Введение
Лазер— усиление света посредством
вынужденного излучения, оптический ква́нтовый
генератор — устройство, преобразующее
энергию накачки (световую, электрическую,
тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного,
монохроматического, поляризованного
и узконаправленного потока излучения.
Исполнилось 50 лет со дня появления первых
лазеров, открывших начало новой лазерной
эры в истории развития науки и техники.
Этот период действительно можно назвать
новой эрой, т. к. динамика развития, глобальность
использования в различных областях человеческой
деятельности, масштаб влияния на качество
жизни и еще не осознанные до конца дальнейшие
перспективы расширения сфер воздействия
этого достижения позволяют рассматривать
лазерную технологию как одно из самых
замечательных открытий ХХ века.Созданию
лазеров человечество, прежде всего, обязано
глубоким теоретическим разработкам в
области квантовой физики, электроники,
оптики ряда величайших ученых прошлого
столетия: А. Эйнштейна, А. Прохорова, Н.
Басова, Ч. Таунса, А. Меймана, Дж., Гоулда
и многих других. Первоначально лазерное
излучение с его уникальными свойствами
рассматривалось прежде всего как возможное
новое мощное оружие для поражения живой
силы и техники. Поэтому наиболее индустриально
развитые страны направили на развитие
новой отрасли огромные ресурсы, что позволило
обнаружить и другие перспективные области
использование лазерной техники и технологии.
В Украине первые исследования по созданию
лазеров были инициированы в Институте
физики, Институте физики полупроводников
и других организациях АНУ. Первые исследования
в области использования лазерного излучения
для обработки материалов были начаты
в Киевском политехническом институте
(КПИ) в 1964 г., а в 1967 г. в издательстве «Техника»
(Киев) была опубликована первая в мире
монография в этой области: Картавов С.А.,
Коваленко В.С. «Применение оптических
квантовых генераторов (ОКГ) для технологических
целей».
Первые лазеры на
твердом теле — рубине генерировали
излучение в импульсном режиме
с очень малой частотой и
энергией в импульсе. Их к.п.д.
также был очень мал (десятые
доли процента). Поэтому их использовали
в основном для прошивки прецизионных
отверстий малых диаметром в
труднообрабатываемых материалах.
Позже появились более эффективные
лазеры на неодимовом стекле, а также
газовые лазеры на СО2. Газовые лазеры
генерируют как импульсное излучение
с высокой частотой, так и непрерывное
излучение. Мощность излучения уже измеряется
сотнями ватт и десятками киловатт. К.п.д.
таких лазеров не превышает 10 %, поэтому
оборудование довольно громоздко из-за
габаритных и мощных систем охлаждения.Разработаны
вполне надежные эксимерные лазеры, генерирующие
излучения в ультрафиолетовой области
электромагнитного спектра. В последние
годы нашли широкое распространение новые
разработки диодных лазеров, обладающие
высоким к.п.д. Их также используют для
накачки твердотельных лазеров вместо
менее эффективных газоразрядных ламп
накачки. В технологии уже нашли широкое
применение мощные (до нескольких кВт)
диодные лазеры, позволяющие создать компактное
оборудование для промышленных целей.
Самой значительной разработкой последнего
времени можно считать создание широкой
гаммы оптоволоконных лазеров мощностью
до нескольких кВт с к.п.д. до 60 % и выше.
Такие современные лазерные системы встраиваются
в роботизированные технологические комплексы
и находят широкое применение в различных
отраслях промышленности — электронной,
автомобильной, аэрокосмической и др.С
момента своего изобретения лазеры зарекомендовали
себя как «готовые решения ещё не известных
проблем». В силу уникальных свойств излучения
лазеров, они широко применяются во многих
отраслях науки и техники, а также в быту
(проигрыватели компакт-дисков, лазерные
принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные
указки и пр.). В промышленности лазеры
используются для резки, сварки и пайки
деталей из различных материалов. Высокая
температура излучения позволяет сваривать
материалы, которые невозможно сварить
обычными способами (к примеру, керамику
и металл). Луч лазера может быть сфокусирован
в точку диаметром порядка микрона, что
позволяет использовать его в микроэлектронике
(так называемое лазерное скрайбирование).
Лазеры используются для получения поверхностных
покрытий материалов (лазерное легирование,
лазерная наплавка, вакуумно-лазерное
напыление) с целью повышения их износостойкости.
Широкое применение получила также лазерная
маркировка промышленных образцов и гравировка
изделий из различных материалов. При
лазерной обработке материалов на них
не оказывается механическое воздействие,
поэтому возникают лишь незначительные
деформации. Кроме того, весь технологический
процесс может быть полностью автоматизирован.
Лазерная обработка потому характеризуется
высокой точностью и производительностью.Лазеры
применяются в голографии для создания
самих голограмм и получения гологафического
объёмного изображения. Некоторые лазеры,
например лазеры на красителях, способны
генерировать монохроматический свет
практически любой длины волны, при этом
импульсы излучения могут достигать 10−16
с, а следовательно и огромных мощностей
(так называемые гигантские импульсы).
Эти свойства используются в спектроскопии,
а также при изучении нелинейных оптических
эффектов. С использованием лазера удалось
измерить расстояние до Луны с точностью
до нескольких сантиметров. Лазерная локация
космических объектов уточнила значения
ряда фундаментальных астрономических
постоянных и способствовала уточнению
параметров космической навигации, расширила
представления о строении атмосферы и
поверхности планет Солнечной системы
В астрономических телескопах снабженных
адаптивной оптической системой коррекции
атмосферных искажений, лазер применяют
для создания искусственных опорных звезд
в верхних слоях атмосферы.Применение
лазеров в метрологии и измерительной
технике не ограничивается измерением
расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее
применение: для измерения времени, давления,
температуры, скорости потоков жидкостей
и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп),
концентрации веществ, оптической плотности,
разнообразных оптических параметров
и характеристик, в виброметрии и др.Сверхкороткие
импульсы лазерного излучения используются
в лазерной химии для запуска и анализа
химических реакций. Здесь лазерное излучение
позволяет обеспечить точную локализацию,
дозированность, абсолютную стерильность
и высокую скорость ввода энергии в систему
В настоящее время разрабатываются различные
системы лазерного охлаждения рассматриваются
возможности осуществления с помощью
лазеров управляемого термоядерного синтеза.
Лазеры используются и в военных целях,
например, в качестве средств наведения
и прицеливания. Рассматриваются варианты
создания на основе мощных лазеров боевых
систем защиты воздушного, морского и
наземного базированияВ медицине лазеры
применяются как бескровные скальпели,
используются при лечении офтальмологических
заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки,
лазерная коррекция зрения и др.). Широкое
применение получили также в косметологии
(лазерная эпиляция, лечение сосудистых
и пигментных дефектов кожи, лазерный
пилинг, удаление татуировок и пигментных
пятен) В настоящее время бурно развивается
так называемая лазерная связь. Известно,
что чем выше несущая частота канала связи,
тем больше его пропускная способность
Поэтому радиосвязь стремится переходить
на всё более короткие длины волн. Длина
световой волны в среднем на шесть порядков
меньше длины волны радиодиапазона, поэтому
посредством лазерного излучения возможна
передача гораздо большего объёма информации.
Лазерная связь осуществляется как по
открытым, так и по закрытым световодным
структурам, например, по оптическому
волокну. Свет за счёт явления полного
внутреннего отражения может распространяться
по нему на большие расстояния, практически
не ослабевая Лазером, обеспечивающим
максимальную мощность в импульсе, на
данный момент является Техасский петаваттный
лазер (1,1 ПВт).Даже этот небольшой перечень
достижений за прошедший период свидетельствует
о том, что лазерной технологии еще далеко
до насыщения, интенсивное развитие успешно
продолжается и ожидается дальнейшее
широкое ее распространение во всех областях
деятельности человека
Заключение
К настоящему времени трудно
найти такую область науки
и техники, где бы не применялись лазеры
Получена генерация более чем на 1000 объектах:
кристаллах, активированных стеклах, жидкостях,
полупроводниках, плазме, газах. Однако
несмотря на известные успехи, достигнутые
в квантовой электронике, в большинстве
случаев еще не установлены физические
границы применимости основных принципов,
лежащих в основе работы квантовых приборов.
Не выяснены пределы монохроматичности
и когерентности излучения и их связь
с мощностью и частотой излучения, неизвестно
как далеко можно продвинуться в область
вы- высоких частот; каково предельное
значение коэффициента полезного действия
при преобразовании различных форм энергии
в когерентный свет и т. п. К настоящему
времени квантовые генераторы вышли из
области академических исследований и
стали аппаратурой технического прогресса
и инструментами научных исследований.
Развитие и усовершенствование квантовых
генераторов продолжаются, осваиваются
новые частотные диапазоны, улучшается
стабильность всех параметров, повышается
мощность.