Лазер или ОКГ – оптический квантовый генератор когерентного монохроматического излучения. Что означают эти понятия? Придется вспомнить физику.
Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае – при явлениях интерференции и дифракции. В другом случае свет проявляет квантовые свойства. Например, в случае явления фотоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.
В соответствии с постулатами квантовой физики любое вещество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микросистемы.
Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем – дискретностью (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения – энергетические уровни. Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Переход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фотона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии – выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается квантовый скачок.
При естественных условиях атомы вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая кванты света – фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.
Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Е1, и Е2, причем Е1 меньше Е2. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е2, фотонами с энергией Е=(Е2 – Е,) атомы вещества могут перейти обратно на уровень Е1. При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появление. Это явление и есть когерентность. Далее появление нового фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).
Рис. 11.
Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б)
При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения в заданном направлении, используют оптические резонаторы. Оптический резонатор – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.
Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.
Рис. 12.
Развитие фотонной лавины вдоль оси резонатора О—О:
а – начало процесса; б – конец процесса
Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О—О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны, набирая энергию, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.
Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазерного излучения.
Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.
Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.
По-гречески – «монос» означает «один», а «хромос» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазера – одноцветный. В физическом плане высокая монохроматичность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света («волновые цуги») кроме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.
Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения – т. е. порядка 1–10 микрон.
Если мощность лазера, например на основе СО2–1 кВт, сфокусировать на площадке диаметром в 1 мм, то получим интенсивность лазерного луча 105 Вт/см2.
Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволяет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные установки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.
Остается добавить, что в качестве активных сред можно использовать:
• кристаллы (искусственные или естественные);
• специальные стекла;
• полупроводники;
• жидкие среды (растворы специальных красителей);
• газовые среды.
В соответствии с используемой активной средой лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые.
Рис. 13.
Принципиальная схема оптического лазера:
1 – активный элемент;
2 – непрозрачное зеркало;
3 – полупрозрачное зеркало;
4 – устройство накачки.
Вернемся к рисунку 13. Для чего используется накачка и что это такое? Когда говорят о накачке, то подразумевают введение энергии извне внутрь квантовой системы для возбуждения энергетических уровней, о чем говорилось выше. Можно еще сказать, что накачка необходима для возбуждения активной среды лазера.
Энергетическая накачка активных элементов лазера производится в импульсном или постоянном режиме. В импульсном режиме используются специальные лампы-вспышки, а в постоянном режиме – специальные лампы-осветители.
В сварочной технике применяют, в основном, твердотельные лазеры на кристаллах неодима с гранатом, неодимовых стеклах, на кристаллах рубина. В них применяется оптическая накачка с помощью ксеноновых ламп.
Используются для сварки и газовые лазеры. Мощные газовые лазеры изготавливают на основе газовых смесей с применением углекислого газа – СО2. Для газовых лазеров применяют в качестве энергетической накачки электрический высоковольтный разряд.
