких знаходиться дана атомна система, так і від внутрішніх, тобто від природи атомної системи. Однією з причин, що обумовлюють кінцеву ширину лінії, є час життя частинок у збудженому стані. Значення ширини лінії в цьому випадку визначається із співвідношення невизначеностей Гейзенберга: . Ширина лінії, обумовлена ​​тільки цією причиною, є найменшою для даної атомної системи і називається природною шириною лінії випромінювання (поглинання). Відносна інтенсивність лінії в цьому випадку описується кривої Лоренца:

,

де f 0 - частота, що відповідає максимуму лінії лікування.

Зовнішні умови можуть суттєво змінити як ширину, так і форму лінії. Так, у газах розширенням лінії відбувається внаслідок розкиду швидкостей частинок, зіткнень їх один з одним і зі стінками посудини; у твердих тілах - внаслідок дії електростатичних полів кристалічної решітки, взаємодії атомів з кристалічною решіткою та інших причин.

2.4 Пристрої накачування

Інверсна заселеність в активній речовині створюється за допомогою пристрою накачування. У твердотільних лазерах пристрій накачування складається зазвичай з джерела живлення, лампи накачування і освітлювача. Лампа накачування перетворює електричну енергію постійного або змінного струму в некогерентно оптичне випромінювання. З цією метою використовуються газонаповнені або початкові лампи. У газонаповнених лампах інтенсивність і форма спектру випромінювання залежать як від газонаповнювачів, так і від енергії, що підводиться. Подводимая енергія визначає температуру газорозрядної плазми і, отже, безперервну складову спектру випромінювання лампи накачування. Ця складова за формою нагадує огибающую спектру випромінювання абсолютно чорного тіла. Максимум випромінювання безперервної складової визначається температурою газорозрядної плазми, тобто підводиться енергією.

Газ-наповнювач визначає дискретні складові спектра випромінювання лампи накачування. Положення складових спектра залежить від типу газу-наповнювача. Інтенсивність ж спектральних ліній залежить як від типу газу, так і від енергії, що підводиться U c. Ефективність перетворення електричної енергії в світлове випромінювання зазвичай характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД) лампи накачування. Він визначається як відношення енергії, випромененої лампою накачування, до електричної енергії, що підводиться до неї. Якщо живлення до лампи накачування підводиться від конденсатора ємністю С, то ККД лампи накачування визначається виразом

,

де - Енергія оптичного випромінювання лампи накачування; - Початкова напруга на конденсаторі. ККД лампи залежить від цілого ряду чинників: складу і тиску газу, який використовується, режиму харчування, діаметра розрядної трубки, відстані між електродами і т.д. Найбільшим ККД мають ксенонові лампи. Освітлювач призначений для підведення з мінімальними втратами енергії, випромененої лампою накачування, до активної речовини. Висока ефективність підведення енергії досягається за допомогою різного типу відображають і фокусуючих пристроїв. Форма відбивача освітлювача залежить від форми активного елемента, його розмірів і розташування щодо лампи накачування. У твердотільних лазерах широко застосовуються освітлювачі, у яких лампа (лампи) розташована паралельно осі активного елемента, а відбивач має форму еліптичних циліндрів, в фокальних осях якого знаходяться активний елемент і лампа (лампи) накачування. Такі освітлювачі мають досить високу ефективність. Так, освітлювачі у вигляді еліптичного циліндра з однією лампою накачування мають ефективність близько 75%. Втрати в еліптичних освітлювачах обумовлені тим, що лампа і активний елемент мають кінцеві розміри. Крім того, значна частина випромінювання лампи накачування проходить через активний елемент, не поглинаючись. Багаторазове відображення підвищує ефективність циліндричних освітлювачів і освітлювачів із щільним розташуванням активного елемента і лампи накачування. Розміри останніх освітлювачів близькі до розмірів і лампи накачування, і активного елементу. Конфігурація освітлювача в цьому випадку істотної ролі не грає.

Твердотільні лазери можуть працювати в імпульсному і безперервному режимах. Розрізняють два імпульсних режиму роботи твердотільних лазерів: режим вільної генерації і режим з модульованим добротністю. У режимі вільної генерації тривалість імпульсу випромінювання практично дорівнює тривалості імпульсу накачки. У режимі ж з модульованим добротністю тривалість імпульсу істотно менше тривалості імпульсу накачки.

3. ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ

Одночасно зі створенням перших лазерів почали розвиватися різні напрями їх застосувань. Створення лазерів ліквідувало якісну відмінність оптики від радіоелектроніки. Таким чином, всі радіотехнічні методи принципово можуть бути здійснені і в оптичному діапазоні, причому трохи довжини хвилі лазерного випромінювання відкриває ряд додаткових перспектив. Лазерів великої потужності дозволяють вивчати різноманітні явища при взаємодії світла великої інтенсивності з середовищем, раніше зовсім недоступні для експерименту. У дослідженнях молекулярного розсіювання світла лазерні джерела значно розширили можливості експериментальної техніки, зокрема дозволили досліджувати властивості рідкого і твердого гелію, провести перші дослідження кінетики руху деяких біологічних об'єктів, наприклад найпростіших бактерій. За допомогою коротких і надкоротких імпульсів можна вивчати надзвичайно швидкі релаксаційні процеси в конденсованих середовищах з часом релаксації ~ 10 -13 сек. Можливість формувати надкороткі імпульси світла 10 -11 - 10 -12 сек має також дуже важливе значення для швидкісної фотографії та ряду ін методів дослідження бистропротекающих процесів. За допомогою гелій-неонового лазера, що володіє високою стабільністю частоти, можливе створення єдиного оптичного стандарту довжини (довжина хвилі) і часу (частота). Для вимірювання абсолютного значення частоти гелій-неонового лазера (3,32 мкм) ця частота після перетворення вимірюється в од. частоти клістрона (0,074230 жовтнем 1912 Гц). Це дозволяє отримати найбільш точне значення швидкості світла с = 2,997924562 + 1,1 м / сек.

3.1 Термоядерний синтез

Виключно висока ефективна температура випромінювання лазерів і можливість концентрувати енергію в мізерно малому обсязі відкрили унікальні можливості випаровування і нагрівання речовини. Найважливішим завданням є нагрівання плазми до температур, достатніх для здійснення термоядерних реакцій, тобто отримання термоядерної плазми. Сучасні лазери здатні за короткий проміжок часу - близько 10 -10 секунди - сконцентрувати енергію в надзвичайно малому обсязі - майже 10 -6 см 3. Це дозволяє отримати найбільш високе на сьогоднішній день контрольоване виділення енергії - до 10 20 Вт / см 2. Лазерні імпульси стискають термоядерне «пальне» - суміш дейтерію D з тритієм Т - приблизно в 5 * 10 4 разів і нагрівають його до температури 10 кеВ (близько 120 мільйонів градусів). При цих умовах (зберігаються тільки на час дії лазерного імпульсу) може початися термоядерна реакція з виділенням нейтронів (n) і великої кількості енергії:

D + Т = 4 Не + n + 17,6 МеВ.

Використовувати лазерне випромінювання для здійснення керованого термоядерного синтезу запропонували в 1961 році М. Г. Басов і О. М. Крохин (ФІАН). Установка для лазерного термоядерного синтезу представляє. Виключно висока ефективна температура випромінювання лазерів і можливість концентрувати енергію в мізерно малому обсязі відкрили унікальні можливості випаровування і нагрівання речовини. Найважливішим завданням є нагрівання плазми до температур, достатніх для здійснення термоядерних реакцій, тобто отримання термоядерної плазми. Сучасні лазери здатні за короткий проміжок часу - близько 10 -10 секунди - сконцентрувати енергію в надзвичайно малому обсязі - майже 10 -6 см 3. Це дозволяє отримати найбільш високе на сьогоднішній день контрольоване виділення енергії - до 10 20 Вт / см 2. Лазерні імпульси стискають термоядерне «пальне» - суміш дейтерію D з тритієм Т - приблизно в 5 * 10 4 разів і нагрівають його до температури собою камеру, в яку поміщається дейтерій-тритієва мішень. На мішені фокусується випромінювання декількох потужних імпульсних лазерів - від шести («Дельфін1», ФІАН) до двадцяти («Nova», Лівермор, США). Установка «Іскра-5», створена у ВНІІЕФ («Арзамас-16»), має дванадцять лазерних каналів із загальною енергією випромінювання 30 кДж.

Мішень представляє собою сферичну ампулу, яка містить кілька міліграмів дейтерієво-тритієвої суміші у вигляді льоду (при температурі нижче 14 К) або газу під тиском до сотень атмосфер. Ампула оточена кількома оболонками. Внутрішні оболонки і екрани захищають вміст від перегріву; зовнішня, випаровуючись під дією лазерного імпульсу, розлітається і створює реактивний імпульс, який, складаючись зі світловим тиском, стискає вміст мішені. Лазерні імпульси, що несуть енергію порядку 10 14 Вт, фокусуються на мішені симетрично з усіх боків. Оболонка ампули за час, набагато менше тривалості імпульсу, випаровується, її речовина ионизуется і перетворюється на плазму (так звану корону), яка розлітається зі швидкістю до 1000 км / с.

Лазерне випромінювання взаємодіє з плазмою за дуже складним законам і нагріває її. Енергію з корони переносять в щільні шари мішені «гарячі» електрони. Тепловий потік випаровує і нагріває нові шари оболонки, в результаті чого вся енергія лазерного імпульсу перетворюється на теплову і кінетичну енергію розлітається речовини. Його віддача і теплове тиск створюють на кордоні випаровування імпульс стиснення більше 10 6 атмосфер. Густина речовини в периферійній частині мішені зростає до 102 - 103 г / см 3, а в центральній - до 5 - 50 г / см 3. За цих умов у всій масі дейтерієво-тритієвої суміші виникає термоядерна реакція.

Тепло, отримане в ході реакції, може бути перетворено в електроенергію чи використано безпосередньо. Але для отримання енергії необхідно побудувати промисловий лазерний термоядерний реактор, а на шляху його створення є ряд технологічних труднощів. Згідно з оцінками, лазери повинні мати ккд не нижче 5% при енергії випромінювання 1 - 3 МДж, тривалості імпульсів (2 - 3) * 10 -8 секунди та частоту їх повторення 1 - 10 Гц. Лазери повинні стояти на відстані 30 - 50 метрів від реактора і забезпечувати фокусування випромінювання на мішень розміром 1 сантиметр. Неоднорідність інтенсивності опромінення мішені не може перевищувати 5%, а сама мішень повинна бути виготовлена ​​з точністю 1%. Мішені - ампули з дейтерієво-тритієвої сумішшю потрібно подавати в реактор кілька разів на секунду, з високою точністю фіксуючи їх в центрі реактора. Тільки при виконанні всіх цих умов коефіцієнт посилення реактора (відношення виділилася термоядерної енергії до енергії лазерів) може досягти 10 2 - 10 3. Але сконструювати таку складну систему з такою кількістю серйозних вимог поки не вдається.

Нагрівання плазми лазерним променем виявився ефективним методом отримання багатозарядних іонів різних елементів. Вперше в лабораторних умовах отримані і досліджені спектри ряду багатозарядних іонів, що представляють інтерес для астрофізики.

3.2 ЛАЗЕРИ В ТЕХНОЛОГІЇ

Схеми використання лазерів у технологічних процесах зазвичай достатньо прості. Лазерне випромінювання фокусується в певну ділянку оброблюваної деталі. Частина його за допомогою спеціального дзеркала, поставленого на шляху променя, може відводитися на вимірювальну апаратуру для контролю параметрів випромінювання в процесі обробки. Дзеркало напівпрозорої, тому більша частина випромінювання проходить до фокусує системі. Фокусирующая система стискає лазерне випромінювання в пляму малих розмірів, у ряді випадків одиниці мікрометрів, а в більшості - частки міліметрів. Малий розмір плями і значна потужність випромінювання дозволяють отримати досить високу щільність потоку. Рекордні величини цього енергетичного параметра досягнуті при використанні лазерного випромінювання в дослідах зі спробами здійснити термоядерну реакцію синтезу: величина щільності потоку (концентрації потужності) може досягати 10 16 Вт / см 2 і вище. Щоб зрозуміти, наскільки велика наведена величина, відзначимо, що фокусування сонячного випромінювання не дозволяє отримати щільність потоку вище 5 * 10 3 Вт / см 2. Але навіть за допомогою такого потоку променистої енергії можна плавити практично будь-які метали.

Сфокусоване лазерне випромінювання, потрапляючи на непрозорі матеріали (метали та їх сплави), поглинається у вузькому поверхневому шарі; енергія променя перетвориться в інші види енергії, і в першу чергу в теплову. Підкреслимо, що не вся падаюча енергія променя перетворюється в тепло або йде на порушення механічних коливань і т. д. Частина випромінювання відбивається від поверхні тіла і, як правило, безповоротно втрачається, знижуючи коефіцієнт використання енергії випромінювання лазера і повний енергетичний ККД процесу, який для більшості типів лазерних технологічних установок невеликий. Частина енергії випромінювання (до 10%) втрачається при проходженні оптичних діафрагмірующіх і фокусуючих систем. Чим складніше оптичні системи для фокусування з лучения, тим більше втрати і нижче повний ККД. Висока концентрація випромінювання в пляму малих розмірів і, як наслідок, висока щільність потоку істотно знижують втрати енергії в порівнянні з іншими джерелами, оскільки немає марного нагріву великих обсягів речовини. Тут і криється енергетичний виграш. Крім того, існують способи зниження втрат енергії на відображення, скажімо, використання поглинаючих покриттів, не вичерпані резерви підвищення ККД. перетворення електроенергії у випромінювання лазерів з різними довжинами хвиль. Взагалі кажучи, щоб правильно оцінити роль лазерів в сучасних технологічних процесах обробки матеріалів, потрібно навчитися оцінювати енергетичні втрати випромінювання на шляху від вихідного вікна лазерної установки до розсіювання цієї енергії в твердому тілі.

Більшість процесів обробки матеріалів променем лазера виробляється при щільності потоку 10 3 - 10 7 Вт / см 2. У цьому діапазоні в залежності від тривалості впливу випромінювання тіло може нагріватися, плавитися або інтенсивно випаровуватися. Що ж станеться з речовиною, якщо далі збільшувати щільність потоку випромінювання, зберігаючи інші умови досвіду незмінними? Починаючи з деякого значення щільності потоку (для металів 10 8 -10 9 Вт / см 2), що вводиться в метал тепло не може бути відведено ні з допомогою теплопровідності, ні збільшенням обсягу випарувався речовини. Поверхневий шар тіла в цьому випадку уподібнюється вибуховій речовині з високою питомою енергією (енергією, що припадає на одиницю маси речовини). Він буквально вибухає і розлітається з високою швидкістю, викликаючи ударну хвилю в навколишньому середовищі, і передаючи імпульс у об'єм тіла. Ударна хвиля починає поширюватися по тілу. Якщо тіло являє собою тонку пластину, то енергія ударної хвилі неістотно розсіюється в речовині і до зворотної сторони пластини доходить хвиля практично тієї ж амплітуди, що і поблизу поверхні. Відбиваючись від зворотного боку пластини, ударна хвиля може викликати її механічне руйнування, так як тиск, що діє на зворотний бік пластини, практично подвоюється.

Якщо підвищувати далі щільність потоку, припускаючи, як і в попередньому випадку, умови в досвіді незмінними, то вже передній фронт імпульсу випромінювання буде створювати поблизу поверхні плазмовий згусток, мало пропускає лазерне випромінювання до поверхні тіла. У цьому випадку енергія випромінювання лазера буде витрачатися в основному на підвищення енергії плазмового згустку (збільшення його температури і швидкості розльоту). Ця область енергетичних параметрів лазерного випромінювання (вище 10 11 Вт / см 2) у технологічних процесах зазвичай не використовується, за винятком ряду спеціальних випадків.

Про лазерних технологічних процесах. Спочатку зупинимося на технологіях, в яких працюють лазери з імпульсною генерацією випромінювання. Процеси, в ​​яких щільність потоку імпульсу лазерного випромінювання така, що за час його дії речовина істотно не плавиться, відносяться до лазерної термообробки.

Найбільшого поширення в промисловості отримала гарт (з твердого і рідкого стану) певних марок сталі, дія імпульсного лазерного випромінювання на поверхню виробів з яких підвищує твердість поверхневого шару завтовшки в декілька десятків мікрометрів і внаслідок цього збільшує зносостійкість матеріалу.

В останні роки реалізований процес, пов'язаний із застосуванням лазерного випромінювання для так званого відпалу дефектів кристалічної структури речовини; дефекти ці виникають у ньому при легуванні тонкого (менше 1 мкм) поверхневого шару речовини, найчастіше кремнію, за допомогою іонної імплантації. Іонна імплантація (широко застосовується в технології створення електронних схем) - посилка потоку прискорених іонів в певну ділянку на поверхні напівпровідникового матеріалу для створення областей з заданими величиною електропровідності і типом провідності (електронною або діркової). Дефекти, зазвичай звані радіаційними, виникають, коли прискорений потік іонів проходить через речовину. Вони негативно впливають на якість матеріалу, погіршуючи експлуатаційні характеристики приладів, з нього створюються. Дія імпульсного лазерного випромінювання малої тривалості зменшує число таких дефектів; як кажуть, відбувається їх відпал, хоча механізм зменшення числа радіаційних дефектів не завжди ясний.

Процеси гарту сталей і відпалу радіаційних дефектів у напівпровідниках, що використовують лазерне випромінювання, далеко не рівнозначні за умовами їх здійснення, тому що в кожному з них застосовується випромінювання з істотно відмінними длительностями імпульсів. Для гарту поверхневого шару у низько-та середньовуглецевих сталях застосовують імпульси, тривалість яких кілька одиниць мілісекунд, а для відпалу іонно-імплантованих шарів напівпровідникових матеріалів - імпульси тривалістю в десятки чи сотні мільярдних часток секунди (10 -8 - 10 -7 с). Тому щоб тепловий ефект був істотним, щільність потоку випромінювання в останньому випадку повинна досягати 10 8 -10 9 Вт / см 2, у той час як при загартуванню вона зазвичай не перевищує 10 5 Вт / см 2. Істотно відрізняється і глибина проникнення тепла в цих процесах.

Загартовування і відпал відрізняють високі швидкості нагріву (мільйони градусів в секунду і вище) та охолодження. Якщо гарт проводиться з тонкого шару розплаву, то настільки високі швидкості можуть призвести до утворення на поверхні металу верств аморфної речовини (металевого скла, як його називають в науковій літературі) або метастабільних нерівноважних структур, які при низьких швидкостях затвердіння розплаву зазвичай отримати не вдається.

З тонкого шару розплаву на поверхні речовини можна виробляти легування, створюючи в поверхневому шарі вироби тверді розчини з нерівноважної концентрацією легуючого речовини, наприклад розчину вольфраму в залозі.

Таким чином, процеси імпульсної лазерної термообробки виробляються як при відносно невеликих плотностях потоку (10 4 -10 5 Вт / см 2), але при великих длительностях імпульсів, порядку одиниць мілісекунд, так і при великих плотностях потоку (10 8 -10 9 Вт / см 2), але при малій тривалості імпульсу - 10 нс.

Зварювання виконується в діапазоні щільності потоку 10 5 -10 6 Вт / см 2, причому на нижній межі зварювання імпульсним лазером характером перебігу і розмірам зварювального з'єднання аналогічна зварюванні, яка здійснюється джерелами енергії з відносно низькими енергетичними параметрами (електрична дуга і т. д. ). У районі верхньої межі вдається процес з кинджальним проплавленням (званим так за формою перетину шва), певною мірою аналогічний тому, який відбувається при використанні сфокусованого електронного променя у вакуумі.

Якщо підвищити щільність потоку вище 10 6 Вт / см 2, то у більшості металів маса речовини буде віддалятися із зони впливу випромінювання. У металах (або інших непрозорих для випромінювання речовинах) формуються отвори, глибина яких залежить від властивостей речовини, товщини пластини, тривалості впливу випромінювання і ряду інших чинників.

Навколишнє атмосфера може істотно впливати на результат впливу лазерного випромінювання. Якщо обробка відбувається при щільності потоку, що не перевищують 10 6 Вт / см 2, то вплив на матеріал не супроводжується утворенням плазми в навколишньому мішень газі. У цьому випадку на поверхні мішені може відбуватися хімічна реакція, істотно змінює властивості поверхні. Такий процес звичайно називають хіміко-термічної лазерної обробкою. Якщо ж щільність потоку перевершує 10 7 Вт / см 2, то в навколишньому мішень газі з'являється згусток плазми. Обробку поверхні мішені при спільній дії лазерного випромінювання і плазмового згустку, утвореного в газі, називають лазерно-плазмового.

Процеси термообробки. Основа більшості процесів лазерної термообробки - високі швидкості охолодження, що досягаються при імпульсному дії лазерів. Швидкості охолодження можуть перевищувати мільйон градусів за секунду, що можна досягти тільки для обмеженого числа методів термічного впливу на матеріали.

Лазерна гарт. Локальна гарт дозволяє зменшити деформацію виробів після впливу, скоротити або навіть виключити фінішну обробку поверхонь. Інша перевага лазерної гарту - можливість обробки деталей складної форми, а також зміцнення деталей у важкодоступних місцях. Імпульсну лазерну загартування використовують для обробки крайок ріжучого і штампового інструменту. У результаті істотно підвищується зносостійкість штампів - до 2-5 разів.

Для імпульсної лазерної гарту серійно випускається установка «Квант-16», в якій в якості активного середовища використовується скло, легованої неодимом. Її основні енергетичні параметри такі: енергія в імпульсі до 30 Дж, тривалість імпульсу 4-7 см, частота проходження імпульсів 0,5 Гц, оптична система дозволяє отримувати розміри плям нагріву до 2-5 мм.

На величину зміцнення і інші параметри лазерної гарту інструментальної сталі впливає велика кількість чинників: стан поверхні виробів після механічної або хімічної обробки, вихідна структура, геометрія і кути заточування ріжучих крайок інструменту та ін

Зупинимося на використанні лазерів з безперервною генерацією для загартування поверхневого шару матеріалів. Тут є ряд особливостей в порівнянні з загартуванням при використанні впливу імпульсних лазерів. По-перше, глибина зміцненої зони може бути збільшена завдяки більш тривалому впливу. Можливість відносного переміщення променя лазера і деталі дозволяє думати про процеси, пов'язаних зі скануванням променя по поверхні по заданому закону. "Варіюючи швидкість руху і характер переміщення, можна домогтися оптимізації режиму обробки Для лазерної гарту безперервним випромінюванням зазвичай використовують СО 2-лазери, а в ряді випадків - лазери на алюмоітрієвому гранаті (АІГ). Нагадаємо, що довжина хвилі випромінювання у цих лазерів різна: 10 , 6 мкм - у СО 2-лазера, 1,06 мкм - у АІГ-лазерів. Застосування СО 2-лазерів для зміцнення чавунних деталей у машинобудуванні дозволяє підвищити їх зносостійкість у 5-10 разів. Променем утворюють зміцнені доріжки шириною 1,5 - 2,5 мм, при цьому глибина зони гарту 0,25-0,35 мм. Між доріжками розташовується зона відпустки зі зниженою мікротвердістю шириною до 0,5 мм.

Один з найбільш цікавих режимів впливу лазерного випромінювання на деталі з чавуну - загартування поверхні з рідкого стану, отриманого оплавленням поверхневого шару на глибину до 50 мкм, і подальше затвердіння. При такому режимі товщина шару розплаву мала, і рідкий метал не встигає за час затвердіння стягуватися в краплі.

Поверхневе зміцнення чавунних деталей з оплавленням поверхні при дії безперервного лазерного випромінювання слід визнати перспективним технологічним процесом. Воно різко збільшує довговічність виробів, причому якість поверхні оброблених деталей порівняно мало погіршується, немає жолоблення, навіть якщо використовувати випромінювання лазерних установок з більшою потужністю (більше 1 кВт), що дозволяє отримувати діаметри плям нагріву більше 5 мм з достатнім за рівномірності розподілом потужності по радіусу.

На Московському автомобільному заводі використовувався потужний СО2-лазер ЛТ1-2 (потужністю 5 кВт) для зміцнення деталей вантажних автомобілів, зокрема, гільзи циліндрів автомобільного двигуна ЗИЛ-130. Щоб розробити технологію лазерного зміцнення гільзи, довелося вивчити вплив енергетичних характеристик лазерної обробки на розміри зон лазерного впливу, а також ряду технологічних параметрів (швидкості переміщення променя, типу поглинаючого покриття). Порівняльні випробування зносостійкості серійної біметалічною гільзи з чавуну СЧ 24-44 зі вставкою із сплаву «нірезіст» і монолітною гільзи з того ж чавуну, поверхня якого упрочнена лазерним випромінюванням, показали їх мале відмінність. Більш проста технологія виготовлення серійних гільз, що використовує лазерне зміцнення, дозволяє заощадити в рік близько 1100 т дефіцитного сплаву, що містить 16% нікелю.

Інша важлива в практичному відношенні робота по лазерному зміцнення головки блоку циліндрів з ливарного алюмінієвого сплаву також виконана на ЗІЛі. У цьому процесі використовувався лазер ЛТ1-2. При потужності 1 - 5 кВт діаметр світлової плями на поверхні металу склав 3 - 8 мм, а швидкість руху променя 0,5 - 4 см / с. Плавлення поверхневого шару металу і подальше затвердіння розплаву з високою швидкістю охолодження, дозволяють отримати мілкодисперсну структуру сплаву з розміром зерен 5 - 8 мкм, що в 70 - 80 разів менше, ніж у вихідного металу. При цьому глибина зміцненої зони - 1,3 мм. Результати випробувань головок циліндра на стійкість проти їх детонаційного руйнування показали більш ніж дворазове збільшення в порівнянні з серійними головками, не обробленими випромінюванням.

Поверхневе легування. Легування тонкого поверхневого шару розплаву, створеного впливом імпульсного або безперервно діючого випромінювання, використовують як метод підвищення мікротвердості, а також для отримання локальної ділянки з підвищеними антикорозійними властивостями. Наприклад, для легування сталі, на її поверхню наноситься тонкий шар мікропорошку легуючого металу і рідкого скла, використовуваного як зв'язуючу речовину. До складу мікропорошку входять вуглець, марганець, кобальт, хром, ніобій, нікель, молібден. Хімічний склад сталі після лазерної обробки змінюється, що обумовлює зміну мікротвердості, яка вище, ніж твердість, опроміненої на повітрі без легування.

У США описаний процес поверхневого легування кобальтом для підвищення зносостійкості деталі. Раніше його виконували вручну - дугового наплавленням неплавким вольфрамовим електродом. Складність процесу, виникнення дефектів, деформації, необхідність тривалої механічного доведення, втрати до 50% дорогоцінних легуючих матеріалів та інші чинники змусили замінити цей спосіб лазерним легуванням.

При лазерному легуванні на поверхню зразка з нержавіючої сталі, площа якого була 19 см 2, наносили порошкові покриття різної товщини (1,38, 1,77, 2,36 мм). Наносили їх за допомогою плазмового генератора. Міцність зв'язку між покриттям і основним металом виявилася невисокою. Щоб домогтися міцного зв'язку, на поверхню впливали лазерним пучком прямокутного перерізу 7,6 X15, 2 мм, Щоб не з'явилися тріщини і пори, виріб попередньо підігрівали. Рівномірність розподілу температури попереднього підігріву за обсягом деталі - важливий фактор, що запобігає можливість утворення дефектів. Глибину проплавлення і ступінь перемішування розплавів покриття і основного металу регулюють, керуючи швидкістю переміщення променя. У деяких випадках для отримання плоскою відшліфованої поверхні використовується додаткова механічна доведення. У результаті з поверхні деталі, обробленої при дуговому наплавленні в інертному середовищі вольфрамовим електродом, віддалявся 1,6 мм товщини матеріалу, а при обробці лазером - тільки 0,4 мм.

Стабілізація параметрів плівок. Одна з важливих завдань у технології нанесення плівок (для цілей мікроелектроніки) - штучне «старіння» за допомогою зміни їх структури. Експерименти показують, що вплив променем лазера дозволяє істотно прискорити цей процес у порівнянні з традиційним способом нагрівання в вакуумних печах. Крім того, лазерна обробка плівок в 2-3 рази підвищує стабільність їх властивостей.

Рекристалізація плівок. Рекристалізація тонких кленок напівпровідників і металів на підкладках з інших матеріалів становить певний інтерес для плівкової технології, оскільки дозволяє отримувати монокристаллическую структуру плівок з аморфної. Аморфні шари напівпровідників утворюються при напиленні у вакуумі парів, наприклад, германію на непідігрітого безструктурні підкладки. Високі швидкості охолодження приводять до утворення аморфної структури.

Отримання металевих стекол. Останнім часом посилився інтерес до аморфних матеріалів. Матеріали ці мають ряд властивостей, що відрізняють їх від кристалічних матеріалів. Ці відмінності стосуються магнітних, електричних, механічних і корозійних властивостей. Так, у аморфних металів істотно вище магнітна проникність, більш висока стійкість до корозії. В даний час в різних країнах розробляються методи отримання аморфних плівок швидким охолодженням тонкого шару розплаву або його крапель, витягуванням тонких ниток з розплаву і ін

Лазерне вплив як метод отримання на поверхні шару металевого скла дуже заманливо. У металів, наприклад, швидко розплавляється тонкий шар, а відведення тепла від ванни розплаву у метал забезпечує високу швидкість охолодження, в ряді випадків недоступну іншим методам. Швидкості охолодження при лазерній обробці можуть перевищувати 10 6 град / с, що достатньо для формування на поверхні металевого скла, як називають поверхневий аморфний шар у металах.

Лазерний відпал іонноімплантірованних шарів. Спалах публікацій у всьому світі викликало відкриття лазерного відпалу іонноімплантірованних шарів напівпровідникових матеріалів в СРСР в 1976 р. У технології мікроелектроніки одним з методів створення інтегральних схем є введення в тонкий поверхневий шар підкладки з напівпровідника іонів бору, миш'яку та інших елементів для отримання електричних структур типу р-n-переходів. Глибина іонного легування мала, зазвичай менше 1 мкм. При іонної імплантації створюються дефекти структури, пов'язані з впливом іонів, так звані радіаційні дефекти, істотно погіршують характеристики отримуються цим методом електричних структур. Типовою «долазерной» технологією поліпшення якості інтегральної схеми після іонної імплантації був тривалий (порядку декількох годин) відпал підкладки в дифузійного печі, що все одно не дозволяло знищити ряд дефектів. Вплив короткого імпульсу лазера (тривалістю в кілька одиниць 10 -8 с) плавить тонкий поверхневий шар в десяті частки мікрометра і усуває більшість радіаційних дефектів. Інша важлива перевага лазерного відпалу - процес може бути реалізований на повітрі, так як з-за малої тривалості імпульсу лазерного випромінювання є високим, як кажуть, «еквівалентний» вакуум.

Лазерне зварювання. За характером впливу випромінювання на тіла лазерне зварювання зазвичай поділяється на імпульсну і безперервну. За допомогою імпульсного впливу лазерного випромінювання можна здійснити точкове зварювання з'єднань різної геометричної конфігурації, а також шовного зварювання стикових з'єднань, отримувану при послідовному нанесенні зварних точок з перекриттям окремих зон опромінення при високій частоті проходження імпульсів випромінювання. Безперервна лазерне зварювання на практиці здійснюється тільки СО2-лазерами і, як правило, є шовної.

Імпульсна лазерна зварка. Для зварювання більшості матеріалів, включаючи тугоплавкі метали, потрібні щільності потоків випромінювання 1C 5 -10 6 Вт / см 2, якщо тривалість імпульсу складає трохи мілісекунд. У ряді випадків при зварюванні необхідно виконати наступні технологічні вимоги:

обмежити розмір зони термічного впливу;

обмежити винос розплаву із зони впливу випромінювання, щоб не знижувалася міцність з'єднання;

обмежити температурні градієнти в зоні зварювання, щоб знизити термічні напруги, що призводять до утворення тріщин;

зробити мінімальним час контакту твердої та рідкої фаз, щоб уникнути утворення інтерметалічних прошарків і появи крихкості зони термічного впливу;

домогтися максимальної глибини проплавлення без видалення маси, щоб не знижувати міцності з'єднання;

при необхідності створити захисну атмосферу або проводити зварювання у вакуумі для уникнення помітного окислення поверхні матеріалів.

При лазерної зварюванні тепло, введене при поглинанні енергії імпульсу випромінювання, передається від поверхні тіла в глиб матеріалу завдяки теплопровідності. Для кожного матеріалу і товщини, яку необхідно проплавили, існує оптимальний діапазон тривалостей імпульсу, в межах якого можна отримати зварне з'єднання без надмірного виносу матеріалу із зони нагрівання.

Однією з основних характеристик лазерного імпульсу при точковому зварюванні є його енергія. Вона впливає як на загальну кількість тепла, введеного в тіло, так і на деякі характеристики випромінювання, так як від енергії променя лазера залежить тривалість імпульсу, його тимчасова структура і розбіжність променя. Тому лазерні установки, щоб уникнути зміни інших параметрів, зазвичай працюють при постійній енергії накачування, а енергія лазерного променя змінюється за допомогою світлофільтрів або діафрагм.

Питома потужність, необхідна для зварювання, може бути визначена розрахунковим шляхом, якщо відомі теплофізичні та оптичні властивості матеріалу, і радіус плями фокусування випромінювання в зоні зварювання. Потім параметри випромінювання уточнюються в експерименті. Форма імпульсу при зварюванні істотно впливає на формування зварного з'єднання. Досвідчені дані показують, що оптимальною формою імпульсу є трапецеїдальних або трикутна, передній фронт якої досить крутий, а задній - пологий. Для формування тимчасової структури лазерного імпульсу існують спеціальні методи.

Лазерна імпульсна зварювання найбільш ефективна в важкодоступних місцях, в умовах інтенсивного теплообміну (коли у з'єднуються матеріалів висока теплопровідність), при з'єднанні легкодеформіруємих деталей, а також виробів, що вимагають обмеження зони термічного впливу та максимальній технологічній чистоти.

Технологія лазерного зварювання застосовується при виготовленні виробів електронної техніки більше 100 типів. Її впровадження дозволило в кілька разів підвищити продуктивність праці, збільшити вихід придатних приладів на 10 - 30%, покращити їхні робочі характеристики. Зокрема, надійність деяких приладів після лазерного зварювання зросла на 20-30%. Застосування методу дозволило розробити ряд нових приладів з підвищеними параметрами і зменшеними габаритами. Лазерна імпульсна шовна зварювання застосовується у виробництві кварцових резонаторів, в тому числі для наручних чоловічих електронних годинників. Вона повністю замінила колишню технологію герметизації корпусів пайкою, яка не задовольняла вимогам стабільності вакуумної щільності і стерильності процесів, так як через залишкового флюсу характеристики приладів виходили за межі ТУ.

Лазерне зварювання успішно застосовується в технологічних процесах при виготовленні електровакуумних і НВЧ-приладів. Це пояснюється тим, що застосування контактного зварювання при складанні катодних вузлів магнетронів, ламп біжучої хвилі і клистронов призводить до забруднення деталей, що з'єднуються частинками матеріалу зварювального дроту. При високих температурах цей матеріал випаровується і, потрапляючи на активну поверхню катода, погіршує його емісійні властивості.

Безконтактність імпульсної лазерної зварки дозволяє зварювати вузли електронних гармат НВЧ-приладів без деформації конструкції, що підвищує вихід придатних виробів, покращує їх параметри.

Цікаво, що деякі лампи біжучої хвилі та електронно-оптичні прилади збирають при лазерній зварюванні через скляний балон, що дозволяє підтримувати високий вакуум при нанесенні фоточутливих катодів.

Безперервна лазерне зварювання. Найбільш підходящим для безперервної зварювання є СО 2-лазер, з великим, в порівнянні з іншими лазерами, енергетичним ККД і значною потужністю - понад 20 кВт, що дозволяє застосовувати його для зварювання металів і сплавів середньої і великої товщини.

Зварювання більшості конструкційних матеріалів при високих рівнях безперервної потужності має ряд особливостей. Найбільш важливою з них слід вважати інтенсивне випаровування металів з ​​ванни розплаву, в результаті чого над поверхнею розплаву утворюється і існує протягом усього процесу хмара плазми (лазерний факел). Це може стати причиною сильної екранування лазерного променя, порушення умов фокусування, що дуже небажано. Щоб уникнути подібного, зварювання виконують в атмосфері газу, переважної іонізацію (гелій, аргон), або здувають лазерний факел струменем інертного газу. У цьому випадку глибина проплавлення істотно зростає. Так, у США при проплавлення нержавіючої сталі променем лазера потужністю 20 кВт в струмені гелію при швидкості зварювання 150 м / год отримали шов глибиною 12,7 мм і шириною 1,6 мм. При зварюванні тієї ж стали, на повітрі глибина шва зменшилася більш ніж у 4 рази, одночасно збільшилася ширина шва - до 12,6 мм. У першому випадку реалізовувався режим глибокого проплавлення (званий також кинджальним за формою поперечного перерізу шва), у другому - теплове джерело поширювався по більшій площі, і його концентрація сильно зменшувалася.

Подавати в зону зварювання газовий струмінь, переважну плазмообразование, необхідно ще й тому, що газ може бути одночасно використаний і для захисту розплавленого металу від впливу на нього повітря, що особливо важливо при зварюванні активних металів. Досвід підказує, що для усунення плазмового хмари над зварним швом доцільно використовувати гелій (у нього високий потенціал іонізації), а для захисту шва - аргон.

Як правило, безперервну лазерну зварювання проводять у режимі глибокого проплавлення. Тому практично всі відомі випадки її використання належать до стикових, внапусток i тавровим з'єднанням металевих листів. Ширина зазору не повинна перевищувати 0,1 товщини листів, що з'єднуються, щоб виключити непровари. При збільшенні зазору відбувається або «підріз» країв шва, або шов не утворюється зовсім.

Отримання отворів. Технологічний процес отримання отворів за допомогою лазерного променя виник як відповідь на потребу в ефективних методах виготовлення мікроотворів в деталях із надтвердих і тугоплавких матеріалів.

У промисловості лазерні технологічні установки широко застосовуються переважно для отримання чорнових отворів, наприклад в рубінових годинникових каменях і заготівлях алмазних волок, а також в різних деталях приладів і машин ряду галузей промисловості в тих випадках, коли не пред'являються жорсткі вимоги до точності обробки.

Розплав, що утворюється при дії випромінювання, певною мірою негативно впливає на формування отвори. Це пов'язано з тим, що зниження питомої потужності в процесі обробки, як правило, має місце в кінцевій частині процесу, що може призвести до заплавленію отвори при русі рідкої фази. Тому слід вживати спеціальні заходи, щоб освіта розплаву не перешкоджало одержанню отвори або не спотворювало б його форму. Крім того, викид рідкої фази на поверхню деталі утворює віночок застиглого металу і знижує якість обробки.

На параметри отворів істотно впливають енергетичні характеристики імпульсу, тимчасові параметри випромінювання, а також умови фокусування випромінювання. Зупинимося на ролі кожного фактора.

Вплив енергетичних характеристик. Багато технологічних лазерні установки мають одну незмінну тривалість імпульсу або їх обмежений набір. У такому випадку для одержання заданих розмірів отвору підбирають енергію імпульсу. Тоді залежність глибини і діаметру отвору від енергії імпульсу випромінювання - одна з основних характеристик, що визначають можливості отримання отворів за допомогою лазера.

Змінити енергію лазерного імпульсу можна декількома методами: зміною електричної енергії накачування імпульсних ламп (найбільш поширений спосіб); застосуванням світлофільтрів; диафрагмированием променя.

При однакових значеннях енергії в імпульсі діаметри отворів, отриманих, наприклад, у сталевих пластинах, будуть різними залежно від методу отримання енергії імпульсу - диафрагмированием або зміною енергії накачування. При енергії імпульсу лазерного випромінювання в кілька джоулів діаметри отворів можуть відрізнятися в 2-2,5 рази. Це обумовлено тим, що зменшення діаметра отвору при діафрагмуванні променя пов'язано зі зменшенням його расходимости, а при зміні енергії за допомогою збільшення (або зменшення) енергії накачування імпульсних ламп змінюється не тільки розбіжність променя, але й тривалість імпульсу випромінювання. Якщо діаметр отвору сильно залежить від діафрагмування лазерного променя, то глибина отвору - дуже слабо.

Вплив тимчасових характеристик. Спеціально проведені досліди показали суттєву залежність розмірів отвору від тривалості імпульсу при постійній його енергії. Збільшення тривалості імпульсу призводить до зростання глибини отвору, одночасно зменшуючи його діаметр. Це пояснюється тим, що збільшення тривалості імпульсу знижує питому потужність випромінювання (нагадаємо, що енергія імпульсу вважається постійною), а звідси - зменшення екрануючого впливу продуктів руйнування. Однак щільність потоку випромінювання не повинна бути нижче деякої величини, після досягнення якої отвір «затікає» розплавом або взагалі не утворюється. Вплив форми імпульсу на параметри отвори розглянемо нижче.

Вплив умов фокусування. Більш докладно це вплив на параметри отвори величини фокусної відстані оптичної системи і зміщення фокальній площині щодо поверхні деталі.

Зі збільшенням фокусної відстані лінзи питома потужність випромінювання знижується (за інших незмінних характеристиках енергії, тривалості імпульсу, положення фокальної площини відносно поверхні деталі), а виходить, зменшується відношення діаметру отвору на вході до діаметру плями нагрівання. Діаметри вхідних отворів при фокусуванні променя на поверхню мішені перевищують зазвичай у декілька разів діаметри плям нагрівання на поверхні. Це пояснюється тим, що при формуванні отвори стінки його розмиваються в результаті викиду рідкої фази, що утворюється на них.

Найбільша глибина отвору досягається при фокусуванні лазерного випромінювання на деяку відстань в глиб матеріалу від поверхні деталі. Застосування лінз з меншим фокусною відстанню дозволяє отримувати більш глибокі отвори з меншим діаметром.

Фактори, що впливають на точність і відтворюваність результатів. Області практичного застосування лазерної розмірної обробки обмежені переважно отриманням отворів не вище 3-го класу точності. Тим не менш, лазерна технологія отримання отворів впроваджена на ряді підприємств, де з її допомогою отримують чорнові отвори (на проблемах впровадження цих процесів ми зупинимося пізніше).

Відносно невисокі точність і якість лазерної розмірної обробки в її одноімпульсном варіанті обумовлені великим обсягом розплаву в продуктах руйнування і його малокерованим перерозподілом при русі по стінках отвору в кінці дії імпульсу випромінювання лазера і після закінчення його дії, поки не відбудеться затвердіння.

Для крихких матеріалів зростання тривалості імпульсу призводить до зростання зони термічних напруг і до утворення тріщин. У той же час зменшення тривалості дії імпульсу значно зменшує ймовірність появи тріщин для таких матеріалів, як ферити; тривалість імпульсу, при якій тріщин не з'являється, як показують досвідчені дані, не перевищує 0,1 мс. З іншого боку, коротким імпульсом випромінювання неможливо отримати глибоке отвір.

На точність і відтворюваність параметрів отворів впливає низка факторів, які можна розбити на три основні групи.

Фактори першої групи, які мають найбільший вплив на відтворюваність розмірів і форм отворів, пов'язані з нестабільністю таких параметрів випромінювання, як енергія, тривалість імпульсу, кут розходження, просторова й тимчасова структура випромінювання.

Фактори другої групи обумовлені різними неточностями установлення деталей та їх переміщення в зоні впливу випромінювання. Наприклад, розбіжність нормалі до поверхні деталі з оптичною віссю фокусує системи при переміщенні деталі може при отриманні серії отворів вплинути на діаметр і форму отвору внаслідок расфокусировки.

Фактори третьої групи пов'язані з неоднорідністю структури речовини, властивостей і стану оброблюваної поверхні деталей, що також впливає на відтворюваність результатів у партії однотипних виробів.

Вплив зазначених факторів може бути суттєвим у тих випадках, коли діаметри отворів порівнянні з розмірами неоднорідностей або коли їх число велике (пористі матеріали, отримані методами порошкової металургії).

Методи підвищення точності і відтворюваності результатів. Їх можна умовно розбити на дві групи: методи, пов'язані з вибором режиму обробки, управління імпульсом (тривалість і форма імпульсу), способу обробки (багатоімпульсному обробка, обробка в циліндричній світловий трубці) і т. д.; методи, які застосовують різні способи калібрування отриманих отворів, хімічне травлення, продувку отворів стисненим газом і т.д.

Один з найбільш ефективних методів підвищення точності і відтворюваності результатів отримання отворів з допомогою променя лазера - використання багатоімпульсному обробки (МІО). Суть її в тому, що отвір формується не одним імпульсом, а серією однакових імпульсів з певною енергією і тривалістю, дія яких доводить розміри отвору до необхідного. Цей процес певною мірою аналогічний процесам електроерозійної обробки.

Товщина кожним імпульсом шару може бути дуже малою. Тому при одержанні отворів глибиною в 1 мм і більше наявність рідкої фази в меншій мірі позначається на спотворенні форми отвору, ніж при дії одного імпульсу.

Особливістю МІО є те, що характерний розмір зони термічного впливу визначається тривалістю окремого короткого імпульсу, оскільки період проходження імпульсів значно більше часу остигання матеріалу. Тому за допомогою МІО можна отримувати отвори в крихких матеріалах без їх розколювання.

Спосіб використовується для вирішення двох різних технологічних завдань: отримання максимально глибоких отворів без жорстких вимог до їх точності (не вище 3-го класу) і формі; отримання прецизійних отворів (не нижче 2-го класу).

Число імпульсів в серії при МІО зазвичай близько до 10. Справа в тому, що ефективність видалення речовини з зростанням числа імпульсів падає. При обробці без ЦСТ це пов'язано зі зменшенням щільності потоку випромінювання при поглибленні отвори. Досліди й розрахунки показують, що при використанні МІО можна збільшити глибину отвору в порівнянні з обробкою одним імпульсом у кілька разів. Поглибити отвір при МІО можна, зміщуючи в процесі обробки фокус лінзи в глиб зразка: вдається отримувати отвори з відношенням глибини до діаметру рівним 25 і більше.

Лазерне поділ матеріалів. Процеси поділу матеріалів можна вважати однією з найбільш перспективних галузей для застосування лазерів великої потужності з безперервною генерацією. Справа в тому, що різка тонколистових високоміцних сталевих матеріалів механічними способами - малоефективний і трудомісткий процес, особливо при дрібносерійному виробництві деталей складної конфігурації. Використання для цих же цілей відомих термічних способів (кисневе різання, плазмова різка) неефективно через вкрай низької якості кромок реза, великої зони термічного впливу і значних термічних деформацій. Не випадково за кордоном лазерна різка за кількістю патентів стоїть на одному з перших місць серед технологічних процесів.

Для різання матеріалів зазвичай використовуються лазери на СО 2 і на алюмоітрієвому гранаті. У С0 2-лазерів високий ККД (15%), крім того, випромінювання на довжині хвилі 10,6 мкм поглинається великим числом матеріалів, включаючи металеві окисли, скла, кераміку, кварц, природні органічні матеріали (дерево, шкіра та ін), синтетику, пластики і т. д. Процес легко автоматизується для отримання фігурних контурів розрізу.

Для термораскаливанія необхідно створити в обсязі матеріалу при поглинанні лазерного випромінювання термічні напруги і мікротріщини. Потім матеріал розламується по лінії дії теплового джерела. Метод в якійсь мірі аналогічний методу різання скла або інших крихких матеріалів алмазним інструментом з наступним додатком механічного зусилля для розлому.

Зупинимося детальніше на лазерного різання. Як відомо, дія випромінювання на поверхню розрізаючої деталі призводить до утворення теплового джерела. Він нагріває матеріал до температури плавлення і вище, що формує зону плавлення. Переміщення джерела тепла уздовж передбачуваної лінії поділу та видалення розплаву газовим струменем формує зону лазерного різання.

Лазерне різання можлива, якщо щільність потоку випромінювання, що поглинається поверхнею речовини, перевищує критичне значення для досягнення температури, що трохи перевищує температуру плавлення даного матеріалу за час, протягом якого діаметр променя лазера перетне цю точку на поверхні деталі. Очевидно, що цей час залежить від швидкості руху теплового джерела, воно тим коротше, чим вище ця швидкість.

При різанні металів, як, втім, і інших мате ріалів, використовується схема з подачею соосно лазерному випромінюванню потоку газового струменя. Метод поділу матеріалів, запропонований у 1967 р., отримав назву газолазерной різання. Струмінь газу через спеціальне сопло подається в зону різання і виконує декілька функцій. Якщо ріжуться легко займисті матеріали (дерево, картон, текстильні матеріали, шкіра), що містять органічні речовини, то застосовується нейтральний газ, наприклад аргон, що перешкоджає їх загоряння та сприяє видаленню продуктів розкладання із зони реза. Ще частіше використовується азот, як більш дешевий.

Для металів, навпаки, подають повітря або кисень, які ініціюють хімічну реакцію окислення і сприяють видаленню розплаву зі стінок різу. Процес газолазерной різання із застосуванням кисню аналогічний киснево-ацетиленового різанні, в якій екзотермічна хімічна реакція також використовується як джерело значної частини енергії. Сфокусоване випромінювання лазера замінює киснево-ацетиленового полум'я в якості джерела тепла для нагрівання металу до температури, при якій хімічна реакція починає протікати дуже бурхливо. Лазерний промінь - теплове джерело з більш високою концентрацією енергії, що зменшує ширину різу, розміри зони термічного впливу, але дає більш високу швидкість різання в порівнянні з будь-яким іншим способом.

Одна з важливих областей застосування лазерного методу поділу матеріалів - Скрайбування. Швидко зростаючі обсяги виробництва інтегральних схем (ІС) та великих інтегральних схем (ВІС) вимагають створення обладнання високої продуктивності для поділу напівпровідникових пластин на кристали. Слід підкреслити, що висока ступінь автоматизації наступних операцій складання ІС і БІС посилює ряд якісних вимог до операції поділу: точності розмірів кристалів, прямокутності геометричної форми, відсутність сколів на бічних гранях і т. д.

Сутність лазерного скрайбування - у створенні по лінії передбачуваного розлому канавки в матеріалі, що формується впливом окремих лазерних імпульсів малої тривалості 10 -8 с і з великою щільністю потоку, що досягає 10 9 Вт / см 2. Мала тривалість імпульсу випромінювання не дозволяє випарувати великий об'єм речовини. Збільшувати ж щільність потоку вище 10 9 Вт / см 2 недоцільно через розвиток вибухових процесів на поверхні розрізається напівпровідника і генерування в його обсяг ударної хвилі (що призводить до утворення дефектів, що знижують якість краї різу). Накладення окремих, частково перекриваються лунок при переміщенні променя утворює скрайберний рез.

Для скрайбування використовують лазери на алюмоітрієвому гранаті, легованому неодимом. Порогова потужність, при якій починається випаровування матеріалу, визначається температурою плавлення, коефіцієнтами теплопровідності і поглинання.

Лазерний скрайбер, використовуваний для поділу напівпровідникових пластин на окремі кристали, складається з трьох основних частин: лазера з високовольтним блоком живлення, оптичної системи фокусування і візуального спостереження за зоною обробки і системи координатних переміщень.

Частота проходження окремих імпульсів досить велика (до 50 кГц), що дозволяє отримати скрайберний різ на великих швидкостях. Глибина різу досягає 15-50 мкм при ширині до 25-30 мкм. При лазерному скрайбуванні високу якість розділення забезпечується при глибині скрайбування не менше ¼ товщини пластини, коли швидкість скрайбування стає значно нижче максимально можливою. Певною технологічною проблемою при лазерному скрайбуванні є захист пластини від конденсатів напівпровідникового матеріалу і очищення її від них. Існує кілька варіантів рішення цієї проблеми: вакуумний відсмоктувач, занурення пластин у деіонізованої воду, розміщення над пластиною прозорою еластичною стрічки з хорошою адгезією до випару часток та ін

Лазерно-плазмова обробка. Хіміко-термічна обробка матеріалів пов'язана з ініціюванням поверхневої хімічної реакції при підвищенні температури підкладки, наприклад реакції окислення.

Самостійний характер у лазерної обробки матеріалів в різних газах при підвищених і навіть високих тисках, коли вплив випромінювання супроводжується оптичним пробоєм газу поблизу поверхні і утворенням плазмового згустку, що взаємодіє, з одного боку, з лазерним випромінюванням, а з іншого - з поверхнею мішені. Обробка матеріалів лазерним променем у таких умовах отримала назву лазерно-плазмової обробки. Вона відрізняється від хіміко-термічної наявністю поблизу поверхні оброблюваної мішені плазмового згустку, роль якого в ряді процесів при зміні властивостей поверхневого шару речовини виявляється визначальною.

Звичайна схема лазерно-плазмових процесів така. Оброблюваний виріб - пластина, стрижень або інша геометрична конфігурація - поміщається в камеру, наповнювати газом (наприклад, азотом, вуглекислим газом або іншим) при підвищеному або високому тиску. Випромінювання лазера через вікно в стінці камери вводиться в її обсяг і за допомогою оптичної системи, що перебуває усередині камери, фокусується на поверхні мішені. Мішень може переміщатися всередині камери за допомогою мікродвигунів, що допускає багатоваріантність процесу і можливість обробки серії виробів, поміщених в обойми касети. Можливі варіанти лазерно-плазмового обробки і без камери високого тиску, коли на поверхню виробу подається струмінь газу, який поблизу поверхні «пробивається» оптичним випромінюванням, наприклад випромінюванням СО2-лазера.

Спільна дія лазерного випромінювання і плазмового згустку з частинок навколишнього мішень газу призводить до спрямованого зміни поверхневих властивостей речовини мішені. Змінюється газонасичення поверхневого шару речовини, наприклад, при лазерно-плазмового обробці в атмосфері азоту сталевий пластини. Причому зміна мікротвердості, в залежності від тиску азоту, корелюється зі зміною газосодержания.

Цікаво простежити за роллю тиску навколишнього оброблювану деталь газу при лазерно-плазмового обробці. Розглянемо це на прикладі лазерно-плазмового обробки: пластини з молібдену товщиною 2 мм в атмосфері азоту. Якщо тиск газу в камері не перевищує 10-20 атм., То в мішені за час тривалості імпульсу 1 мс при питомій потужності 10 7 Вт / см 2 утворюється наскрізний отвір. При тих же умовах і тиску - 100 атм. поверхню мішені навіть не плавиться, а тільки обпечена. Таким чином, контрольоване зміна тиску і газу дає в руки технологів додатковий параметр, зраджував який можна змінювати характер впливу лазерного випромінювання на речовину.

Слід підкреслити, що наявність газової атмосфери призводить до якісно нових результатів. Так, за допомогою лазерно-плазмового обробки можна виробляти локальне зміцнення ділянок на поверхні матеріалів, в тому числі таких, які не упрочняются звичайної лазерної (або інший) термообробкою на повітрі.

Підбір речовини мішені, газу і тиску сто дозволяє синтезувати сполуки, наприклад, такі, як нітриди металів, карбіди і інші речовини, відновлювати оксиди тугоплавких металів (в атмосфері водню або метану) або створювати в локальній зоні контрольовані шари окислів.

Лазерна металургія. Виробництво металів з ​​різними фізичними властивостями і різного призначення - одна з фундаментальних завдань сучасної промисловості. Потенційні можливості застосування лазерів в металургії пов'язані з високою потужністю безперервного випромінювання, локальністю впливу і певної універсальністю їх як теплових джерел. Ефективність використання лазерів у металургії пов'язана, по суті справи, з тими ж процесами, з яких починалися перші досліди із застосування генераторів низькотемпературної плазми: отримання тугоплавких металів при відновленні оксидів, синтез порошків та композиційних матеріалів.

Класичним, якщо можна так висловитися, можливим застосуванням потужних безперервних лазерів в металургії може виявитися використання їх як високолокальних джерел нагріву. Наведемо деякі приклади можливого застосування.

Аналогічно плазмовим процесам або процесів при використанні сфокусованого сонячного випромінювання можливий переплав тугоплавких металів або високотемпературних керамік - рафінування матеріалів та поліпшення їх експлуатаційних властивостей. Перевагами переплаву з використанням випромінювання лазера можуть бути високі температури при відносно невеликої потужності, гнучкість в управлінні щільністю потоку, що у меншій мірі є іншим методам нагріву, виключаючи електронний промінь, а також можливість проведення процесу в широкому інтервалі тисків навколишнього середовища. Правда, при високих тисках слід зважати на можливість екранування зони впливу утворюється плазмовим хмарою. Тоді обробка стане лазерно-плазмового.

Лазерне випромінювання як джерело локального нагріву може використовуватися для створення і підтримки ванни при вирощуванні з розплаву напівпровідникових матеріалів. У цьому випадку можливі різні технічні схеми рішення.

У технології напівпровідникових матеріалів широко використовується зонна очищення, або зонна перекристалізація, за допомогою переміщення розплавленої зони по довжині злитку. Лазерне випромінювання може бути використане для створення розплавленої зони. Ряд робіт у цьому напрямі вже виконано. Перевагою перед індукційним нагрівом, звичайно використовуваним для створення зони розплаву, є більш вузька теплова зона, а перед електронно-променевим нагрівом - більш дешеве обладнання, а також можливість використання газової атмосфери в процесі, що може бути важливим, якщо необхідно зберегти в речовині легколетучие домішки . Відзначимо, що електронно-променеву плавлення проводиться у вакуумі 10 -5 -10 -6 мм рт. ст. Оптимальність процесу і його економічна доцільність обумовлюються в істотному ступені Оптичними характеристиками речовин. У літературі, зокрема, описана установка для вирощування кристалів ніобіту барію та стронцію, в якій для створення зони нагріву використовується лазер на СО 2.

Перспективними процесами, які практично не розглядалися в технічній літературі, можуть бути, відновлювальні процеси, ініційовані в лазерній плазмі. У певній зоні реактора рухається газу (наприклад, газу відновника) утворюється оптичний пробій, створюється плазмове хмара, яке підтримується безперервним лазерним випромінюванням; в нього вводиться дисперсна фаза речовини, яка обробляється в лазерній плазмі. Така схема близька до струменево-плазмовим процесам і зараз використовується в плазмових технологіях для відновлення оксидів і синтез речовин в низькотемпературній дугового або ВЧ-плазмі. Лазерна плазма може мати більш високу температуру, як ми вже відзначали, що в ряді випадків термодинамічно вигідніше. Крім того, процес можна проводити при більш високих тисках, управління ним більш гнучко.

3.3 ЛАЗЕРИ У АВІАЦІЇ

Лазерні системи управління зброєю. Використання лазерів в системах наведення ракет і бомб є, за даними зарубіжній пресі, однією з найбільш широко поширених областей застосування лазерних засобів, поряд з лазерними далекомірами.

Однією із спонукальних причин інтенсивного впровадження лазерів в системи наведення зброї стала низька ефективність застосування стандартних боєприпасів для ураження розосереджених і постійно маневрують наземних об'єктів.

З часу закінчення другої світової війни появу зброї з лазерними системами було одним з найбільш важливих кроків у сфері підвищення точності ураження наземних цілей авіаційним зброєю.

Точність наведення лазерних бомб перевірялася авіацією США у бойових діях в Лаосі, В'єтнамі, на Близькому Сході. За час бойових дій у Південно-Східній Азії скинуто понад 18000 бомб з лазерною системою наведення, 80% з них мали пряме влучання. За заявами фахівців міністерства оборони США, застосування бомб з лазерною системою наведення дозволило підвищити точність бомбометання на порядок, що забезпечило різке скорочення наряду сил для ураження наземних об'єктів. Лазерна напівактивна система наведення складається з лазерного цілевказівника (лазерної системи підсвітки цілі) і боєприпасу з лазерною головкою самонаведення.

Принцип роботи лазерної напівактивною системи наведення полягає в наступному: мета опромінюється променем лазера, що працює, як правило, в імпульсному режимі; відбита від мети енергія лазерного випромінювання сприймається позиційно-чутливих фотоприймачем головки самонаведення боєприпасу, після відповідного перетворення та обробки на виході координатора виробляється сигнал управління , який подається на виконавчі механізми.

У залежності від розташування цілевказівника лазерні напівактивні системи можна розділити на два типи:

- Напівактивні системи наведення, в яких подсвет мети здійснюється з борту ударного літака.

- Напівактивні системи наведення, у яких подсвет мети здійснюється або з борту іншого спеціального літального апарата, або з наземного пункту (передового поста спостереження).

Відомо, що основну частку в сумарну помилку стрільби вносять помилки у вимірюванні координат цілі, однією з яких є помилка у вимірі дальності. Тому збільшення точності вимірювання дальності до мети дозволяє частково вирішити проблему зменшення сумарної помилки стрільби і, отже, збільшується ймовірність ураження цілі. Істотне підвищення точності вимірювання дальності до цілі з борту літака дозволяють здійснити авіаційні лазерні далекоміри, що діють за принципом радiодалекомiр, але відрізняються від них високою спрямованістю випромінювання і точністю.

Лазерні системи повітряної розвідки. Принцип дії лазерної системи повітряної розвідки полягає в наступному. Розвідувати місцевість разом з об'єктами розвідки висвітлюється лазерним випромінюванням. Відбите від поверхні Землі (підстилаючої поверхні та об'єктів розвідки) лазерне випромінювання збирається приймальні оптикою і спрямовується на фоточутливий шар приймача. Фотоприймач перетворює відбите від поверхні Землі випромінювання в електричний сигнал, промодульованих по амплітуді з урахуванням розподілу яскравості. У лазерних системах використовується лінійне сканування. За принципом дії такі системи близькі до однорядковим телевізійним системам.

Вузьконаправлений промінь лазера спеціальним пристроєм розгортається перпендикулярно напрямку польоту літака. Одночасно з променем лазера сканує і діаграма спрямованості приймача. Завдяки цьому формується рядок зображення. Розгортка по кадру здійснюється за рахунок руху літального апарату. Зображення місцевості в лазерних системах розвідки може реєструватися на фотоплівку, інформація при цьому буде надаватися з запізненням, але може відтворюватися і на екрані електронно-променевої трубки в реальному масштабі часу.

Для реєстрації зображення розвідувати місцевість на фотоплівку в лазерну систему входять: лазер, що працює в режимі безперервного випромінювання, скануючий пристрій, об'єктив, фотоприймач, підсилювач, пристрій реєстрації інформації, що складається з модулятора, фотографічної плівки і стрічкопротяжного механізму.

Лазер призначений для опромінення розвідує місцевості та об'єктів розвідки. Для систем розвідки з лінійним скануванням необхідні лазери з середньою потужністю не менше 100 Вт. Довжина хвилі випромінювання лазера повинна збігатися з вікном прозорості атмосфери і лежати в області максимальної контрастності об'єктів розвідки та тла. Оскільки характеристики відображення цілей і фонів залежать від довжини хвилі, то ведуться розробки багатоспектральних лазерних систем повітряної розвідки.

3.4 ЛАЗЕРИ У ДОСЛІДЖЕННІ АТМОСФЕРИ І ОКЕАНУ

Основний засіб для досліджень або моніторингу - лідар - створені з використанням лазерів. Вони дозволяють одержувати профілі тих чи інших параметрів, скажімо, в атмосфері - вологості, концентрації аерозолів, а також температури, швидкості і напряму вітру та ін Справа в тому, що, поширюючись у середовищі, лазерний промінь взаємодіє з її складом, наприклад, його випромінювання розсіюється аерозолями в усі сторони з відомим законам. Частина цього випромінювання, повернуту тому, і реєструє лідар. Зареєстрований ним профіль сигналу після спеціальної обробки дозволяє судити, допустимо, про концентрацію молекул водяної пари або вологості та іншої інформації.

Лідар складаються з лазера, приймального дзеркала і електронного блоку для обробки прийнятих сигналів. Все це може перебувати стаціонарно на землі, на автомобілі, на борту корабля або літака, а також на космічному носії. Розроблені та впроваджені в практику унікальні комплекси апаратури, в тому числі не мають аналогів лідар для зондування атмосфери, лазерні навігаційні системи для посадки літаків, проводки суден при відсутності видимості стандартних маяків, лазери на парах металів, лазерні спектрометри високого і надвисокого дозволу, лазерні газоаналізатори, забезпечують конценраціонную чутливість у тисячу і більше разів вище, ніж стандартні методи спектрального аналізу і т.д.

У результаті багаторічних систематичних експериментальних і теоретичних досліджень в Інституті оптики атмосфери СО РАН створений і застосований на практиці поляризаційний мобільний аерозольний лідар ЛОЗА-3 для дослідження оптико-фізичного стану нижніх шарів атмосфери (на горизонтальних і похилих трасах), зокрема для визначення похилої дальності видимості в аеропортах, а також дистанційного контролю запиленості повітряного басейну індустріальних центрів. На відміну від традиційних приладів, він дозволяє вивчати оптичні характеристики атмосфери оперативно і в будь-якому напрямку півсфери.

На основі великого класу нелінійних і когерентних оптичних ефектів запропоновано нові, більш ефективні методи зондування. Вони реалізовані у таких основних апаратурних розробках, як спектрохіміческій лідар для дистанційного експрес-аналізу речовини аерозолів і підстилаючої поверхні по еммісіонним спектрами лазерної іскри. Створено також оптико-акустичний локатор для вимірювання метеопараметров атмосфери.

З освоєнням сонячно-сліпого ультрафіолетового діапазону спектру з'явилася можливість створення перешкодозахисних пристроїв лазерного зондування. Першим таким приладом став лідар, заснований на комбінованому розсіянні випромінювання, з лазером на молекулах з'єднання криптону і фтору. Він визначає газові микропримеси в атмосфері з концентрацією на рівні 10 -5 атм. на дистанціях від 1 км в будь-який час доби. А для вивчення вологості призначений унікальний автоматизований лідар «Діалог», з допомогою якого вперше в світі здійснено визначення висотного профілю водяної пари (до 10 км).

3.5 ЛАЗЕРИ У МЕДИЦИНІ

З перших днів створення оптичних квантових генераторів (1960) вони викликали величезний інтерес у біологів та лікарів. Отримання великої потужності випромінювання на дуже маленькій площі дозволяє застосовувати світловий промінь лазера в офтальмології, хірургії, нейрохірургії, стоматології та отоларингології та інших областях медицини.

Офтальмологія. Особливо широке застосування випромінювання оптичних квантових генераторів отримало в офтальмологічній практиці, де воно успішно використовується для безопераційного лікування відшарування сітківки і деяких інших патологічних змін очей. Н. Г. Басов (1967), один з творців оптичних квантових генераторів, відзначає, що в ряді клінік та інститутів Академії медичних наук освоєна методика «приварювання» відшарувалася сітківки до очного дна суворо дозованої спалахом лазерного випромінювання. Хворий навіть не встигає побачити і відчути цей спалах - настільки вона короткочасна. Ці операції поступово стають звичайними. Лазер дає в руки хірургів абсолютно унікальний «безкровний ніж», яким можна робити операції на паренхіматозних органах. Справа в тому, що, просуваючись вглиб тканини, промінь лазера одночасно як би «заварює» все капілярні кровоносні судини.

Ряд вітчизняних і зарубіжних авторів відзначають, що підставою для застосування випромінювання лазером в офтальмології послужив вже застосовувався протягом багатьох років метод фотокоагуляції при лікуванні деяких очних захворювань.

Відомо, що інтенсивний вплив на відкрите око інфрачервоними променями, сфокусованими на очне дно і спрямованими на певний його ділянку, викликає термічні пошкодження сітківки, її опік з наступним розвитком некрозу. Н a цьому принципі був заснований метод лікування фотокоагуляція відшарування сітківки. Цей метод на даний час широко застосовується в офтальмологічній практиці. Показаннями до лікувального застосування фотокоагуляція є: макулярні розриви сітківки, периферичні її розриви без відшарування сітківки, ангіоми сітківки, періфлебіт сітківки, периферичні пухлини сітківки, зовнішні захворювання коньюктиви, шкіри вік і ін

Хірургія. Незважаючи на значні досягнення сучасної хірургії, техніка хірургічних втручань продовжує потребувати свого вдосконалення. Зокрема, хірурги постійно і наполегливо шукають більш щадні і безпечні способи і нові принципи розтину тканин, розробляють методи «безкровних операцій», що забезпечують мінімальне кровотеча і крововтрату, особливо при операціях, при яких зупинка кровотечі до цих пір є далеко не вирішеною проблемою. Як відомо, кровотеча і крововтрата особливо небезпечні при операціях в осіб з зниженим згортанням крові (гемофілія, променева хвороба тощо). У боротьбі з кровотечею і крововтратою великі надії в останні роки покладаються на операції за допомогою сфокусованого променя лазера або лазерного скальпеля.

Зі зрозумілих причин можливість використання лазерного променя в якості нового і своєрідного ріжучого інструменту становить певний інтерес для ряду хірургічних спеціальностей. Не дивно, що саме цьому аспекту застосування лазерів в медицині приділяється велика увага.

Застосування лазерного скальпеля для розсічення різних тканин і органів засновано головним чином на термічному ефекті впливу на біологічні об'єкти лазерного випромінювання безперервної дії: вуглекислотного (довжина хвилі 10,6 мкм), аргонового (довжина хвилі 0,4880 і 0,5145 мкм) і ін У техніці оперативних втручань застосовуються спеціальні лазерні хірургічні установки.

Нейрохірургія. Вельми ефективним виявилося використання лазерного скальпеля в нейрохірургічної практиці. Ф. Хепнер і П. Ашер (1978) справили за допомогою лазерної установки «Шарплан 791», що працює на основі СО 2, оперативні втручання у 127 хворих з приводу менінгіом, астроцитом, нейріном, метастазів злоякісних пухлин у мозок, кровоточивих кістозних утворень, екстрамедулярних пухлин спинного мозку та ін Досить великий обсяг клінічних спостережень дозволив авторам намітити шляхи використання лазерного випромінювання в нейрохірургії. Були відзначені дуже важливі для нейрохірургів позитивні якості лазерного скальпеля: висока топографічна точність розрізів, особливо при поєднанні лазера з операційним мікроскопом, і коагулирующая здатність лазерного променя. Максимальна вихідна потужність лазерної установки становила 50 Вт. Вплив розфокусованим променем лазера при оперативних втручаннях дозволяло швидко коагулювати тканину і зупиняти кровотечі.

Перші клінічні спостереження з використання лазерного випромінювання в нейрохірургії показали перспективність цього методу при оперативних втручаннях. Вельми необхідно в даний час проведення комплексу експериментальних розробок зі створення спеціальних лазерних установок для нейрохірургічних цілей і навчання фахівців-нейрохірургів роботі з лазерними установками

Оториноларингологія. Використання лазерного випромінювання в оториноларингології розвивається за двома напрямками: для видалення або розсічення тканин - лазерна хірургія та для опромінення тканин з метою досягнення протизапального ефекту - лазерна терапія. У 1972 р. М. Strong і G. Jako повідомили про перші 15 успішних оперативних втручаннях на гортані з використанням лазерного скальпеля. Оперативне лікування було проведено з приводу співочих вузликів, поліпів, кист, кератозу, папілом і карциноми in situ. У 1976 р. М. Strong з співавторами повідомили про ефективні результати лікування 110 хворих з рецидивуючим папіломатозом гортані. Операції були проведені під наркозом з використанням хірургічного мікроскопа при прямій ларингоскопії

Про високу результативності використання лазерного випромінювання при лікуванні різних захворювань гортані (папіломи, поліпи, гемангіоми, співочі вузлики, лейкоплакії, гіперкератози, карцинома in situ і пухлини гортані) повідомили G. Lyons з співавторами (1976) у 67 хворих і A. Andrews, H . Moss (1974) у 41 хворого. Завдяки високій точності впливу лазерного променя порівняно легко віддалялися патологічні утворення Рубцевих мембран в області передньої коміссури. Глибина опіку тканин при цьому контролювалася з урахуванням потужності лазерного випромінювання та тривалості експозиції (від 0,1 до 0,5 с). При необхідності руйнування невеликих поразок на вільному краї голосової складки можна використовувати тільки частина променя, при цьому операційне поле, яке не підлягає руйнуванню, прикривають ватним тампоном, змоченим фізіологічним розчином. Для підбиття патологічного вогнища під лазерне опромінення, а також з метою одночасно і захисту оточуючих тканин зазвичай використовується набір спеціальних ннструментов-ретракторов. З їх допомогою легко, наприклад, підвести кпереди одну з голосових складок і одночасно захистити протилежних. У тих випадках, коли неможливо користуватися прямим впливом лазерного променя при складних топографічних особливостях патологічного вогнища, слід застосовувати метод непрямого впливу променя шляхом його дзеркального відображення. Комбінація ретракторов і дзеркал дозволяє при достатньому навичці виробляти лазерне опромінення практично будь-якого відділу гортані. З метою хірургічного лікування різних захворювань вуха, горла і носа створюються і починають застосовуватися в клініках спеціальні лазерні установки, поєднані з операційним мікроскопом.

Онкологія. Цілеспрямовані дослідження з вивчення можливостей застосування лазерного випромінювання при лікуванні злоякісних новоутворень ведуться з 1964 р. Перші ж роботи, виконані в експерименті на культурах тканин, показали, що лазерне випромінювання завдає руйнівної дії на пухлинні клітини. Ці обнадійливі результати привернули увагу широкого кола науковців до нового виду вивчення, внаслідок чого збільшився діапазон цих досліджень. З'явилися роботи про вплив лазерного випромінювання на різні перещеплюваних та індуковані пухлини: меланома Клаумана-91, Гардінг-Пассі, В-16, карцинома РМС, карцинома Уокера, саркома Льюїса Т-241, карцинома щитовидної залози, карцинома Брауна - Пірс. При аналізі отриманих даних автори прийшли до єдиної думки, що під впливом лазерного випромінювання відбувається руйнування пухлини, а тварина-пухлиноносіїв одужує. Характер і ступінь вираженості змін, що викликаються випромінюванням лазерів, багато в чому залежать від параметрів самого випромінювання: довжини хвилі, потужності у вихідному пучку, щільності енергії на об'єкті, здатності проникати в ті чи інші біологічні середовища та ін У ході експериментів було встановлено, що лазерне випромінювання не робить іонізуючого впливу на організм. Це положення є дуже важливим при застосуванні лазерів в клінічних умовах, так як дає можливість лікувати хворих, у яких променева терапія була безуспішною або приводила до ускладнень. Факторами, що приводять до загибелі пухлинних клітин при дії променя лазера, на думку дослідників, є: некроз цитоплазми злоякісних клітин, руйнування клітинних мембран, зміна біосинтетичних і ферментативних процесів, порушення кровообігу в пухлині і ін

Дерматологія. При лікуванні злоякісних і доброякісних новоутворень шкіри в основному використовуються неодимовий, рубіновий і вуглекислотний лазери. Про хороші терапевтичних результати лікування доброякісних і злоякісних новоутворень шкіри променями неодимового лазера повідомляли А. П. Козлов, К. Г. Москалик (1976, 1980). Опромінення вогнищ ураження проводилося без попередньої анестезії. Під впливом лазерного випромінювання пухлину і навколишня її здорова тканина в межах 0,5-1 см руйнувалася від коагуляційного некрозу, повне відторгнення некрозу і рубцювання наставало через 2-5 тижні після проведеної терапії. Спостереження за хворими від 2 до 36 міс. показали, що рецидивів за цей час не настав.

Р. І. Вагнер з співавторами (1977) провели аналіз результатів лікування онкологічних захворювань шкіри променями лазерів і знайшли, що в 85,6% випадків були отримані добрі або задовільні результати. При цьому наголошувалося, що лазеротерапія призначалася в тих випадках, коли загальноприйняті методи лікування виявлялися недостатніми. Лазеротерапія повинна проводитися в дозах, достатніх для руйнування патологічного вогнища, обов'язкове ретельне спостереження за ходом терапії та станом хворого.

При лікуванні багатьох захворювань шкіри поряд з високоенергетичними лазерами з успіхом застосовується низькоінтенсивне лазерне випромінювання. До теперішнього часу є повідомлення про хороше терапевтичному ефекті випромінювання гелій-неонових, невеликих потужностей вуглекислотних та рубінових лазерів при лікуванні трофічних виразок різного генезу, сверблячих дерматозів, склеродермії.

Відзначається, що під впливом випромінювання лазерів активізується регенераторний процес, зменшуються і зникають болі у вогнищах поразки, відбувається активація обміну клітинних елементів. Поряд з місцевими виявляються і загальні зміни в обміні і реакціях організму. Підвищується вміст білка в сироватці крові, ферментативна активність, загальна реактивність організму. Аналіз даних літератури показує, що взаємодія лазерного випромінювання з шкірою носить комплексний характер. Відповідна реакція залежить від фізичних факторів випромінювання та біологічних властивостей опромінюваної ділянки шкіри. Основним фактором лазерного випромінювання є величина енергії. У залежності від її рівня в шкірі відзначаються зміни від ледь помітних до глибокого некрозу і розпаду тканин опроміненого ділянки.

Особливістю низькоінтенсивного лазерного випромінювання є те, що після опромінення в шкірі не виникає грубих деструктивних змін, проте в опроміненому ділянці і в організмі в цілому спостерігається активація обмінних і регенераторних процесів.

Стоматологія. Застосування випромінювань лазерів в стоматологічній практиці відкриває великі перспективи. Оптичні квантові генератори можна використовувати для препарування зубів, зварювання пломб, глазурування емалі і як допоміжний засіб для діагностики різних захворювань зубів. Розроблені експериментально-теоретичні обгрунтування та аналіз результатів дозволили визначити нозологічні форми ураження слизової оболонки порожнини рота, при яких доцільне використання випромінювання гелієво-неонового лазера в терапевтичних цілях. До них відносяться: пародонтоз, герпес губ і герпетичний стоматит у дорослих та дітей, синдром Мелькерссона - Розенталя, хронічний рецидивуючий афтозний стоматит, десквамативний глосит, травматичні пошкодження слизової оболонки порожнини рота, мультиформна ексудативна еритема.

Неврологія. Протягом останніх 10 років в невропатології з успіхом використовується низькоенергетичне лазерне випромінювання. Вже накопичений достатній досвід і отримані задовільні результати лікування багатьох неврологічних захворювань периферичного і центрального генезу: радикуліт, неврит лицьового нерва, невралгія трійчастого нерва, паралічі центрального походження, мігрені, сірінгомієлія, діенцефальний синдром, розсіяний склероз та ін В основу лікування був покладений принцип дії лазерним випромінюванням на рефлексогенні зони та точки акупунктури. Найкращий результат лікування був отриманий при одночасному впливі лазерним випромінюванням на точки акупунктури і на шкіру відповідно ураженим сегментам спинного мозку, а також і на ділянки шкіри хворої кінцівки. Позитивний ефект впливу лазерним випромінюванням був отриманий при лікуванні енцефалопатії та діенцефального синдрому, розсіяного склерозу і деяких інших захворювань нервової системи. Дуже хороший результат був отриманий при лікуванні таких прикордонних захворювань, як неврози і реактивні депресивні стани.

Н. К. Мінгарт з співавторами (1974) застосували лазеротерапію у хворих з невралгією трійчастого нерва, неврит лицьового нерва, попереково-крижовий радикуліт і гіпертонічною хворобою. Вплив справляли на рефлексогенні зони та точки акупунктури за допомогою лазерної установки ЛГ-75 і потужністю випромінювання 20 мВт. Було відзначено, що після 12-20 сеансів лазеротерапії знімається больовий синдром, поліпшується загальне самопочуття, нормалізується артеріальний тиск у більшості хворих у початковій стадії гіпертонічної хвороби.

Хороші результати у випадків були отримані Н. Stemp - linger (1978) у хворих з такими захворюваннями, як невралгії різної етіології, при нервнфункціональном синдромі порушення сну, бронхіальній астмі, нічному нетриманні сечі, пояснічпо-крижовому та шийному остеохондрозі, стресових реакціях і депресивних станах , істерії, мігрені та ін Хворим була проведена лазерна акупунктура точок тіла і вушної раковини. В даний час на підставі достатньої кількості клінічних спостережень можна з упевненістю рекомендувати лазерну терапію при зазначених вище патологіях нервової системи.

3.6 Лазерна локація І ЗВ'ЯЗОК

Локація Місяця за допомогою рубінових лазерів і спеціальних кутових відбивачів, доставлених на Місяць, дозволила збільшити точність виміру відстаней Земля - Місяць до декількох см. Повна витрата енергії при цьому порядку енергії, що виділяється при згорянні десятка сірників. За допомогою напівпровідникового лазера здійснена зв'язок із супутником. Розробляються лазерні методи геодезичних вимірювань та реєстрації сейсмічних явищ. Створено і використовуються лазерні гіроскопи і далекоміри.

За допомогою лазерної техніки інтенсивно розробляються оптичні методи обробки передачі та зберігання інформації методи голографічного запису інформації, кольорове проекційне телебачення.

ВИСНОВОК

Лазерне обладнання сьогодні широко пішло в наше життя. Частка енергії, що вживається індустріально розвинені країни у вигляді лазерного променя, бістро зростає - настільки швидко, що в експертів з'явилися підстави говорити про початок третьої промислової революції. Лазери, вийшовши за стіни лабораторій, знаходять найширше застосування практично у всіх галузях економіки, і число лазерних методик і технологій постійно зростає. Згадаймо, яку важливу роль відіграють сьогодні систем і оптоволоконного зв'язку, що стали основою світової мережі телекомунікації, Інтернету і навіть сучасної банківської системи, що забезпечує клієнту миттєвий доступ до свого рахунку з будь-якої точки світу, що дозволяє використовувати пластикові картки замість готівки, і так далі. Мільйони власників оптичних дисків користуються системами запису, зберігання й зчитування інформації, часом і не підозрюючи про їх «лазерною» сутності. Вся сучасна електронна апаратура виготовляється з масовим використанням лазерних технологій обробки та контролю, а одна з таких технологій - лазерна фотолітографія - прямо визначає щільність упаковки елементів в чіпах, в кубиках, з яких будується електронна схема, і відповідно визначає компактність цієї техніки.

Лазерний розкрій металевого листа, точкова і шовна зварювання, маркування, модифікування поверхневого шару металу та інші лазерні технології швидко освоюються машинобудівними і приладобудівними заводами, забезпечуючи їм високу продуктивність і гнучкість виробництва, економію матеріальних та енергетичних ресурсів, можливість використання нових конструкційних матеріалів.

У медицині лазерна апаратура давно стала застосовуватися дуже широко, і кількість використовуваних лікарями методів діагностики та лікування захворювань за допомогою лазерного променя продовжує стрімко збільшуватися. Фотодинамічна і фототермічний терапія, корекція зору, косметологічні та пластичні операції, термопластика хрящових тканин, діагностика капілярного кровотоку - тільки окремі приклади нових лазерних технологій в медицині. Японські фахівці прогнозують, що до 2005 року кожна третя медична процедура буде проводитися з використанням лазера.

Перелік областей застосувань лазерного променя в наші дні був би не повний, якщо б ми не згадали поліграфію з її лазерними принтерами та настільними друкованими машинами, екологічний моніторинг за допомогою лідар і діодних спектроаналізаторів, навігацію, що використовує лазерні гіроскопи, маяки і локатори. На службі павуки приклади використання лазерів просто не злічити: лазерний промінь і препарує клітку, і створює екстремально щільну плазму, і вимірює швидкість дрейфу материків ... Ось чому обсяг виробництва лазерної техніки у світі стабільно збільшується на 15-20% на рік.

На жаль, сьогодні в Росії лазерні технології використовуються недостатньо. І це дуже прикро ще тому, що в результаті бурхливого розвитку робіт з лазерної фізики та техніки, очолюваних в СРСР нобелівськими лауреатами Н. Г. Басовим та Л. М. Прохоровим, багато цих технології саме в нашій батьківщині були придумані і вперше освоєні на практиці . У 1969 році на московському АЗЛК під керівництвом головного зварювальника заводу А. Хіни створена і впроваджена в основне виробництво технологічна установка на базі вітчизняного серійного кіловагтного СО 2-лазера «Кардамон», яка використовувалася для поверхневого локального зміцнення коробки диференціала заднього моста автомобіля. У 1977 році на заводі «Червоний пролетар» спільними зусиллями групи фахівців заводу на чолі з його майбутнім головним технологом В. Дауг і співробітників ФІАН і НВО «Астрофізика» відпрацьована лазерне зварювання ступеневої блоку шестерень серійного токарного верстата 16К20. До кінця 70-х років підприємства Мінелектронпрома випустили більше 4000 лазерних технологічних установок «Квант», повністю оснастивши власну галузь і багато суміжні підприємства. У 1965 році М. Ф. Стельмах організував в НДІ «Полюс» першу в світі лабораторію лазерної техніки для медицини, а вже на початку 70-х у нас в країні були запущені в серію лазерні скальпелі. Лазерні діоди на гетероструктурах, що є основою сьогоднішньої інформаційної фотоніки, теж з'явилися в нашій країні; визнанням цього стала Нобелівська премія, присуджена в 2000 році Ж. І. Алфьорову.

Сьогодні вітчизняні лазерника пропонують більше трьох тисяч моделей лазерного обладнання, в Росії проводяться лазерні джерела випромінювання, прилади та установки практично всіх відомих у світі типів. Російський лазерний експорт становить, за різними оцінками, від 30 до 50 мільйонів доларів на рік і постійно зростає. А от внутрішній попит дуже невеликий. Впровадження лазерних технологій не відповідає ні нашим реальним потребам, ні реальним можливостям. Не останню роль тут грає слабка інформованість користувачів. Дуже багато з них упевнені, що хороша лазерна техніка виробляється тільки за кордоном.

ЛІТЕРАТУРА

  1. Зуєв В.Є. Роль лазерів в дослідженні атмосфери й океану / / Наука в Росії № 3, 1999.

  2. Кавецький Р.Е., Чудаков В.Г. Лазери в біології та медицині, 1969.

  3. Лазерна техніка сьогодні і завтра / / Наука й життя № 6, 2002.

4) Лазерна технологія: передплатна науково-популярна серія Техніка № 3/сост. М.М. Рикалін, А.А. Углов, 1983.

  1. Матвєєв О.М. Лазери в загальному фізичному практикумі, 1981.

  2. Плетньов С.Д. Лазери в клінічній медицині, 1981.

  3. Сидорин В.М. Лазери в авіації, 1982.

  4. Толанський С. Революція в оптиці, 1968.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
260.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Лазерна діагностика
Лазерна нанотехнологія
Лазерна корекція кератотомія - що це таке
Лазерна терапія Лікувальне застосування хвиль оптичного діапазону
Лазерна система для вимірювання статистичних характеристик просторових квазіперіодичних структур
Технологія продукції громадського харчування 2 Технологія приготування
Технологія бетону
Технологія машинобудування 2
Технологія будівництва
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru