Лазерные технологии. 4
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 1
1 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 2
2 ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ 5
3 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 6
4 ОССОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 17
ВВЕДЕНИЕ
Лазер - одно из самых значимых изобретений 20-го века, он нашол применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза.
Прошло 50 лет со дня появления первых лазеров, открывших начало новой лазерной эры в истории развития науки и техники. Этот период действительно можно назвать новой эрой, т. к. динамика развития, глобальность использования в различных областях человеческой деятельности, масштаб влияния на качество жизни и еще не осознанные до конца дальнейшие перспективы расширения сфер воздействия этого достижения позволяют рассматривать лазерную технологию как одно из самых замечательных открытий ХХ века.
Созданию лазеров человечество,
прежде всего, обязано глубоким теоретическим
разработкам в области
Первоначально лазерное излучение с его уникальными свойствами рассматривалось прежде всего как возможное новое мощное оружие для поражения живой силы и техники. Поэтому наиболее индустриально развитые страны направили на развитие новой отрасли огромные ресурсы, что позволило обнаружить и другие перспективные области использование лазерной техники и технологии.
1 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В 1964 году на церемонии присуждения
Нобелевской премии в Стокгольме
академик А.М. Прохоров сказал: «Квантовая
электроника возникла в конце 1954
и начале 1955 года, фундаментом квантовой
электроники следует считать
явление индуцированного
Явление индуцированного
излучения легло в основу современной
квантовой электроники и
В 1954 г. Н.Г. Басов
и А.М. Прохоров предложили
устройство молекулярного
Следующий этап развития квантовой
электроники связан с перенесением
ее принципов в оптический диапазон
электромагнитных волн. В 1958 г. Ч.Таунс,
А.Л.Шавлов и А.М.Прохоров показали возможность
использования явлений
О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1964 г. советские ученые Н.Г. Басов, и А.М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоились Нобелевской премии по физике за фундаментальные труды в области квантовой электроники.
В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер и получил патент. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана лежат в основе всех современных лазеров.
В конце 1960 г. Али Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона.
Первый молекулярный лазер был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел К.П.Д. Примерно 10% и значительную мощность около 10 Вт. Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (Р. Холл, 1962г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом, Ю.М. Поповым (1958-1961 гг.). Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.
В 1970 г. (год разработки первых
ОВ со светоослаблением менее 20 Дб/км)
академик Ж.И. Алферов с сотрудниками
впервые реализовали
2 ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
К настоящему времени насчитывается более 360 различных применений лазерного излучения — прошивка прецизионных микроотверстий; получение микрощелей, пазов, разделение хрупких материалов (скрайбирование); программный раскрой листовых металлических и неметаллических материалов; упрочнение, локальное легирование, наплавка; сварка; высококачественное полирование поверхности изделий; маркировка и гравирование изделий; послойное выращивание 3-мерных изделий из порошковых материалов или из фотореактивной жидкой среды (Rapid Prototyping) и др.
Хорошо зарекомендовала себя лазерная технология в медицине и изготовлении уникального медицинского инструментария.
Среди наиболее эффективных
использований лазерной технологии
следует назвать применение лазеров
для изготовления новых поколений
компактных микропроцессоров, что позволило
за счет значительного уменьшения размеров
структурных элементов в
Особая роль отводится лазерной технике и технологии в создании и развитии нового научно-технического направления — наноматериаловедения и нанотехнологии.
3 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.
Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.
В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.
Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.
Второй вид лазерной технологии
основан на применении лазеров с
большой средней мощностью: от 1кВт
и выше. Мощные лазеры используют в
таких энергоемких
Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100м\ч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.
4 ОССОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Одним из самых замечательных
достижений физики второй половины двадцатого
века было открытие физических явлений,
послуживших основой для
Лазер представляет собой
источник монохроматического когерентного
света с высокой
Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)
В результате этого взаимодействия
атом переходит в невозбужденное
состояние, а избыток энергии
излучается в виде нового фотона с
точно такой же энергией, направлением
распространения и
Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.
Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.
На возможность усиления
света в среде с инверсной
населенностью за счет вынужденного
испускания впервые указал в 1939 г. советский
физик В.А. Фабрикант, предложивший
создавать инверсную
При одновременном рождении
(принципиально это возможно) большого
числа спонтанно испущенных фотонов
возникнет большое число лавин,
каждая из которых будет распространяться
в своем направлении, заданном первоначальным
фотоном соответствующей
Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.
В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.
Спустя несколько лет,
в 1960г., американским физиком Т. Мейманом
был запущен первый квантовый
генератор оптического
Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса=0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.
С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса, также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.
Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.
При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать, прежде всего, в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.
Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.
Известно, что направленный
узкий луч света можно получить
в принципе от любого источника, поставив
на пути светового потока ряд экранов
с маленькими отверстиями, расположенными
на одной прямой. Представим себе, что
мы взяли нагретое черное тело и
с помощью диафрагм получили луч
света, из которого посредством призмы
или другого спектрального
Лазеры различаются:
- способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.);
- рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора;
- режимом работы (импульсный, непрерывный).
Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лазерное оборудование сегодня
широко пошло в нашу жизнь. Доля энергии,
употребляемой индустриально
Лазерный раскрой
В медицине лазерная аппаратура
давно стала применяться очень
широко, и количество используемых
врачами методов диагностики
и лечения заболеваний с
Перечень областей применений
лазерного луча в наши дни был
бы не полон, если бы мы не вспомнили
полиграфию с ее лазерными принтерами
и настольными печатными
К сожалению, сегодня в России лазерные технологии используются недостаточно. И это весьма огорчительно еще потому, что в результате бурного развития работ по лазерной физике и технике, возглавлявшихся в СССР нобелевскими лауреатами Н. Г. Басовым и Л. М. Прохоровым, многие эти технологии именно в нашем отечестве были придуманы и впервые освоены на практике. В 1969 году на московском АЗЛК под руководством главного сварщика завода А. Хины создана и внедрена в основное производство технологическая установка на базе отечественного серийного киловагтного СО2-лазера «Кардамон», которая использовалась для поверхностного локального упрочнения коробки дифференциала заднего моста автомобиля. В 1977 году на заводе «Красный пролетарий» совместными усилиями группы специалистов завода во главе с его будущим главным технологом В. Дауге и сотрудников ФИАН и НПО «Астрофизика» отработана лазерная сварка ступенчатого блока шестерен серийного токарного станка 16К20. К концу 70-х годов предприятия Минэлектронпрома выпустили более 4000 лазерных технологических установок «Квант», полностью оснастив собственную отрасль и многие смежные предприятия. В 1965 году М. Ф. Стельмах организовал в НИИ «Полюс» первую в мире лабораторию лазерной техники для медицины, а уже в начале 70-х у нас в стране были запущены в серию лазерные скальпели. Лазерные диоды на гетероструктурах, являющиеся основой сегодняшней информационной фотоники, тоже появились в нашей стране; признанием этого стала Нобелевская премия, присужденная в 2000 году Ж. И. Алферову.
Сегодня отечественные лазерщики
предлагают более трех тысяч моделей
лазерного оборудования, в России
производятся лазерные источники излучения,
приборы и установки
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. / Ю. В. Байбородин - Киев, Издательство Выща школа, Головное изд-во, 1988г.
- Борейшо А. С. Лазеры: Устройство и действие: Учебное пособие / А. С. Борейшо - Санкт-Петербург, Механический институт, 1992
- Астапчик С. А. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке. / С. А. Астапчик, В. С. Голубев, А. Г. Маклаков - Белорусская наука, 2008. - 252 с.
- Крылов К.И. Основы лазерной техники. / К.И.Крылов, В.Т.Прокопенко, В. А.Тарлыков - Ленинград "Машиностроение", 1990

- Лазерные технологии
- Лазерные технологии
- Лазерные технологии в машиностроении
- Лазерные технологии в медицине
- Лазерные технологии и их применение
- Лазерные технологии и их применение в России и мире
- Лазерные уровнемеры
- Лазерные дальнометрические приборы
- Лазерные накопители
- Лазерные принтеры
- Лазерные принтеры и дальномеры
- Лазерные принтеры фирмы Epson
- Лазерные телевизоры
- Лазерные технологии