Лазер
Лáзер (от англ. laser, акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «Усиление света посредством вынужденного излучения», или оптѝческий квáнтовый генерáтор) — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения[1].
По сути лазер — это оптический квантовый генератор, то есть устройство, которое преобразует энергию накачки (которая в него вводится: химическая, световая, тепловая, электрическая) в энергию монохроматичного, когерентного и узконаправленного излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Свойства и особенности лазеров разные, они могут быть непрерывными и импульсными, мощными и работающими в широкополосном диапазоне. Все эти особенности обуславливаются типом и методом накачки лазера.
История создания
В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера.
26 апреля 1951 года Чарлзу Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера — прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.
Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера.
В 1960 году 16 мая Теодор Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с примесью хрома Cr). В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот).
В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на диоксиде углерода, химические лазеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры[2].
Типы лазеров
По агрегатному состоянию активной среды лазеры делятся на три основных типа:
- жидкостные;
- газовые;
- твердотельные.
При этом существуют некоторые типы лазеров, которые в силу своих особенностей на данный момент выделяются в отдельную категорию. Например, волоконные лазеры. Несмотря на то, что он относится к твердотельным лазерам, о нём говорят, как об отдельном типе. Такая же ситуация и с полупроводниковыми (диодными) лазерами. Когда они только появились о них говорили, как об отдельном типе.
Основа работы лазера
Физической основой работы лазера служит квантово-механическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника (фемтосекундные лазеры, лазеры по схеме генератор-усилитель, аттосекундные)[3][4].
Устройство лазера
Лазерный излучатель принципиально состоит из трёх основных структурных элементов: активной среды, оптического резонатора, системы накачки[3][4]. Кроме того, в излучатель могут быть встроены элементы, позволяющие преобразовывать энергетические (энергия или мощность излучения), пространственные (диаметр выходного луча и расходимость), частотные (длина волны), временные (длительность импульса), а также фазовые (частотный чирп) характеристики излучения.
Активная среда
Активная среда определяется желаемым спектром её энергетических уровней (либо зонными характеристиками в случае полупроводниковых лазеров). Именно структура электронных энергетических уровней определяет длины волн генерации, а также линии поглощения излучения накачки. В твердотельных лазерах наиболее распространённые материалы — это редкоземельные ионы (такие как неодим или иттербий), либо ионы переходных металлов (хром или титан), внедрённые в прозрачную матрицу (например, стекло). В газовых лазерах могут использоваться нейтральные атомы (например неон в гелий-неоновом лазере), ионы (аргоновый лазер) или молекулы (СО2 лазер)[3].
Система накачки
Для достижения усиления в активной среде необходим внешний источник энергии — накачка[3]. Наиболее распространённые методы накачки: оптическая и электрическая. Большинство лазеров используют оптическую накачку либо некогерентным источником — лампой, либо когерентным — другим лазером (чаще всего полупроводниковым). Для полупроводниковых лазеров наиболее предпочтительной является электрическая накачка, когда активную среду подключают к источнику питания по схеме диода (отсюда название — диодные лазеры).
Оптический резонатор
Оптический резонатор представляет собой интерферометр Фабри-Перо (наиболее простая схема: два противопоставленных зеркала). Он необходим для того, чтобы излучение, вышедшее из активной среды посредством спонтанного или (преимущественно) вынужденного переходов, многократно возвращалось в активную среду для дальнейшего усиления. Для вывода излучения из резонатора обычно одно из зеркал делается частично прозрачным. Оптический резонатор в большей степени отвечает за пространственные характеристики излучения: модовый состав (параметр М2), диаметр луча и расходимость. Хотя выходная мощность и спектральные характеристики также значительно зависят от свойств резонатора[3].
Классификация лазеров
По мощности генерируемого излучения лазеры разделяют на:
- маломощные;
- средней мощности;
- мощные.
По спектральному диапазону:
- рентгеновские;
- ультрафиолетовые;
- видимого спектра;
- инфракрасные.
Применение лазеров
Важнейшие свойства лазерного излучения: монохроматичность, когерентность, направленность, а также возможность создания коротких и ультракоротких импульсов. Благодаря первым трём свойствам лазерный луч можно фокусировать в пятно чрезвычайно малого размера (типичный размер 20 — 100 мкм), что позволяет достичь концентрации энергии/мощности, недостижимую для других источников энергии. Причём ещё большей концентрации энергии можно достичь в ультракоротких импульсах[5].
Получение высоких интенсивностей определили множество технологических применений лазеров: резка, сварка, термообработка, микрообработка, некоторые аддитивные технологии, и др[6]. Кроме того, когерентность и направленность важны для множества оптических применений таких как: интерферометрия, голография, спектроскопия, дальнометрия и др.
Одними из наиболее распространённых являются лазерные указки, имеющие в основе полупроводник, то есть диод. По качеству излучения они значительно уступают другим. Другим популярным направлением является промышленное применение для сварки, резки, термообработки, наплавки, аддитивных технологий и маркировки. Лазерная резка — это наиболее распространённое применение лазеров, однако маркировка является одним из самых простых в плане применение и внедрения технологий в производственную цепочку.
В настоящее время достаточно широко лазерные источники стали применяться для 3D сканеров, которые наши свое применение в реверс-инжиниринге[7] (обратное проектирование), в качестве дальномеров, измерителей профиля поверхности и т. п.
Лазерные источники также применяются для устранения пожаров, в военных целях, для навигации, в качестве источников освещения (например фары[8]) и т. д.
Хорошо зарекомендовали себя лазеры и в медицине[9]. Благодаря своим особенностям и разнообразию лазерных устройств работа с биологическими тканями стала значительно доступнее. Излучение лазера позволяет проводить многие операции более безопасно, бескровно и менее травматично. Они используются и в диагностике (ангиография, проточная цитометрия, спектроскопия), и в терапии (ускорение заживления ран, удаление татуировок, улучшение роста волос), и в хирургии (лечение лор-органов, литотрипсия, коррекция зрения и многие другие).
Безопасность лазера и излучения
На данный момент лазеры делятся на различные классы опасности — 4 основных класса. Принципиальное деление связано со спектральным диапазоном (УФ, видимое излучение и ИК) и мощностью излучения не только прямого воздействия, но и диффузионно-рассеянного. Самым опасным представляется невидимое глазом излучение. Поглощение биотканями лазерного излучение сильно отличается для различных типов лазеров. Самым опасным с точки зрения глаз является ИК излучение, так как деструктивные изменения на сетчатке происходят до появления физических ощущений дискомфорта. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий регламентируются Межгосударственным стандартом по лазерной безопасности ГОСТ 31581-2012.[10]
Литература
- ↑ Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Физматлит, 2006. — 848 с.
- ↑ Берлотопи М. История лазера, Перевод с английского П. Г. Крюкова. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 336 с. — ISBN 978-5-91559-097-6.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Звелто О. Принципы лазеров. — М.: Лань, 2008. — 719 с.
- ↑ 4,0 4,1 Walter Koechner. Solid-State Laser Engineering. — NY: Springer Science & Business Media, 2006. — 747 с.
- ↑ Dr. Rüdiger Paschotta. Femtosecond Lasers (англ.). https://www.rp-photonics.com/company.html.+Дата обращения: 7 декабря 2023.
- ↑ А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. Технологические процессы лазерной обработки. — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 664 с.
- ↑ Выбор 3D-сканера для реверс-инжиниринга (15 октября, 2020 (обновлено 04 декабря, 2023)). Дата обращения: 13 декабря 2023.
- ↑ Лазерные фары: принцип работы и достоинства с недостатками. Дата обращения: 13 декабря 2023.
- ↑ Шахно Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине. Учебное пособие. — СПб.: НИУ ИТМО, 2012. — 129 с.
- ↑ Межгосударственный стандарт. Лазерная безопасность. ГОСТ 31581-2012. Дата обращения: 12 декабря 2023.