24. Технология применения лазера в промышленности

4. 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 Е_1.

Эйнштейн показал, что при пропускании света через вещество он, как правило, поглощается. Это значит. Что в веществе больше электронов, находящихся на уровне Е_1., чем на Е_2.

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 Е_2. 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 энергиюи 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 Е_1,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.