Лазеры и их применение

 

1.6 ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ

Лазеры на разряженных  газовых активных средах, возбуждаемых самостоятельными электрическими разрядами, называют газоразрядными. Различают  три типа таких лазеров: лазеры, генерирующие на переходах между энергетическими  уровнями ионов (лазера на ионизированных газах, или ионные лазеры); лазеры, генерирующие на переходах между уровнями нейтральных  атомов (лазеры на атомных переходах); лазеры, генерирующие на переходах  между уровнями молекул (лазеры на молекулярных переходах, или молекулярные лазеры). Активными центрами в указанных  трех типах лазеров являются соответственно свободные ионы, свободные атомы, свободные молекулы.

Ионные лазеры генерируют, главным образом, в видимой, а  также в ближней ультрафиолетовой области спектра (от 0,3 до 1 мкм).лазеры на атомных переходах генерируют в более широком диапазоне – от 0,4 до 100 мкм. Наиболее широк диапазон длин волн излучения, генерируемого молекулярными лазерами. Лазеры, работающие на переходах между вращательными уровнями, соответствующими одному и тому же электронному и колебательному состоянию молекулы, генерируют в инфракрасной области примерно от 10 мкм до нескольких сотен микрометров.

Активная среда газоразрядного лазера – плазма, образующаяся при  возникновении электрического разряда. Если время нарастания тока меньше времени установления равновесия в  плазме, то говорят об импульсном разряде. Наряду с импульсными используются стационарные разряды. В газоразрядных лазерах применяют два типа стационарных разрядов – дуговой (в ионных лазерах) и тлеющий (в лазерах на атомных переходах и в молекулярных лазерах).

1.6.1 ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Лазер на смеси гелия и  неона – пример газоразрядного лазера на атомных переходах. Генерация  происходит на переходах между уровнями атомов неона (они являются активными  центрами). Кроме неона в состав активной среды входит буферный газ- гелий.

Первым газовым лазером  был гелий-неоновый лазер, созданный  в конце 1960 г. Джаваном, Беннетом и Эрриотом. Принципиальная схема гелий-неонового лазера в ее современном виде приведена на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – принципиальная схема гелий-неонового лазера

 

Лазер состоит из газоразрядной  трубки Т длиной от нескольких десятков сантиметров до 1,5-2 м и внутренним диаметром 7-10 мм. Трубка наполнена смесью гелия и неона. концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р₁ и Р₂, установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S₁ и S₂, между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно проходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого – менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2 кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер может работать и в непрерывном, и в импульсном режиме. Он генерирует красный свет с длиной волны 632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,150 и 3,390 мкм. Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области спектра.

 

1.7 ХИМИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ

Химические соединения –  богатые накопители энергии. Эта энергия может частично высвобождаться при перестройке химических связей в экзоэнергетических химических реакциях. Весьма заманчиво преобразовать указанную энергию в энергию когерентного оптического излучения. Химические лазеры как раз и являются устройствами, в которых осуществляется такое преобразование. В существующих химических лазерах реализуется генерация на колебательно-вращательных переходах молекул. В химических лазерах чаще всего используются реакции замещения, в результате которых образуются двухатомные молекулы в возбужденных колебательных состояниях. Они либо высвечиваются сами, либо обеспечивают высвечивание других молекул, которым передают энергию возбуждения. В первом случае говорят о прямом образовании инверсии, а во втором – о непрямом образовании инверсии.

Для инициирования этих реакций  необходимо затратить определенную энергию на получение химически  активных реагентов. Кроме того, надо позаботиться об ускорении химических процессов, поскольку химический лазер  может работать лишь на быстропротекающих  реакциях, которые обеспечивают достаточно быстрое заселение верхнего рабочего уровня высвечивающихся молекул. Скорость химической реакции пропорциональна концентрациям реагентов, вступающих в реакцию; поэтому для ускорения реакции требуется создать достаточно большое число химически активных реагентов.

Применяют разные способы  инициирования и ускорения химических реакций. Реагенты в атомарном состоянии  получаются при диссоциации молекул. Наиболее часто используют фотодиссоциацию, диссоциацию электронным пучком или импульсом в электрическом разряде, тепловое инициирование.

Источником оптического  излучения при фотоинициировании могут служить кварцевые импульсные лампы, либо различные типы открытых разрядов.

Первый вариант квантового генератора с химической накачкой был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н₂ или дейтерием D₂ образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение — молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF — на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

 

1.8 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники — превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников  разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся  в ней, способны возбуждаться при  прохождении электрического тока поперек  зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (—200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см² мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных  лазерах — лампой-вспышкой). Электроны  проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается  в сотни раз шире, чем при  возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких  лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых  лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен  миниатюрный источник света большой  мощности.

 

 

1.9 ПЛАЗМЕННЫЕ ЛАЗЕРЫ

При столкновениях свободных  электронов плазмы разряда с положительно заряженными ионами могут происходить  процессы рекомбинации, в результате которых электроны захватываются  ионами. При этом выделяется энергия, равная энергии связи электрона  в атоме, образовавшемся при захвате  ионом электроном. Указанная энергия  может приводить к накоплению атомов (ионов) в возбужденных состояниях. Это означает, что плазма, в которой  достаточно эффективно идут процессы рекомбинации, может использоваться в качестве инвертированной активной среды лазера. Соответствующие лазеры называют плазменными. В отличие от остальных сред, рекомбинационная плазма не меняет своего агрегатного состояния при сколь угодно высокой плотности вводимой в нее энергии. Это открывает принципиальную возможность для создания особо мощных лазеров. Кроме того, в рекомбинирующей плазме можно реализовать рабочие переходы, попадающие в ультрафиолетовый и даже рентгеновский диапазоны.

 

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

 

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Лазерная обработка  материалов. Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10¹² –10¹⁶ Вт/см² при фокусировке излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Лазерная сварка. Лазерная сварка успешно конкурирует с хорошо известными способами сварки – дуговой, сопротивлением, с помощью электронного пучка. Она обладает рядом преимуществ, которые делают ее во многих случаях предпочтительней или даже единственно возможной. При лазерной сварке отсутствует контакт со свариваемым образцом; поэтому нет опасности загрязнения какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в атмосфере. Она может производиться также в местах, которые для других видов сварки недоступны, например, внутри отпаянного вакуумного объема для проведения там восстановительного ремонта. Большой практический интерес представляет сварирование лазерным лучом элементов микроэлектроники внутри камеры, наполненной инертным газом, так как в этом случае исключаются реакции окисления. Лазерная сварка позволяет быстро и с высокой точностью локальное проплавление в заданной точке или вдоль заданной линии.

Развитие лазерной сварки прошло в два этапа. Вначале развивалась  точечная сварка – на основе импульсных твердотельных лазеров (на рубине, на стеклах с неодимом). С появлением мощных СО₂ – лазеров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное или импульсно-непрерывное излучение высокой мощности, стала развиваться ионная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров.

Лазерная термообработка. При облучении лазером поверхности металла наблюдается быстрое нагревание тонкого приповерхностного слоя в том месте, куда направлен лазерный пучок. По мере того, как пучок перемещается на другие участки поверхности, происходит столь же быстрое остывание нагретого участка. Это используют для закалки поверхностных слоев, приводящей к существенному повышению их прочности. Лазерная закалка позволяет осуществлять избирательное повышение прочности определенных участков поверхности – тех, которые в наибольшей степени подвергаются износу. Лазерная закалка позволяет существенно повысить твердость поверхностного слоя при высокой скорости обработки и минимальном искажении формы и размеров обрабатываемой детали.

Для повышения твердости  также применяют лазерное легирование. Легирующие присадки в виде порошка  предварительно наносятся на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером  происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала  детали в тонком приповерхностном слое.

Лазерная резка. Перечислим основные преимущества лазерной резки:

• Широкий диапазон разрезаемых материалов (бумага, ткань, фанера, стекло, керамика, листы металла);
• Возможность получения тонких и точных разрезов;
• Минимальное механическое воздействие, оказываемое на материал;
• Химическая чистота процесса резки;
• Возможность осуществления резки по сложному профилю в двух и даже трех измерениях;
• Возможность автоматизации процесса резки и получения тем самым высокой производительности.

Лазеры в микроэлектронике. Лазеры находят все более широкое применение в микроэлектронике: лазерная микросварка применяется в производстве компонентов электронных схем; испарение вещества под действием сфокусированного лазерного излучения используется для изготовления элементов электронных схем, а также для подгонки параметров компонентов к заданному номиналу. При изготовлении элементов электронной схемы сфокусированным лазерным лучом убирают (за счет испарения) часть металлической или полупроводниковой пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку. С помощью лазера можно целиком изготовить тонкопленочную схему со всеми располагающимися на ней резисторами и конденсаторами. Лазер можно использовать также для изготовления или подгонки фотошаблонов, применяемых для травления микросхем.

Лазерная связь  и локация. По сравнению с существующими средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает направленный луч (расходимостью ~10'), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ~2-3''). Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот ~100 МГц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов.

Первые сведения о применении лазерной локации относятся к 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м). Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п.

Лазеры в геодезии.

Оптические методы измерения  расстояний и углов хорошо известны в промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с использованием модулированного света были возможны лишь при небольших расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и упростить их. Методы дальнометрирования в геодезии с использованием света основаны на том, что в однородной среде оптическое излучение на всем пути распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Поскольку в геодезическом оптическом дальномере передатчик и приемник обычно совмещены, то расстояние между дальномером и объектом может быть найдено из простого соотношения:

L=c*t_L/2,

Где с – скорость света, L – измеряемое расстояние, t_L – время прохождения света от дальномера до объекта и обратно.

Таким образом, задача определения расстояния между дальномером и объектом сводится к определению соответствующего интервала времени между зондирующим импульсом и импульсом, отраженным от объекта.

 

Рисунок 7- Функциональная схема  импульсного дальномера.

 

 На рисунке 7 приведена схема гипотетического импульсного дальномера. Видно, что в качестве источника излучения используется твердотельный лазер и резонатор, в котором возможна модуляция добротности. Затем имеется приемо-передающая оптическая система и ряд блоков, назначение которых понятно из надписей, сделанных на них. Дальномер работает таким образом. Излучение лазера с помощью оптической системы направляется в сторону объекта, до которого необходимо измерить расстояние. Часть излучения с помощью полупрозрачного зеркала отводится на приемник излучения — опорный ФЭУ (фотоэлектронный умножитель) и направляется на блок измерения запаздывания для формирования опорного сигнала. Отраженное объектом излучение принимается оптической системой и направляется на сигнальный ФЭУ, сигнал с которого, пройдя усилитель, также попадает на блок измерения времени запаздывания. В этом блоке определяется время между опорным и отраженным сигналами. В качестве индикатора дальности может быть использована либо электронно-лучевая трубка, либо счетно-решающий прибор, показывающий непосредственную величину измеряемой дальности.