Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии

8.1. Лазерное излучение и особенности его распространения

Лазеры являются генераторами оптического диапазона, в которых используется вынужденное электромагнитное излучение молекул активного вещества, приводимого в возбужденное состояние источником накачки. Активное вещество помещено в оптический резонатор, образованный, двумя параллельными зеркалами (рис. 8.1), благодаря чему происходит взаимная синхронизация излучения отдельных молекул. Все молекулы активного вещества излучают синфазно, в результате чего формируется остронаправленный пучок излучения с очень малой шириной спектра. Такое излучение называют когерентным, а не расходящийся пучок излучения – коллимированным.

В отличие от обычных, некогерентных источников света, когерентное излучение лазера с помощью системы линз может быть сфокусировано на малую сравнимую с длиной волны площадку. Плотность мощности излучения в центре площадки для мощных лазеров может достигать 10¹⁰…10¹⁵ Вт/см², что значительно больше плотности мощности излучения на поверхности Солнца. При этом напряженность электрического поля 10⁶...10⁸ В/см.

При столь большой напряженности поля происходит электрический пробой любых материалов и дальнейшее их разрушение. В ничтожно малом объеме вещества выделяется большая мощность, что приводит к очень быстрому, повышению температуры вплоть до 10⁵...10^б К, испарению вещества и его ионизации. Испарение носит взрывной характер, в результате чего на поверхности материала образуется микрократер и возникает ударная волна.

При дальнейшем действии лазерного излучения испаряющееся под действием лазерного излучения вещество образует факел, который экранирует облучаемый материал от непосредственного воздействия лазерного излучения. Факел интенсивно нагревается лазерным лучом, ионизируется, аккумулирует тепло и передает его основному материалу. Нагревание материала становится более плавным, начинается стационарный процесс обработки.

При распространении несфокусированного излучения пробой материала может не возникать, но вследствие нелинейной зависимости показателя преломления материала от напряженности поля может возникать самофокусировка излучения и дальнейшее распространение пучка в сфокусированном виде (самоканализация).

При распространении лазерного излучения в атмосфере происходит рассеяние луча на частицах пыли и капельках воды (тумана). Под действием энергии луча происходит испарение капелек воды и просветление канала распространения. Однако при этом оптическая плотность (коэффициент преломления) среды в середине канала уменьшается, что приводит к дефокусировке луча.

При высокой плотности мощности лазерного излучения возможны пробой и ионизация воздуха. Лазерный пробой является очень нежелательным явлением, так как при этом лазерный луч поглощается, не доходя до цели. Для предотвращения лазерного пробоя лазерное излучение большой мощности следует передавать к месту назначения в пучках большого диаметра.

Распространение лазерного излучения в воде и других жидкостях сопровождается довольно сильным затуханием и рассеяние причем рассеяние определяется в основном содержащимися в воде взвесями. Вода наиболее прозрачна при длине волны 0,48 мкм; в этом случае затухание составляет 0,05 м^-1. Для ультрафиолетового и инфракрасного излучения затухание очень сильное. Благодаря, возможности интенсивного перемешивания воды в ней может распространятся лазерное излучение довольно большой мощности. При плотности потока мощности, превышающей 10¹⁰ Вт/см², происходит закипание и ионизация воды.