Особливості лазерного випромінювання та різновиди лазерів
Лазер –це слово з'явилося порівняно недавно. Спочатку воно було відоме лише вузькому колу фахівців-фізиків. Популярність його поступово зростала. А останнім часом дуже багато хто не просто чув про лазер, але й знає про його великі реалізовані та потенційні можливості. У той же час найчастіше у нефахівців лазер навряд чи викликає позитивні емоції. Лазер? Нічого цікавого: трубка в корпусі, іноді навіть непривабливому, з якої виходить тоненький промінь – зелений, синій, найчастіше червоний. Чи про що тут говорити? Виявляється, є. І фахівцям, і всім, хто далекий від розуміння фізичних явищ, пов'язаних із лазером. Для фахівців, насамперед фізиків, лазер дав життя вельми перспективному науковому напрямку – нелінійній оптиці, що охоплює дослідження поширення потужних світлових пучків у твердих тілах, рідинах та газах та їх взаємодії з речовиною. Лазери породили нові технології із унікальними можливостями. Для багатьох лазер – джерело незвичайного світла, яке може вилікувати сліпоту, що насувається, і на льоту вразити рухому мету, миттєво просвердлити отвір у найтвердішій деталі, зробленій, наприклад, з алмазу і т. д.
У чому ж незвичайні характеристики лазерного випромінювання, лазерного променя? По-перше, лазерний промінь поширюється, майже не розширюючись. Нагадаємо: для того, щоб промінь прожектора не розходився, використовують велике увігнуте дзеркало і систему лінз, що збирають світло від джерела в пучок. Це допомагає, але мало: вже на відстані близько кілометра від прожектора промінь стає в два рази ширшим. Лазеру ж збирають дзеркала та лінзи найчастіше не потрібні. Він і без них сам собою випромінює майже паралельний пучок світла. Слово «майже» означає, що пучок лазерного світла не зовсім паралельний:існує кут розбіжності, але він порівняно малий – близько 10 -5 радий, проте, на великих відстанях він відчутний: на Місяці такий пучок, випущений із Землі, дасть пляму діаметром приблизно 3 км.
По-друге, світло лазера має виняткову монохроматичність, тобто він має тільки одну довжину хвилі, один колір. На відміну від традиційних джерел світла, атоми яких випромінюють світло незалежно друг від друга, в лазерах атоми випромінюють світло узгоджено. Заломлюючись у призмі, промінь білого світла перетворюється на яскраву веселку-спектр, а одноколірне, монохроматичне світло проходить через неї не розкладаючись. Лінза теж заломлює промені, збираючи їх у фокусі. Але біле світло вона фокусує в райдужну цятку, а лазерний промінь – в крихітну точку, діаметр якої може становити соті і навіть тисячні частки міліметра. Завдяки такій властивості лазерного променя став можливим оптичний запис інформації з високою щільністю – крихітні оптичні диски вміщують величезну кількість інформації – сотні мегабайт.
По-третє, лазер – найпотужніший джерело світла. У вузькому інтервалі спектру короткочасно (10 -11 с) досягається потужність випромінювання 10 12 -10 13 Вт з одного квадратного сантиметра, в той час як потужність випромінювання Сонця з тієї ж площі дорівнює лише 7.10 3 Вт, причому сумарно по всьому спектру. На вузький інтервал, що дорівнює ширині спектральної лінії лазерного випромінювання, припадає у Сонця лише 0,2 Вт/см 2 . Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, що випромінюється лазером, становить 10 10 -10 12 В/см; вона перевищує напруженість поля усередині атома.
Названі дивовижні властивості лазерного випромінювання надали світлу нове обличчя. Ще на початку розвитку лазерної техніки французький фізик Луї де Бройль сказав: «Лазеру приготоване велике майбутнє.Важко передбачити, де і як він застосовуватиметься, але я думаю, що лазер – це ціла технічна епоха».
У 1960 р. Т. Мейманом (США) створили перший лазер – рубіновий, працюючий в імпульсному режимі. У ньому не вся енергія світла лампи накачування перетворюється на лазерний спалах. Велика її частина йде на марний і навіть просто шкідливий нагрівання стрижня та дзеркального кожуха. Потужні імпульсні лазери охолоджують потоком повітря, води, котрий іноді рідким азотом. Частота генерації імпульсних лазерів може досягати понад 10 млн спалахів за секунду. Випромінювання таких лазерів сприймається як безперервне. Спалах імпульсного лазера має величезну потужність – тисячі ват. Цю потужність можна підвищити, збільшивши розміри активного лазерного елемента. А можна за цим елементом поставити ще один лазерний стрижень з лампою-спалахом, тобто ще один лазер, але без дзеркал. Імпульс світла першого лазера змусить спрацьовувати другий. Обидва світлові імпульси, склавшись, подвоюють потужність спалаху. Але розміри стрижня не можна збільшувати безмежно: що більше стрижень, то більше втрата світла у ньому. Тому стрижні навіть з кращих матеріалів немає сенсу робити довше 50-60 см. Випромінювання, сфокусоване в крихітну пляму, можна застосовувати для багатьох цілей, про деякі з них наведено нижче. Але це короткий світловий імпульс. Звичайно, їм можна пробити отвір, зварити два металеві дроти та зробити багато інших корисних справ. Але для багатьох завдань набагато зручніше було б мати безперервне лазерне випромінювання, скажімо, для зварювання чи різання. Існує і таке випромінювання, його дають газові лазери. Газовий лазер був створений майже одночасно з рубіновим, в тому ж 1960 р. він працював на суміші гелію і неону. Сучасні газові лазери працюють на багатьох газах та парах. Всі вонидають безперервне випромінювання у дуже широкому діапазоні довжин хвиль: від ультрафіолетового до інфрачервоного світла.
Однак на цих здобутках вчені не зупинилися. Було створено газодинамічний лазер, схожий на реактивний двигун. У його камері згоряння спалюється чадний газ (окис вуглецю) з добавкою палива (гасу, бензину, спирту). Суміш газів, що вийшла при цьому, складається з вуглекислого газу, азоту і парів води. Молекули газу збуджені та готові до роботи: температура в камері згоряння доходить до тисячі з лишком градусів, а тиск – до 20 атм. Розпечені гази з камери згоряння витікають через реактивне сопло, що розширюється, іноді зване соплом Лаваля. У ньому газ розганяється до надзвукової швидкості, охолоджуючи майже до нуля! Пролітаючи між дзеркалами, молекули газу випромінюють енергію у вигляді світлових квантів, народжуючи лазерний промінь потужністю 150-200 кВт. І це потужність не окремого спалаху, а постійного, стійкого променя, що сяє, поки у лазера не скінчиться пальне.
Але не лише газові лазери дають безперервне випромінювання. Його дає і напівпровідниковий лазер, який вдихнув життя в оптичний запис. Про її можливості розказано вище, про неї мають уявлення багато користувачів персональних комп'ютерів, що тримали в руках лазерний диск, який привабливий не тільки своїм зовнішнім виглядом, але і своєю інформаційною ємністю: на диску діаметром 12 см можна записати сотні тисяч. сторінок тексту.
Серед напівпровідникових лазерів найкращим по праву вважається лазер на основі арсеніду галію – з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його випромінювання не відрізняється великою потужністю. Останнім часом проводяться інтенсивні роботи, спрямовані на створення напівпровідникового лазера, здатного генерувати безперервне випромінювання великоїпотужності.
Лазери можуть функціонувати як у твердих тілах, і на газах. А чи можна побудувати лазер на рідині? Виявилось, можна. Рідини поєднують у собі переваги та твердих та газоподібних лазерних матеріалів; щільність їх всього в кілька разів нижче за щільність твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Значить, рідкісний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотільний. Оптична однорідність рідин не поступається однорідності газів, отже, дозволяє використовувати її великі обсяги. До того ж, рідину можна прокачувати через робочий об'єм, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.
Найбільш широкого поширення набулилазери набарвниках.Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових барвників у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідинні лампи можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі – від ультрафіолетового до інфрачервоного світла – та потужністю від сотень кіловат до кількох мегават залежно від виду барвника. Останнім часом розробляються хімічні лазери, у яких атоми переходять у збуджений стан при дії енергії накачування хімічних реакцій.