Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

И.Г. Кирин

ЛАЗЕРЫ. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлениям подготовки 03.03.02 Физика, 44.03.05 Физика и информатика, 03.03.03 Радиофизика, 12.03.04 Биотехнические системы и технологии и магистратуры 03.04.02 Физика, 12.04.05 Лазерная техника и лазерные технологии.

Оренбург

2025

УДК 53(076.5) ББК 22.3я7 К 23

Рецензент – доцент, доктор технических наук Р.С. Закируллин

В учебном пособии на современном уровне представлены научные знания по лазерам и лазерным технологиям. Пособие предназначено для самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям студентов, обучающихся по программам высшего образования по направлениям подготовки 03.03.02 Физика, 44.03.05 Физика и информатика, 03.03.03 Радиофизика, 12.03.04 Биотехнические системы и технологии и магистратуры 03.04.02 Физика, 12.04.05 Лазерная техника и лазерные технологии.

УДК 53(076.5) ББК 22.3я7

ISBN 000-0-0000-0000-0

© Кирин И.Г., 2025

© ОГУ, 2025

2

Содержание

§ 4.7 Получение поверхностных покрытий с применением лазерного излучения, лазерное

Тесты, контрольне вопросы, ответы на тесты………………………………………………81

Введение

Лазеры - это генераторы оптического излучения [1-7]. Уникальные свойства

лазерного излучения открыли широкие возможности их применения. Сегодня

трудно указать область, в которой бы не применялись лазеры [18-57].

Началом лазерной эры считаются 1955−1956 гг., когда были запущены первые мазеры А. Прохоровым и Н. Басовым в СССР и независимо Ч. Таунсом в США, за что эти ученые в 1964 году были удостоены Нобелевской премии по физике [1].

В пособии содержатся материалы курса «Лазеры и их применение» который автором читался на протяжении семи лет.

Пособие состоит из шести глав.

В первой главе пособия рассматривается устройство лазера, режимы его работы, методы получения импульсов наносекундной (1 наносекунда равна 10-9

секунды) и фемтосекундной (1 фемтосекунда равна 10-15 секунды) длительности.

Во второй главе пособия рассмотрены виды лазеров: твердотельные,

газовые, жидкостные, полупроводниковые и волоконные лазеры Третья глава содержит сведения об основных свойствах лазерного излучения

–его монохроматичности, пространственной и временной когерентности,

расходимости, яркости, выходной мощности и поляризации.

Четвертая глава пособия посвящена лазерным технологиям обработки материалов: резки, сварки, закаливанию и другим, широко используемым в промышленности методам обработки материалов с помощью лазеров.

В пятой главе пособия рассмотрены лазерные технологии, применяемые в микроэлектроники: скрайбирование, подгонка пленочных резисторов микросхем,

легирование и перераспределение примеси, отжиг дефектов и другие применения лазеров в этой сфере.

Заключительная, шестая глава пособия посвящена применению лазеров в медицине – лазерной хирурги, лазерной терапия и лазерной диагностики.

4

Пособие предназначено для самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям студентов, обучающихся по программам высшего образования по специальностям «03.03.02 Физика», «03.03.03 Радиофизика», «12.03.04 Биотехнические системы и технологии», магистратуры «12.04.05 Лазерная техника и лазерные технологии» и «03.04.02 Физика». Оно может быть использовано в качестве дополнительной литературы для изучения курсов по выбору «Лазерная техника», «Лазерная физика», «Лазеры и их применение» студентами обучающимися на учителей физики по специальности «44.03.05

Физика и информатика», а также при написании выпускных квалификационных работ студентами этих специальностей посвященных разработке элективных курсов направленных на применение лазеров в различных отраслях промышленности и медицины

5

Глава 1 Лазер. Его устройство

§ 1.1 Устройство лазера

Лазер это генератор оптического излучения. Он состоит из активной среды

помещенной в резонатора. Резонатор лазера в простейшем виде это системы из

двух зеркал1 установленных строго параллельных друг к другу и находящихся на определенном расстоянии друг от друга таким образом, чтобы свет переотражаясь между ними проходя через активную среду.

Активная среда обеспечивает усиление света. Это достигается за счет того, что8

внешний источник передает ей энергию. Этот процесс принято называть «накачкой» энергией активной среды от внешнего источника [1-18, 58] .

Одно из зеркал резонатора специально делают частично прозрачным , это делается для того, чтобы усиленный активным элементом свет выходил наружу,

Его принято называть выходным зеркалом.

Лазерное излучение представляет собой пучок остро направленного

излучения возникающего из-за его усиление активной средой и переотражений между зеркалами.

Накачка лазера может осуществляться самыми разными способами. Для этого в активный элемент может быть направлен мощный световой пучок, источником энергии может быть электрический ток, химические реакции, газодинамические процессы и другие [2,3].

В первых лазерах активным элементом служил рубин - это оксид алюминия с небольшой примесью хрома. Именно ионы хрома придают абсолютно бесцветному оксиду алюминия столь эффектный рубиновый цвет и при определенных условиях усиливают мощность проходящего сквозь рубин красного света излучаемого этим лазером излучения. В конструкции рубинового лазера , активный элемента, как правило это стержень, устанавливается в специальный корпус – осветитель, в

котором размещается еще и мощная лампа-вспышка или несколько ламп вспышек.

Энергия этой лампы или ламп -вспышки возбуждает ионы хрома, и переизлучается ими в виде лазерного импульса света.

6

Энергоэффективность лазера в основном определяется тем, насколько эффективно активный элемент преобразует энергию накачки в энергию лазерного излучения и потерями энергии в резонаторе из-за отдельных неизбежных погрешностей его элементов и конструкции в целом [7] .В первых лазерах она была ничтожна мала [11]. Но тот факт, что свет от самой обычной лампы трансформировался в остро направленный пучок света, испущенный в виде не очень длинного импульса, был уникальным достижением. Такой импульс легко фокусируется обычной линзой в пятно размером всего несколько микрон, в котором выделяется мощность во многие сотни ватт [1-3, 9].

§ 1.2 Гигантские импульсы

По определению мощность это энергия, выделенная в единицу времени.

В лазерной технике вся дальнейшая история развития импульсных лазеров сопровождалась упорной борьбой за увеличение выходной мощности, уменьшение длительности импульса и увеличение эффективности преобразования накачки в лазерное излучение. С это целью изучались все новые среды и все новые механизмы накачки. Что касается способов формирования все более коротких лазерных импульсов, были освоены два важных режима работы лазера: режим модуляции добротности или «гигантского импульса» и режим синхронизации мод [2-9, 58] .

Режим «гигантского импульса». Этот режим также известен как режим модуляции добротности, или Q-switch. Лазер, работающий в этом режиме устроен так, чтобы накачка активного элемента включалась в момент, когда у лазера,

например, отсутствует одно из зеркал или оно перекрыто. В этом случае энергия накачки накапливается активным элементом и она не может переизлучиться в виде лазерного импульса. Затем внезапно, за сотни наносекунд или быстрее,

отсутствующее или перекрытое зеркало появляется или открывается. И тогда в этот момент, вся накопленная активным элементом энергия высвечивается в виде одного короткого и мощного «гигантским» импульсом наружу. Этот импульс называют «гигантским» импульсом. Длительность такого импульса в значительной

7

степени определяется длиной резонатора. Чем она больше, тем больше времени требуется свету, чтобы пройти назад и вперед в резонаторе и снять энергию,

накопившуюся в активном элементе. Типичной является длительность гигантского импульса в десяток наносекунд. Эффект отсутствия зеркала, или его открытие,

достигается специальными оптическими методами. Подробности этих специальных оптических методов можно найти в [2, 3, 6, 9, 58].Например, пусть лазер испускает импульс с энергией 1 джоуль (Дж). Тогда если длительность лазерного импульса 10- 8 секунды (с), то мощность лазерного излучения буде составлять 108 ватт (Вт) .

Нужно отметить, что свет в вакууме за одну наносекунду проходит 300

миллиметров (т. е. 30 см).

Такими импульсами, при энергиях в доли джоулей, можно с высокой точностью паять микропровода, прожигать небольшие отверстия, спекать порошки

иделать много других технологических операций описанных ниже.

Кконцу 60-х гг. появились новые лазерные среды и новые лазерные технологии, позволяющие усиливать энергию таких импульсов до уровня многих сотен джоулей и даже килоджоулей (килоджоуль за наносекунду - это гигаватт мощности). Такие лазерные импульсы на рубеже 60 - 70-х гг. открыли дорогу для лазерного поджига термоядерных реакций.

Генерация лазерами еще в тысячу раз более коротких, пикосекундных импульсов стала возможной с освоением более сложного режима работы лазера, так называемого режима синхронизации мод [3] . Лазеры, работающие в таком режиме,

мод генерирую импульсы длительностью 10-12 секунд [7]. Генерируемые этими лазерами импульсов света, которые намного короче, чем время, необходимое для рассеивания тепла от обрабатываемого материала. Это означает, что эти лазеры может удалять или воздействовать на материал, не вызывая значительного теплового повреждения окружающей области. Короткая длительность импульса лазера также позволяет ему создавать очень мелкие детали с высокой точностью

[24].

8

§ 1. 3 Режим синхронизации мод. Пикосекундные импульсы

Итак, важнейшей частью лазера является резонатор. Пусть для простоты

он состоит из двух зеркал. Свет, испущенный активным элементом в этом

резонаторе, непрерывно переотражается между этими зеркалами и и в резонаторе устанавливается режиме, при котором свет может существовать только на строго определенных оптических частотах, на которых формируются стоячие волны в резонаторе. Такие конфигурации светового поля с четко определенными оптическими частотами принято называть модами резонатора. Число мод зависит от

широкополосности активной среды - насколько широкий у нее спектр лазерного

усиления, иными словами, свет в насколько широком диапазоне оптических частот такая среда может излучать. Понятно, что чем спектральный диапазон шире, тем число возможных мод в резонаторе больше. В обычном непрерывном лазере все эти моды живут независимо друг от друга, излучение такого непрерывного лазера случайным образом заполняет весь объем резонатора. Используя специальные методы, изначально независимые моды можно «синхронизовать» друг с другом. В

этом случае моды перестают быть независимыми друг от друга, они становятся синхронизированными, все вместе создают один общий импульс, который распространяется внутри резонатора. Геометрическая длина такого импульса обычно оказывается во много раз короче, чем расстояние между зеркалами (длины резонатора), и зависит от числа синхронизованных мод, что, в свою очередь,

определяется шириной спектра усиления активной среды. Чем спектр усиления активного элемента шире, тем такой импульс короче. Конкретно, используя неодим в гранате, оказалось возможным получить длительности импульсов в десятки пикосекунд [2-9, 58]. Для справки - свет в вакууме за одну пикосекунду распространяется на 300 микрометров (т. е. 0,3 мм).

Оценки энергии импульса в режиме синхронизации мод, если известна

мощность лазера и длина его резонатора, следующие. Если средняя мощностью

лазера на гранате с неодимом 1 ватт, а расстояние между зеркалами его резонатора равно 1,5 метра, то в режиме синхронизации мод внутри резонатора между

9

зеркалами назад и вперед распространяется световой импульс, причем на проход резонатора туда-обратно (3 метра) импульсу требуется 10 наносекунд (3 метра поделили на скорость света). Отражаясь от выходного зеркала, какая-то часть импульса выходит наружу. Снаружи резонатора этот лазер испускает последовательность или цуг импульсов, отстоящих друг от друга на 10 наносекунд.

За 1 секунду лазер излучит 100 миллионов таких импульсов, а поскольку у него средняя мощность 1 ватт, то совокупная энергия всех импульсов за секунду составит

1 джоуль. Чтобы подсчитать энергию единичного импульса, делим 1 джоуль на 100

миллионов импульсов. Получаем 10 наноджоулей на импульс. Мощность каждого такого наноджоульного импульса можно определить следующим образом: делим энергию импульса (10 наноджоулей) на его длительность, которая для неодима в гранате порядка 10 пикосекунд. Получаем 1 киловатт, и это при том, что средняя мощность лазера составляет 1 Вт [11, 58]. Таким, переход в режим синхронизации мод позволяет в тысячи раз увеличить пиковую мощность лазерного излучения.

§ 1.4 Фемтосекундные импульсы

Дальнейшее сокращение длительности лазерных импульсов достигалось двумя путями. Во-первых, шел поиск более широкополосных лазерных сред. Во-

вторых, импульсы научились укорачивать, используя нелинейно-оптические эффекты. Последний способ, довольно сложен технически, и поэтому было важно искать и осваивать новые широкополосные лазерные среды [3] .

Как было отмечено выше, в режиме синхронизации мод чем шире спектр усиления среды, тем короче импульс можно получить. В 80-х гг. для генерации коротких импульсов были популярны лазеры на растворах органических красителей, имеющих исключительно широкие спектры усиления, практически покрывающие видимый диапазон. В таких лазерах были получены длительности импульсов в сотни и десятки фемтосекунд.

Используя фемтосекундные импульсы, образно говоря, в качестве

«фотовспышки», удалось отслеживать движение отдельных атомов в молекулах при

10