«Лазерное излучение»

Введение

Лазерное излучение является одним из наиболее интересных научно-технических достижений ХХ века. Создание лазеров привело ко второму рождению научной и технической оптики и развитию совершенно новых отраслей промышленности. В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.
Важно, что лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.
Вследствие того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд. 1
Эти перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру. Так, например, импульсный лазер мощностью 1015 Вт имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов. Благодаря этим свойствам лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в оптических локаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих-кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. В обработке материалов при помощи лазера осуществляют сварку, резку, сверление очень маленьких отверстий с высокой точностью. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции. Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трехмерные объемные изображения. В метрологии лазер применяется при измерении длины, скорости, давления. Создание лазеров результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии. Создание лазера стало определяющим фактором и в развитии оптических систем передачи. Сказанным выше, определяется актуальность исследования в данной работе.
Целью данной работы является изучить лазерное излучение. Задачами данной работы являются рассмотреть:
- свойства лазерного излучения;
- краткую историю возникновения и усовершенствования лазеров;
- источники, свойства и типы лазеров;
- вредное действие лазерного излучения;
- классы безопасности лазеров и средства защиты.

1. Лазерная техника

Лазерная техника еще очень молода - ей нет и полувека. Однако за это совсем небольшое время лазер из любопытного лабораторного устройства превратился в средство научного исследования, в инструмент, применяемый в промышленности. Трудно найти такую область современной техники, где бы не работали лазеры. Их излучение используется для связи, записи и чтения информации, для точных измерений; они незаменимы в медицине хирургии и терапии. Многие учёные считают, что кардинальные изменения, которые лазер внёс в жизнь человека, - подобны последствиям промышленного применения электричества в конце XIX века.
Большие возможности лазерной технологии объясняются особыми свойствами лазерного излучения. Его природу изучает квантовая механика. Именно её законы описывают процессы, происходящие в лазере, поэтому его также называют оптическим квантовым генератором.
Таким образом, свет - это поток испускаемых атомами особых частиц - фотонов, или квантов электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии, выброшенной атомом. 2
Излученные фотоны абсолютно идентичны, их частоты равны и фазы одинаковы. Когда они встретятся с двумя возбужденными атомами, фотонов станет 4. Потом 8, 16 и т. д. Возникнет лавина неотличимых друг от друга фотонов, образующих так называемое монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Это вынужденное излучение обладает целым рядом интересных свойств.
Лазерное излучение имеет очень высокую температуру. Её величина зависит от мощности излучения и достигает порой миллионов градусов.
При этом лазер излучает энергию на одной частоте, на одной длине волны. Раньше такое монохроматическое излучение получали только в диапазоне радиоволн. Свет, испускаемый даже очень маленьким кусочком раскалённого вещества, всегда состоит из волн самой разной частоты. По этой причине в оптике никак не удавалось, например, создать узконаправленные и сфокусированные пучки излучения, которыми радиоинженеры пользуются уже не один десяток лет.
Так же, лазерное излучение очень стабильно. Электромагнитная волна, которую генерирует лазер, распространяется на многие километры не изменяясь. Её амплитуда, частота и фаза могут оставаться постоянными очень долго. Это качество называется высокой пространственной и временной когерентностью.
Эти три особенности лазерного излучения нашли применение в самых разных отраслях техники, при решении различных технологических задач. Для каждого случая можно подобрать лазер нужного типа и требуемой мощности. 3

2. Характеристика лазеров

2.1 Рождения семейства лазеров

То, как получить когерентное излучение, стало в общих чертах понятно в 1918 году когда Альберт Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения. Если создать среду, в которой атомы находятся в возбуждённом состоянии, и «запустить в неё слабый поток когерентных фотонов, то его интенсивность станет расти. В начале 50-х гг. российские исследователи Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и независимо от них американский физик Чарлз Хард Таунс создали усилитель радиоволн высокой частоты на молекулах аммиака. Нужные для работы возбуждённые молекулы отбирало из потока газа электрическое поле сложной конфигурации. Новорождённое устройство получило название мазер.
В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман сконструировал первый квантовый генератор оптического диапазона лазер. Усиление света происходило в кристалле рубина прозрачной разновидности окиси алюминия с небольшой примесью хрома (на этот материал указали третья годами раньше Н.Г Басов и А.М. Прохоров). В лазере использовался охлаждаемый жидким азотом рубиновый стержень длиной около 4 см и диаметром 5 мм. Посеребренные торцы стержня служили зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Энергию в кристалл накачивала мощная импульсная лампа. Поток фотонов высокой энергии переводил атомы хрома в возбужденное состояние. На одном из высокоэнергетических уровней атомы задерживаются в среднем на 0,003 с время по атомным масштабам огромное. За этот период часть атомов успевает самопроизвольно излучить фотоны. Их поток, многократно пробегая между зеркалами, заставляет все возбужденные атомы излучать кванты света. В результате рождается световая вспышка - лазерный импульс мощностью в десятки тысяч ватт. Сегодня лазерные стержни изготовляют из различных материалов, но чаще всего из рубина, граната и стекла с примесью редкого металла - неодима Некоторые твердотельные лазеры (например, на гранате) генерируют сотни и тысячи импульсов в секунду. 4
И в том же 1960 году американские физики А Джэван, В Бепнет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Этот лазер излучал красный свет уже не импульсами, а непрерывно. Смесь газов оказалась настолько хорошо подобранной, что гелиево-неоновые лазеры до сих пор остаются самыми распространёнными источниками когерентного света, хотя излучения удалось добиться и от множества других газов и паров. Энергию в газовую смесь накачивает тлеющий электрический разряд. Цвет луча зависит от состава газа или пара, на котором лазер работает. Аргон, например, даёт синий свет, криптон - жёлтый, ксенон и пары меди зелёный. углекислый газ и пары воды невидимые тестовые (инфракрасные) лучи.
В семейство газовых лазеров можно отнести и квантовые генераторы, в которых возбужденные молекулы не готовятся заранее, а появляются непосредственно в момент излучения. Это так называемые газодинамические и химические лазеры, развивающие колоссальную мощность в сотни киловатт и даже десятки мегаватт в непрерывном режиме.
Газодинамический лазер напоминает реактивный двигатель. Молекулы сильно нагретого газа, вылетающие из него, отдают энергию в виде светового излучения. В химическом лазере возбуждённые молекулы возникают в результате химической реакции. Самая энергичная из них - соединение атомарного фтора с водородом.
Непрерывное излучение дают и жидкостные лазеры. Рабочим веществом для них служат, например, растворы солей неодима и соединений анилина. Поскольку соединения анилина используются для окраски тканей, генераторы на их основе называют лазерами на красителях. Для более стабильной работы лазера жидкость можно пропускать через холодильник.
Самые миниатюрные лазеры - полупроводниковые: в спичечный коробок их можно поместить несколько десятков, а объём вещества, в котором происходит вынужденное излучение, не превышает тысячных долей кубического миллиметра. Энергию в полупроводник накачивает электрический ток. Больше половины его «превращается» в свет, т. е. коэффициент полезного действия этих лазеров может достигать более чем 50 %.

2.2 Типы лазеров

1) Твердотельные лазеры.
Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al2O3 с небольшой примесью ионов хрома Cr +++ . Сконструировал его Т. Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмоиттриевый гранат Y 2 Al 5 O 12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10–3 секунды, а лазерный импульс оказывается раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится. Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10–6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10–5 секунды. В этом режиме так называемой свободной генерации мощность импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность, просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность импульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (1012 ватт). 5
2) Газовые лазеры.
Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.
К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).
Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.
3) Химические лазеры.
В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом.
4) Жидкостные лазеры.
Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.
5) Полупроводниковые лазеры.
Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И. Нейтеном, Т. Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr. 6
В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией Eэ спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию Eд, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = Eэ – Eд. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.
6) Лазеры в природе.
Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

2.3 Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств. 7
1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.
Эти перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.
2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.
Эти уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.
2. Лазерная связь. Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.
3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).
4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.
5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.

3. Механизмы вредного воздействие лазерного излучения

Ткани и органы, которые обычно подвержены лазерному облучению это глаза и кожа. Существуют три основных типа повреждения тканей, вызванных лазерным облучением. Это тепловые эффекты, фотохимическое воздействие, а также акустические переходные эффекты (подвержены только глаза). Тепловые эффекты могут возникать при любой длине волны и являются следствием излучения или светового воздействия на охлаждающий потенциал кровотока тканей.
В воздухе, фотохимический эффекты происходят между 200 и 400 нм и ультрафиолете, а также между 400 до 470 нм фиолетовых длинах волн. Фотохимические эффекты связанны с продолжительностью и также частотой повторения излучения.
Акустические переходные эффекты, связанные с длительностью импульса, могут произойти в короткий срок импульсов (до 1 мс) в зависимости от конкретной длины волны лазера. Акустическое воздействие переходных эффектов плохо изучено, но оно может вызвать повреждение сетчатки, которая отлична от термической травмы сетчатки.
Потенциальные места повреждения глаза напрямую связаны с длиной волны лазерного излучения. Длины волн короче 300 нм или более 1400 нм, воздействуют на роговицу. Длины волн между 300 и 400 нм, воздействуют на водянистую влагу, радужную оболочку глаза, хрусталик и стекловидное тело. Длины волн от 400 нм и 1400 нм, направлены на сетчатку. 8
Вред лазера для сетчатки может быть очень большим из-за фокусного усиления (оптического усиления) от глаз, что составляет примерно 105. Это означает, что излучение от 1 мВт/см 2 через глаз будет эффективно увеличено до 100 мВт/см2, когда оно достигает сетчатки.
При термических ожогах глаза нарушается охлаждающая функция сосудов сетчатки глаза. В результате повреждающего воздействия термического фактора могут происходить кровоизлияния в стекловидное тело в следствии повреждения кровеносных сосудов.
Так как сетчатка может восстановиться от незначительных повреждений, основные ранения жёлтого пятна сетчатки может привести к временной или постоянной потере остроты зрения или к полной слепоте. Фотохимические ранения роговицы путем ультрафиолетового облучения может привести к photokeratoconjunctivitis (часто называют болезнью сварщиков или снежной слепотой). Это болезненные состояния могут длиться несколько дней с очень изнуряющими болями. Долгосрочное облучение может привести к формированию катаракты.
Общая продолжительность воздействия также влияет на травматизацию глаза. Например, если лазер видимых длин волн (400 до 700 нм), мощность луча которого составляет менее 1,0 МВт, а время экспозиции составляет менее 0,25 секунд (время за которое человек закроет глаз), никаких повреждений на сетчатке глаза не будет. Класс 1, 2А и 2-лазеров подпадают под эту категорию и, как правило, не могут навредить сетчатке. К сожалению, при прямом или отраженном попадании лазера класса 3A, 3B, или 4, и диффузных отражений лазеров выше 4 класса могут вызывать повреждения, прежде чем человек сможет рефлекторно закрыть глаза.
Для импульсных лазеров, длительности импульса также влияет на потенциальный вред для глаз. Импульсы менее чем на 1 мс при попадании на сетчатку может вызвать акустические переходные эффекты, что приводит к существенному ущербу и кровотечениям в дополнение к ожидаемым тепловым повреждениям. Многие импульсные лазеров в настоящее время имеют время импульса менее 1 пикосекунды.
Стандарт ANSI определяет максимально допустимую мощность воздействия лазера на глаз без каких либо последствий (под воздействием конкретных условий).
Травмы кожи от лазеров в первую очередь, делятся на две категории: тепловые травмы (ожоги) от острого воздействия мощных лазерных лучей и фотохимического индуцированного повреждения от хронического воздействия рассеянного ультрафиолетового лазерного излучения. Тепловой травмы могут возникнуть в результате прямого контакта с лучом или его зеркальным отражением. Эти травмы хоть и болезненны но, как правило, не являются серьезными и, обычно, легко предотвращаются при надлежащем контроле над лазерным лучом. Фотохимические повреждения могут произойти с течением времени от облучения прямого света, зеркальных отражений, или даже диффузного отражения. Эффект может быть незначительными но могут быть и серьезные ожоги, а длительное воздействие может способствовать формированию рака кожи. Хорошие защитные очки и одежда могут быть необходимы для защиты кожи и глаз. При работе с лазерами необходимо иметь очки, защищающие от лазерного излучения. Защитные очки нужны даже для лазера 15мВт, так как без них глаза сильно устают.
Степень защиты очков от лазерного излучение измеряется в OD (Optical Density). Оптическая плотность показывает, во сколько раз очки ослабляют свет. Единица означает «в 10 раз». Соответственно, «оптическая плотность 3» означает ослабление в 1000 раз, а 6 - в миллион. Правильная оптическая плотность для видимого лазера такова, чтобы после очков от прямого попадания лазера осталась мощность, соответствующая классу II (максимум где-то 1 мВт).
От красного и некоторых инфракрасных лазеров защищают отечественные очки марки ЗН-22 С3-С22. Они похожи на очки сварщика, но имеют стекла голубого цвета. В связи с широким применением лазерных источников излучения в научных исследованиях, промышленности, медицинский связи и др. возникает необходимость сохранения здоровья людей эксплуатирующих различные лазерные установки. 9
Лазер - источник когерентного излучения, то есть согласованного во времени и пространстве движения фотонов в виде выделенного луча. Характер воздействия на зрительный аппарат и степень поражающего действия лазера зависят от плотности энергии излучения, длины волны излучения (импульсное или непрерывное). Характер повреждения кожи зависит от цвета кожи, например пигментированная кожа значительно сильнее поглощает лазерное излучение, чем не пигментированная. Светлая кожа отражает до 40 % падающего на нее излучения. При действии лазерного излучения обнаружен ряд нежелательных изменений со стороны органов дыхания, пищеварения, сердечнососудистой и эндокринной систем. В некоторых случаях эти общие клинические симптомы носят довольно стойкий характер, являясь результатом влияния на нервную систему.
Охарактеризуем действие наиболее биологически опасных спектральных диапазонов лазерного облучения. В инфракрасной области энергия наиболее «коротких» волн (0,7-1,3 мкм) может проникать на сравнительно большую глубину в кожу и прозрачные среды глаза. Глубина проникновения зависит от длины волны падающего излучения. Участок высокой прозрачности на длинах волн от 0,75 до 1,3 мкм имеет максимум прозрачности в районе 1,1 мкм. На этой длине волны 20 % энергии, падающей на поверхностный слой кожи, проникает в кожу на глубину до 5 мм. При этом в сильно пигментированной коже глубина проникновения может быть еще больше. И, тем не менее, кожа человека достаточно хорошо противодействует инфракрасному излучению, так как она способна рассеивать тепло благодаря кровообращению и понижать температуру ткани вследствие испарения влаги с поверхности.
Но значительно труднее от инфракрасного облучения защитить глаза, в них тепло практически не рассеивается, и хрусталик, фокусирующий излучение на сетчатке, усиливает эффект биологического воздействия. Все это заставляет при работе с лазерами особое внимание обращать на защиту глаз. Роговая оболочка глаза прозрачна для излучения в интервале длин волн 0,75-1,3 мкм и становится практически непрозрачной только для длин волн более 2 мкм.
Степень теплового поражения роговицы зависит от поглощенной дозы облучения, причем травмируется главным образом поверхностный, тонкий слой. Если в интервале волн 1,2-1,7 мкм величина энергии облучения превышает минимальную дозу облучения, то может произойти полное разрушение защитного эпителиального слоя. Ясно, что подобное перерождение тканей в области, положенной непосредственно за зрачком, серьезно сказывается на состоянии органа зрения.
Следует иметь в виду, что радужная оболочка, отличающаяся высокой степенью пигментации, поглощает излучение практически всего инфракрасного диапазона. Особенно сильно подвержена она действию излучения длиной волны 0,8-1,3 мкм, поскольку излучение почти не задерживается роговицей и водянистой жидкостью передней камеры глаза.
Минимальной величиной плотности энергии облучения в интервале волн 0,8-1,1 мкм, способной вызвать поражение радужной оболочки, считают 4,2 Дж/см 2 . Одновременное поражение роговой и радужной оболочек всегда носит острый характер, а поэтому оно наиболее опасно. 10
Поглощение средами глаза энергии излучения в инфракрасной области, падающей на роговую оболочку, растет с увеличением длины волны. При длинах волн 1,4-1,9 мкм роговица и передняя камера глаза поглощают практически все падающее излучение, а при длинах волн выше 1,9 мкм роговица становится единственным поглотителем энергии излучения.
При оценке допустимых уровней лазерной энергии необходимо учитывать суммарный эффект, производимый на прозрачные среды глаза, сетчатку и сосудистую оболочку. Оценим действие лазерного излучения на сетчатую оболочку глаза.
Прогнозируя возможность опасности лазерного облучения, необходимо учитывать:
и т.д.................

Когда ученые узнали, каковы свойства лазерного излучения, общественность получила широкие возможности интерферометрии. В настоящее время научное сообщество имеет достаточно точные методы определения количественных оценок перемещений, длин. Первое время интерферометры применялись довольно ограниченно, так как источники световой волны не были в необходимой степени когерентными, яркими, поэтому картина, доступная человеку, была корректной лишь в случае, когда измерительное плечо составляло 50 см и менее. Многое изменилось, когда появилась возможность применения более высокоточного лазерного излучения.

Гемостатика

Этим термином принято обозначать кратко свойство лазерного излучения, выраженное через запаивание, сварку. Обусловлен процесс некрозом, связанным с обработкой температурой. Коагуляционный контролируемый некроз, спровоцированный изменением уровня нагрева, сопровождается формированием краевой пленки из элементов клеток, тканей. Это соединяет между собой несколько слоев органа единым уровнем.

Работа с лазером - это всегда взаимодействие с очень высокими температурами. За счет такой особенности жидкость, находящаяся в норме внутри клеток и между тканями, практически мгновенно испаряется, а сухие компоненты сгорают. Дистрофия определяется тем, какой именно тип лазерного излучения (свойства немного отличаются) применен в конкретной установке. Многое также зависит и от вида обрабатываемых органических тканей, от продолжительности контакта. Если лазер перемещать, это провоцирует испарение, по итогам которого получается линейный разрез.

Важные качества

Рассматривая, какими свойствами обладает лазерное излучение, важно упомянуть монохроматический спектр, высокий уровень когерентности, низкую расходимость, повышенную плотность спектра. Суммарно это позволяет сконструировать на базе лазера высокоточные приборы, надежные и применимые в самых разных условиях климата, геологических, гидрологических факторов.

В последние годы конструируются высокоточные приборы с лазерами для геодезистов. Они основаны на уже известных человечеству свойствах лазерного излучения. Использование лазеров в подобных установках широко распространено не только в нашей стране, но и за границей. Как видно из практики, для укладчиков труб, машин землеройного класса лазерные системы незаменимы как метод определения направления движения. Важны они и при создании дорог (ж/д, авто), многих других работах.

Это важно

Применение лазер нашел себе при формировании траншей. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Эксплуатация подобных современных приборов - гарант качественного исполнения всех этапов работ и создания траншей точно такими, какие заданы проектной документацией.

Лазер незаменим!

Если в школьном или университетском курсе в тестовой работе обучающемуся дают задание «Назовите характерные для лазерного излучения свойства», первыми в голову приходят когерентность, яркость. Если сравнить лазер и плазму, первый превышает по параметрам яркости в разы, применим для создания серийных вспышек, причем частота может достигать 1010 Гц. Один импульс может длиться (в пикосекундах) несколько десятков. При этом расходимость низкая, можно регулировать частоту. Указанные качества оказались применимы в установках, позволяющих изучать протекающие с очень высокой скоростью процессы.

В силу описанных особенностей лазеры стали незаменимыми в аналитике с применением технологии термооптической спектроскопии.

Тонкие структуры

Выявленные учеными (перечисленные выше) основные свойства лазерного излучения позволили применять эту технологию при разработке современного оружия и конструировании машин для нарезки различных материалов. Но только лишь этим спектр возможностей не ограничен. Применяя особенно точные и технологичные методы построения рабочей конструкции, на базе лазерного излучения можно создать систему изучения молекул, их структуры, свойств. Получая новейшую информацию таким образом, ученые формируют фундамент для создания новых типов лазеров. Как видно из наиболее оптимистичных прогнозов, уже в ближайшем будущем именно посредством лазерного излучения удастся раскрыть природу фотосинтеза, а значит, научные сотрудники получат все ключи к познанию сути жизни на планете и механизмов ее формирования.

Познание мира: тайны и открытия

Считается, что все основные свойства лазерного излучения в настоящее время уже исследованы. Ученые знают базовые принципы стимулированного излучения и сумели применить их на практике. Особенно важными считаются монохроматический спектр излучения, его интенсивность, импульсная длина, четкое направление. За счет таких особенностей луч лазера вступает в нетипичное взаимодействие с веществом.

Как дополнительно обращают внимание физики, указанные свойства лазерного излучения нельзя назвать независимыми характеристиками, описывающими все без исключения разновидности упомянутого явления. Между ними есть определенные связи. В частности, когерентность определяется направленностью излучения, а импульсная длина напрямую связана с монохроматическим спектром луча. Длительность, направление определяют интенсивность излучения.

Эффект Рамана

Это явление - одно из важных для оценки и понимания, применения свойств лазерного излучения. Термином принято обозначать такое состояние, для инициации которого необходима установка большой мощности. Под ее влиянием происходит рассеивание, когда наблюдается частотное смещение излучения. При выявлении специфики спектрального состава, оценке мощности можно заметить, что частотность корректируется в соответствии с довольно сложной закономерностью. Если стимулировать эффект Рамана искусственным путем, можно создать метод корректирования для оптики когерентных сигналов.

Это любопытно

Как показали исследования свойств лазерного излучения и процессов, которые оно инициирует в веществе, картина во многом сходна с наблюдаемой в структуре ферромагнетиков, сверхпроводников. Если добиться повышенного уровня накачки, используя резонатор низкой степени, лучи, испускаемые лазером, становятся хаотичными. При этом сам хаос - это такое световое состояние, которое совершенно не похоже на хаос, создаваемый излучающими тепло объектами.

Область использования расширяется

Так как лазерное излучение обладает следующими свойствами: монохроматический спектр, строго определенная направленность, следовательно, его можно применять в качестве светового источника. В настоящее время активно ведутся разработки в сфере эксплуатации этой технологии для передачи сигналов. Известно, что свет и вещество могут взаимодействовать таким образом, что процесс применим на практике в различных установках, но корректные подходы еще только предстоит разработать. Есть и иные, высокотехнологичные, сложные, наукоемкие актуальные задачи, для решения которых рано или поздно удастся применить высокомощное лазерное излучение.

Свойства описываемого явления позволяют конструировать спектральные приборы. Это в некоторой степени объясняется и низкой расходимостью луча, сопровождающейся повышенной плотностью спектра.

Возможностей много

Как удалось выяснить ученым, для создания максимально эффективных и широко применяемых установок разумно применять такие лазеры, для которых частоту можно настраивать в процессе работы. Они актуальны в первую очередь для спектральных приборов с повышенными показателями разрешения. В таких установках можно добиться корректного результата исследования, не прибегая к диспергирующему элементу.

Системы, основанные на лазере, частота которого корректируется во время работы, в настоящее время нашли себе применение в разных областях и сферах научной деятельности, медицины, промышленности. Во многом предназначение конкретного прибора определяется спецификой лазерного излучения, реализованного в нем. Линия генерации определяет спектральное разрешение, полуширину функциональности аппарата. Форма зависит от заданного интенсивного спектрального распределения.

Технические особенности

Обычно лазер конструируется как резонатор, где создается специфическая среда. Ее ключевая особенность - негативное по знаку поглощение электромагнитной энергии. Такой резонатор позволяет уменьшить потери радиации в специализированной среде. Обусловлено это созданием цикла для электромагнитной энергии. При этом частоты берутся лишь узкой полосы. Такой подход позволяет восполнять энергетические потери, спровоцированные тем фактом, что излучение вынужденное.

Чтобы генерировать электромагнитную энергию, имеющую характерные особенности лазера, не нужно использовать резонатор. Результат все равно будет когерентным, отличающимся высокой коллимацией и узким спектром.

О голографии

Чтобы реализовать подобные процессы, следует иметь в своем распоряжении источник, генерирующий излучение с высоким уровнем когерентности. В настоящее время это именно лазеры. Как только удалось впервые открыть такое излучение, практически сразу физики поняли, что свойства его можно применять для реализации голографии. Это стало толчком для широкого практического применения перспективной технологии.

О применении

Едва только лазеры были изобретены, как научное сообщество, а следом и весь мир, оценили их как уникальное решение любой проблемы. Это обусловлено свойствами излучения. В настоящее время лазеры эксплуатируются в технике, науке, при решении многочисленных бытовых задач: от воспроизведения музыки до считывания кодов при продаже товара. Промышленность применяет такие системы для спайки, нарезки, сварки. Благодаря возможности достижения очень высокой температуры можно сваривать такие материалы, которые не поддаются классическим методикам соединения. Это сделало возможным, к примеру, создавать цельные объекты из керамических, металлических частей.

Лазерный луч при использовании современной технологии можно сфокусировать так, что диаметр полученной точки будет оцениваться в микрон. Это позволяет применять технологию в микроскопических электронных приборах. В настоящее время такая возможность известна под термином «скрайбирование».

А где еще?

Довольно активно лазеры, благодаря своим уникальным качествам, используются в промышленности для создания покрытий. Это помогает повысить стойкость к износу разнообразных изделий, материалов. Не менее актуальна и лазерная маркировка, гравировка - при помощи современной установки таким образом можно обработать практически любую поверхность. Во многом это связано с отсутствием механического прямого влияния, то есть рабочий процесс провоцирует меньшие деформации, нежели при любом другом распространенном методе. Современный уровень развития техники и науки таков, что можно полностью автоматизировать все этапы работы с лазером, сохраняя при этом высокий производительный уровень и повышенную точность исполнения задач.

Технологии и техника

В последнее время довольно широко применяются лазерные установки с красителями. Они производят монохроматическое излучение с разными длинами волн, импульсы оцениваются в 10-16 с. Мощность таких установок очень большая, а генерируемые импульсы оцениваются как гигантские. Такая возможность особенно значима для спектроскопии и исследований в оптике относительно не обладающих линейностью эффектов.

Применение лазера стало базовой технологией для точной оценки расстояния между нашей планетой и ближайшим небесным телом - Луной. Точность измерения - до сантиметров. Локация с применением лазера позволяет увеличивать астрономические знания, уточнять навигацию в космосе, увеличивать базу данных об особенностях атмосферы и о том, из чего состоят планеты нашей системы.

Химия не осталась в стороне

Современные лазерные технологии используются для инициации химических реакций и исследования того, как они протекают. При применении подобных возможностей можно выявить предельно точно локализацию, дозу, стерильность, обеспечить необходимые энергетические показатели на моменте старта системы.

Ученые активно работают над формированием систем лазерного охлаждения и разрабатывают возможности применения такого излучения для контроля термоядерных реакций.

Лазер - это генератор оптических волн, использующий энергию индуцированно излучающих атомов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии, обладающие свойством усиливать свет конкретных длин волн. Чтобы многократно усилить свет применяют оптический резонатор, который состоит из 2 зеркал. За счет различных способов накачки в активном элементе создается активная среда.

Рисунок 1 - Схема устройства лазера

За счет перечисленных условий в лазере генерируется спектр, который показан на рисунке 2 (число мод лазера регулируется длиной резонатора):

Рисунок 2 - Спектр продольных мод лазера

Лазеры обладают высокой степенью монохроматичности, высокой степенью направленности и поляризованности излучения при значительной его интенсивности и яркости, высокой степенью временной и пространственной когерентности, могут перестраиваться по длинам волн, могут излучать световые импульсы рекордно короткой длительности, в отличие от тепловых источников света .

В течение всего времени развития лазерных технологий был создан большой перечень лазеров и лазерных систем, удовлетворяющих своими характеристиками потребности лазерной технологии, в том числе биотехнологии. В силу того, что сложность устройства биологических систем, существенное разнообразие в характере их взаимодействия со светом определяют необходимость использования многих видов лазерных установок в фотобиологии, а также стимулируют разработку новых лазерных средств, в том числе и средства доставки лазерного излучения к объекту исследования или воздействия.

Как и обычный свет, лазерное излучение, отражается, поглощается, переизлучается и рассеивается биологической средой. Все из перечисленных процессов несут информацию о микро и макроструктуре объекта, движении и форме отдельных его частей.

Монохроматичность представляет собой высокую спектральную плотность мощности лазерного излучения, или существенную временную когерентность излучения, обеспечивает: проведение спектрального анализа с разрешением, на несколько порядков превышающим разрешение традиционных спектрометров; высокую степень селективности возбуждения определённого сорта молекул в их смеси, что существенно для биотехнологий; реализацию интерферометрических и голографических способов диагностирования биообъектов.

В силу того, что лазерные лучи практически параллельны, то с увеличением расстояния световой пучок незначительно увеличивается в диаметре. Перечисленные свойства лазерного луча позволяет избирательно воздействовать на разные участки биологической ткани, создавая в малом пятне большую плотность энергии или мощности.

Лазерные установки делятся на следующие группы:

1) Лазеры с высокой мощностью на неодиме, оксиде углерода, углекислом газе, аргоне, рубине, парах металлов и др.;

2) Лазеры, с низкоэнергетическим излучением (гелий-кадмиевые, гелий-неоновые, на азоте, на красителях и др.), которые не оказывают ярко выраженного теплового воздействия на ткани организма.

В настоящее время существуют лазерные системы, генерирующие излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Биологические эффекты, вызванные лазерным излучением зависят от длины волны и дозы светового излучения.

В офтальмологии зачастую используют: эксимерный лазер (с длиной волны 193 нм); аргоновый (488 нм и 514 нм); криптоновый (568 нм и 647 нм); гелий-неоновый лазер (630 нм); диодный (810 нм); ND:YAG-лазер с удвоением частоты (532 нм), а также генерирующий на длине волны 1,06 мкм; 10-углекислотный лазер (10,6 мкм). Область применения лазерного излучения в офтальмологии определяет длина волны .

Свои названия лазерные установки получают в соответствии с активной средой, и более развернутая классификация содержит твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные лазеры и другие. Перечень твердотельных лазеров включает в себя: неодимовый, рубиновый, александритовый, эрбиевый, гольмиевый; к газовым относятся: аргоновый, эксимерный, на парах меди; к жидкостным: лазеры, которые работают на растворах красителей и другие.

Революцию совершили появившиеся полупроводниковые лазеры по причине их экономичности за счет высокого КПД (до 60 - 80% в отличие от 10-30% при традиционных), малогабаритности и надежности. В то же время продолжают широко использоваться и другие виды лазеров.

Одним из важнейших свойств, для использования лазеров, является их особенность позволяющая формировать спекл-картину при отражении когерентного излучения от поверхности объекта. Свет, рассеянный поверхностью, состоит из хаотически расположенных светлых и тёмных пятен - спеклов. Спекл-картина формируется на основе сложной интерференции вторичных волн от незначительных рассеивающих центров, которые расположены на поверхности исследуемого объекта. Ввиду того, что исследуемые биологические объекты в подавляющем количестве имеют шероховатую поверхность и оптическую неоднородность, они всегда формируют спекл-картину и тем самым вносят искажения в конечные результаты исследования. В свою очередь, спекл-поле содержит информацию о свойствах исследуемой поверхности и приповерхностного слоя, что может быть использовано в диагностических целях.

В офтальмохирургии лазеры применяются в следующих направлениях:

В хирургии катаракты: для разрушения катарактального скопления на хрусталике и дисцизии задней капсулы хрусталика при ее помутнении в послеоперационном периоде;

В хирургии глаукомы: при выполнении лазерной гониопунктуры, трабекулопластики, эксимерлазерного удаления глубоких слоев склерального лоскута, при проведении процедуры непроникающей глубокой склерэктомии;

В офтальмоонкохирургии: для удаления некоторых видов опухолей, расположенных внутри глаза.

Важнейшими свойствами, присущими лазерному излучению являются: монохроматичность, когерентность, направленность, поляризация.

Когерентность (от латинского cohaerens находящийся в связи, связанный) - согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Когерентными колебания будут называться, если разность их фаз остается постоянной на протяжении временного отрезка и при суммировании колебаний получается колебание той же частоты. Простейший пример двух когерентных колебаний --два синусоидальных колебания одинаковой частоты .

Когерентность волны подразумевает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, другими словами разность фаз между двумя точками не связана со временем. Отсутствие когерентности означает, что разность фаз между двумя точками не постоянна, следовательно меняется с течением временем. Данная ситуация возникает, в том случае, если волна будет сгенерирована не единым источником излучения, а группой одинаковых, но независимых друг от друга излучателей.

Зачастую простые источники излучают некогерентные колебания, в свою очередь лазеры - когерентное. В силу данного свойства лазерное излучение максимально фокусируется, оно имеет способность к интерференции, менее подвержено расходимости, иимеет возможность получения большей плотности энергии пятна.

Монохроматичность (греч. monos - один, единственный + chroma - цвет, краска) - излучение одной определенной частоты или длины волны. Излучение условно можно принимать за монохроматическое, если оно относится к диапазону спектра 3-5 нм. Если в системе существует только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние, то создается монохроматическое излучение.

Поляризация - симметричность в распределении направления вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне касаемо направления ее распространения. Волна будет называться поляризованной, в том случае, если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Неполяризованной - если изменения происходят хаотично. В продольной волне возникновени поляризации не возможно, так как возмущения в данном типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Лазерное излучение является высокополяризованным светом (от 75 до 100 %).

Направленность (одно из наиболее важных свойств лазерного излучения) - способность излучения выходить из лазера в виде светового луча с очень низкой расходимостью. Данная черта является простейшим следствием из того, что активная среда размещена в резонаторе (например плоскопараллельный резонатор). В таком резонаторе поддерживаются только электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оси резонатора или в непосредственной близости к ней.

Главными характеристиками лазерного излучения: длина волны, частота, энергетические параметры. Данные характеристики являются биотропными, то есть определяют действие излучения на биообъекты.

Длина волны (л ) представляет собой наименьшее расстояние между двумя соседними колеблющимися точками одной волны. Зачастую в медицине длину волны указывают в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). В зависимости от длины волны изменяется коэффициент отражения, глубина проникновения в ткани организма, поглощение и биологическое действие лазерного излучения.

Частота характеризует число колебаний, совершаемых за единицу времени, и является величиной обратной длине волны. Как правило, выражается в герцах (Гц). С возрастанием частоты увеличивается энергия кванта света. Различают: собственную частоту излучения (для отдельно взятого генератора лазерных колебаний неизменна); частоту модуляции (в медицинских лазерных установках может изменяться от 1 до 1000 Гц). Также высокую важность несут энергетические параметры лазерного облучения.

Принято выделять три основные физические характеристики дозирования: мощность излучения, энергия (доза) и плотность дозы.

Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой энергии, Р ) -представляет собой полную энергию, которая переносится светом в единицу времени сквозь данную поверхность; средняя мощность электромагнитного излучения, которая переносится через какую-либо поверхность. Как правило, измеряется в Вт или кратных величинах.

Энергетическая экспозиция (доза излучения, H ) - это энергетическая облученность лазером за определенный промежуток времени; мощность электромагнитной волны, которая излучается за единицу времени. Измеряется в [Дж] или [Вт * с]. Способность совершать работу является физическим смыслом энергии. Это характерно в том случае, когда работа вносит изменения в ткани фотонами. Биологический эффект светового облучения характеризует энергия. При этом возникает тот же биологический эффект (например загар), как и в случае с солнечным светом, можно достигнуть при невысокой мощности и длительности экспозиции или высокой мощности и небольшой экспозиции. Полученные эффекты будут идентичны, при одинаковой дозе .

Плотность дозы «D» - энергия, полученная на единицу площади воздействия. Единица измерения в СИ - [Дж/м 2 ]. Также используется представление в единицах Дж/см 2 , в силу того, что площади, на которые происходит воздействие, обычно исчисляются квадратными сантиметрами.

Мощность . В первых лазерах с активным веществом из рубина энергия светового импульса была примерно 0,1 Дж. В настоящее время энергия излучения некоторых твердотельных лазеров достигает тысяч джоулей. При малом времени действия светового импульса можно получать огромные мощности. Так, неодимовый лазер генерирует импульсы длительностью 3·10 –12 с, и при энергии импульса 75 Дж мощность его достигает 2,5·10 13 Вт! (Для сравнения – мощность Красноярской ГЭС равна 6·10 9 Вт.) Мощность газовых лазеров значительно ниже (до 50 кВт), однако их преимущество в том, что их излучение происходит непрерывно, хотя среди газовых имеются и импульсные лазеры.

Угол расходимости лазерного пучка очень мал, и поэтому интенсивность светового потока почти не убывает с расстоянием. Импульсные лазеры могут создавать интенсивности света до 10 14 Вт/м 2 . Мощные лазерные системы могут давать интенсивности до 10 20 Вт/м 2 . Для сравнения заметим, что среднее значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности всего лишь 10 3 Вт/м 2 . Следовательно, яркость даже относительно слабых лазеров в миллионы раз превышает яркость Солнца.

Когерентность . Согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называют когерентными, если разность фаз между ними остается постоянной во времени. При сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой, но с разными амплитудами А 1 и А 2 и разными фазами образуется гармоническое колебание той же частоты, амплитуда которого в зависимости от разности фаз может меняться в пределах от A 1 –А 2 до A 1 + A 2 , причем эта амплитуда в данной точке пространства остается постоянной. Световые волны, испускаемые нагретыми телами или при люминесценции, создаются при спонтанных переходах электронов между различными энергетическими уровнями в независимых друг от друга атомах. Каждый атом испускает электромагнитную волну в течение времени 10 –8 с, которое называется временем когерентности. За это время свет распространяется на расстояние 3 м. Это расстояние называют длиной когерентности, или длиной цуга. Волны, находящиеся за пределами длины цуга, будут уже некогерентными. Излучение, создаваемое множеством независимых друг от друга атомов, состоит из множества цугов, фазы которых хаотически изменяются в пределах от 0 до 2p. Для выделения когерентной части из общего некогерентного светового потока естественного света применяют специальные устройства (зеркала Френеля, бипризмы Френеля и др.), которые создают световые пучки очень малой интенсивности, тогда как лазерное излучение при всей его огромной интенсивности целиком когерентно.

Некогерентный световой пучок в принципе нельзя сфокусировать в пятно очень малых размеров, поскольку этому препятствует различие в фазах составляющих его цугов. Когерентное лазерное излучение можно сфокусировать в пятно диаметром, равным длине волны, этого излучения, что позволяет увеличивать и без того большую интенсивность лазерного пучка света.

Монохроматичность. Монохроматическим называют излучение со строго одинаковой длиной волны, однако его может создать только гармоническое колебание, происходящее с неизменной частотой и амплитудой в течение бесконечно долгого времени. Реальное излучение не может быть монохроматическим уже потому, что оно состоит из множества цугов, и практически монохроматическим считают излучение с узким спектральным интервалом, который можно приближенно характеризовать средней длиной волны. До появления лазеров излучение с определенной степенью монохроматичности удавалось получать с помощью призменных монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкую полосу длин волн, однако мощность света в такой полосе очень мала. Лазерное излучение обладает высокой степенью монохроматичности. Ширина спектральных линий, создаваемых некоторыми лазерами, достигает 10 –7 нм.

Поляризация. Электромагнитное излучение в пределах одного цуга поляризовано, но поскольку световые пучки состоят из множества цугов, независимых друг от друга, то естественный свет неполяризован и для получения поляризованного света применяют специальные устройства – призмы Николя, поляроиды и т. п.. В отличие от естественного света лазерное излучение полностью поляризовано.

Направленность излучения. Важным свойством лазерного излучения является его строгая направленность, характеризуемая очень малой расходимостью светового луча, что является следствием высокой степени когерентности. Угол расходимости у многих лазеров доведен примерно до 10 –3 рад, что соответствует одной угловой минуте. Такая направленность, совершенно недостижимая в обычных источниках света, позволяет передавать световые сигналы на огромные расстояния при очень малом ослаблении их интенсивности, что крайне важно при использовании лазеров в системах передачи информации или вкосмосе.

Напряженность электрического поля. Еще одно свойство, отличающее лазерное излучение от обычного света, – высокая напряженность электрического поля в нем. Интенсивность потока электромагнитной энергии I – EH (формула Умова – Пойнтинга), где Е и Н – соответственно напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Отсюда можно подсчитать, что напряженность электрического поля в световой волне с интенсивностью 10 18 Вт/м 2 равна 3-10 10 В/м, что превышает напряженность поля внутри атома. Напряженность поля в световых волнах, создаваемых обычными источниками света, не превышает 10 4 В/м.

При падении на тело электромагнитная волна оказывает механическое давление на это тело, пропорциональное интенсивности потока энергии волны. Световое давление, создаваемое в летний день ярким солнечным светом, равно примерно 4 10 –6 Па (напомним, что атмосферное давление 10 5 Па). Для лазерного излучения величина светового давления достигает 10 12 Па. Такое давление позволяет обрабатывать (пробивать, резать отверстия и пр.) самые твердые материалы – алмаз и сверхтвердые сплавы.

Взаимодействие света с веществом (отражение, поглощение, дисперсия) обусловлено взаимодействием электрического поля световой волны с оптическими электронами вещества. Атомы диэлектриков в электрическом поле поляризуются. При небольшой напряженности дипольный момент единицы объема вещества (или вектор поляризации) пропорционален напряженности поля. Все оптические характеристики вещества, такие, как показатель преломления, показатель поглощения и другие, так или иначе связаны со степенью поляризации, которая определяется напряженностью электрического поля световой волны. Поскольку эта связь линейная, т.е. величина Р пропорциональна Е, что дает основание называть оптику, имеющую дело с излучением сравнительно небольших интенсивностей, линейной оптикой.

В лазерном излучении напряженность электрического поля волны сравнима с напряженностью поля в атомах и молекулах и может изменять их в ощутимых пределах. Это приводит к: тому, что диэлектрическая восприимчивость перестает быть постоянной величиной и становится некоторой функцией напряженности поля. Следовательно, зависимость вектора поляризации от напряженности поля уже не будет линейной функцией. Поэтому говорят о нелинейной поляризации среды и соответственно о нелинейной оптике, в которой диэлектрическая проницаемость вещества, показатель преломления, показатель поглощения и другие оптические величины будут уже не постоянными, а зависящими от интенсивности падающего света.

Содержание статьи

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор)–устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды. Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation» – усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее.

Основы теории излучения.

Из законов квантовой механики (см . КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E 0 , при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E 1 , называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = h n равна разности начального и конечного уровней:

h n mn = E m – E n (1)

где h = 6,626176·10 –34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10 –8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):

n 21 = (E 2 – E 1)/h . (2)

Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.

Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:

I l = I 0 e –kl , (3)

где I 0 – исходная интенсивность, I l – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k . Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.

Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне E n называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E 2 > E 1 – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n 21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E 2 ® E 1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E 1 ® E 2) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k :

I l = I 0 e a l (4)

На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).

Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E 0 на самый верхний E 3 . Оттуда они спускаются на уровень E 2 , где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E 0 , испуская вынужденное излучение частотой n = (E 2 – E 0)/h , когерентное исходной волне.

Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.

Устройство лазера.

Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см . ОПТИКА), в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.

Типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al 2 O 3 с небольшой примесью ионов хрома Cr +++ . Сконструировал его Т.Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмо-иттриевый гранат Y 2 Al 5 O 12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10 –3 секунды, а лазерный импульс оказывается раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится. Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10 –6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10 –5 секунды. В этом режиме так называемой свободной генерации мощность импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность, просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность импульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (10 12 ватт).

Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.

К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).

Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.

В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом:

Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.

Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.

В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией E э спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию E д, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = E э – E д. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.

Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

Свойства лазерного излучения.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см . КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

2. Лазерная связь.Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10 –9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10 –9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Сергей Транковский