Лазери
Провідна роль у становленні та розвитку лазерів належить радянським ученим і інженерам. Академіки Н.Г. Басов і А.М. Прохоров були удостоєні Нобелівської премії за видатні роботи з квантової електроніки, що послужили основою створення лазерів.
За багато років, що минули після відкриття лазерів, ця галузь науки зазнала бурхливий розвиток. У результаті стрімких успіхів фізики і техніки створені потужні технологічні лазери і на їх основі виникло нове прогресивне технологічне напрямок - лазерна обробка матеріалів.
Для конструювання та виготовлення лазерної техніки і розробки нових технологічних процесів обробки нових технологічних процесів обробки матеріалів лазерним випромінюванням необхідні кваліфіковані фахівці.
Слово «лазер» є абревіатурою виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що означає посилення світла в результаті індукованого або, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.
До винаходу лазерів всі джерела світла представляли собою протяжні джерела типу дуги або нитки розжарювання діаметром один міліметр або близько цього. Якщо лінза розташовується поблизу такого джерела, то щоб зібрати значну частку випромінюваної ним енергії, вона повинна давати зображення, сумірне з розміром джерела. Таким чином, до тих пір, поки не з'явилися лазери, не існувало способів отримання густин енергії, які перевищували б щільність енергії джерела світла.
Можливість існування процесів вимушеного випромінювання, які є основою лазерної техніки, була передбачена в 1916 році Альбертом Ейнштейном. Він припустив, що крім відомих в той час процесів поглинання і спонтанного випромінювання повинен існувати процес випускання резонансного кванта, в результаті якого квант світла, взаємодіючи з резонансно порушеними атомом або молекулою, може створювати квант, подібний собі. Облік цього процесу дозволив А. Ейнштейну отримати формулу Планка з квантово-механічних уявлень і передбачити, таким чином, принципову можливість посилення світла при його проходженні через середовище з резонансним порушенням.
Перше експериментальне підтвердження можливості посилення світла було отримано в 30-х роках радянським ученим В.А. Фабрикантом. У 1950-1960 рр.. роботи з вивчення можливості посилення світла були розгорнуті у багатьох країнах світу. Великий внесок у розвиток цієї нової галузі фізики внесли і радянські вчені. За основні роботи з квантової електроніки радянським фізикам Н.Г. Басову і А.М. Прохорову і американцеві Ч. Таунсу в 1964 році була присуджена Нобелівська премія з фізики. Успіхи в розвитку квантової електроніки дозволили Т. Мейману в 1960 році створити перший лазер на рубіні. Слідом за ним, в 1961 році А. Джаваном був створений перший газовий лазер, що працює на суміші гелію і неону. У 1962 році з'явився напівпровідниковий лазер на основі кристала арсеніду галію.
Найбільш інтенсивний розвиток лазерної фізики та техніки припадає на період 1962-1968 рр.. У цей час були створені, по суті, всі основні типи лазерів і виявлено більшість областей їх можливого застосування.
Розвиток фізики взаємодії лазерного випромінювання з речовиною і початок промислового випуску лазерів сприяло перетворенню лазера з фізичного приладу на інструмент для проведення різних технологічних процесів. Інтерес до лазерів з боку технологів обумовлений унікальними характеристиками лазерного випромінювання. Можливість отримання монохроматичного пучків світла робить лазер незамінним джерелом випромінювання при вирішенні задач зв'язку, метрології та медицини. Висока інтенсивність і монохроматичность лазерних пучків дозволяє впливати на газові середовища і речовини, які характеризуються великою кількістю рівнів порушення, селективно, і відкриває тим самим перспективи використання лазерів для розділення ізотопів, проведення хімічних реакцій, для спрямованого впливу на різні біологічні об'єкти.
Можливість досягнення високих значень пружності та щільності потоку енергії робить лазерний промінь унікальним інструментом і для проведення різних операцій в термічної технології. Експерименти показали, що лазерна різка і зварювання, поверхневе термоупрочнение, плакування і легування дозволяють не лише економити матеріали, але й отримувати нові властивості оброблюваного речовини, недосяжні за допомогою традиційних термічних технологій. Вже перші результати застосування лазерів в промисловості продемонстрували можливість і економічну ефективність їх застосування в умовах масового виробництва.
«Технологічні» здібності лазерних пучків змінили ставлення до лазеру як до приладу, призначеному тільки для наукових досліджень, й ініціювали проведення провідними науковими організаціями нашої країни широкої програми робіт, спрямованих на вдосконалення надійності та ефективності способів збудження вже відомих лазерних систем. Результати цих досліджень і лягли в основу більшості технологічних лазерів, що розробляються в даний час у нашій країні.
Газові лазери є найбільш представницьким класом лазерів. Як випливає з назви, робочим тілом газових лазерів є газове середовище. У залежності від конкретної схеми рівнів та способів створення інверсної заселеності в активних частинках вона може складатися з однієї або декількох атомарних або молекулярних компонент. Число іонів і нейтральних атомів і молекул, на яких отримана генерація, вже перевищила 100 і продовжує зростати. Діапазон довжин хвиль, у якому можуть працювати різні газові лазери, простирається від вакуумного ультрафіолету до інфрачервоного, по суті субміліметрового діапазону спектру.
Газові активні середовища, як правило, відрізняються високою оптичною однорідністю, що дозволяє досягати рівня расходимости, близького до дифракційної, і забезпечувати локальність впливу і високі значення щільності потужності випромінювання в фокальному плямі. Порівняно невисокі щільності середовища в газових лазерах визначають дуже низькі значення ширини лінії посилення. Тому їм властива висока монохроматичность випромінювання. Якщо додати до цього високі потужності випромінювання і здатність працювати в імпульсному, імпульсно-періодичному і безперервному режимах генерації, що забезпечує можливість проведення самих різних процесів в селективної і термічної технології, то стає зрозумілим, що ці лазери є не лише чудовим приладом для фізичних досліджень, але і можуть служити ефективним інструментом у промисловому виробництві. В даний час найбільше поширення знайшли газорозрядний, газодинамічний і хімічний методи накачування.
Зазвичай під твердотільними лазерами на увазі досить представницький клас квантових генераторів, інверсна заселеність у твердому робочому тілі яких створюється шляхом оптичного накачування. При цьому за межами цього класу лазерів залишаються напівпровідникові прилади, що використовують електронну або ж інжекційні способи збудження.
Активне середовище твердотільного лазера містить активні іони домішки в твердотільної матриці. Саме в іонах домішок і створюється інверсна заселеність. Як домішкових іонів зазвичай використовують іони перехідних металів (марганець, хром, нікель і кобальт) або рідкоземельних елементів. Ці речовини мають незаповнені внутрішні оболонки при наявності електронів на зовнішній. Електрони на зовнішній оболонці частково екранують електричне поле сусідніх іонів кристалічної решітки, що призводять до сильного уширению випускаються активним іоном спектральних ліній, що, у свою чергу, призводить до зростання коефіцієнта посилення і полегшує отримання інверсної заселеності.
Робочий активний елемент технологічного лазера повинен задовольняти великому числу часто суперечливих вимог. Він повинен забезпечувати великий коефіцієнт підсилення, бути оптично однорідним, механічно міцним, термостійким, технологічним, прозорим для випромінювання накачування, а також допускати механічну та оптичну обробку, допускати виготовлення зразків більших розмірів і мати високу теплопровідність. Тому не дивно, що кількість активних елементів, які використовуються в технологічних лазерах, вкрай невелике.
Створений в 1960 році Т. Мейманом рубіновий лазер був першим оптичним квантовим генератором і саме з його появою пов'язують народження лазерної техніки.
Позитивні і негативні властивості рубінових лазерів. До перших необхідно віднести: генерацію лазера у видимому діапазоні довжин хвиль і можливість досить частого повторення імпульсів. Серед недоліків потрібно вказати високу енергію накачування, низький ККД, обмеження енергії випромінювання на рівні кількох Дж, погана расходимость випромінювання, неможливість реалізації стаціонарного режиму генерації і, нарешті, технологічну складність і високу вартість виготовлення активних елементів.
Найбільш актуальними завданнями квантової електроніки з точки зору розвитку лазерної технології є розширення спектрального діапазону генерації лазерів, призначених для вирішення проблем селективної технології, а також підвищення енергетичних характеристик лазерних пристроїв, необхідне для розширення можливостей і зростання ефективності термічної лазерної технології.
Процес розвитку квантової електроніки та лазерної техніки ще дуже далекий від свого завершення і можна сподіватися, що в найближчі роки він призведе до появи нових лазерних систем.
Провідна роль у становленні та розвитку лазерів належить радянським ученим і інженерам. Академіки Н.Г. Басов і А.М. Прохоров були удостоєні Нобелівської премії за видатні роботи з квантової електроніки, що послужили основою створення лазерів.
За багато років, що минули після відкриття лазерів, ця галузь науки зазнала бурхливий розвиток. У результаті стрімких успіхів фізики і техніки створені потужні технологічні лазери і на їх основі виникло нове прогресивне технологічне напрямок - лазерна обробка матеріалів.
Для конструювання та виготовлення лазерної техніки і розробки нових технологічних процесів обробки нових технологічних процесів обробки матеріалів лазерним випромінюванням необхідні кваліфіковані фахівці.
Слово «лазер» є абревіатурою виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що означає посилення світла в результаті індукованого або, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.
До винаходу лазерів всі джерела світла представляли собою протяжні джерела типу дуги або нитки розжарювання діаметром один міліметр або близько цього. Якщо лінза розташовується поблизу такого джерела, то щоб зібрати значну частку випромінюваної ним енергії, вона повинна давати зображення, сумірне з розміром джерела. Таким чином, до тих пір, поки не з'явилися лазери, не існувало способів отримання густин енергії, які перевищували б щільність енергії джерела світла.
Можливість існування процесів вимушеного випромінювання, які є основою лазерної техніки, була передбачена в 1916 році Альбертом Ейнштейном. Він припустив, що крім відомих в той час процесів поглинання і спонтанного випромінювання повинен існувати процес випускання резонансного кванта, в результаті якого квант світла, взаємодіючи з резонансно порушеними атомом або молекулою, може створювати квант, подібний собі. Облік цього процесу дозволив А. Ейнштейну отримати формулу Планка з квантово-механічних уявлень і передбачити, таким чином, принципову можливість посилення світла при його проходженні через середовище з резонансним порушенням.
Перше експериментальне підтвердження можливості посилення світла було отримано в 30-х роках радянським ученим В.А. Фабрикантом. У 1950-1960 рр.. роботи з вивчення можливості посилення світла були розгорнуті у багатьох країнах світу. Великий внесок у розвиток цієї нової галузі фізики внесли і радянські вчені. За основні роботи з квантової електроніки радянським фізикам Н.Г. Басову і А.М. Прохорову і американцеві Ч. Таунсу в 1964 році була присуджена Нобелівська премія з фізики. Успіхи в розвитку квантової електроніки дозволили Т. Мейману в 1960 році створити перший лазер на рубіні. Слідом за ним, в 1961 році А. Джаваном був створений перший газовий лазер, що працює на суміші гелію і неону. У 1962 році з'явився напівпровідниковий лазер на основі кристала арсеніду галію.
Найбільш інтенсивний розвиток лазерної фізики та техніки припадає на період 1962-1968 рр.. У цей час були створені, по суті, всі основні типи лазерів і виявлено більшість областей їх можливого застосування.
Розвиток фізики взаємодії лазерного випромінювання з речовиною і початок промислового випуску лазерів сприяло перетворенню лазера з фізичного приладу на інструмент для проведення різних технологічних процесів. Інтерес до лазерів з боку технологів обумовлений унікальними характеристиками лазерного випромінювання. Можливість отримання монохроматичного пучків світла робить лазер незамінним джерелом випромінювання при вирішенні задач зв'язку, метрології та медицини. Висока інтенсивність і монохроматичность лазерних пучків дозволяє впливати на газові середовища і речовини, які характеризуються великою кількістю рівнів порушення, селективно, і відкриває тим самим перспективи використання лазерів для розділення ізотопів, проведення хімічних реакцій, для спрямованого впливу на різні біологічні об'єкти.
Можливість досягнення високих значень пружності та щільності потоку енергії робить лазерний промінь унікальним інструментом і для проведення різних операцій в термічної технології. Експерименти показали, що лазерна різка і зварювання, поверхневе термоупрочнение, плакування і легування дозволяють не лише економити матеріали, але й отримувати нові властивості оброблюваного речовини, недосяжні за допомогою традиційних термічних технологій. Вже перші результати застосування лазерів в промисловості продемонстрували можливість і економічну ефективність їх застосування в умовах масового виробництва.
«Технологічні» здібності лазерних пучків змінили ставлення до лазеру як до приладу, призначеному тільки для наукових досліджень, й ініціювали проведення провідними науковими організаціями нашої країни широкої програми робіт, спрямованих на вдосконалення надійності та ефективності способів збудження вже відомих лазерних систем. Результати цих досліджень і лягли в основу більшості технологічних лазерів, що розробляються в даний час у нашій країні.
Газові лазери є найбільш представницьким класом лазерів. Як випливає з назви, робочим тілом газових лазерів є газове середовище. У залежності від конкретної схеми рівнів та способів створення інверсної заселеності в активних частинках вона може складатися з однієї або декількох атомарних або молекулярних компонент. Число іонів і нейтральних атомів і молекул, на яких отримана генерація, вже перевищила 100 і продовжує зростати. Діапазон довжин хвиль, у якому можуть працювати різні газові лазери, простирається від вакуумного ультрафіолету до інфрачервоного, по суті субміліметрового діапазону спектру.
Газові активні середовища, як правило, відрізняються високою оптичною однорідністю, що дозволяє досягати рівня расходимости, близького до дифракційної, і забезпечувати локальність впливу і високі значення щільності потужності випромінювання в фокальному плямі. Порівняно невисокі щільності середовища в газових лазерах визначають дуже низькі значення ширини лінії посилення. Тому їм властива висока монохроматичность випромінювання. Якщо додати до цього високі потужності випромінювання і здатність працювати в імпульсному, імпульсно-періодичному і безперервному режимах генерації, що забезпечує можливість проведення самих різних процесів в селективної і термічної технології, то стає зрозумілим, що ці лазери є не лише чудовим приладом для фізичних досліджень, але і можуть служити ефективним інструментом у промисловому виробництві. В даний час найбільше поширення знайшли газорозрядний, газодинамічний і хімічний методи накачування.
Зазвичай під твердотільними лазерами на увазі досить представницький клас квантових генераторів, інверсна заселеність у твердому робочому тілі яких створюється шляхом оптичного накачування. При цьому за межами цього класу лазерів залишаються напівпровідникові прилади, що використовують електронну або ж інжекційні способи збудження.
Активне середовище твердотільного лазера містить активні іони домішки в твердотільної матриці. Саме в іонах домішок і створюється інверсна заселеність. Як домішкових іонів зазвичай використовують іони перехідних металів (марганець, хром, нікель і кобальт) або рідкоземельних елементів. Ці речовини мають незаповнені внутрішні оболонки при наявності електронів на зовнішній. Електрони на зовнішній оболонці частково екранують електричне поле сусідніх іонів кристалічної решітки, що призводять до сильного уширению випускаються активним іоном спектральних ліній, що, у свою чергу, призводить до зростання коефіцієнта посилення і полегшує отримання інверсної заселеності.
Робочий активний елемент технологічного лазера повинен задовольняти великому числу часто суперечливих вимог. Він повинен забезпечувати великий коефіцієнт підсилення, бути оптично однорідним, механічно міцним, термостійким, технологічним, прозорим для випромінювання накачування, а також допускати механічну та оптичну обробку, допускати виготовлення зразків більших розмірів і мати високу теплопровідність. Тому не дивно, що кількість активних елементів, які використовуються в технологічних лазерах, вкрай невелике.
Створений в 1960 році Т. Мейманом рубіновий лазер був першим оптичним квантовим генератором і саме з його появою пов'язують народження лазерної техніки.
Позитивні і негативні властивості рубінових лазерів. До перших необхідно віднести: генерацію лазера у видимому діапазоні довжин хвиль і можливість досить частого повторення імпульсів. Серед недоліків потрібно вказати високу енергію накачування, низький ККД, обмеження енергії випромінювання на рівні кількох Дж, погана расходимость випромінювання, неможливість реалізації стаціонарного режиму генерації і, нарешті, технологічну складність і високу вартість виготовлення активних елементів.
Найбільш актуальними завданнями квантової електроніки з точки зору розвитку лазерної технології є розширення спектрального діапазону генерації лазерів, призначених для вирішення проблем селективної технології, а також підвищення енергетичних характеристик лазерних пристроїв, необхідне для розширення можливостей і зростання ефективності термічної лазерної технології.
Процес розвитку квантової електроніки та лазерної техніки ще дуже далекий від свого завершення і можна сподіватися, що в найближчі роки він призведе до появи нових лазерних систем.