Принцип работы твердотельного лазера кратко

Обновлено: 30.06.2024

Широкое применение лазеров в различных областях науки и техники предопределила их способность генерировать интенсивное когерентное направленное монохроматическое излучение. В полиграфии использование лазеров началось сразу же после их появления. На протяжении последних лет и до настоящего времени технология лазерной записи информации непрерывно развивается. Подтверждение тому — присутствие на рынке большого количества компаний-производителей широкой номенклатуры устройств Сomputer-to-Plate.

Все используемые в экспонирующих модулях CtP-устройств лазеры по природе их активной среды можно разделить на три большие группы:

Каждая из групп имеет свои особенности, сильные и слабые стороны. Сравнение лазеров приведено в таблице.

Газовые лазеры

Активной средой лазеров данного типа является газ или смесь газов. Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие длины резонатора и добиваться высокой направленности и монохроматичности излучения. Оптическая накачка газовой системы неэффективна, так как в газе отсутствуют широкие полосы поглощения. Поэтому лазеры данной группы накачиваются пропусканием через активную среду электрического тока, или так называемым тлеющим разрядом. Реже используются методы химической накачки, газодинамического расширения и т.п.

В первых зарубежных и отечественных устройствах СtP, например в лазерном гравировальном автомате ЛГА, использовались CO 2 -лазеры. Однако в настоящее время они применяются редко, в основном для гравирования металлов или полимеров. Причиной тому стали такие недостатки CO 2 -лазеров, как высокие требования к охлаждению, малая глубина резкости, большой размер пятна (более 30 мкм). Более широкое применение нашли лазеры на основе инертных газов гелий-неоновый (He-Ne) и аргоновый (Ar).

Аргоновый лазер может испускать свет семи различных длин волн, однако более 80% подобных лазеров работают в диапазонах 488 (голубой) и 514,5 нм (зеленый). По сравнению с CO 2 -лазером аргоновый лазер гораздо дешевле и проще в эксплуатации. В технологию Computer-to-Plate аргоновый лазер пришел из ФНА, хотя сегодня используется в них редко. В настоящие время аргоновые лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра (см. рис. 1). Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, низкий КПД (до 10%) и большая потребляемая мощность (3-5 кВт). Тем не менее подобные лазеры используются в современном CtP-оборудовании. Например, аргоновый лазер может устанавливаться в устройстве PlateDriver компании Esko-Graphics. Максимальное разрешение PlateDriver составляет 5080 точек/дюйм при размере точки 6,5 мкм.

Другим типом газовых лазеров, используемым в CtP-устройствах, является гелий-неоновый, который также называют атомарным. В этом лазере в качестве активного вещества выступает смесь гелия и неона в соотношении примерно 20:3 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па.

Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона. При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В результате часть атомов неона переходит с основного энергетического уровня на долгоживущие возбужденные уровни, тем самым создавая накачку лазера.

В диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (~130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, а также постоянного магнита. В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2-1,0 м. Трубка изготавливается из высококачественного кварцевого стекла. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. С увеличением ее диаметра, с одной стороны, возрастает объем рабочей смеси, с другой уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов.

Гелий-неоновым лазером с длиной волны 633 нм оснащаются, например, плоскостные устройства TigerCat компании ECRM. Максимальное разрешение записи устройств TigerCat 3556 точек/дюйм, при размере точки 14 мкм.

Несмотря на неплохие характеристики газовых лазеров, в последнее время производители оборудования CtP, как правило, отдают предпочтение более простым и дешевым твердотельным и полупроводниковым лазерам.

Твердотельные лазеры

Активной средой в современных твердотельных лазерах, как правило, является диэлектрический кристалл, в который введены ионы редкоземельных металлов, например неодима. Система оптической накачки выполнена в виде отражателя в корпусном исполнении. Внутри отражатель имеет форму эллипса, в фокусе которого находятся активный элемент (активная среда) и лампы накачки. Оптическим резонатором служат противоположные полированные грани активного элемента, на которые нанесен слой металла.

В качестве активного элемента в первом промышленном лазере использовался рубин, однако в настоящее время твердотельные лазеры создаются в основном на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой ионов неодима (Nd: YAG). Активной средой в них является кристалл Y₃Al₅O 12 , в котором часть ионов Y 3+ замещена ионами Nd 3+ .

Nd: YAGлазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме для накачки используются ксеноновые лампы, в непрерывном криптоновые. Размеры стержней такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры мощности:

· в непрерывном многомодовом режиме до 500 Вт;

· в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов (50 Гц) до 200 Вт;

· в режиме РМД до 50 МВт.

Твердотельные лазеры нашли применение в науке (лазеры с РМД), в медицине, в обработке материалов (резка, сверление, сварка, осаждение металлов и т.д.).

В устройствах CtP используются лазеры мощностью от 1 Вт до нескольких кВт. КПД составляет от 3 (при использовании для накачки ламп) до 10% (при применении для накачки диодов). Глубина резкости при этом достигает 60 мкм. Используют лазеры с длиной волны 1064 нм, а также с удвоенной частотой (532 нм). Твердотельные лазеры имеют следующие достоинства:

· небольшая длина волны позволяет получить пятно диаметром менее 10 мкм и значительно повысить разрешение записи;

· минимальные потери при прохождении по оптоволоконным световодам и легкость модуляции упрощают конструкцию лазерных установок;

· значительное число известных материалов (в особенности металлов) имеют высокий коэффициент поглощения в области излучаемых длин волн, что облегчает разработку формных пластин и повышает эффективность лазерной записи.

В CtP-устройствах, оснащенных твердотельными лазерами, компании предлагают фотополимеризующиеся и серебросодержащие формные пластины, а также пластины с гибридными и термочувствительными слоями. При этом под воздействием лазера с длиной волны 1064 нм термочувствительные слои могут подвергаться термодеструкции, абляции или термоструктурированию.

Твердотельными YAG-лазерами оснащаются CtP-устройства Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) и многие другие. Однако в последнее время все чаще вместо твердотельных лазеров используются лазерные диоды.

Оптоволоконные лазеры

Полупроводниковые лазеры

В лазерах этого типа активной средой является полупроводниковый кристалл. Наиболее распространенный способ накачки пропускание через кристалл тока.

В системах CtP обычно используются диоды малой мощности. Однако при их объединении в группы суммарная мощность системы может достигать сотен ватт при КПД 50%. Обычно полупроводниковые лазеры не требуют применения специальных систем охлаждения. Интенсивное водяное охлаждение используется только в устройствах повышенной мощности.

Главным недостатком полупроводниковых лазеров является неодинаковое распределение энергии по сечению лазерного луча. Однако, благодаря хорошему соотношению цены и качества, полупроводниковые лазеры стали в последнее время наиболее востребованным видом источников экспонирующего излучения в CtP-системах.

Широко применяются сегодня инфракрасные диоды с длиной волны 670 и 830 нм. Среди устройств, оснащенных ими Lotem и Trendsetter (Creo); PlateRite (Dainippon Screen); Topsetter (Heidelberg); XPose! (Luscher); Dimension (Presstek). Для повышения производительности устройств экспонирование осуществляется матрицей диодов. Минимальный размер точки обычно лежит в пределах 10-14 мкм. Однако малая глубина резкости ИК-диодов требует применения дополнительных операций по коррекции луча. Из достоинств ИК-диодов можно отметить возможность загрузки пластин при дневном свете.

В последнее время во многих моделях CtP-устройств используется фиолетовый лазерный диод с длиной волны 405 нм. Полупроводниковый фиолетовый лазер применяется в промышленности сравнительно недавно. Его внедрение связано с разработкой технологии DVD. Достаточно быстро новый источник излучения стал применяться в системах Computer-to-Plate. Фиолетовые лазерные диоды дешевы, долговечны и имеют достаточную для воздействия на копировальные слои пластин энергию излучения. Однако из-за коротковолновой эмиссии лазер очень прихотлив в работе, а на качество записи большое влияние оказывают качество поверхности печатной пластины и состояние оптики. Пластины для экспонирования фиолетовым лазером можно загружать при желтом освещении. В настоящее время фиолетовый лазер используется в следующих устройствах: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V/Vx (FujiFilm); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).

Характеристики лазеров

Размер пятна (поперечного сечения луча) лазера определяет разрешение записи. Например, при линиатуре вывода 54 лин/см размер лазерного пятна должен быть 12 мкм. Размер пятна связан с другими характеристиками лазерного луча и оптической системы следующим упрощенным соотношением:

где f фокусное расстояние линзы; длина волны лазерного излучения; M 2 коэффициент качества; r радиус кривизны линзы.

Как видно из формулы, чем больше длина волны лазера, тем труднее сфокусировать луч в пятно малого диаметра.

Глубина резкости (фокуса) определяется как наибольшее расстояние, измеренное вдоль оптической оси, между точками, воспроизводимыми достаточно резко (рис. 3). Поверхность формного материала, как правило, не совсем однородна, а толщины копировальных слоев современных пластин могут варьироваться в диапазоне 10-50 мкм. Если глубина резкости будет недостаточной, то о качественной засветке или удалении слоя говорить будет затруднительно. При прямом гравировании фотополимерной пластины глубина резкости должна быть от 0,5 до 2,5 мм, иначе невозможно будет сформировать профиль печатающего элемента (рис. 4). Некоторые компании, например Hell Gravure Systems, определяют глубину резкости как 10% от диаметра сфокусированного луча. Ниже приведена формула для оценки глубины резкости:

Таким образом, длина волны и качество луча обратно пропорциональны разрешающей способности и прямо пропорциональны глубине резкости.

Время экспонирования лазерным лучом в основном зависит от двух факторов: мощности лазера и светочувствительности применяемого материала, которая обычно обозначается в Дж/см 2 или в Втхс/см 2 . Например, печатная форма площадью 1 м 2 , обладающая светочувствительностью 3,5 Втхс/см 2 , требует для ее засветки 35 кВтхс (10 000 см 2 х 3,5 Втхс/см 2 ). Для лазера мощностью 45 Вт время экспонирования составит 35 000/45 = 778 с, то есть около 13 минут.

Лазерный луч может доставляться к поверхности материала тремя способами. В самом простом случае лазер (обычно лазерные диоды) помещается в записывающей головке и движется вместе с ней. При другом способе лазер неподвижен, а луч развертывается с помощью системы зеркал и линз, что ведет к увеличению требований к точности и жесткости всей конструкции. При третьем способе используются оптические световоды.

Многие компании используют различные ухищрения для улучшения технических параметров своих устройств, например уменьшают размеры пятна путем пропускания луча через модулирующую диафрагму (рис. 5). Главный недостаток такого решения потеря значительной части (до 75%) мощности лазера. К тому же подобные системы требуют интенсивного охлаждения. Другой путь повышения разрешения экспонирование изображения с наложением лучей (рис. 6). Эта технология используется не только в CtP-системах, но и в фотонаборных автоматах и лазерных принтерах. Для компенсации малой глубины резкости применяются системы автофокусировки.

Использованная литература

Хьюстин Д.Л., Чантри П.Д., Висанд В. Д. Газовые лазеры. 1986.

Brunner L. Making a CtP change//Printing world. 1999. № 4.

Breiholdt J. The suitability of laser technologies for digital production of flexographic printing forms//Special Bulletin by Hell Gravure Systems. 2002. № 11.

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Твердотельный лазер — это лазер, который в отличие от газовых лазеров, использует активную среду твердого состояния. В качестве такой активной среды используют различные стекла, кристаллы, которые активируются редкоземельными элементами.

Твердотельный лазер отличается очень высокой эффективностью, некоторые модели достаточно компактные. Одним из таких лазеров является модель DPSS, которая приобретает все большую популярность. Яркое преимущество этой модели лазеров — высококачественное излучение, учитывая взгляд монохроматичности и фокусировки. Также они имеют более узкий диапазон длины волн и расходимость его луча значительно меньше. Преимущества DPSS лазера состоит в более простом и дешевом устройстве, малые габариты, очень устойчив к повреждениям, имеет ресурс работы более 10000 часов. В целом, длина волн твердотельных лазеров разная и она варьируется от УФ — до средней ИК — областей. Работа таких лазеров импульсная, в непрерывном или квазинепрерывном режиме.

Генерируются твердотельные лазеры по трехуровневой схеме или четырехуровневой. Активный элемент представляет собой форму кругового цилиндра, бывает стержня прямоугольного сечения. В редких случаях активный элемент имеет более сложную конфигурацию. Когда применяется рабочее тело больших размеров, для достижения однородного воздействия возбуждения, используют несколько ламп накачки, находящихся вокруг этого тела. Особенное распространение получили активаторы для материалов — это ионы Ned 3+ .

Большое применение в технике и науке находят лазеры, основой которых является фосфатные и силикатные стекла с неодимом, преобразующие излучение в районе 1,05 мкм. Использование лазеров на основе таких стекол позволяет создать более мощный импульс. Активный элемент из такого стекла отличается высоким оптическим качеством и могут иметь большой обьем при заданной форме элемента.

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Твердотельные лазеры, оснащенные фосфатным стеклом с неодимом, имеют самые активные импульсы. Также широко применяются кристаллы алюмината иттрия, фторида лития. Такие лазеры занимают важное место в развитии лазерной обработки, так как имеют огромные положительные стороны в работе.

Твердотельный лазер имеет большие преимущества перед газовым лазером. Например, он применяется для работы с конструкционной стали любой толщины. Аккуратно справляется с тонкой черной сталью и нержавеющей, оставляя кромку чистой. Режет тонкий алюминий, качественно обрабатывает цветные металлы.

Твердотельные лазеры все больше распространяются в разных областях жизни и производства. Им не только выполняют высококачественную резку металла, но и качественную сварку. Применяют в новых технологиях электронных приборов, в медицине, оптической обработке информации. В интегральной и волоконной оптике, лазерной спектроскопии, лазерной химии, нелинейной оптике, сверхскоростной фотографии, используют сейсмографы, различные физические приборы.

Оставьте свой комментарий Отменить ответ

Высокоточное оборудование все чаще встречается в производстве. Даже небольшие компании…

Лазер - полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

Современные научные исследования

Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10 –9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Рубиновый лазер (Т. Мейман, США, 1960). Рубин представляет собой кристалл корунда Аl2О3 с примесью (=0,05%) ионов Cr3+, заменяющих в крист. решётке атомы Аl. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с осн. уровня ?1 на возбуждённые уровни ?3, образующие две широкие полосы 1 и 2

Отношение энергии лазерного импульса к электрич. энергии питания лампы накачки — кпд рубинового Т. л. мал (неск. %) вследствие потерь на преобразование электрич. энергии в световую в лампах и в схеме питания, неполного поглощения энергии излучения ламп активным элементом (=15%) и в результате безызлучательных потерь энергии в активном веществе. Уд. энергия импульса генерации от каждого см3 в-ва рубинового лазера достигает неск. Дж; примерно столько же энергии передаётся решётке кристалла вследствие безызлучательных потерь. Выделение энергии =1 Дж/см3 нагревает кристалл на десятки град. Выделение теплоты происходит неодинаково по сечению активного в-ва, нарушая его оптич. однородность. Это приводит к искажению фронта генерируемых волн и к расходимости луча Т. л. При чрезмерном выделении теплоты кристалл разрушается.

Лазерные среды Т. л. К 1982 лазерный эффект обнаружен более чем у 250 диэлектрич. кристаллов с примесями. Среди них можно выделить группу т. н. оксидных лазерных кристаллов (напр., рубин Аl2O3-(Cr3+), итриево-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима: Y3Al5Ol2(Nd3+), ниобат никеля NiNbO3(Nd3+)) и группы фторидных кристаллов (LiYF4(Nd3+), LiHoF4(Nd3+) и др.). Большинство Т. л. излучает в диапазоне l от 1 до 3 мкм. Для улучшения параметров, в частности повышения кпд, в кристалл наряду с рабочими ионами — активаторами добавляют ионы — сенсибилизаторы. Их роль сводится к поглощению энергии и передаче возбуждения рабочим ионам.

Для создания малогабаритных Т. л. применяются кристаллы, в которых активные ионы входят в состав крист. решётки (напр., пентафосфат неодима), а не вводятся в качестве примесей. В таких кристаллах потери энергии из-за концентрац. тушения уменьшены за счёт упорядоченного расположения активных ионов и фиксированных расстояний между ними. При этом концентрация активных ионов может превышать 20%, в то время как в примесных кристаллах она не превышает 5% из-за большой вероятности образования близких пар, для к-рых безызлучательные потери особенно велики.

Др. типом активных веществ для Т. л. являются смешанные разупорядоченные системы (тв. растворы). При этом примесные атомы входят в состав мн. различных активац. центров. В результате этого спектры поглощения в-ва состоят из широких полос, что увеличивает кпд. К смешанным крист. средам по св-вам примыкают стёкла.

Для ряда применений важно сократить Dtл, т. к. при заданной энергии импульса пиковая мощность возрастает с уменьшением его длительности. Для этого служит т. н. метод модулированной добротности, основанный на включении резонатора Т. л. спец. затвором. Оптич. накачку осуществляют при закрытом затворе, накапливая энергию в активном веществе в виде нарастающего количества возбуждённых ионов. Затем быстро открывают затвор, включая резонатор (см. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ). При этом вся запасённая в активном элементе энергия возбуждения (или большая её часть) высвечивается в виде короткого светового импульса, длительность к-рого определяется скоростью открывания затвора или, если время открывания затвора достаточно мало, временем установления эл.-магн. поля в резонаторе. С помощью оптич. затвора обычно получают Dtл =10-7—10-8 с. Полная энергия импульса в режиме модулиров. добротности вследствие потерь на сверхлюминесценцию оказывается меньшей, чем в режиме свободной генерации. Однако выигрыш в мощности: за счёт уменьшения Dtл достигает неск. порядков.

Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи просветляющих фильтров. В них применяются слабые р-ры красителей, концентрация к-рых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось выравнивание населённости соответствующих энергетич. уровней (н а с ы щ е н и е), при к-ром раствор становится прозрачным (см. ПРОСВЕТЛЕНИЯ ЭФФЕКТ). Введение в резонатор просветляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накапливаются возбуждённые ч-цы, соответственно растёт интенсивность спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. При достижении уровня просветления раствор становится прозрачным, и генерируется серия сверхкоротких импульсов, интервалы между к-рыми определяются временем прохождения света между зеркалами резонатора. Длительность генерируемых импульсов имеет порядок менее 10-9 с, при энергии в неск. Дж. что соответствует мощности более 1010 Вт. Т. л. на стекле с примесью Nd генерируют последовательность импульсов с длительностями 10-11—10-12 с.

Энергия сверхкоротких импульсов невелика. Её можно значительно увеличить при помощи одного или неск. Т. л., работающих в режиме усиления. При этом достигается пиковая мощность 1013—1014 Вт при расходимости пучка, близкой к дифракционной.

Режим синхронизации мод можно осуществить амплитудной или фазовой модуляцией оптич. резонатора. Модулируются пропускание выходного зеркала или расстояние L между зеркалами с частотой, равной частоте межмодовых биений W=c/2L. Этот метод используется в Т. л. с непрерывной накачкой, излучение к-рых представляет собой непрерывную последовательность импульсов длительностью Dt ?1 нс, следующих друг за другом с частотой W.

Непрерывный режим генерации в Т. л. возможен только в активных веществах, работающих по четырёхуровневой схеме. При этом ниж. уровнем рабочего перехода явл. не осн. уровень ?1, а промежуточный уровень ?2, энергия к-рого должна превосходить kT с тем, чтобы его равновесная населённость была малой. Время безызлучательной релаксации с этого уровня тоже должно быть малым, иначе лазерный переход ?3®?2 будет насыщаться при малой мощности генерации (см. рис. 4, б в ст. (см. ЛАЗЕР)). Т. л. непрерывного действия осуществлены на кристалле Y2Al5O12(Nd3+), CaF2(Dy3+) и др. Мощность генерации Т. л. в непрерывном режиме на кристаллах алюминиево-иттриевом гранате и на стекле с Nd достигает сотен Вт. Возможен также режим генерации импульсов с большой частотой повторения, для Y2Al5Ol2(Nd3+) до неск. кГц.

Спектр излучения Т, л. (если не принимать спец. мер) сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовый режим генерации. Введением в оптич. резонатор селектирующих элементов удаётся получать одномодовую генерацию с узким спектром. Новые возможности для создания Т. л. с перестраиваемой частотой в широких пределах связаны с использованием в кач-ве активной среды ионных кристаллов (напр., фторидов) со сложными центрами окраски. Это позволило расширить область генерации в ИК область до l = 3,5 мкм.

Применения Т. л. чрезвычайно разнообразны. В технологии (сварка, резка и т. д.) используются Т. л. на основе рубина, неодимового стекла и Y2Al5O12(Nd3+) с мощностью генерации от десятков Вт до неск. кВт.

В медицине применяются гл. обр. Т. л. на неодимовом стекле с энергией излучения 1000 Дж в режиме свободной генерации (терапия) и Т. л. на Y2Al5Ol2(Nd3+) в непрерывном или периодич. режимах (хирургия). Этот же тип Т. л. используется в оптич. локации и связи. Т. л. с Dtл=10-8—10-12 с применяются в высокоскоростной фотографии, а одномодовые Т. л. в голографич. устройствах регистрации быстропротекающих процессов (см. ГОЛОГРАФИЯ). Сверхмощные Т. л. на стекле с Nd применяются для исследования термоядерной плазмы (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов привело к открытию нового класса оптич. явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрич. преобразование частоты света (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Читайте также: