24. Технология применения лазера в промышленности
24.1 Физические основы работы лазера
В начале двадцатого века А.Эйнштейн показал, что существуют два различных процесса испускания энергии: спонтанное и вынужденное излучение. В 1916 году он опубликовал две работы, посвященные этому вопросу: «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», «К квантовой теории излучения».
Вынужденное излучение лежит в основе работы лазера. Слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «усиление света вынужденным излучением».
Рассмотрим, в чем проявляются особенности вынужденного испускания света. Энергия атома квантуется. Это значит, что атомы находятся на определенном энергетическом уровне. При переходе на более низкий энергетический уровень испускается некоторое количество энергии – квант или фотон. Энергия кванта равна:
,
где
-частота излучения,
-постоянная
планка,
=6,6
10-34Дж/с.
,
это энергия фотона при переходе с уровня
Е2 на
Е1.
Эйнштейн показал, что при пропускании света через вещество он, как правило, поглощается. Это значит. Что в веществе больше электронов, находящихся на уровне Е1., чем на Е2.
В 1939 году советский физик В.А.Фабрикант предложил обращенную (инверсную) наследственность энергетических уровней в веществе. Предполагалось, что существуют вещества, способные усиливать излучение. При этом за счет вспомогательного излучения осуществляется перевод атомов с энергетического уровня Е1 на более высокий энергетический уровень Е2. При этом атомы могут накапливаться на промежуточном энергетическом уровне. В результате может быть создана инверсная наследственность.
Для
лавинообразного излучения фотонов
необходимо накопление достаточно
большого их количества на указанном
энергетическом уровне. При переходе
многих атомов с уровня Е2
на Е1
появляется лавина вторичных фотонов,
которые будут иметь одинаковую энергию
и двигаться в одном направлении.
Поскольку энергия у излученных фотонов
одинаковая, то и частота излучения тоже
одинаковая.
Установлено, что излучается одна электромагнитная волна. Вынужденное излучение – процесс управляемый. Его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атомов с уровня Е2 на Е1,но и определяет направление движения.
24.2. Принцип работы лазера
Основой лазера является активный элемент. В лазерах начинали с активного элемента в виде граната с неодимом. В кристалле активными центрами являются ионы неодима. Поглощая излучение специальной лампы – осветителя ионы неодима возбуждаются, переходя на более высокий энергетический уровень. Аналогичные процессы происходят в кристалле рубина. При этом атомы накапливаются на долгоживущем промежуточном уровне. Для усиления воздействия лампы-вспышки (накачка) устанавливается специальный отражатель. Излучение из активного элемента не будет направленным. Чтобы это обеспечить, устанавливается резонатор, например, в виде двух зеркал, расположенных перпендикулярно оси основного элемента. При этом одно зеркало является отражающим, другое – полупрозрачным. При этом генерируются только фотоны, которые движутся вдоль оси кристалла. Рассмотренная схема обеспечивает импульсное излучение. В настоящее время имеется большое разнообразие лазеров. В качестве активных сред используются диэлектрические кристаллы, полупроводники, газовые смеси и т.д. С оптической накачкой в виде лампы-вспышки созданы лазеры с активным элементом в виде граната с неодимом, стекла с неодимом, рубина и т.д. Для накачки лазеров на газовых смесях используют газовый разряд. Широко используется гелий – неоновый лазер и углекислотный лазер. В первом роль активных центров выполняют атомы неона. Их возбуждают электроны, образующиеся в газовом разряде.