Применение лазеров

 
 
Столкновения фотонов световой волны  с атомами среды, находящимися на низших энергетических уровнях, может  сопровождаться также поглощением  фотона и переходом атомов в возбуждённое состояние с большей энергией, рис. 1в. При вынужденном излучении энергия воздействующей световой волны увеличивается, а при поглощении она уменьшается. Поэтому изменение интенсивности света, проходящего через среду, зависит от того, какой из двух процессов преобладает. 
 
Если бы рабочая среда лазера находилась в термодинамически равновесном состоянии, то распределение атомов по энергиям определялось бы статистикой Больцмана. Соответствующее распределение Больцмана, которое даёт число атомов N(Е), обладающих энергией Е, имеет вид 
 
, (1)  
 
 
где ^ Т – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана, А – нормировочная константа, e = 2,718… – основание натуральных логарифмов. Число атомов N(Е), обладающих энергией Е, часто называют населённостью энергетического уровня Е. 
 
Как видно из (1), населённость энергетических уровней уменьшается с ростом их энергии. Поэтому в термодинамически равновесной среде процессы поглощения фотонов из распространяющейся световой волны будут преобладать над процессами их индуцированного излучения, так что интенсивность прошедшего через среду света будет уменьшаться. Однако посредством внешнего воздействия, называемого накачкой, можно создать в среде так называемую инверсную населённость уровней, при которой некоторые уровни с большей энергией будут заселены атомами более плотно, чем уровни с меньшей энергией. Другими словами, инверсная населённость уровней означает, что N(Е₂) > N(Е₁) при Е₂> Е₁. 
 
Среда с инверсной населённостью уровней называется активной. Она термодинамически неравновесна и стремится перейти в равновесное состояние путем излучения избытка энергии. При пропускании света с частотой n = ΔЕ/h через такую активную среду в ней будет происходить как индуцированное излучение, если энергия фотонов hn совпадает с разностью энергий DЕ двух инверсно населённых уровней (рис. 1а), так и поглощение энергии света (рис. 1в). Но так как N(Е₂) > N(Е₁), то число индуцированных переходов с испусканием фотонов становится больше поглощательных переходов, и энергия световой волны возрастает по сравнению с энергией исходной волны. Другими словами, происходит усиление света. На этом основан принцип действия лазеров. 
 
Для усиления генерации света лазер снабжен также оптическим резонатором, рис. 2. Он создается двумя зеркалами, одно из которых имеет большой коэффициент отражения, а второе полупрозрачно. Зеркала обеспечивают многократное отражение и прохождение излучения через активную среду, что приводит к увеличению числа фотонов, испущенных возбуждёнными атомами, и усилению индуцированного когерентного излучения. В результате возникает лавина фотонов, движущихся вдоль оси резонатора и частично выходящих в виде узкого пучка света через полупрозрачное зеркало. Фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из активной среды, не испытав многократного отражения от зеркал. 
 
 
 

Рис. 2. Схема формирования направленного излучения лазера с помощью резонатора: 1 и 2 – непрозрачное и полупрозрачное зеркала, 3 – активная среда. Сплошные стрелки показывают движение фотонов вдоль оси резонатора ОО, пунктирные – под углом к этой оси

 
 
 
Помимо отражательных свойств, оптический резонатор, подобно механическим резонаторам, например, трубам и декам музыкальных  инструментов, обладает резонансными свойствами. Электромагнитные волны  могут возбуждаться в нём эффективно только при условии, что их частоты  совпадают с собственными частотами  резонатора. Наиболее благоприятные  условия для лазерной генерации  возникают в том случае, когда  частота n = ΔЕ/h, отвечающая квантовому переходу атомов активной среды, и одна из собственных частот резонатора совпадают. В этом случае в резонаторе создается стоячая световая волна, и при данной мощности накачки лазер излучает свет наибольшей интенсивности. При расстройке между указанными частотами генерируемая мощность уменьшается, а при большой расстройке генерация света может вовсе исчезнуть.  
 
Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности. 
 
Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10^-7 —10^-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту. 
 
Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. 
 
Ячейка Керра — устройство, основанное на эффекте Керра — явлении возникновения под действием электрического поля в оптическиизотропных средах двойного лучепреломления. Отличается высоким быстродействием (10 ^{− 9} ÷ 10 ^{− 12} секунды). Состоит из среды с Керровской нелинейностью (например CS₂ — сероулеродом) помещённой между обкладок конденсатора. При прохождении мощного импульса электрического тока через ячейку оптические свойства среды меняются так, что свет меняет направление поляризации при прохождении ячейки 
 
Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности. 
 
Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10^-8 с., а максимальная мощность 10⁸ Вт. 
 
 
3. Классификация лазеров. 
 
Принять различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом — на входе слабое излучение, на выходе — усиленное. 
 
С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения. 
 
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного, вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым. 
 
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения (последние привлекают сейчас пристальное внимание зарубежных военных специалистов). Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере. 
 
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10⁶ Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне Ю⁵...10³Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах. 
 
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью — у такого лазера одно из зеркал может быть размещено в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией. 
 
 
4. Характеристики лазерного излучения. 
 
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т. е. от 10^-3 до 10² мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов. 
 
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 10³ Дж. Третьей характеристикой является мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до 10² Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на С0₂. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т. е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с, мощность составляет 10⁶ Вт, т. е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 10³ Дж и сократить его длительность до 10^-9 с и тогда мощность достигнет 10¹² Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10⁵Вт/см², то начинается плавление металла, при интенсивности 10⁷ Вт/см² — кипение металла, а при 10⁹ Вт/см² лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму. 
 
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой — около 10...15 угловых градусов. 
 
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т. е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т. е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью. 
 
Очень важной характеристикой лазеров является 
коэффициент полезного действия. У твердо 
тельных он составляет от 1 до 3,5%, У газовых 1…15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры. 
 
 
5. Виды лазеров. 
 
5.1 Твердотельный лазер. 
 
Функциональная схема такого лазера приведена на рисунке: 
 
 
 
 
Блок поджига 
 
 
Излучающая головка Пульт управления 
 
Выпрямительный  
 
Блок конденсаторов блок  
 
 
Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров. 
 
Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки. 
 
5.2 Газовый лазер. 
 
Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм. 
 
 
E , э-В 
 
He⁺ Ne⁺ 
 
25  
 
20 2  
 
19 3 
 
4 
 
0 He Ne 
 
1 1  
 
 
Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси. 
 
5.3 Жидкостный лазер. 
 
В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе. 
 
Разработан метод получения жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам. 
 
Был создан и исследован жидкостный лазер с активным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводных локаторов. 
 
5.4 Полупроводниковый лазер. 
 
В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым. 
 
Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы.   Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны. 
 
5.5 Химический лазер. 
 
Химическим лазерам приписывают практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеров основные процессы могут быть представлены следующей серией реакций: 
 
F + H₂ ® HF* + Н; 
 
H + F₂ ® HF* + F; 
 
HF* ® HF + hn. 
 
В первой реакции для инициирования необходим свободный атом фтора. Одной из постоянных проблем химических лазеров является разработка методов эффективного получения таких свободных атомов. Возбужденная молекула HF (обозначаемая HF*), возникающая при такой реакции, может находиться в возбужденном состоянии, являющемся верхним уровнем лазерного перехода. Третья реакция выражает переход в нижнее лазерное состояние, которое не заселяется при химической реакции. Оно сопровождается испусканием квантов световой энергии hv. Таким образом, инверсия населенностей возникает автоматически всякий раз после того, как протекает химическая реакция, и в качестве конечного продукта возникают молекулы в возбужденном состоянии. Для инициирования реакции, т. е. для первоначального создания свободных атомов, может потребоваться электрическая энергия, но как только реакция началась, образуются свободные атомы и эти реакции будут непрерывно продолжаться. Наиболее хорошо разработанными лазерами являются лазеры на фтористом водороде, работающие на многих длинах волн, расположенных в диапазоне 2,6...3,6 мкм, а также лазер на окиси углерода, генерирующий на длинах волн около 5 мкм. Химические лазеры, работающие в непрерывном режиме, дают выходную мощность около нескольких киловатт. Они работают без электрического питания, используя смешение втекающих химических компонентов. Такой лазер похож на работающий реактивный двигатель, поскольку рабочая химическая смесь со сверхзвуковой скоростью прокачивается через резонатор, а энергия, выделяющаяся при химической реакции, из резонатора с помощью зеркал выводится и направляется в требуемом направлении. 
 
Йодный лазер относится к фотодиссационным лазерам, так как в нем используется эндотермический процесс, в отличие от химических лазеров (действие которых основано на использовании экзотермических химических реакций).  
 
5.6 Ультрафиолетовый лазер. 
 
До этого были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне. На практике эксимерный лазер представляет собой газовую камеру высокого давления (до десятков атмосфер). Внутри камеры установлены зеркала с диэлектрическими покрытиями. Возбуждение осуществляется импульсным пучком быстрых электронов, которые вводятся в газ. В некоторых экспериментах использовались импульсы тока 70 кА электронов с энергией 1 МэВ. 
 
5.7 Лазер на свободных электронах. 
 
Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле в излучение в оптическом диапазоне волн.  
 
 
Схема лазера на свободных электронах:  
 
1-зеркало; 2-пучок; 3-луч лазера; 4-знакопеременное магнитное поле; 5-ускоритель электронов. 
 
 
 
 
Из рисунка видно, что ускорителем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Поскольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах 
 
5.8 Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ). 
 
Этот лазер получил широкое распространение, благодаря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме. 
 
Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, максимальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторения – 500, кпд около 1 %. 
 
5.9 Апротонный жидкостный лазер. 
 
Свое название этот лазер получил потому, что в неорганических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd³⁺ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима. 
 
Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значительно сужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабочей жидкости. 
 
Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора. 
 
5.10 Лазер на парах меди. 
 
Одним из достижении лазерной техники является получение стимулированного излучения от среды, образованной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обеспечивающей получение высокой температуры в газоразрядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт. 
 
В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии населенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.

 
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. 
 
 
6. Применение лазеров. 
 
6.1 Лазеры в медицине. 
 
Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они решили использовать его в качестве скальпеля. По сравнению с обычным такой скальпель обладает целым рядом достоинств: 
 
во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств, надежностью в работе; 
 
во-вторых, лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая на нее какого-либо механического давления; 
 
в-третьих, лазерный скальпель имеет абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует только излучение, причем в области рассечения возникает высокая температура; 
 
в-четвертых, лазерный луч производит почти бескровный разрез, поскольку с рассечением тканей коагулируют края раны, как бы «заваривая» мелкие сосуды; 
 
в-пятых, лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпель загораживает рабочее поле. 
 
Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как показали клинические наблюдения) почти не болит и относительно скоро заживляется. Все это привело к тому, что лазерный скальпель был применен на внутренних органах грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, пищеводе, кишечнике, почках, печени, селезенке, сердце, делают кожно-пластические операции. Широко используют в офтальмологии при лечении глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первые обратили внимание на возможность использования лазера и внедрили его в клиническую практику.  
 
Также лазеры применяются для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, для сращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего к трофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.  
 
Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.  
 
Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено. 
 
Есть пример лечения ишемической болезни сердца с помощью лазера. Несмотря на значительные успехи современной медицины, ишемическая болезнь сердца остается одной из основных причин смертности взрослого населения ведущих стран мира. Ишемическая болезнь сердца — ухудшение кровоснабжения мышцы левого желудочка сердца (миокарда) — является одной из основных причин смертности населения индустриально развитых стран. По данным ВОЗ, надолго этого заболевания приходится до 60% смертельных исходов от всех видов сердечнососудистых заболеваний. До последнего времени единственным радикальным средством лечения ишемической болезни сердца являлась операция аорто-коронарного шунтирования (АКШ) — введение обходных путей для коронарной артерии (байпасная хирургия), а также транслюминальная баллонная ангиопластика. 
 
С середины 90-х годов в клинической практике получает распространение принципиально новый метод лечения ишемической болезни сердца — так называемая лазерная реваскуляризация миокарда (ТМЛР). В процессе такой операции в толще сердечной мышцы левого желудочка с помощью мощного лазерного излучения создаются каналы, открывающиеся в полость сердца. Эти каналы способствуют восстановлению кровообращения в ишемизированных зонах миокарда и предотвращают развитие инфаркта миокарда. 
 
Процедура TMЛР предусматривает формирование в миокарде (типичная толщина около 20 мм) до нескольких десятков каналов диаметром от 0,3 до 1,0 мм. Канал формируется в мышце работающего сердца за один мощный лазерный импульс. В этом случае импульс синхронизируется с R-зубцом электрокардиограммы пациента и может продол-жаться до T-зубца, что составляет около 150 мс, т.е. время воздействия излучения ограничено. 
 
Во-первых, в этот момент времени левый желудочек сердца полностью наполнен кровью, которой поглощается часть прошедшего через канал излучения, что предохраняет от повреждения внутренние структуры сердца. Во-вторых, сводится к минимуму риск возникновения наведенной аритмии вследствие ударного воздействия лазерного импульса. Вероятность этого, по данным исследователей Texas Heart Institute, составляет для эксимерного лазера 67%, Ho:YAG - 55% и С0₂ лазера - 3%. 
 
По сравнению с традиционной техникой аорто-коронарного шунтирования метод ТМЛР более прост в исполнении и существенно дешевле. Операция происходит на работающем сердце без использования аппарата искусственного кровообращения, относительно малотравматична, а время непосредственно "Лазерной “ части не превышает, как правило, 30 мин. 
 
6.2 Лазеры в информационных технологиях. 
 
Поскольку лазерное излучение является электромагнитной волной, логично было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит от атмосферных помех: тумана, наличия пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков.  
 
Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон. 
 
С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях. 
 
6.3 Применение лазеров в военном деле. 
 
Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. 
 
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике(артиллерийские, таковые) , и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели) , и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят на вооружение во многих армиях мира.  
 
Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отражения от цели. 
 
Лазерные системы наведения управляемых ракет позволили перейти на сверхзвуковые скорости. Составной частью бортового оборудования ПТУР стала оптическая полуактивная головка самонаведения (ГСН). Подсвет танка лазерным целеуказателем формировал на цели световое пятно-мишень. На него наводилась ракета. 
 
Для наведения бомбы на цель используется устройство, излучающее лазерный луч. Отражённый от цели луч принимается головкой наведения бомбы, которая отправляет сигнал системе управления бомбой, корректируя траекторию падения. Как правило, бомбы с лазерным наведением не имеют двигателей и оснащены только оперением для улучшения планирующих свойств. Существуют ракеты с лазерным наведением (AS.30, модификации AGM-65), которые благодаря наличию двигателя имеют бо́льшую дальность полёта и лучшую манёвренность. Однако некоторые бомбы с лазерным наведением оснащаются ракетным двигателем (например, американская AGM-123). 
 
В настоящее время производятся комплекты, включающие головку наведения и оперение. Эти комплекты могут быть установлены на обычные бомбы, делая возможным их наведение по лазерному лучу. Превращение таким образом обычных бомб в высокоточные обходится дешевле, чем изготовление бомб с лазерным наведением. 
 
Многие страны мира разрабатывают оружие, в котором основным действующим элементом будет лазерный луч. В США в 2007 г. была испытана так называемая "лазерной пушки" воздушного базирования, которую предполагается использовать для противоракетной обороны страны. "Лазерная пушка" создает луч излучения, который может быть сфокусирован на пространстве размером с баскетбольный мяч. Этот луч имеет очень высокую температуру и может прошить насквозь ракету, которая находится на расстоянии в сотни километров от лазерной пушки.  
 
Датчики «лазерной пушки» сумели обнаружить, захватить и осуществить сопровождение высокоскоростной цели, вертикально набирающей высоту. Датчики, в частности, реагировали на тепловое излучение раскаленного выхлопа реактивного двигателя истребителя F-16.  
 
«Как отметил глава Агентства генерал-лейтенант Генри Оберинг, испытание, проведенное 1 мая, стало важным шагом в реализации программы создания лазерного элемента противоракетного щита. Предполагается, что "лазерная пушка" на Boeing сможет поражать баллистические ракеты на разгонном участке их траекторий полета». 
 
Уничтожать баллистические ракеты будет высокоэнергетический химический лазер мегаваттного класса. Его наземные испытания прошли в декабре 2005 года. Лазер преодолел 10-секундный порог продолжительности работы, который необходим для разрушения ракет. 
 
Лазерный целеуказатель (ЛЦУ) — портативное устройство, генерирующее лазерное излучение в видимом или инфракрасном диапазонеспектра. Совместно с оптическим прицелом используется для ускорения и облегчения прицеливания на коротких и средних дистанциях стрельбы. 
 
Лазерный луч формирует на цели яркую точку, соответствующую месту попадания пули, как если бы та двигалась прямолинейно, а не по баллистической траектории. Как правило, на дистанциях стрельбы от 50 до 300 метров (в зависимости от типа оружия) пуля движется практически прямолинейно, что позволяет с достаточно малой погрешностью приравнять место нахождения создаваемой ЛЦУ светящейся точки к месту попадания пули. Лазерными целеуказателями комплектуется служебное стрелковое оружие, так же охотничье оружие и арбалеты.  
 
6.4 Лазеры в промышленности. Обработка материалов и сварка. 
 
Обработка материалов с помощью лазеров получила название лазерной технологии. Вот что говорил об этом направлении академик Н. Г. Басов: «Лазерный луч — это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растрескаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении» [13]. 
 
Как же проходят физические процессы при этом? 
 
Если направить на металл лазерный луч и изменять его мощность, то при значении облученности в 10⁵ Вт/см² начнется плавление. Вблизи поверхности под световым пятном возникает область расплавленного металла. Поверхность расплава начнет перемещаться вглубь металла по мере поглощения световой энергии. Площадь расплава будет расти, теплота начнет более интенсивно проникать в глубину. В конце концов установится неизменная поверхность расплава. Увеличим мощность лазера, пусть облученность достигнет 10⁷ Вт/см². В этом случае вместе с плавлением будет происходить кипение металла и его испарение. На поверхности образуется лунка, которая начнет изменяться в размерах. Еще увеличим мощность лазера — пусть облученность достигнет Ю⁹ Вт/см². В этом случае свет начнет ионизировать пары вещества, превращая их в плазму. Известно, что плазма интенсивно поглощает свет, поэтому доступ энергии к металлу прекратится. 
 
В импульсном режиме работы лазера картина будет несколько иная. Если облученности достаточно, чтобы материал не только плавился, но и кипел, а длительность импульса мала - около 10^-7 с, то в металле поглотится значительная часть энергии. Но за короткое время тепло не проникнет внутрь, поверхность расплава не увеличится и начнется интенсивное испарение. Следовательно, в данном случае основная часть энергии тратится на испарение, а не на плавление. 
 
Таким образом, могут быть предложены следующие рекомендации по использованию лазеров для обработки металлов. Для сварки желательны импульсы порядка 10^-2..10^-4с, а для пробивания отверстий — 10^-5... 10^-6с при требуемой облученности, которая для каждого материала должна быть определенной. 
 
Например, для того чтобы сделать отверстие в стальной пластине толщиной в 1 мм лучом лазера, необходимо иметь длительность импульса 10^-3 с и энергию около 0,5 Дж. В результате получим отверстие 0,1...0,2 мм. Чтобы получить отверстие в стальной пластине толщиной в 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 Дж. 
 
Очень существенного эффекта можно достигнуть при обработке сверхтвердых сплавов и таких материалов, как рубиновые камни, алмазы и т. п. В камне при толщине заголовки 0,5...1 мм отверстие пробивается серией импульсов, имеющих энергию 0,1...0,5 Дж при длительности 10^-4 с. Это обеспечивает производительность в 1000 раз большую, чем при механическом сверлении отверстий. 
 
И, наконец, лазеры дают принципиально новый эффект при обработке материалов, отличающихся повышенной хрупкостью, таких как подложки микросхем, изготавливаемые из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости механическое сверление отверстий в ней выполняют, как правило, «на сыром материале». Обжигает керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. Использование лазерного метода обработки снимает эту проблему, причем можно получать отверстия диаметром всего в 10 мкм. 
 
Лазерным лучом можно резать любой материал: ткань, дерево, резину, пластмассу, керамику, стекло, листы металла. И не просто резать, а получать аккуратные разрезы по сложным профилям. Для резки используются лазеры, дающие высокую последовательность импульсов, либо генерирующие энергию непрерывно. Требуемая мощность в этом случае зависит от материала и толщины заготовки. Так, например, для резки досок толщиной 50 мм применялся газовый лазер на СО₂ мощностью 200 Вт, при этом ширина разреза составляла 0,7 мм. Для резки фанеры толщиной 25 мм необходима была мощность 8 кВт, скорость резания 1,5 м/мин. Для резки стекла толщиной 10 мм требовалась мощность 20 кВт. 
 
Интересный эффект можно получить, если использовать «газолазерную резку», т. е. в процессе резки обдувать металл струей кислорода. Тогда значительная часть энергии, затрачиваемая на процесс резания, получается за счет экзотермических реакций, в которые вступает металл и кислород. При этом использование струи кислорода не только снижает требование к мощности, но и увеличивает скорость и глубину резания, а также, позволяет получить высококачественную кромку разреза, поскольку струя кислорода уносит из зоны резания расплав и продукты сгорания металла. 
 
При резке металлов используется поддув кислорода, при резке неметаллов - поддув аргона, 
 

 
В авиационной промышленности налажено автоматизированное резание листов титана, стали, алюминия. С помощью лазера на С0₂мощностью 3 кВт лист титана при толщине в 5 мм разрезается со скоростью 3,5 м/мин, а при толщине в 50 мм - со скоростью 0,5 м/мин. Отмечается, что использование кислородной струи даст уменьшение мощности лазера до 100...300Вт при достижении того же эффекта.