Лазеры

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения»), оптический квантовый генератор – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Существуют лазеры с длинами волн от ультрафиолетовых до инфракрасных, а мощность лазеров может варьироваться от нескольких долей милливатта для медицинских применений до киловатт – для лазеров, применяемых в промышленности.

Устройство лазера

Лазер состоит из источника энергии (механизм «накачки), активной среды и системы зеркал (резонатора).







Источником энергии может быть электрический разрядник, импульсная или дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция и т.д.

Активной средой может быть газ (углекислый, аргон, криптон) или смесь газов (гелий-неон или ксенон хлор), жидкость (краситель), пары металла (медь, золото), твёрдые тела (кристаллы, стекло), полупроводники и др.

С практической точки зрения лазер – это источник света, который испускает узкий пучок света. Этот пучок света имеет определенную длину волны и распространяется с маленькой расходимостью.

Внутри лазера энергия возбуждает «активную среду», которая излучает энергию в виде света.

Активная среда содержит большее количество атомов в возбужденном состоянии, чем атомов с более низким уровнем энергии. Световая волна формируется, когда атом из «возбужденного» состояния, где он содержит определенное количество энергии, переходит в другое состояние с меньшим количеством энергии. Различие в энергии между двумя уровнями соответствует энергии испускаемой волны.

Гигантское количество атомов излучают согласованно, в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Излучённая активной средой световая волна с определённой энергией отражается от зеркал (резонатор) и опять возвращается в активную среду снова возбуждая всё новые атомы. Этот продолжающийся процесс и световой пучок становится сильнее и сильнее. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. Обычно используется частично прозрачное зеркало с одной из сторон, чтобы обеспечить выход требуемой части лазерного луча.

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера.

В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонаторов.

Физические основы работы лазера

Спонтанные и вынужденные переходы.

Согласно классическим представлениям, испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается с замедлением и ускорением электрические зарядов. Например, процесс спонтанного испускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора на излучение в течение некоторого промежутка времени, количественной характеристикой которого служит так называемое время жизни t. В результате излучаемая мощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве в форме сферических волн.

В квантовой теории имеют дело со стационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испускания предполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излучения или поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом, который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени с каждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являются эмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяет численно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика дает возможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным (происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным (происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегда является вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня, содержащих одинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.







Согласно постулатам Эйнштейна, число спонтанных переходов  в единицу времени в единице объема с верхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.






Соотношение строго выполняется, если элементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.







определяет число спонтанно испускаемых в единицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу с энергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанного испускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единице объема за единицу времени,  также пропорционально населенности исходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения r на данной частоте (энергии фотонов в единице объема).









– это Эйнштейновский коэффициент поглощения. Вероятность поглощения равна.

Аналогично определяется число фотонов в случае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе с верхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.








Этот коэффициент носит название Эйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность перехода равна 

Если нет вырождения энергетических уровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение кванта равны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцировать излучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокие энергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому акты поглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общий энергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испускание фотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание – в направлении распространения падающего на частицу излучения.

История

История изобретения лазера началась в 1916 году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, где прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

В 1928 году, Ланденбург, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения, отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В 1955 году Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор – усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

А в 1958 году Александр Прохоров использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой, который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.

В том же году доктор Леон Голдман впервые использовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов.

Революционные достижения лазерных технологий не могли не затронуть отрасли эстетической медицины и в 1964 году был изобретён лазер на диоксиде углерода (СО2 – лазер) для хирургических целей. С этого момента лазерная косметология стала развиваться большими темпами.

В 1983 г. Андерсон и Парриш предложили метод селективного фототермолиза, который основан на способности биотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны, что приводит к их локальной деструкции. При поглощении основными хромофорами кожи – водой, гемоглобином или меланином – электромагнитная энергия лазерного излучения преобразуется в тепло, что вызывает нагрев и коагуляцию хромофоров. При этом одновременно происходит охлаждение нагретого участка ткани за счет теплопроводности, т.е. тепло переходит от более теплого участка к более холодному. Таким образом, для того чтобы преобразовавшаяся тепловая энергия накапливалась исключительно в выбранном для разрушения хромофоре, активный нагрев мишени должен происходить быстрее, чем ее пассивное охлаждение.

Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Методы создания инверсии населённости.

Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10–8 сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и . Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях E 2 и  составляет 10–3 сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1. Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и  и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволило создать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длиной волны l " 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостей уровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ на уровни E2, за время, не превышающее 10–3 сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10–3 сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Метод оптической накачки обладает несколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только та часть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионов Cr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощается относительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицу объёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверсной населённостей уровней, в основном определяется особенностями используемой системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубине теряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственных колебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов. Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л. достигает нескольких дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергии остаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давлении энергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагрев на десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд. Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки в лучшем случае не превышает нескольких% из-за неполного использования спектра ламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрической энергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил метод создания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрических разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергию излучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением ряда др. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновений возбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного из колебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпд достигает 20–30%.

В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см. Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, – порядка 0,1 дж на 1 см3 объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. создание активной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическим возбуждением.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

2. Лазерная связь. Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине.

Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

5. Военные лазеры.

Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.






Литература



1.) Брэгг У. «Мир света. Мир звука». М., Наука, 1967

2.) Дунская И.М. «Возникновение квантовой электроники». М., Наука, 1974

3.) Тарасов Л.В. «Лазеры: действительность и надежды». М., Наука, 1979

4.) Транковский С. «Книга о лазерах». М., 1988





2