Классификация и области применения лазеров

Конец XX в. и начало XXI в. характеризуется широким внедрением лазеров, новых высокосортных источников электромагнитной энергии, практически во все отрасли науки и техники, промышленность, строительство, сельское хозяйство и т.п.

Лауреат Ленинской и Нобелевской премий, Дважды Герой Социалистического труда академик Басов Н.Г. назвал лазеры основным инструментом XXI в.

Одно из основных направлений применения лазеров - это машиностроение (рис1.9). В настоящее время созданы лазерные технологические комплексы в большинстве автомобильных и самолетостроительных фирм Запада, позволяющие с высокой точностью и скоростью производить: раскрой листового материала, сварку, сверление отверстий в самых труднодоступных местах, термообработку крупногабаритных деталей, увеличивающих значительно их срок службы. При этом следует отметить, что в отличие от других методов обработки лазеры имеют явные преимущества по скорости резки, точности выполнения любых технологических операций, а лазерные технологические комплексы (ЛТК) позволяют работать с большей производительностью и с полной автоматизацией производства.(см. приложение 1.)

Второе очень важное направление применения лазеров связано с информатикой, в этом случае лазеры работают в лазерных принтерах, различных лазерных цветомузыкальных установках с использованием как непосредственно лазеров, так и лазерных дисков, в дальномерных и локационных установках и др.

Третье направление, где широко внедряются лазеры - это медицина. Лазеры используются для лечения любых заболеваний глаз в офтальмологии; для выполнения хирургических практически бескровных операций, особенно на крове наполненных органах, в частности, на сердце для восстановления кровотока в мышцах миокарда; в физиотерапии для быстрейшего заживления ран, срастания костей, лечения остеохондроза и многих других заболеваний.

На рис. 1.9 представлены также перспективные области применения лазеров, среди которых одно направление связано с решением глобальной проблемы для всего человечества. Это направление характеризует возможность создания лазерных практически безопасных термоядерных электростанций с неисчерпаемыми источниками сырья (дейтерия и трития). Идея осуществления термоядерных реакций под действием лазеров была предложена в России лауреатом Нобелевской премии Басовым Н.Г. и О.Н. Крохиным в 1963 г., а в 1968 г. на их установке в Физическом Институте РАН зарегистрированы термоядерные нейтроны при сферически-симметричном облучении таблетки из термоядерного горючего. В настоящее время в США принята национальная программа по созданию мощной лазерной установки с выходной энергией более 1 МДж для лазерной термоядерной электростанции и уже получено равенство лазерной энергии и термоядерной.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют создавать интенсивность 10⁵… 10⁸ Вт/см², что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации ко­ротких импульсов интенсивность излучения дости­гает величин 10¹⁵… 10¹⁸ Вт/см², что по­зволяет наблюдать нелинейные оптические эффек­ты и открывает возможность создания лазерного управляемо­го термоядерного синтеза.

Кроме того благодаря уникальным свойствам излучения, ла­зеры нашли широкое применение в авиации и космонавтике, су­достроении, геодезии, строительстве, измерительной технике, голографии, при исследовании структуры вещества, в вычислительной технике, микроэлек­тронике, для создания различных оптических эф­фектов в театрально-зрелищных мероприятиях, осуществлении направленных химических реак­ций, разделении изотопов и т. п. Лазеры позволя­ют быстро и надежно контролировать загрязнен­ность атмосферы и поверхности моря, выявлять наи­более нагруженные участки деталей различных ме­ханизмов, определять внутренние дефекты в них.

При работе с лазерными установками человек может подвергаться воздействию прямого (коллимированного), рассеянного и отраженного излу­чения. Энергия лазерного излучения, поглощен­ная тканями, преобразуется в другие виды энер­гии: тепловую, механическую, энергию фотохи­мических процессов, что может вызывать ряд эффектов: тепловой, механический, биологический и др., способных оказывать негативное действие на организм человека или отдельные его органы и в первую очередь на глаза и кожу. В основе по­вреждений глаз и кожи, выявленных для относи­тельно кратковременных воздействий, лежит теп­ловой механизм. В то же время в опытах на жи­вотных и при клиническом обследовании лиц, подвергавшихся хроническому воздействию ма­лых уровней излучения, показана возможность неблагоприятного действия лазерного излучения на внутренние органы (печень, спинной мозг и др.).

Все это свидетельствует о том, что у людей, подвергающихся воздействию лазерного излуче­ния, могут возникать как патологические измене­ния, обусловленные тепловым механизмом дейст­вия излучения, так и различного рода функцио­нальные изменения, обусловленные биологиче­скими эффектами, механизм которых изучен недостаточно.

Лазерное излучение новый физический фактор, который не пред­ставляет такой опасности как загрязнение воздуха химическими и радио­активными веществами или воздействие электромагнитных излучений в диапазоне низких, средних и сверхвысоких частот.

Однако, существует потенциальная опасность воздействия на орга­низм человека прямого и отраженного лазерного излучения и в первую очередь на органы зрения.

 

По активному элементу лазеры разделяют на твердотельные, газовые, жидкостные, полупровод­никовые, газодинамические.

К твердотельным лазерам относят лазеры на ру­бине, стекле, активированном неодимом, иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ); пластмассах и других диэлектрических кристаллах и кристаллах с ион­ной структурой. Эффект стимулированного излу­чения обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов с примесью ионов переходных групп [3]. Спектр излучения твердотельных лазеров ле­жит в основном в видимой и ближней инфракрас­ной области. Наибольшее промышленное приме­нение нашли активные элементы из рубина, стек­ла, активированного неодимом, и иттрий-алюми­ниевого граната.

Рубиновые лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режиме. Максимальная скорость по­вторения импульсов у этих лазеров обычно не пре­вышает нескольких импульсов в минуту.

В тех случаях, когда требуются редкие импульсы большой энергии, используют лазеры на стекле, ак­тивированном неодимом. Лазеры этого типа обеспе­чивают генерацию импульсов с энергией до 1000 Дж при длительности импульса ~1 мс. В необходимых случаях с помощью этих лазеров можно получать пикосекундные импульсы.

Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. На частоту повторения импульсов у лазе­ров на ИАГ практически нет ограничений. Лазеры этого типа обеспечивают генерацию как коротких, так и длинных импульсов; хорошо работают в ре­жиме модуляции добротности и в режиме синхро­низации мод. Энергия импульсов длительностью ~1 мс обычно не превышает нескольких джоулей при генерации в режиме нулевой моды и порядка нескольких сотен джоулей при генерации в много-модовом режиме.

Газовые лазеры объединяют лазеры на ней­тральных атомах, на ионизированных газах, на двухатомных и многоатомных молекулах. Наиболь­шее распространение получили лазеры на линиях Aril, лежащих в зелено-голубой области видимого спектра. За ними следуют лазеры на красной и жел­той линиях KrII, на голубой и УФ-линиях Cdll, на УФ-линиях Znll, Arlll и Xelll. Среди молекуляр­ных лазеров наибольшее распространение получи­ли лазеры на молекулах СО и СО₂, генерирующие излучение в ИК-диапазоне и характеризуемые вы­соким значением коэффициента усиления, выход­ной мощности и КПД, как в импульсном, так и в не­прерывном режимах. Значительный интерес пред­ставляют лазеры на парах металлов, в которых гене­рация осуществляется на переходах атомных частиц, т. е. на переходах атомов или атомных ионов.

Газодинамические лазеры, представляющие со­бой разновидность молекулярных газовых лазеров, у которых источником энергии служат колебатель­но-возбужденные молекулы, содержащиеся в газе, нагретом до высокой температуры. Активная среда газодинамических лазеров представляет собой трехкомпонентную смесь, излучающую в инфра­красной области спектра (10,6 мкм).

Газовые лазеры объединяют также и химические лазеры, в которых энергия излучения получается за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции. В химических лазерах происходит прямое преобразование хими­ческой энергии в энергию высоконаправленного электромагнитного излучения. Химические лазеры генерируют излучение в основном в инфракрасном спектре.

Эксимерные лазеры генерируют импульсное из­лучение в УФ-области спектра. Для этого типа ла­зеров характерна длительность импульсов порядка нескольких наносекунд, частота повторения им­пульсов несколько сотен герц, выходная энергия не превышает десятых долей джоуля. Диаметр пуч­ка составляет несколько сантиметров, угол расхо­димости — несколько мрад.

Практическое использование из газовых лазе­ров нашли Не—Ne лазеры, Не—Cd лазеры, Аг- и Кг-ионные лазеры, СО₂ лазеры и лазеры на галогенидах инертных газов (эксимерные).

Жидкостные лазеры характеризуются использова­нием в качестве активного элемента жидких сред — металлоорганических и неорганических. Эти лазе­ры генерируют излучение в видимом, ультрафио­летовом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Сочетая в себе ряд достоинств, присущих твердотельным и газовым лазерам, жидкостные ла­зеры выходят в число весьма перспективных лазе­ров для применения некоторых научных и техни­ческих задач, где определяющее значение имеют монохроматичность и когерентность излучения. Благодаря возможности достаточно просто пере­страивать длину волны генерируемого излучения в диапазоне от 0,2 до 1,0 мкм, лазеры этого типа пер­спективны для применения в метрологии, метео­рологии, спектроскопии, при получении чистых химических веществ, при решении некоторых за­дач в медицине и биологии, в фотохимии.

Выделение в отдельную группу полупроводни­ковых лазеров, хотя используемые в них полупро­водники являются твердыми телами, объясняется существенным отличием характера генерации из­лучения. Длина волны излучения, генерируемого полупроводниковыми лазерами, лежит в интерва­ле от ближнего ультрафиолетового до инфракрас­ного диапазона спектра. Полупроводниковые ла­зеры отличаются малыми габаритами и энергопо­треблением.

В настоящее время широко применяются полу­проводниковые инфракрасные инжекционные лазе­ры, позволяющие перестраивать длину волны пу­тем изменения электрических и физических пара­метров. Мощность излучения таких лазеров в многомодовом режиме обычно составляет несколько милливатт, а в одномодовом режиме она не превы­шает одного милливатта. Импульсная мощность у полупроводниковых лазеров может достигать 1 кВт и более. Излучение полупроводниковых лазеров характеризуется достаточно большим углом расхо­димости.

Полупроводниковые лазеры находят примене­ние в системах сигнализации, считывания инфор­мации в голографических запоминающих устройст­вах, стыковки космических кораблей, дальнометрии, переговорных устройствах, системах видения в ноч­ных и плохих метеорологических условиях, опти­ческих линиях связи и многих других областях, где не требуются большие мощности и энергии.

Следует отметить, что рабочее тело лазера может являться источником опасных производственных факторов. Это особенно относится к газовым, хи­мическим и жидкостным лазерам, в которых ис­пользуются химически агрессивные и токсические вещества.

По мощности (энергии) генерируемого излуче­ния лазеры разделяют на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Эта характе­ристика лазера связана как с активным элементом, так и возможной областью практического исполь­зования лазера. К маломощным лазерам относят такие лазеры, излучение которых не вызывает за­метных изменений в облучаемом веществе. В тех случаях, когда излучение способно вызвать разо­грев облучаемого материала до температур плавле­ния без интенсивного испарения, его называют из­лучением средней мощности. Лазеры, излучение которых способно разрушать облучаемый матери­ал, называют мощными. При работе сверхмощных лазеров возможно возникновение ионизирующего излучения. Такое деление лазеров является доста­точно субъективным. Однако учет степени опасно­сти генерируемого излучения делает разделение ла­зеров по энергетическим характеристикам более конкретным.

По режиму работы лазеры разделяют в зависи­мости от процесса генерации излучения. Лазеры в зависимости от продолжительности активизации активной среды могут генерировать непрерывное или импульсное излучение. Продолжительность им­пульса может колебаться от фемтосекунд (10~¹⁵ с) или пикосекунд (10~¹² с) до больших долей секун­ды. Если лазер излучает импульсы продолжитель­ностью менее одной наносекунды (10~⁹ с), то это будет лазер с синхронизированными модами. Если лазер излучает импульсы от нескольких наносе­кунд (не) до 100 не, то речь идет о лазере "с моду­ляцией добротности". Если за излучением лазера с оптической накачкой следует излучение лампы вспышки, то такой лазер называется лазером с длительным импульсом или нормальным им­пульсом. Лазеры, которые характеризуются непре­рывным излучением в течение периодов, превы­шающих 1 с, называются "непрерывными лазера­ми". Лазеры, которые излучают группы или "серии" импульсов, называются "импульсно периодически­ми", а частота импульсов называется "частотой по­вторения импульсов" (ЧПИ).

По длине генерируемой световой волны лазеры разделяют на рентгеновские, ультрафиолетовые видимого спектра, ближнего инфракрасного спек­тра, инфракрасные. В настоящее время генерация лазерного излучения получена в широком спек­тральном диапазоне от ультрафиолетовой до субмил­лиметровой области (ориентировочно от 0,1 мкм до 1 мм). В остальных спектральных диапазонах воз­можность генерации лазерного излучения пока до­казана лишь теоретически или имеются опытные образцы лазеров, не вышедшие за пределы иссле­довательских лабораторий. Длина волны лазерного излучения связана с активным элементом и непо­средственно влияет на величину предельно допус­тимого уровня излучения, воздействующего на раз­личные органы или ткани человека.

Метод создания инверсной населенности (метод накачки) зависит от активного элемента. В различ­ных лазерах используют следующие методы накач­ки: электрический разряд (самостоятельный, тлею­щий, дуговой), который осуществляется либо по­стоянным током, либо полем высокой частоты, ли­бо с помощью внешнего ионизатора, например пучка быстрых электронов; оптическую накачку с помощью ксеноновых или криптоновых ламп; на­качку с помощью химических реакций; тепловую накачку.

Способы накачки могут создать дополнитель­ные факторы опасности — выделение озона, оки­слов азота, образование электромагнитных полей, интенсивного светового излучения и др.

Назначение (цель использования лазера) опре­деляет выбор основных технических характеристик лазера и требования к его конструкции. Как уже отмечалось ранее, лазерное излучение обладает ря­дом уникальных свойств. В зависимости от того, какие свойства лазерного излучения используют для достижения поставленной цели, можно услов­но выделить три направления применения лазеров. Первое направление предусматривает использова­ние энергетических характеристик излучения, бла­годаря которым воздействие излучения на матери­ал вызывает его нагрев и в необходимых случаях приводит к изменению его агрегатного состояния. Второе направление предусматривает использова­ние таких свойств излучения, как пространствен­ная и временная когерентность, монохроматич­ность и стабильность частоты. Третье направление предусматривает использование направленности излучения. Основные области применения лазеров в зависимости от плотности потока излучения при­ведены на рис. 4.

По назначению лазеры разделяют на уникаль­ные, исследовательские, специальные, промыш­ленные.

Конструктивное исполнение определяют как тех­нические характеристики лазера (активный эле­мент, мощность, метод накачки, режим работы), так и его назначение. Промышленные лазерные ус­тановки в большинстве случаев являются установ­ками закрытого типа. Уникальные и исследова­тельские лазеры могут быть закрытые, но в боль­шинстве случаев открытые. В данном случае име­ется в виду экранировка зоны прохождения пучка лазерного излучения. По рассматриваемому при­знаку лазеры условно можно разделить на стацио­нарные, передвижные, открытые и закрытые.

Способы отвода теплоты делят на естественное и принудительные. Для принудительного охлажде­ния в зависимости от технических характеристик лазера применяют воздух, воду или спецжидкости. Использование для охлаждения снецжидкостей мо­жет в ряде случаев явиться дополнительным источни­ком опасных и вредных производственных факторов.

Анализ характеристик и принципов действия различных типов лазеров позволяет отметить, что каждый из них обладает специфическими свойст­вами, которые, в свою очередь, определяют область их применения. В настоящее время в промышлен­ности используется ограниченное число типов ла­зеров. Это, в основном, лазеры, генерирующие из­лучение в видимом диапазоне спектра (X = 0,44... 0,59 мкм; А, = 0,63 мкм; Я. = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (А, = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спектра (А, = 10,6 мкм).