Принцип работы лазера и его применение

6 1. Особенности лазерно го излучения Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадца того века было открытие физических явлений, послуживших основой для соз дания удивительного прибора -оптического квантового генератора, или ла зера. Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного св ета с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” состав лено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление с вета в результате вынужденного излучения” . Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лаз ера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимоде йствии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фо тона с энергией возбуждения атома (или молекулы) В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное сос тояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой ж е энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первич ного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является налич ие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодейств ии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, мо жет возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “ щих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узкон аправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фото нов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденны ми атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется с редой с инверсной населенностью уровней энергии. Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами п роисходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания ф отонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного со стояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомо в в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г. Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенн ость уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижн ем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанн ого излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фот онов. Произойдет усиление спонтанного излучения. На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за сче т вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А.Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электр ическом разряде в газе. При одновременном рождении ( принципиально это возможно) большого чис ла спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, кажда я из которых будет распространяться в своем направлении, заданном пе рвоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света ,но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась соб ственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной на селенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снима ть” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающи х одной и той же энергией ,совпадающей с энергией данного перехода в а томе. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связ анный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плос кости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то ж е время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно п лоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вс ледствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направле нный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно по добранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг др уга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обр атная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вб ок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выход ящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Т акую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно э тот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров . В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г . Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излуче ния на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испус кание в результате использования обратной связи приводило к генераци и чрезвычайно монохроматического излучения. Спустя несколько лет, в 1960 г., америк анским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор опти ческого диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с по мощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенност ь возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксид а алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = О,05% хрома. При добавлении атомов хр ома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Вс его кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При по глощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома п ереходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня . На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной в спышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между пром ежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома. Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерфере нционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торц ов друг другу. При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в руби не происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на то рцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса==0.0001 с, немного короч е длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового л азера около 1ДЖ. С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродейств ующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (настро ить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенно стей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом слу чае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инв ерсия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень коротко е время. В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гиган тский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса остан ется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генераци и”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в с отни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт. Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения . При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ши рины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотон ов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лави ны будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного а томного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной ли нии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделат ь относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, н аблюдаемых в природе. Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимост ь луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд. Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе о т любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с мале нькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, чт о мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выд елили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерног о излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и уг ловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить тем пературу воображаемого черного тела, использованного в качестве источ ника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведе т нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть пор ядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луч а - его высокая эффективная температура (даже при относительно малой ср едней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импу льса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера. Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенност и, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидко сти, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; р ежимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются мно гообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практиче скими применениями. 2. Лазерная технология Лазеры нашли широко е применение, и в частности используются в промышленности для различны х видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п . Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два ви да. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусиров ки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лаз еры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импу льсно--периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиево го граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны те хнология сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мк м) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технолог ия изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная обла сть применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и свар кой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промы шленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиган ием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности . В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фо толитографии, без применения которой практически невозможно изготов ление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элем ентов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются н а лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в ф отолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм. Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского из лучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел раз решения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мк м), оказывается просто фантастическим. Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энерго емких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных ли стов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритн ых деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, г ранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке мет аллов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуу мных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейе рном производстве. Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомоб ильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она по зволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, ско рость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100м\ч при р асходе электроэнергии 10 кВт.ч. 6. Применение лазеров в военной технике (лазерная л окация) а) наземная локация Как сообщает печать, за рубежом разрабатывается ряд ста ционарных лазерных локаторов. Эти локаторы предназначены для слежения за ракетами на начальном этапе полета, а также для слежения за самолетам и и спутниками. Большое значение придается лазерному локатору, включенн ому в систему ПРО и ПКО. По проекту американской системы именно оптическ ий локатор обеспечивает выдачу точных координат головной части или спу тника в систему лазерного поражения цели. Локатор типа "ОПДАР" предназна чен для слежения за ракетами на активном участке их полета. Тактические требования определяют незначительную дальность действия локатора, поэ тому на нем установлен газовый лазер, работающий на гелий-неоновой смес и, излучающий электромагнитную энергию на волне 0.6328мкм при входной мощности вс его 0.01Вт . Лазер рабо тает в непрерывном режиме, но его излучение модулируется с частотой 100МГц . Передающая опти ческая система собрана из оптических элементов по схеме Кассагрена, что обеспечивает очень незначительную ширину расходимости луча. Локатор м онтируется на основании, относительно которого он может с помощью следя щей системы устанавливаться в нужном направлении с высокой точностью. Э та следящая система управляется сигналами, которые поступают через код ирующее устройство. Разрядность кода составляет 21 единицу двоичной информаци и, что позволяет устанавливать локатор в нужном направлении с точностью около одной угловой секунды. Приемная оптическая система имеет диаметр входной линзы 300мм . В ней установлен интерференционный фильтр, предназначенный для подавл ения фоновых помех, а также устройство, обеспечивающее фазовое детектир ование отраженной ракетой сигналов. В связи с тем, что локатор работает п о своим объектам, то с целью увеличения отражательной способности ракет ы на нее устанавливается зеркальный уголковый отражатель, который пред ставляет собой систему из пяти рефлекторов, обеспечивающих распределе ние упавшей на них световой энергии таким образом, что основная ее часть идет в сторону лазерного локатора. Это повышает эффективность отражающ ей способности ракеты в тысячи раз. Локатор имеет три устройства слежени я по углам: точный и грубый датчики по углам и еще инфракрасную следящую с истему. Технические данные первого датчика определяются в основном опт ическими характеристиками приемо-передающей системы. А так как диаметр входной оптической системы равен 300мм и фокусное расстояние равно 2000м , то это обеспечивае т угловую разрешающую способность 80 угловых секунд. Сканирующее устройство имеет полосу пропускания 100Гц . В торой датчик имеет оптическую систему с диаметром 150мм и меньшее фокусное рассто яние. Это дает разрешающую способность по углу всего 200 угловых секунд, т.е. обеспечи вает меньшую точность, чем первый. В качестве приемников излучения оба к анала оснащены фотоумножителями, т.е. наиболее чувствительными элемент ами из имеющихся. Перед приемником излучения располагается интерферен ционный фильтр с полосой пропускания всего в 1.5 ангстрема. Это резко снижае т долю приходящего излучения от фона. Полоса пропускания согласована с д линой волны излучения лазера, чем обеспечивается прохождение на приемн ик только своего лазерного излучения. Локатор позволяет работать в пред елах от 30 до 30000м . Предельная высота полета ракеты 18000м . Сообщается, что этот локатор обычно располагается от ракеты на расстоян ии около 1000м и на ли нии, составляющей с плоскостью полета ракеты 45 градусов. Измерение параметро в движения ракеты с такой высокой точностью на активном участке полета д ает возможность точно рассчитать точку ее падения. Локатор для слежения . Рассмотрим локатор созданный по заказу НАСА и предназначенный для слеж ения за спутниками. Он предназначался для слежения за собственными спут никами и работал совместно с радиолокатором, который выдавал координат ы спутника с низкой точностью. Эти координаты использовались для предва рительного наведения лазерного локатора, который выдавал координаты с высокой точностью. Целью эксперимента было определение того, насколько отклоняется истинная траектория спутника от расчетной, - чтобы узнать ра спределение поля тяготения Земли по всей ее сфере. Для этого на полярную орбиту был запущен спутник "Эксплорер-22". Его орбита была рассчитана с выс окой точностью, но в качестве исходных данных вложили информацию, что по ле тяготения определяется формой Земли, т.е. использовали упрощенную мод ель. Если же теперь в процессе полета спутника наблюдалось уменьшение в ысоты его относительно расчетной траектории, то очевидно, что на этом уч астке имеются аномалии в поле тяготения. По спутнику "Эксплорер-22" была, по сообщению НАСА, проведена серия экспериментов и часть этих данных была опубликована. В одном из сообщений говорится, что на расстоянии 960 км . ошибка в дальности составляла 3м. Минимальный угол, считывае мый с кодируемого устройства, был равен всего пяти угловым секундам. Инт ересно, что в это время появилось сообщение, что американцев опередили в их работе французские инженеры и ученые. Сотрудники лаборатории Сан-Миш ель де Прованс провели серию экспериментов по наблюдению за тем же спутн иком, используя лазерный локатор своего производства.