Лазеры

Ведущая роль в становлении и развитии лазеров принадлежит советским ученым и инженерам. Академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров были удостоены Нобелевской премии за выдающиеся работы по квантовой электронике, послужившие основой создания лазеров.

За много лет, прошедших после открытия лазеров, эта область науки испытала бурное развитие. В результате стремительных успехов физики и техники созданы мощные технологические лазеры и на их основе возникло новое прогрессивное технологическое направление – лазерная обработка материалов.

Для конструирования и изготовления лазерной техники и разработки новых технологических процессов обработки новых технологических процессов обработки материалов лазерным излучением необходимы квалифицированные специалисты.

Слово «лазер» является аббревиатурой выражения «LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation», что означает усиление света в результате индуцированного или, как иногда называют, вынужденного излучения квантов.

До изобретения лазеров все источники света представляли собой протяженные источники типа дуги или нити накаливания диаметром один миллиметр или около этого. Если линза располагается вблизи такого источника, то чтобы собрать значительную долю излучаемой им энергии, она должна давать изображение, соизмеримое с размером источника. Таким образом, до тех пор, пока не появились лазеры, не существовало способов получения плотностей энергии, которые превышали бы плотность энергии источника света.

Возможность существования процессов вынужденного излучения, являющихся основой лазерной техники, была предсказана в 1916 году Альбертом Эйнштейном. Он предположил, что помимо известных в то время процессов поглощения и спонтанного излучения должен существовать процесс испускания резонансного кванта, в результате которого квант света, взаимодействуя с резонансно возбужденным атомом или молекулой, может создавать квант, подобный себе. Учет этого процесса позволил А. Эйнштейну получить формулу Планка из квантово-механических представлений и предсказать, таким образом, принципиальную возможность усиления света при его прохождении через среду с резонансным возбуждением.

Первое экспериментальное подтверждение возможности усиления света было получено в 30-х годах советским ученым В.А. Фабрикантом. В 1950–1960 гг. работы по изучению возможности усиления света были развернуты во многих странах мира. Большой вклад в развитие этой новой области физики внесли и советские ученые. За основополагающие работы по квантовой электронике советским физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американцу Ч. Таунсу в 1964 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Успехи в развитии квантовой электроники позволили Т. Мейману в 1960 году создать первый лазер на рубине. Следом за ним, в 1961 году А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1962 году появился полупроводниковый лазер на основе кристалла арсенида галлия.

Наиболее интенсивное развитие лазерной физики и техники приходится на период 1962–1968 гг. В это время были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их возможного применения.

Развитие физики взаимодействия лазерного излучения с веществом и начало промышленного выпуска лазеров способствовало превращению лазера из физического прибора в инструмент для проведения различных технологических процессов. Интерес к лазерам со стороны технологов обусловлен уникальными характеристиками лазерного излучения. Возможность получения монохроматичных пучков света делает лазер незаменимым источником излучения при решении задач связи, метрологии и медицины. Высокая интенсивность и монохроматичность лазерных пучков позволяет воздействовать на газовые среды и вещества, характеризующиеся большим числом уровней возбуждения, селективно, и открывает тем самым перспективы использования лазеров для разделения изотопов, проведения химических реакций, для направленного воздействия на различные биологические объекты.

Возможность достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии делает лазерный луч уникальным инструментом и для проведения различных операций в термической технологии. Эксперименты показали, что лазерная резка и сварка, поверхностное термоупрочнение, плакирование и легирование позволяют не только экономить материалы, но и получать новые свойства обрабатываемого вещества, недостижимые с помощью традиционных термических технологий. Уже первые результаты использования лазеров в промышленности продемонстрировали возможность и экономическую эффективность их применения в условиях массового производства.

«Технологические» способности лазерных пучков изменили отношение к лазеру как к прибору, предназначенному только для научных исследований, и инициировали проведение ведущими научными организациями нашей страны широкой программы работ, направленных на совершенствование надежности и эффективности способов возбуждения уже известных лазерных систем. Результаты этих исследований и легли в основу большинства технологических лазеров, разрабатываемых в настоящее время в нашей стране.

Газовые лазеры являются наиболее представительным классом лазеров. Как следует из названия, рабочим телом газовых лазеров является газовая среда. В зависимости от конкретной схемы уровней и способов создания инверсной заселенности в активных частицах она может состоять из одной или нескольких атомарных или молекулярных компонент. Число ионов и нейтральных атомов и молекул, на которых получена генерация, уже превысило 100 и продолжает расти. Диапазон длин волн, в котором могут работать различные газовые лазеры, простирается от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного, по существу субмиллиметрового диапазона спектра.

Газовые активные среды, как правило, отличаются высокой оптической однородностью, что позволяет достигать уровня расходимости, близкого к дифракционной, и обеспечивать локальность воздействия и высокие значения плотности мощности излучения в фокальном пятне. Сравнительно невысокие плотности среды в газовых лазерах определяют весьма низкие значения ширины линии усиления. Поэтому им свойственна высокая монохроматичность излучения. Если добавить к этому высокие мощности излучения и способность работать в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах генерации, что обеспечивает возможности проведения самых различных процессов в селективной и термической технологии, то становится понятным, что эти лазеры являются не только прекрасным прибором для физических исследований, но и могут служить эффективным инструментом в промышленном производстве. В настоящее время наибольшее распространение нашли газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки.

Обычно под твердотельными лазерами подразумевают достаточно представительный класс квантовых генераторов, инверсная заселенность в твердом рабочем теле которых создается путем оптической накачки. При этом за пределами этого класса лазеров остаются полупроводниковые приборы, использующие электронный или же инжекционный способы возбуждения.

Активная среда твердотельного лазера содержит активные ионы примеси в твердотельной матрице. Именно в ионах примесей и создается инверсная заселенность. В качестве примесных ионов обычно используют ионы переходных металлов (марганец, хром, никель и кобальт) или редкоземельных элементов. Эти вещества имеют незаполненные внутренние оболочки при наличии электронов на внешней. Электроны на внешней оболочке частично экранируют электрическое поле соседних ионов кристаллической решетки, приводящие к сильному уширению испускаемых активным ионом спектральных линий, что, в свою очередь, приводит к росту коэффициента усиления и облегчает получение инверсной заселенности.

Рабочий активный элемент технологического лазера должен удовлетворять большому числу зачастую противоречивых требований. Он должен обеспечивать большой коэффициент усиления, быть оптически однородным, механически прочным, термостойким, технологичным, прозрачным для излучения накачки, а также допускать механическую и оптическую обработку, допускать изготовление образцов больших размеров и иметь высокую теплопроводность. Поэтому неудивительно, что число активных элементов, используемых в технологических лазерах, крайне невелико.

Созданный в 1960 году Т. Мейманом рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором и именно с его появлением связывают рождение лазерной техники.

Положительные и отрицательные свойства рубиновых лазеров. К первым необходимо отнести: генерацию лазера в видимом диапазоне длин волн и возможность достаточно частого повторения импульсов. Среди недостатков нужно указать высокую энергию накачки, низкий КПД, ограничение энергии излучения на уровне нескольких Дж, плохая расходимость излучения, невозможность реализации стационарного режима генерации и, наконец, технологическую сложность и высокую стоимость изготовления активных элементов.

Наиболее актуальными задачами квантовой электроники с точки зрения развития лазерной технологии являются расширение спектрального диапазона генерации лазеров, предназначенных для решения проблем селективной технологии, а также повышение энергетических характеристик лазерных устройств, необходимое для расширения возможностей и роста эффективности термической лазерной технологии.

Процесс развития квантовой электроники и лазерной техники еще весьма далек от своего завершения и можно надеяться, что в ближайшие годы он приведет к появлению новых лазерных систем.