Промышленное применение лазеров

Ситуация начала изменяться примерно к концу 60-х гг. (более точно, к 1968 г.). К этому времени улучшилась технология изготов­ ления лазеров. К началу 70-х гг. параметры существующих типов лазеров улучшились настолько, что лазеры стали значительно на­ дежнее. В начале 70-х гг. работники промышленности получили

враспоряжение надежные модели лазеров и смогли использовать их

впрактических целях. Появилась возможность экономически оправ­ данной реализации многих применений из числа обсуждавшихся на раннем этапе развития лазеров. К 1974 г. сумма продаж лазерной техники возросла до 500 млн долл, в год. Лазеры стали реальным орудием производства на поточных линиях, осуществляющих резку и сварку материалов, а также пробивку в них отверстий. В настоящее время они используются для юстировки в строительстве, для измере­ ния расстояний в службе метрического контроля при обработке ма­ териалов, а также в ряде других областей.

Ряд выявленных ранее областей промышленного применения лазеров находится еще в стадии исследования. В будущем можно ожидать их значительного расширения. Можно указать, например, на большие возможности, открывающиеся перед рентгеновскими лазе­ рами, применением лазеров для осуществления термоядерного управляемого синтеза, а также лазерными методами разделения изо­ топов. Хотя в настоящее время перечисленные выше применения остаются в значительной степени гипотетическими, их реализация сулит большие выгоды.

Особенно хочется отметить этапы создания и развития одного из мощнейших исследовательских центров, занимающегося развити­ ем лазерной техники и технологий в нашей стране.

Постановлением Совета Министров СССР от 15 февраля 1979 г. было принято решение об организации научного учреждения нового типа - НИЦТЛ АН - на правах научно-исследовательского институ­ та, при Секции физико-технических и математических наук АН

СССР. В отличие от обычного НИИ на этот Центр кроме задач про­ ведения фундаментальных и прикладных научных исследований бы­ ли возложены задачи создания лазерных технологий, опытно-конст­ рукторских разработок технологических лазеров, соответствующей

лазерной техники, и другие задачи, нацеленные на скорейшее обес­ печение отечественной промышленности технологическими лазера­ ми и лазерными технологическими процессами исключительно гра­ жданского назначения.

На момент появления идеи создания этого центра в стране су­ ществовало несколько научных центров, разрабатывавших лазерную технику в интересах обороны страны (Филиал ИАЭ им. И.В. Курча­ това, НПО «Радуга», «Арзамас-16», НИИ «Полюс», НИИ «Исток» и ряд других). Факт создания такого Центра, как НИЦТЛ АН, выде­ ление больших государственных ресурсов на его строительство, ос­ нащение и комплектование кадрами, явился первым шагом на пути создания в стране научно-производственных предприятий принципи­ ально нового типа, целью деятельности которых было создание вы­ соких технологий гражданского назначения на основе последних достижений фундаментальной науки, а также на основе конверсии прикладных разработок, имевших оборонное значение.

Предпосылкой организации Центра явилось создание первых экспериментальных технологических С02-лазеров мощностью 5 и более кВт в ФИАЭ (Троицк), а также, под научным руководством

институте электрофизической аппаратуры (НИИЭФА им. Ефремова, Ленинград), на Казанском машиностроительном заводе (КМЗ, Минавиапром). С помощью этих лазеров были проведены первые опыты по технологии лазерной обработки материалов и изделий, в том чис­ ле на крупных предприятиях, таких как ЗИЛ (лазерная сварка и поверхностная термообработка) и Казанский авиамоторный завод (лазерная сварка). В лабораториях ФИАЭ, НИИЭФА, КМЗ, в МВТУ им. Баумана в течение 70-х гг. проводились демонстрационные опы­ ты и велись исследования процессов обработки материалов: закалки, наплавки, сварки, резки, прошивки отверстий - излучением мощных ССЬ-лазеров.

К концу 70-х гг. в нашей стране были созданы научные и технические предпосылки широкого практического внедрения ла­ зерной технологии обработки материалов с применением мощных

С02-лазеров (ТЛ). В эти же годы предприятиями Минэлектронпрома осуществлялся ограниченный (в основном для внутриведомственных нужд) выпуск технологических лазеров (газовых на С02 и твердо­ тельных) на среднюю мощность от десятков до сотен Вт, успешно применявшихся в условиях промышленных предприятий. Головны­ ми НИИ по разработке этих ТЛ были «Исток» (Фрязино) и «Полюс» (Москва). Разработкой и промышленным выпуском мощных ТЛ для нужд всех отраслей народного хозяйства до конца 70-х гг. не занима­ лось ни одно ведомство.

К 1988-1991 гг. были созданы промышленные образцы техно­ логических С02-лазеров второго поколения с высокой мощностью излучения, разработаны несколько типов компьютеризированных лазерных технологических комплексов, разработано и проверено в реальных производственных условиях несколько десятков процес­ сов лазерной технологии обработки материалов, проведены фунда­ ментальные исследования в области лазерной микротехнологии и биомедицины. В 1992-1998 гг., после смены экономической фор­ мации в стране, в НИЦТЛ АН усилилась ориентация на разработку высоких оптических, лазерных и лазерно-информационных техноло­ гий, прежде всего для задач стереолитографии, микро-, оптоэлектро­ ники и биомедицины. Разработки традиционных видов «силовой» лазерной технологии также были продолжены, но уже в зависимости от наличия конкретных потребителей-заказчиков.

Всвязи с отмеченной выше сменой приоритетов в тематике НИЦТЛ решением Президиума РАН он был переименован в 1998 г.

вИнститут проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН.

Впериод, последовавший после 1991 г. и продолжающийся по­ ныне (2004), коллектив ИПЛИТ РАН, несмотря на резкий спад внима­ ния руководства страны к развитию науки и высоких технологий, су­ мел развить работы по научным направлениям в областях лазерноинформационных технологий и лазерной биомедицины, продолжая традиционные исследования и разработки по лазерной технологии об­ работки материалов, по физике и технике технологических лазеров.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Использование световой энергии является давней мечтой чело­ вечества. С незапамятных времен Солнце рассматривалось в качест­ ве источника светового излучения. Развитие науки и техники позво­ лило создать целый ряд устройств для технологического использова­ ния солнечной энергии в земных условиях.

Лазерное излучение (ЛИ) - это вынужденное монохроматиче­ ское излучение широкого диапазона длин волн от единиц наномет­ ров до десятков и сотен микрометров.

В отличие от видимого света лазерное излучение характеризует­ ся рядом уникальных свойств. К их числу относятся большая интен­ сивность электромагнитной энергии, высокая монохроматичность, значительная степень временной и пространственной когерентности. Лазер отличается от других источников электромагнитной энергии очень узкой направленностью распространения излучения.

Как известно, видимый свет можно представить как излучение, обладающее волновыми и корпускулярными свойствами.

Многие оптические явления, например дифракцию, интерфе­ ренцию, можно объяснить исходя лишь из волновой природы света. В этом случае свет рассматривается как один из видов электромаг­ нитных колебаний, характеризующихся амплитудой электрических и магнитных полей, а также частотой v или длиной волны а, связан­ ных между собой известным соотношением X= c/v, где с - скорость света в вакууме.

Наряду с волновой природой электромагнитное излучение во многих случаях проявляет корпускулярную природу: оно представ­

ляет собой последовательность дискретных порций (квантов) энер­ гии, называемых фотонами.

Вприближении геометрической оптики свет удобно описывать

ввиде прямолинейно распространяющегося в однородной среде по­ тока световых квантов (фотонов), энергия которых определяется час­ тотой излучения и составляет:

E = hv = —

X

где h - постоянная Планка, h = 6,6-10"34 Дж с; v - частота излучения; X - длина волны излучения; с - скорость света в вакууме.

Таким образом, в дифракции и интерференции преобладает волно­ вая природа света, в других явлениях, обусловленных эффектами по­ глощения света атомными или молекулярными системами (например, явление фотоэлектрического эффекта) - квантовая природа света.

Из этого соотношения видно, что энергия фотона связана с длиной волны и увеличивается по мере ее уменьшения.

Принцип работы лазеров неотделим от понятия энергетиче­ ских уровней (или уровней энергии) - значений энергии атома, мо­ лекулы и других квантовых систем (состоящих из электронов, ядер, атомов и т.д. и подчиняющихся квантовым законам, характерным для микромира).

1.1. Понятие энергетического уровня

Важнейшее свойство квантовой системы, состоящей из связан­ ных микрочастиц (атом, ядро, электроны), заключается в том, что ее внутренняя энергия Е (не связанная с движением микрочастицы как целого) может принимать лишь только определенный дискретный ряд значений Е0, Еп (Е0< Et < Е2 <...< Еп), называемый ее энергети­ ческим спектром или разрешенными энергетическими уровнями. При этом каждому из этих разрешенных значений энергии соответст­ вует одно или несколько устойчивых состояний движения частиц

в системе, т.е. возможны только определенные дискретные квантовые орбиты движения частиц - электронов, ядер и др. (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Дискретные квантовые орбиты движения частиц

Внутренняя энергия микрочастицы (например, электрона) скла­ дывается из энергий, определяемых главными квантовыми числами этой частицы: п, /, т и спином s\

пе - «орбита» электрона в атоме (определяет ту полосу энергии или оболочку, в которой находятся электроны);

/ - азимутальное или орбитальное квантовое число (определяет момент L количества движения электрона по орбите вокруг ядра, т.е. движения с изменением азимутального угла ср);

in - магнитное квантовое число (характеризует наклон элек­ тронной орбиты по отношению к какой-нибудь произвольно выбран­ ной оси в пространстве и определяет величины проекций моментов L

на направление Н ).

I вместе с т определяет симметрию электронных орбиталей;

5 - спин электрона (определяет проекцию собственного маг­ нитного момента электрона на магнитный момент атома).

Квантовые числа n.l, m u s могут принимать следующие значения: п = 1,2,3,4...

1 = 0, 1,2, 3,..., (п - 1) (всего п значений); т = О, =Ы, ±2, ±3,... ±- / (всего 2/ + 1 значений); s - ±1/2.

Количество возможных состояний частицы определяется ее строением. Например, количество возможных уровней энергий ато­ мов определяется состоянием электронов; молекулсостоянием электронов, колебаниями атомов относительно положения равнове­ сия и собственным вращением молекул; вещества - состоянием ато­ мов и молекул и их взаимным влиянием друг на друга.

Молекула, как и атом, также является квантовой системой, од­ нако ее энергетический спектр сложнее. Это объясняется следующим образом.

Уровни энергии атомов, соединенных в молекулу, образуют сис­ тему уровней, отличную от системы изолированного атома (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Уровни энергии атомов, соединенных в молекулу

Второе характерное свойство молекулярных спектров состоит в том, что из-за появления дополнительных степеней свободы, а именно из-за появления возможности колебательного и вращатель­ ного движения атомов друг относительно друга, существенно увели­ чивается число уровней и число возможных переходов между этими уровнями энергии молекулы.

Действительно, энергия вращательного движения атомов (вра­ щательного взаимодействия атомов), как и всякая энергия взаимо­ действия, согласно правилам квантовой механики строго квантована.

жения частот, соответствующих чисто электронному, чисто колеба­ тельному и чисто вращательному переходам согласно формуле

hv = h-(ve ± vK01± vBp),

где v,- частота, соответствующая чисто электронному переходу;

уКол- частота, соответствующая чисто колебательному переходу;

vBpчастота, соответствующая чисто вращательному переходу.

Даже в случае простейшей двухатомной молекулы спектр получа­ ется намного сложней, чем у отдельного атома, причем расшифровка спектра существенно усложняется по мере роста сложности молекулы.

Таким образом, полная энергия молекулы складывается из движения электронов вокруг ядра в молекуле, колебательного дви­ жения атомов относительно друг друга и вращательного движения самой молекулы как целого:

Е = Ее + Екол + £ вр,

где Ее- энергия электронов; Екол- колебательная энергия; Евр - вра­ щательная энергия, причем Ее > Екол > Евр. Тогда схема энергетиче­ ских уровней молекулы представляет собой набор электронных уровней энергии, далеко отстоящих друг от друга, более близких друг к другу колебательных энергетических уровней и еще более сближенных вращательных уровней энергии.

Применительно к сложным атомам, и особенно к молекулам, орбитальные и спиновые моменты отдельных электронов в атоме складываются, и при этом складываются энергии орбитальных и спи­ новых движений электронов, образуя спектр суммарной энергии сис­ темы. Упрощенная схема спектра разрешенных энергетических уровней энергии частицы представлена на рис. 1.4.

Уровень с наименьшей энергией называется основным, а ос­ тальные уровни - возбужденными. Относительно друг друга энерге­ тические уровни называются верхними и нижними, в зависимости от величин энергий. Бесконечно долго частица может находиться толь­

ко на основном уровне, а время пребывания в возбужденном состоя­ нии ограничено временем порядка долей секунды.

РисЛ.4. Упрощенная схема спектра разрешенных энергетических уровней энергии частицы

Любое изменение энергии Е системы определяется скачкооб­ разным переходом системы из одного устойчивого состояния в другое: с одного энергетического уровня на другой.

Когда атом поглощает или излучает квант энергии, он перехо­ дит с одного уровня этого спектра на другой, причем в процессе по­ глощения или испускания кванта сразу несколько электронов слож­ ного атома (или молекулы) могут менять свое энергетическое поло­ жение. Поэтому в случае сложных атомов или молекул говорят об уровнях энергии всего атома или молекулы.

Среда представляет собой совокупность частиц. Когда все час­ тицы среды находятся в основном энергетическом состоянии, среда называется невозбужденной. Если хотя бы часть частиц находится на более высоком уровне, то среда называется возбужденной.

При переходе частицы с одного уровня на другой происходит ис­ пускание или поглощение кванта энергии (фотона). При этом атом, по­ глощая квант энергии, переходит в возбужденное состояние, а, испуская квант электромагнитного излучения, снимает возбуждение. Следует отметить, что возбуждение может частично сниматься и без испускания квантов электромагнитного излучения {безызлучательные переходы).