Лазерное излучение

Такой закрытый CO2-лазер, в состоянии работать в  течение многих тысяч часов.

Проточный СО2-лазер.

Важной модификацией является проточный СО2-лазер, в котором  смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается  через резонатор. Такой лазер  может генерировать непрерывное  когерентное излучение мощностью  свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Т-лазер.

Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-лазер, в котором рабочая  смесь находится под атмосферным  давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку  электроды расположены параллельно  оси резонатора, для. получения больших  значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов  между электродами, что дает возможность  работать в импульсном режиме при  атмосферном давлении, когда концентрация CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов  в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры.

Нагретая  до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO2 и N2 при истечении с большой  скоростью через расширяющееся  сопло сильно охлаждается. Верхний  и нижний энергетический уровни при  этом термоизолируются с различной  скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной  заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они  позволяют получать очень большие  мощности излучения в непрерывном  режиме.

Лазеры на красителях.

Красители являются очень сложными молекулами, у которых  сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти  непрерывно. Если молекулы красителя  взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки  резонатора можно получить практически  непрерывную перестройку частоты  генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются  лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило  получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и  на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

5 Практическое использование оптических квантовых генераторов

Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения  с веществом представляют исключительно  большой интерес. Лазеры находят  широкое применение в современных  физических, химических и биологических  исследованиях, имеющих фундаментальный  характер. Ярким примером могут служить  исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой  мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную  концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна плавная перестройка  частоты. Поэтому лазеры применяются  для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно  высокой степенью точности(высоким  разрешением). Лазеры позволяют также  осуществить избирательное возбуждение  тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В  результате оказывается возможным  инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные  лазерные импульсы дали начало исследованиям  целого ряда быстропротекающих процессов  в веществе и, в частности, в биологических  структурах. Отметим, например, фундаментальные  исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро – в  пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность  проследить за развитием подобных процессов  и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных  научных исследованиях исключительно  велика.

При обсуждении практических применения лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление  связывают с применениями, в которых  лазерное излучение(как правило, достаточно высокой мощности) используется для  целенаправленного воздействия  на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов(например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов,, применение лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают  с так называемым информативным применением лазеров – для передачи и обработки информации, для осуществления контроля измерений.

5.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике

Оптические  квантовые генераторы и их излучение  нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии  наблюдается применение лазеров  для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических  материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной  промышленности.

Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке  воздействия. Пример такого способа  сверления - пробивка отверстий в  часовых камнях, которая сейчас уже  является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные  импульсные лазеры, например, лазер  на стекле с неодимом. Отверстие  в камне (при толщине заготовки  около 0,1 - 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 - 0,5 Дж. и длительностью около 10^-4 с. Производительность установки в автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности механического сверления.

Лазер используется и при изготовлении сверхтонких  проволок из меди, бронзы, вольфрама  и других металлов. При изготовлении проволок применяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия  очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой  твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать  тонкую проволоку сквозь отверстия  в алмазе (алмазные фильеры). Только они позволяют получить проволоку  диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическое сверление одного отверстия в  алмазе требуется 10 часов(!). Зато совсем нетрудно пробить это отверстие  серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с  пробивкой отверстий в часовых  камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

Лазерное  сверление широко применяется при  получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В  качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные  из глиноземной керамики. Из-за высокой  хрупкости керамики механическое сверление  выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.

Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой  трубки произошла авария - перегорел  или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла  из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного  баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный луч  позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку  и должным образом фокусирую  его, можно осуществить сварочную  работу.

Лазеры с  плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей  силой. Например, пусть  требуется  исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного  потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно  вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного  излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию  от длины волны. Разрешающая способность  этого метода совпадает, очевидно, с  шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень  малой. Ширина линии, равная, например, 10^-3 см^-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу.

Лазеры позволили  осуществить светолокатор, с помощью  которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

В настоящее  время в мире существует несколько  десятков лазерных локационных систем. Многие из них уже имеют космическое  значение. Они осуществляют локацию  Луны и геодезических искусственных  спутников Земли. В качестве примера  можно назвать лазеро-локационную  систему Физического института  имени П. Н. Лебедева. Погрешность  измерения при использовании  данной системы составляет 40 см.

Проведение  таких исследований организуется для  того, чтобы поточнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода  времени, например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение  этого расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих  научную важность.

Импульсные  лазерные локаторы сегодня применяются  не только в космонавтике, но и в  авиации. В частности, они могут  играть роль научных измерителей  высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле  “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны.

Впрочем, у  оптических лазерных систем есть и  свои слабые стороны. Например, не так  просто при помощи остронаправленного луча лазера обнаружить объект, так  как время обзора контролируемой области пространства оказывается  слишком большим. Поэтому оптические локационные системы используются вместе с радиолокационными. Последние  обеспечивают быстрый обзор пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры цели и осуществляет слежение за ней.

Большой интерес  представляют последние разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор  должен отличаться сверхвысоким качеством  изображения.

Стоит также  отметить использование лазеров  в уже давно известных принтерах  высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение  используется для создания на специальном  светочувствительном барабане скрытой  копии печатаемого изображения.

5.2 Применение лазеров в медицине

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его  использование для проведения хирургических  операций определяют следующие свойства:

• Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;
• Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;
• Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;
• Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;
• Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;
• Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;
• Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое  применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени  А. В. Вишневского. Лазерный скальпель  был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной  полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций  с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

5.2.1 Лазер в офтальмологии

В настоящее  время интенсивно развивается новое  направление в медицине - лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени  В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии  глаза и во многих других “глазных центрах” стран содружества

Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения  сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 - 0,1 Дж, длительность порядка - 0,1 с.) Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя  излучение на отслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.