Лекция № 1

Цель курса – ознакомление с основами современных технологий, в которых используются процессы, происходящие в неметаллических средах под действием лазерного излучения. Понимание механизма взаимодействия лазерного излучения с атомами и молекулами материалов позволит раскрыть суть процесса, а именно основу многих технологических, биологических, медицинских и др. применений лазеров. Лазер в этих случаях используется в качестве источника энергии.

В отличие от других световых источников энергии, лазерное излучение обладает уникальными свойствами, отличающими его от традиционных классических источников света.

Особенности лазерного излучения Монохроматичность

Первый квантовый генератор был создан на пучке молекул аммиака и давал излучение в диапазоне миллиметровых длин волн. Это излучение относится к радиодиапазону и соответствующие устройства были названы мазерами. Квантовые генераторы, дающие излучение в оптическом, близком инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, были созданы позже и их стали называть лазерами. Существуют разные виды лазеров, которые по длине волны излучения (частоте) перекрывают весь оптический, а также ближние инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны. Имеются результаты по генерации излучения в мягкой рентгеновской области спектра.

Для традиционных источников света, как естественных, например излучения Солнца, или пламя горящего костра, так и искусственных – электрических ламп накаливания или люминесцентных ламп – характерен широкий спектр излучения. Свечение естественных источников и ламп накаливания определяется только температурой источника: чем выше температура, тем больше излучается энергии в коротковолновой области спектра и тем больше ширина спектра.

Монохроматичность характеризуется способностью лазеров излучать в узком диапазоне длин волн и определяется соотношением

где ΔV - спектральная ширина контура линии излучения лазера,

V₀ - центральная частота контура

Лазерное излучение характеризуется очень узким спектром в отличие от естественных и искусственных источников света. МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ лазерного излучения обуславливается целенаправленным использованием квантовых свойств света и является одним из его важнейших качеств. Она особенно важна для процессов лазерных измерений, локации, связи, навигации, а также лазерной химии, разделения изотопов, медицины и биологии. Кроме того, она необходима для создания оптических систем. На понятии «монохроматичность» основаны определения спектральной яркости лазеров:

где Q – плотность энергии лазера,

- спектральная плотность энергии,

ΔΩ - величина телесного угла расходимости излучения

Очевидно, что спектральная яркость лазеров значительно превышает спектральную яркость всех других источников света, включая Солнце и др.

У современных твердотельных лазеров, работающих в импульсном режиме генерации, ширина спектра излучения составляет примерно 10 ГГц. Специальные установки, используемые для получения стандартов длин волн оптического диапазона, обладают шириной спектра всего 10 Гц.

В данный момент известно более 70 лазеров, которые излучают свет от УФ до дальней ИК области спектра. Излучение, идущее от лазера, зависит от состава активной среды. В качестве примера можно рассмотреть таблицу 1.

Таблица 1 - длины волн распространенных лазеров

№	Активная среда	Область спектра	Длина волны,* нм
1	Гелий-кадмий	УФ	157
2	Нитрид галлия	УФ	325
3	Пары меди	Зеленая	510
4	Криптон	Красная	647
5	Неодим:YAG	Ближний ИК	1064
6	Гелий-неон	Ближний ИК	1152
7	Эрбий:YAG	Средний ИК	2940
8	Углекислый газ	Дальний ИК	10600

* длины волн приведены округленно

Мощность

Наряду с монохроматичностью лазерные источники света обладают очень большой мощностью. Достигается это тем, что энергия, накопленная в активной среде лазера в течение сравнительно длительного времени, затем быстро высвечивается. В результате мощность лазерного импульса возрастает на несколько порядков величины по сравнению с мощностью источников, используемых для накачки лазера. Кроме того, лазерное излучение вследствие его когерентности, можно хорошо сфокусировать так, что поперечные размеры области фокусировки становятся сравнимы с длиной световой волны. При этом возрастает плотность световой энергии, а с ней и поток мощности. Можно считать освоенным поток мощностей до 10¹⁹ Вт/см².

Для того, что представить себе подобные величины, их часто сравнивают с мощностями крупных электростанций. Так, если всю мощность Красноярской ГЭС

6000 МВт пропустить через проводник с радиусом около 0,1 мкм, то как раз получится поток мощности в 10¹⁹ Вт/см².