Применение лазерных технологий в промышленности переживает настоящий бум. Лазеры используются не только для разделения материала, маркировки или сварки, но также и для очистки. Встретить его можно не только в автомобильной сфере, но и в других отраслях.
Обычное поведение света при прохождении через среду
Обычно при прохождении света через какую-нибудь среду, его интенсивность ослабевает. Численное значение данного ослабления можно найти из закона Бугера:
В данном уравнении, помимо интенсивностей света I при вхождении в среду и при выходе из нее, присутствует еще и коэффициент, называемый линейным коэффициентом поглощения света средой. В традиционной оптике этот коэффициент всегда положителен.
Отрицательное поглощение света
А если бы коэффициент поглощения оказался по какой-то причине отрицательным? Что тогда? Получилось бы усиление света при его прохождении через среду, фактически среда бы демонстрировала отрицательное поглощение.
Условия для наблюдения такой картины можно создать искусственно. Теоретическую концепцию относительно пути к осуществлению предлагаемого явления, в 1939 году сформулировал советский физик Валентин Александрович Фабрикант.
В ходе анализа гипотетической среды для усиления проходящего через нее света, Фабрикант предложил принцип усиления света. А в 1955 году советские физики Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров реализовали данную идею Фабриканта в радиочастотной области электромагнитного спектра.
Рассмотрим физическую сторону возможности отрицательного поглощения. В идеализированном виде энергетические уровни атомов можно представить в виде линий — будто-бы атомы в каждом из состояний обладают лишь строго определенными энергиями E1 и E2. Это значит, что переходя от состояния к состоянию, атом либо излучает, либо поглощает исключительно монохроматический свет точно определенной длины волны.
Но реальность далека от идеала, и на самом деле энергетические уровни атомов имеют определенную конечную ширину, то есть это не линии с точными значениями. Поэтому и при переходах между уровнями будет иметь место некоторая область излучаемых или поглощаемых частот dv, зависящая от ширины энергетических уровней, между которыми осуществляется переход. Значениями E1 и E2 можно обозначить лишь середины энергетических уровней атома.
Итак, поскольку мы приняли, что E1 и E2 – это середины энергетических уровней, то можно рассмотреть атом в двух данных состояниях. Пусть E2>E1. Атом может поглощать либо испускать электромагнитное излучение при переходе между этими уровнями. Допустим, находясь в основном состоянии E1, атом поглотил внешнее излучение с энергией E2-E1 и перешел в возбужденное состояние E2 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B12).
Находясь в возбужденном состоянии E2, атом, под действием внешнего излучения с энергией E2-E1, излучил квант с энергией E2-E1, и вынужденно перешел при этом в основное состояние с энергией E1 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B21).
Если параллельный пучок монохроматического излучения с объемной спектральной плотностью w(v) пройдет через вещество, слой которого имеет единичную площадь поперечного сечения и толщину dx, то его интенсивность изменится на величину:
Здесь n1-концентрация атомов в состояниях E1, n2-концентрация атомов в состояниях E2.
Заменив члены в правой части уравнения, приняв что B21=B12, а затем подставив выражение для B21, получим уравнение для изменения интенсивности света на узких энергетических уровнях:
На практике, как было сказано выше, энергетические уровни не бесконечно узки, поэтому следует учесть их ширину. Дабы не загромождать статью описанием преобразований и кучей формул, просто отметим, что введя интервал частот, а затем проинтегрировав по x, получим в итоге формулу для нахождения реального коэффициента поглощения среды:
Поскольку очевидно, что в условиях термодинамического равновесия концентрация n1 атомов в низком энергетическом состоянии E1 всегда больше концентрации n2 атомов в более высоком состоянии E2, то отрицательное поглощение в обычных условиях невозможно, - невозможно усиление света просто при его прохождении через реальную среду без принятия дополнительных мер.
Для того, чтобы отрицательное поглощение все же стало возможным, необходимо создать условия, когда в среде концентрация атомов в возбужденном состоянии E2 будет больше концентрации атомов в основном состоянии E1, то есть нужно устроить в среде инверсное распределение атомов по их энергетическим состояниям.
Необходимость энергетической накачки среды
Для организации инверсной населенности энергетических уровней (для получения активной среды) применяют накачку (например оптическую или электрическую). Оптическая накачка подразумевает поглощение атомами направляемого на них излучения, благодаря чему эти атомы переходят в возбужденное состояние.
Электрическая накачка в газообразной среде подразумевает возбуждение атомов посредством неупругих соударений с электронами газового разряда. По мысли Фабриканта следует исключить при помощи молекулярных примесей некоторые из низкоэнергетических состояний атомов.
Практически невозможно с помощью оптической накачки в двухуровневой среде получить активную среду, так как количественно переходы атомов в единицу времени из состояния Е1 в состояние Е2 и обратно(!) будут в этом случае равноценны, значит необходимо прибегнуть как минимум к трехуровневой системе.
Рассмотрим трехуровневую систему накачки. Пусть на среду действует внешнее излучение с энергией фотонов E3-E1, при этом атомы в среде переходят из состояния с энергией E1 в состояние с энергией E3. Из энергетического состояния E3 возможны спонтанные переходы в состояние E2 и в E1. Чтобы получить инверсную населенность (когда атомов с уровнем E2 в данной среде получится больше), необходимо сделать уровень E2 более долгоживущим, чем E3. Для этого важно соблюсти условия:
Соблюдение данных условий будет означать, что атомы в состоянии E2 остаются дольше, то есть вероятности спонтанных переходов с E3 на E1 и с E3 на E2 превосходят вероятность спонтанных переходов с E2 на E1. Тогда уровень E2 окажется более долгоживущим, и такое состояние на уровне E2 можно будет назвать метастабильным. Следовательно при прохождении света с частотой v=(Е3 — E1)/h через такую активную среду, данный свет будет усиливаться. Можно аналогичным образом использовать и четырехуровневую систему, тогда уровень E3 окажется метастабильным.
Устройство лазера
Итак, лазер включает в себя три главных компонента: активную среду (в которой создается инверсия населенности энергетических уровней атомов), систему накачки (устройство для получения инверсии населенности) и оптический резонатор (многократно усиливающий излучение и формирующий на выходе направленный пучок). Активная среда может быть твердой, жидкой, газообразной или плазмой.
Накачку осуществляют непрерывно или импульсно. При непрерывной накачке, подводимая в среду мощность ограничивается перегревом среды и последствиями этого перегрева. При накачке импульсной, вводимая порциями в среду полезная энергия получается больше за счет высокой мощности каждого отдельного импульса.
Разным лазерам — разная накачка
Твердотельные лазеры накачивают путем облучения рабочей среды газоразрядными вспышками высокой мощности, сфокусированным солнечным светом либо другим лазером. Это всегда импульсная накачка, ибо мощность настолько высока, что при непрерывном воздействии рабочий стержень разрушился бы.
Жидкостные и газовые лазеры накачивают электрическим разрядом. Химические лазеры подразумевают протекание в их активной среде химических реакций, в результате которых инверсная населенность атомов получается либо у продуктов реакции, либо у специальных примесей, имеющих подходящую структуру уровней.
Полупроводниковые лазеры накачиваются током в прямом направлении через p-n-переход или пучком электронов. Кроме того существуют такие способы накачки, как фотодиссоциация или газодинамический способ (резкое охлаждение разогретых газов).
Оптический резонатор — сердце лазера
Оптический резонатор — это система из пары зеркал, в самом простом случае — два зеркала (вогнутые или параллельные), закрепленные друг напротив друга, а между ними по общей оптической оси расположена активная среда в виде кристалла или кюветы с газом. Фотоны, проходящие под углом через среду, покидают ее сбоку, а те что движутся по оси, многократно отражаясь усиливаются и выходят сквозь полупрозрачное зеркало.
Так получается лазерное излучение — пучок когерентных фотонов — строго направленный луч. За время одного прохода света между зеркалами, величина усиления обязана превзойти определенный порог - величину потерь на излучение сквозь второе зеркало (чем лучше пропускает зеркало — тем более высоким должен быть этот порог).
Чтобы усиление света осуществилось эффективно, следует не просто увеличить путь света внутри активной среды, но и добиться того, чтобы выходящие из резонатора волны были в фазе друг с другом, тогда интерферирующие волны дадут максимально возможную амплитуду.
Для достижения данной цели необходимо чтобы любая из волн в резонаторе, вернувшаяся к точке на выходном зеркале и вообще к любой точке внутри активной среды, находилась в фазе с первичной волной после любого числа совершенных отражений. Это возможно когда оптическая длина пути, преодолеваемого волной между двумя возвращениями, удовлетворяет условию:
где m - целое число, в этом случае разность фаз будет кратна 2П:
Теперь раз каждая из волн отличается по фазе от предыдущей на 2пи, значит и все выходящие из резонатора волны будут находиться в фазе друг с другом, что даст интерференцию с максимальной амплитудой. Резонатор будет иметь на выходе почти монохроматическое параллельное излучение.
Функционирование зеркал внутри резонатора обеспечит усиление мод, соответствующих стоячим волнам внутри резонатора, другие моды (возникающие в силу особенностей реальных условий) будут ослаблены.
Рубиновый лазер — первый твердотельный лазер
Первый твердотельный лазер был построен в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. Это был рубиновый лазер (рубин — Al2O3, где некоторые из узлов кристаллической решетки — в пределах 0,5% - заменены трижды ионизированным хромом; чем больше хрома — тем темнее цвет кристалла рубина).
Первый успешный рабочий лазер, сконструированный доктором Тедом Мейманом в 1960 году
Рубиновый цилиндр из максимально однородного кристалла, диаметром от 4 до 20 мм и длиной от 30 до 200 мм, размещается между двумя зеркалами, выполненными в виде слоев серебра, нанесенного на тщательно отполированные торцы данного цилиндра. Спиралевидная газоразрядная лампа обвивает цилиндр по всей его длине, и питается высоким напряжением через конденсатор.
При включении лампы, рубин интенсивно облучается, при этом атомы хрома переходят с уровня 1 на уровень 3 (находятся в этом возбужденном состоянии на протяжение менее чем 10-7 секунд), здесь реализуются наиболее вероятные переходы на уровень 2 — на метастабильный уровень. Избыток энергии передается кристаллической решетке рубина. Спонтанные переходы с уровня 3 на уровень 1 незначительны.
Переход с уровня 2 на уровень 1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность нахождения на уровне 2 составляет около 10-3 секунд, что в 10000 раз дольше, чем на уровне 3, в результате в рубине происходит накопление атомов с уровнем 2 — это и есть инверсная населенность уровня 2.
Спонтанно возникающие при спонтанных переходах, фотоны способны вызвать вынужденные переходы с уровня 2 на уровень 1 и спровоцировать лавину вторичных фотонов, но эти спонтанные переходы случайны, и их фотоны распространяются хаотично, в большинстве своем покидая пределы резонатора через боковую его стенку.
Но те из фотонов, которые попадают на ось, испытывают многократные отражения от зеркал, попутно вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые опять же спровоцируют вынужденное излучение и так далее. Эти фотоны станут двигаться в направлении аналогичном первичным, и поток вдоль оси кристалла будет лавинообразно усиливаться.
Многократно возросший поток фотонов выйдет через боковое полупрозрачное зеркало резонатора в форме светового пучка строгого направления, имеющего колоссальную интенсивность. Рубиновый лазер работает на длине волны 694,3 нм, при этом мощность в импульсе может доходить до 109 Вт.
Гелий-неоновый лазер
Гелий-неоновый (гелий/неон = 10/1) лазер является одним из наиболее популярных газовых лазеров. Давление в газовой смеси составляет около 100 Па. Неон служит активным газом, на нем получается генерация фотонов с длиной волны 632,8 нм в непрерывном режиме. Функция гелия — создание инверсной населенности одного из верхних энергетических уровней неона. Ширина спектра такого лазера составляет около 5*10-3 Гц. Длина когерентности 6*1011 м, время когерентности 2*103 c.
При накачке гелий-неонного лазера высоковольтный электрический разряд вызывает переход атомов гелия в метастабильное возбужденное состояние уровня E2. Эти атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона в основном состоянии E1, передавая им свою энергию. Энергия уровня E4 для неона выше уровня E2 гелия на 0,05 эВ. Недостаток энергии компенсируется кинетической энергией соударений атомов. В итоге на уровне E4 неона получается инверсная населенность относительно уровня E3.
Типы современных лазеров
По состоянию активной среды, лазеры подразделяются на: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, а также на кристаллах. По способу накачки могут быть: оптическими, химическими, газоразрядными. По характеру генерации лазеры делятся на: непрерывные и импульсные. Данные типы лазеров создают излучение в видимом диапазоне электромагнитного спектра.
Волоконно-оптические лазеры появились позже других. Они способны создавать излучение в ближнем ИК-диапазоне, такое излучение (при длине волны до 8 мкм) хорошо подходит для волоконно-оптической связи. Волоконно-оптические лазеры содержат световод, в сердцевину которого введено немного ионов подходящих редкоземельных элементов.
Световод, как и у других типов лазеров, устанавливается между парой зеркал. Для накачки в световод подается излучение лазера с нужной длиной волны, чтобы ионы редкоземельных элементов перешли под его действием в возбужденное состояние. Возвращаясь в состояние с меньшим уровнем энергии, эти ионы излучают фотоны с более протяженной длинной волны, чем у инициирующего лазера.
Так световод выступает в роли источника лазерного света. Частота его зависит от вида добавленных редкоземельных элементов. Сам световод выполняют из фторида тяжелого металла, что дает в результате эффективную генерацию лазерного излучения на частоте ИК-диапазона.
Рентгеновские лазеры занимают противоположную сторону спектра — между ультрафиолетом и гамма — это порядки длин волн от 10-7 до 10-12 м. Лазеры данного типа имеют наивысшую импульсную яркость из всех типов лазеров.
Впервые рентгеновский лазер был построен в 1985 году в США, в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса. Лазер генерировал на ионах селена, диапазон длин волн составил от 18,2 до 26,3 нм, а наибольшая яркость приходилась на линию с длиной волны 20,63 нм. Сегодня на ионах алюминия достигнуто лазерное излучение с длиной волны 4,6 нм.
Генерация рентгеновского лазера осуществляется импульсами длительностью от 100 пс до 10 нс, что зависит от продолжительностью жизни плазменного образования.
Дело в том, что активная среда рентгеновского лазера представляет собой высокоионизированную плазму, которая получается, например, при облучении мощным лазером видимого или ИК-спектра тонкой фольги из иттрия и селена.
Энергия рентгеновского лазера в импульсе достигает 10 мДж, при этом угловое расхождение в пучке составляет приблизительно 10 милирадиан. Соотношение мощностей накачки и непосредственно излучения составляет около 0,00001.
Применение лазерных технологий в промышленности переживает настоящий бум. Они используются не только для разделения материала, маркировки или сварки, но также и для очистки. Встретить лазеры можно не только в автомобильной сфере, но и в других отраслях. Подробно об этом смотрите здесь: Способы применения лазеров в промышленности