Лазер без преувеличения можно назвать одним из важнейших открытий XX века.
Что такое лазер
Говоря простыми словами, лазер - это устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Название «лазер» (laser ) образовано путём сложения первых букв слов, составляющих английское выражение l ighta mplification bys timulatede mission ofr adiation , что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.
Обычный свет рассевается от источника по разным направлениям. Чтобы собрать его в пучок, используют различные оптические линзы или вогнутые зеркала. И хотя таким световым лучом можно даже разжечь огонь, его энергию невозможно сравнить с энергией лазерного луча.
Принцип работы лазера
В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения . В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?
В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным , а все другие состояния - возбуждёнными . Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением .
Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным .
Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.
Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости .
Как устроен лазер
В конструкцию лазера входят 3 элемента:
1. Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.
2. Рабочее тело лазера.
3. Система зеркал, или оптический резонатор.
Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача - «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера . Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.
Рабочим телом , или лазерными материалами , называют вещества, выполняющие функции активной среды . Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?
В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов - в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости . Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.
В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.
Рабочее тело помещается в оптический резонатор . Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.
Кроме того, в лазерах используют и другие устройства - зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.
Когда изобрели лазер
В 1964 г. русские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов, а также американский физик Чарлз Хард Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им за открытие принципа работы квантового генератора на аммиаке (мазера), которое они сделали независимо друг от друга.
Александр Михайлович Прохоров
Николай Геннадиевич Басов
Нужно сказать, что мазер был создан за 10 лет до этого события, в 1954 г. Он излучал когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона и стал прообразом лазера.
Автор первого рабочего оптического лазера - американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 г. он впервые получил красный лазерный луч, вышедший из красного рубинового стержня. Длина волны этого излучения составляла 694 нанометра.
Теодор Майман
Современные лазеры имеют разные размеры, от микроскопических полупроводниковых, до громадных, размером с футбольное поле, неодимовых лазеров.
Применение лазеров
Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.
В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.
С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).
Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.
Появление лазеров в медицине изменило многое.
Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.
В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.
Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:
1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;
2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;
3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.
Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.
В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.
Страница 2 из 2
В статье рассматривается принцип действия и устройство современных лазерных принтеров . Она открывает серию статей , посвященных принципам и проблемам лазерной платы .
Изображение, получаемое с помощью современных лазерных принтеров (а также матричных и струйных), состоит из точек (dots). Чем меньше эти точки и чем чаще они расположены, тем выше качество изображения. Максимальное количество точек, которые принтер может раздельно напечатать на отрезке в 1 дюйм (25,4 мм), называется разрешением и характеризуется в точках на дюйм , при этом разрешение может быть 1200 dpi и более. Качество текста, напечатанного на лазерном принтере с разрешением 300 dpi, примерно соответствует типографскому. Однако если страница содержит рисунки, содержащие градации серого цвета, то для получения качественного гра-фического изображения потребуется разрешение не ниже 600 dpi. При разрешающей способности принтера 1200 dpi отпечаток получается почти фо-тографического качества. Если необходимо печатать большое количество документов (например, более 40 листов в день), лазерный принтер пред-ставляется единственным разумным выбором, поскольку для современных персональных лазерных принтеров стандартными параметрами являются разрешение 600 dpi и скорость печати 8...1 2 страниц в минуту.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО ПРИНТЕРА
Впервые лазерный принтер был представлен фирмой Hewlett Packard. В нем был использован электрографический принцип создания изображений - такой же, как в копировальных аппаратах. Различие состояло в способе экспонирования: в копировальных аппаратах оно происходит с помощью лампы, а в лазерных принтерах свет лампы заменил луч лазера.
Сердцем лазерного принтера является фотопроводящий цилиндр (Organic Photo Conductor), который часто называют печатающим фотобарабаном или просто барабаном. С его помощью производится перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой фоточувствительного полупроводника. Поверхность такого цилиндра можно снабдить положительным или отрицательным зарядом, который сохраняется до тех пор, пока барабан не освещен. Если какую-либо часть барабана экспонировать, покрытие приобретает проводимость, и заряд стекает с освещенного участка, образуя незаряженную зону. Это - ключевой момент в понимании принципа работы лазерного принтера.
Другой важнейшей частью принтера является лазер и оптико-механическая система зеркал и линз, перемещающая луч лазера по поверхности барабана. Малогабаритный лазер генерирует очень тонкий световой луч. Отражаясь от вращающихся зеркал (обычно четырехгранной или шестигранной формы), этот луч засвечивает поверхность фотобарабана, снимая ее заряд в точке экспонирования.
Для получения точечного изображения лазер включается и выключается при помощи управляющего микроконтроллера. Вращающееся зеркало разворачивает луч в виде строки скрытого изображения на поверхности фотобарабана.
После формирования строки специальный шаговый двигатель поворачивает барабан для формирования следующей. Это смещение соответствует раз-решающей способности принтера по вертикали и обычно составляет 1/300 или 1/600 дюйма. Процесс образования скрытого изображения на барабане напоминает формирование растра на экране телевизионного монитора.
Используются два основных способа предварительного (первичного) заряда поверхности фотоцилиндра:
Ø при помощи тонкой проволоки или сетки, называемой «коронирующим проводом». Высокое напряжение, подаваемое на провод, приводит к воз-никновению светящейся ионизированной области вокруг него, которая называется короной, и придает барабану необходимый статический заряд;
Ø при помощи предварительно заряженного резинового вала (PCR).
Итак, на барабане сформировано невидимое изображение в виде статически разряженных точек. Что же дальше?
УСТРОЙСТВО КАРТРИДЖА
Перед тем как рассказать о процессе передачи и закрепления изображения на бумаге, рассмотрим устройство картриджа для принтера Laser Jet 5L фирмы Hewlett Packard. В этом типичном картридже можно выделить два основных отделения: отделение для отработанного тонера и тонерный отсек.
Основные конструктивные элементы отделения для отработанного тонера:
1 - Фотобарабан (Organic Photo Conductor (OPC) Drum). Представляет собой алюминиевый цилиндр, покрытый органическим светочувствительным и фотопроводящим материалом (обычно оксидом цинка), который способен сохранять образ, наносимый лазерным лучом;
2 - Вал первичного заряда (Primary Charge Roller (PCR)). Обеспечивает равномерный отрицательный заряд барабана. Выполнен из токопроводящей ре-зиновой или поролоновой основы, нанесенной на металлический вал;
3 - « Вайпер » , ракель , чистящее лезвие (Wiper Blade, Cleaning Blade). Очищает барабан от остатков тонера, который не был перенесен на бумагу. Конструктивно выполнен в виде металлического каркаса (stamping) с полиуретановой пластиной (blade) на конце;
4 - Лезвие очистки (Recovery Blade ). Перекрывает область между барабаном и бункером для отработанного тонера. Recovery Blade пропускает тонер, оставшийся на барабане, внутрь бункера и не дает ему высыпаться в обратном направлении (из бункера на бумагу).
Основные конструктивные элементы тонерного отсека:
1 - Магнитный вал (Magnetic Developer Roller, Mag Roller, Developer Roller). Представляет собой металлическую трубку, внутри которой находится не-подвижный магнитный сердечник. К магнитному валу притягивается тонер, который перед подачей на барабан приобретает отрицательный заряд под дей-ствием постоянного или переменного напряжения;
2 - « Доктор » (Doctor Blade, Metering Blade). Обеспечивает равномерное распределение тонкого слоя тонера на магнитном вале. Конструктивно выполнен в виде металлического каркаса (stamping) с гибкой пластиной (blade) на конце;
3 - Уплотнительное лезвие магнитного вала (Mag Roller Sealing Blade ). Тонкая пластина, аналогичная по функциям Recovery Blade. Перекрывает область между магнитным валом и отсеком подачи тонера. Mag Roller Sealing Blade пропускает тонер, оставшийся на магнитном вале, внутрь отсека, предотвращая утечку тонера в обратном направлении;
4 - Бункер для тонера (Toner Reservoir ). Внутри него находится «рабочий» тонер, который будет перенесен на бумагу в процессе печати. Кроме того, в бункер встроен активатор тонера (Toner Agitator Bar) -проволочная рамка, предназначенная для перемешивания тонера;
5 - Пломба , чека (Seal ). В новом (или регенерированном) картридже тонерный бункер запечатан специальной пломбой, которая предотвращает просыпание тонера при транспортировке картриджа. Перед началом эксплуатации эта пломба удаляется.
ПРИНЦИП ЛАЗЕРНОЙ ПЕЧАТИ
На рисунке изображен картридж в разрезе. Когда включается принтер, все компоненты картриджа приходят в движение: происходит подготовка картриджа к печати. Этот процесс аналогичен процессу печати, но лазерный луч не включается. Затем движение компонентов картриджа останавливается - принтер переходит в состояние готовности к печати .
После отправки документа на печать, в картридже лазерного принтера происходят следующие процессы:
Зарядка барабана . Вал первичного заряда (PCR) равномерно передает на поверхность вращающегося барабана отрицательный заряд.
Экспонирование . Отрицательно заряженная поверхность барабана экспонируется лазерным лучом только в тех местах, на которые будет нанесен тонер. Под действием света фоточувствительная поверхность барабана частично теряет отрицательный заряд. Таким образом, лазер экспонирует на барабан скрытое изображение в виде точек с ослабленным отрицательным зарядом.
Нанесение тонера . На этом этапе скрытое изображение на барабане при помощи тонера превращается в видимое изображение, которое будет перенесено на бумагу. Тонер, находящийся около магнитного вала, притягивается к его поверхности под действием поля постоянного магнита, из которого изготовлена сердцевина вала. При вращении магнитного вала тонер проходит сквозь узкую щель, образованную «доктором» и валом. В результате он приобретает отрицательный заряд и прилипает к тем участкам барабана, которые были экспонированы. «Доктор» обеспечивает равномерность нанесения тонера на магнитный вал.
Перенос тонера на бумагу . Продолжая вращаться, барабан с проявленным изображением соприкасается с бумагой. С обратной стороны бумага прижимается к валу Transfer Roller, несущему положительный заряд. В результате отрицательно заряженные частицы тонера притягиваются к бумаге, на которой получается изображение, «насыпанное» тонером.
Закрепление изображения . Лист бумаги с незакрепленным изображением перемещается к механизму закрепления, представляющему собой два со-прикасающихся вала, между которыми протягивается бумага. Нижний вал (Lower Pressure Roller) прижимает ее к верхнему валу (Upper Fuser Roller). Верхний вал нагрет, и при соприкосновении с ним частицы тонера расплавляются и закрепляются на бумаге.
Очистка барабана . Некоторое количество тонера не переносится на бумагу и остается на барабане, поэтому его необходимо очистить. Эту функцию выполняет «вайпер». Весь тонер, оставшийся на барабане, счищается вайпером в бункер для отработанного тонера. При этом Recovery Blade закрывает область между барабаном и бункером, не позволяя тонеру просыпаться на бумагу.
«Стирание» изображения . На этом этапе с поверхности барабана «стирается» скрытое изображение, нанесенное лазерным лучом. При помощи вала первичного заряда поверхность фотобарабана равномерно «покрывается» отрицательным зарядом, который восстанавливается в тех местах, где он был частично снят под действием света.
Лазер - источник электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном (или индуцированном) излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).
Принцип работы лазера основан на трех фундаментальных идеях. Первая идея связана с использованием вынужденного (индуцированного) испускания света атомными системами. Вторая идея заключается в применении термодинамически неравновесных сред с инверсной заселенностью уровней, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Третья идея состоит в использовании положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения.
Рассмотрим свободный, не подверженный внешним влияниям атом излучающей среды, который находится в возбужденном состоянии. Тогда он спонтанно (самопроизвольно) может перейти из возбужденного состояния с энергией E 2 в основное (невозбужденное) состояние с энергией E 1 . При этом будет испущен квант света - фотон с энергией Е фотона = hn = E 2 – E 1 , где n - частота испущенного излучения. Статистический, случайный характер процессов спонтанного излучения приводит к тому, что электромагнитные волны, испускаемые отдельными атомами обычных источников света, не согласованы друг с другом: они имеют разные фазы, направления распространения и поляризацию. Это означает, что спонтанное излучение обычных источников света некогерентно.
Вынужденное (индуцированное) излучение – это излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атомы среды переходят из возбуждённого состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбуждённым атомом может быть, если энергия фотона hn равна разности уровней энергий атома в возбуждённом и основном состояниях: Е фотона = hn = E 2 – E 1 (рис. 1), где n - частота внешнего излучения. В этом случае после взаимодействия фотонов с атомом от атома будет распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный , т. е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет туже частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т. е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.
При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идёт процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбуждённое. В обычном состоянии невозбуждённых атомов в веществе значительно больше, чем возбуждённых, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет. Для того чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света имеет место в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбуждённому состоянию, больше, чем на нижних. Такое распределение атомов среды по энергетическим уровням называется инверсной заселённостью . Это состояние возможно только в случае термодинамически неравновесных сред.
Среда с инверсной заселенностью уровней, в которой происходит усиление, а не поглощение света, называется активной средой. По типу используемой активной среды лазеры делятся на газовые (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. д.), жидкостные, твердотельные (рубиновый, стеклянный или сапфировый) и полупроводниковые (в них в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход).
Способы создания активной среды называются накачкой лазера. Существуют различные способы накачки лазеров - оптическая накачка (облучение рабочей среды твердотельных лазеров светом мощной лампы-вспышки), возбуждение электронным ударом (в газоразрядных лазерах), химическая накачка и т. д.
Для осуществления положительной обратной связи часть генерируемого излучения должна оставаться внутри активной среды и вызывать вынужденное испускание все новых и новых возбужденных атомов. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор . Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда. Зеркала могут быть плоскими, выпуклыми или вогнутыми. Важнейшее их свойство - высокие значения коэффициента отражения. Используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие сильным отражением и почти не поглощающие света. За счет многократного отражения световых волн, распространяющихся в активной среде, от зеркал оптического резонатора, обеспечивается их многократное усиление, вследствие чего достигается высокая мощность излучения.
Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера, который работает в непрерывном режиме в видимой области спектра. Основным элементом лазера является разрядная трубка, заполненная смесью газов – гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются атомами активной среды (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной заселённости атомов неона.
На рис. 2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2 . Первый возбуждённый уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбуждённое состояние 3 . Таким образом, в трубке создаётся активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной заселённостью уровней.
Спонтанный (самопроизвольный) переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем воздействии этих фотонов с возбуждёнными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hn .
Для увеличения мощности излучения трубку 1, заполненная смесью гелия и неона, помещают в оптический резонатор, образованный зеркалами 5 и 6 (см. рис. 3). Отражаясь от зеркал, поток фотонов проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается всё большее число атомов неона, и интенсивность генерируемого излучения лавинообразно возрастает.
Лазер работает в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркала резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении её вдоль трубки через активную среду. Поэтому очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – 98–99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим – около 0,2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.
Энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, поэтому лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определённую длину волны.
Газоразрядная трубка 1 (рис. 3) с торцов закрыта плоско параллельными стеклянными пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в неё введены два электрода: анод 2 и катод 3. За счет прохождения через трубку электрического тока, в среде Не-Nе создается инверсная заселенность уровней.
Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками:
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10 -5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной когерентностью и монохроматичностью.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10 -13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10 17 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца равна только 7×10 3 Вт/см 2 , причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал Dl=10 -6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2 . Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Лазеры (или оптические квантовые генераторы) - это одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних десятилетий, одно из «чудес» XX века. У оптических квантовых генераторов, несомненно, блестящее будущее, так как область их применения поистине безгранична: с помощью лазеров изучают плазму, ускоряют химические реакции, следят за движением искусственных спутников Земли, производят разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Так, например, используя лазерное излучение было определено расстояние до Луны с точностью до 100 метров. Если обычная современная вычислительная машина может в секунду произвести несколько миллионов арифметических действий, то вычислительная машина с использованием луча ОКГ за ту же секунду может произвести несколько сотен или тысяч миллионов операций.
Все оптические квантовые генераторы состоят их внешнего источника накачки, активной лазерной среды, оптического резонатора. С помощью источника накачки внешняя энергия направляется к оптическому квантовому генератору. Активная лазерная среда, находящаяся внутри, в зависимости от конструкции может состоять из кристаллического тела (YAG-лазер), смеси газа (CO₂-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). При подаче энергии через систему накачки в активную лазерную среду выделяется энергия в форме излучения. Активная лазерная среда находится в так называемом «оптическом резонаторе» между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. В резонаторе происходит усиление излучения активной лазерной среды, а в то же время часть излучения способна выходить из оптического резонатора через полупрозрачное зеркало. Таким образом собранное в пучок электромагнитное излучение оптического (светового) диапазона и представляет собой лазерное излучение.
Оптические квантовые генераторы подразделяются на основе множества признаков, но в основном используется следующая классификация:
- по режиму работы:
- импульсные;
- непрерывного действия;
- по виду активной среды:
- жидкостные;
- газовые;
- твердотельные;
- лазеры на свободных электронах;
- по способу возбуждения лазерного вещества (накачки):
- газоразрядные (в разрядах на полых электродах, в дуговых, тлеющих разрядах);
- газодинамические (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов);
- диодные или инжекционные (возбуждение при прохождении тока в полупроводнике);
- химические лазеры (возбуждение на основе химических реакций);
- с оптической накачкой (с возбуждением при помощи лампы непрерывного горения, лампы-вспышки, светодиода или другого лазера);
- с ядерной накачкой (возбуждение в результате ядерного взрыва или с помощью излучения из атомного реактора);
- с электронно-лучевой накачкой (специальные типы полупроводниковых и газовых лазеров).
В настоящее время различают следующие виды лазерных устройств:
- твердотельные лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фтористый кальций, некоторые редкоземельные элементы и др.), обладающие большой мощностью излучения;
- газовые лазеры, в которых в качестве активного вещества используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и др.); они менее мощные по сравнению со твердотельными лазерами;
- полупроводниковые лазеры с использованием арсенида галлия и др., обладающие большим коэффициентом полезного действия и относительно большой удельной мощностью по сравнению с другими лазерами.
Применение лазеров
В настоящее время имеется много типов различных ОКГ, предназначенных для научных исследований, для использования в области техники и промышленности. Созданы оптические квантовые генераторы с различными специальными устройствами (приставками) в виде микроскопов, телевизоров и т. п. для биологических и медицинских целей. Сочетание с микроскопом («лазерный микроскоп») позволяет облучать не только отдельные клетки, но даже и различные образования, находящиеся в них, как например, ядра и другие. В зависимости от материала, служащего активным веществом, меняется интенсивность излучения и длина волны. Большинство лазеров, применяемых в настоящее время, работает в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.
Импульсные оптические квантовые генераторы, дающие кратковременные импульсы большой энергии, могут применяться в медицине, в основном, для одно- или многократного воздействия на различные патологические очаги, например, для «обстрела» опухолей и др. Менее мощные приборы непрерывного действия предназначаются по преимуществу для производства различных оперативных вмешательств. В первом случае лазерный луч можно образно назвать «световой пулей», поражающей избранную цель, а во втором - «световым ножом» (или «световым скальпелем»).
Нефокусированный лазерный луч обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом - от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, то есть меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достигать при этом очень высоких температур - до многих миллионов градусов! Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины. Интенсивность лазерного излучения определяется по величине энергии импульса, приходящейся на квадратный сантиметр, и выражается в джоулях (Дж/см²) или калориях, а для устройств непрерывного действии - в ваттах на см². Энергия каждой вспышки лазера может колебаться от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный пучок мощного лазера буквально не знает преград. Достаточно сказать, что луч лазера способен «просверливать», плавить и обращать в пар сталь, вольфрам, алмаз, корунд и все другие известные человечеству материалы. В настоящее время мощность оптических квантовых генераторов достигла колоссальной величины. В течение импульса продолжительностью в несколько наносекунд (10-11 сек) она превосходит 10 миллионов киловатт! За последние годы сконструированы лазерные устройства, яркость излучения которых в миллион раз больше яркости солнца, а импульсная мощность превышает мощность крупных электростанций.