Назад: 3.2. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева

3.3. Физические основы лазеров

Использование световой энергии является давней мечтой человечества. С незапамятных времен солнце рассматривалось в качестве источника светового излучения. Однако солнечное излучение, так же как излучение нагретых тел или электрического газового разряда, является полихроматическим, т.е. представляет собой смесь волн разной длины.

При полихроматическом излучении возбуждаются атомы, происходит их переход с верхнего уровня энергии на нижний, сопровождаемый излучением электромагнитных колебаний. Это излучение осуществляется в виде отдельных порций - квантов (фотонов). Энергия фотона равна разности между энергиями атома в верхнем и нижнем состояниях и может быть определена по формуле

где h – постоянная Планка; v – частота излучения, Гц.

Атомы вещества в обычных условиях излучают фотоны различной энергии, переход атомов из одного энергетического состояния в другое носит случайный характер. Возникающее при этом, излучение представляет собой совокупность волн различных длин, т.е. являются полихроматическими.

Дальнейшее технологическое использование полихроматического излучения требует его фокусировки для увеличения концентрации энергии. Однако после прохождения полихроматического излучения через линзу сфокусированное пятно имеет довольно значительные размеры, что объясняется различным коэффициентом преломления волн разной длины.

Из теории оптики известно, что размер фокального пятна определяется дифракцией и его минимальный размер ориентировочно равен длине волны фокусируемого излучения. Таким образом, принципиально возможно сфокусировать излучение с длиной волны оптического диапазона в пятно размером порядка 1 мкм. Однако из-за полихроматичности размер сфокусированного излучения в пятне возрастает до сотен и тысяч микрометров. В результате невозможно получить высокую концентрацию энергии полихроматического излучения.

Принципиальное решение задачи заключается в получении монохроматического излучения определенной длины волны в диапазоне светового излучения 0,1-10,0 мкм. Такое излучение было получено в 1960 г. в оптическом квантовом генераторе (ОГК), в котором в качестве рабочего тела был использован синтетический рубин. В последующем – ОКГу дали название "лазер" по первым буквам английского выражения (усиление света в результате индуцированного излучения).

В основе работы лазера, как это и следует из его названия, лежит принцип вынужденного излучения. Для понимания принципа вынужденного излучения рассмотрим элементарные основы квантовой электроники.

Внутренняя энергия атомов и молекул может принимать целый ряд фиксированных значений, характерных для данного типа атомов и молекул. Рассмотрим два уровня энергии Е₁ и Е₀ (рис.3.4). Переход атома с верхнего уровня на нижний сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атома на верхнем и нижнем состояниях. Если атомы не испытывают, какого-либо внешнего воздействия, то они будут находиться в таком состоянии, которое можно назвать равновесным. Это состояние означает, что, несмотря на хаотическое движение атомов, их число n в верхнем и нижнем энергетических состояниях, не будут изменяться. При этом в соответствии с принципом Больцмана число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии Е₀, всегда несколько больше, чем число атомов в верхнем состоянии Е₁.

Рис.3.4. Схема равновесного состояния двухуровневой системы энергии атомов

Каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии Е₀, может перейти в верхнее энергетическое состояние Е₁, поглотив один фотон. Соответственно каждый атом, находящийся в верхнем состояния Е₁, отдав излишнюю энергию в виде такого же фотона переходит на уровень Е₀.

Равновесное состояние условно представлено на рис.3.4. Оно обеспечивается самопроизвольным излучением фотона, которое происходит независимо от внешнего воздействия и сопровождается переходом атома из верхнего энергетического состояния Е₁ в нижнее Е₀.

Рассмотрим дополнительные внешние энергетические воздействия, например, нагрев тела. Нагрев переводит часть атомов в верхнее энергетическое состояние и при переходе в нижнее состояние они излучают фотоны. Однако это излучение атомов происходит независимо друг от друга. Кванты света хаотически испускаются атомами. Наблюдается спонтанное излучение. Наряду с излучением фотонов атомами, находящимися на верхнем уровне Е₁, происходит поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне Е₀. При этом атом, переходя на более высокий уровень E₁, поглощает фотон, что препятствует генерации излучения.

Для генерации излучения необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне E₁ было бы больше числа атомов на нижнем уровне Е₀. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда находится меньше частиц, чем на более низком. Принимают специальные меры, чтобы из двух рассматриваемых уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Такое состояние вещества в квантовой электронике носит название активного состояния с инверсной (обращенной) заселенностью.

Существуют различные способы создания инверсной заселенности, которые зависят от конкретной схемы энергетических уровней, от свойств активных частиц. Рассмотрим создание инверсной заселенности с помощью оптического воздействия (накачки) в трехуровневой энергетической системе. По этой схеме впервые было получено монохроматическое излучение в рубиновом лазере.

Распределение заселенностей атомных состояний при отсутствии внешнего воздействия, т.е. отсутствии накачки, подчиняется закону Больцмана (рис.3.5,а). Переход из состояния E₁ в Е₀ происходит по рассмотренной ранее двухуровневой схеме и является переходом, препятствующим генерации излучения.

Рис.3.5. Создание инверсной заселенности в трехуровневой системе

При энергетическом внешнем воздействии, например оптическом воздействии ксеноновой ламповой вспышкой, активная среда интенсивно поглощает энергию. В результате поглощения большое число атомов может перейти на самый верхний энергетический уровень Е₂, а оттуда спонтанно на уровень E₁ (рис.3.5,б).

Достаточно интенсивная оптическая накачка приводит к тому, что значительное число атомов из основного состояния может перейти на уровень E₁ и превзойти заселенность основного состояния Е₀. Это состояние характеризуется как инверсная заселенность (рис.3.5,в). В последующий переход атомов с уровня E₁ на уровень основного состояния Е₀ происходит с генерацией лазерного излучения. Этот переход является индуцированным, т.е. вынужденным, приводящим к излучению. Возможны и другие системы получения инверсной заселенности. В частности, более распространена четырехуровневая система получения инверсной заселенности для следующих активных частиц лазера – молекулы CO₂, СО в газовых лазерах, ионы неодима в твердотельных системах и др.

Создание инверсной заселенности активных частиц является основным условием получения лазерного излучения. В качестве активной среды, называемой рабочим телом, в современных технологических лазерах используются различные газовые смеси, твердые тела и жидкости.

Оптическая накачка рабочего тела осуществляется потоком света от импульсной ила непрерывно действующей газоразрядной лампы. Такой метод накачки используется для возбуждения лазеров, в которых рабочее тело является твердым или жидким.

При газоразрядном методе накачки активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию электрического разряда. Этот метод накачки широко применяется для возбуждения лазеров, в которых рабочим телом являются различные газовые смеси.

Рассмотренный энергетический переход в виде индуцированного (вынужденного) излучения заложен в основу работы оптических квантовых генераторов - лазеров. ОКГ является источником излучения, возбуждаемого непосредственно в нем. Схема лазера, состоящего из двух необходимых компонент, – активной среды в резонаторе, приведена на рис.3.6. Активная среда 2 в соответствие с рассмотренными выше условиями обладает инверсной заселенностью. Оптический резонатор состоит из одного плоского непрозрачного зеркала 1 и параллельного ему плоского зеркала 3, частично пропускающего излучение с прозрачностью.

Рис.3.6. Принципиальная схема квантового генератора

Для осуществления процесса генерации часть излучаемой световой энергии должна постоянно оставаться внутри активной среды для того, чтобы вызвать вынужденное излучение новых атомов. Это условие как раз и выполняется с помощью зеркала оптического резонатора (рис.3.6). Зеркало 1 отражает всю падающую на него энергию, а полупрозрачное зеркало 3 пропускает только часть энергия, которая и является полезной энергией. Эту часть энергии в дальнейшем выводят из резонатора и с помощью фокусирующих систем концентрируют световое излучение в пятно небольших размеров в целях получения высокой плотности мощности. Часть энергии отражается в резонаторе полупрозрачным зеркалом 3 и служит для вовлечения в генерацию новых порций активной среды.

Таким образом, в квантовом генераторе с помощью оптического резонатора получают высокую интенсивность излучения, необходимую для эффективного осуществления процессов вынужденного излучения возбужденных частиц активной среды лазера. Оптические резонаторы не только значительно увеличивают вероятность индуцированных вынужденных процессов, но и определяют характеристики лазерного излучения.

В технологических лазерах, используемых для обработки материалов, генерируют излучение (в основном в ультрафиолетовой, и инфракрасной областях) с длиной волны приблизительно 0,1-10,6 мкм. В зависимости от режимов работы различают лазеры непрерывного и импульсно-периодического излучения. Основными свойствами лазерного излучения, обеспечивающими его практическое применение, являются монохромность, высокая когерентность, малая расходимость луча и высокая плотность мощности излучения.

Монохромность характеризует способность лазеров излучать в узком диапазоне длин волн. Монохроматическое излучение получают с помощью монохроматоров. Принцип их работы заключается в выделении из того или иного спектра теплового излучения узкой полосы частот. Этот способ получения монохроматического излучения, связанный с большими потерями мощности, не нашел промышленного применения. В отличие от монохроматоров лазер может генерировать громадную энергию и мощность излучения в очень узкой полосе длин волн. Практически лазер излучает на одной длине волны.

Лазерное излучение характеризуется когерентностью, которую легко понять в сопоставлении с обычным полихроматическим излучением. Полихроматическое излучение, свойственное нагретым телам, состоит из набора волн с различной частотой, фазы которых хаотично изменяются во времени, и является типичным примером некогерентного излучения. В отличие от этого сосредоточенная в оптическом резонаторе энергия лазерного излучения генерируется так, что вновь возникающее излучение оказывается в фазе с уже распространившимся в пространстве. Такое излучение определяется как когерентное.

Лазерное излучение благодаря монохромности и когерентности теоретически может быть сфокусировано в пятно диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения. Благодаря этому достигается большая концентрация энергии излучения, необходимая для эффективной обработки материалов.

Ценным свойством лазерного излучения является его высокая направленность, характеризуемая малой расходимостью излучения. Теоретически угловая расходимость лазерного излучения может быть столь малой, что определяется лишь явлением дифракции когерентных волн на выходе луча из резонатора. Практическая расходимость лазерного излучения значительно превышает теоретическую расходимость. Но, несмотря на это, лазерное излучение все равно обладает исключительно высокой направленностью по сравнению с обычными источниками света. Благодаря малой, расходимости лазерное излучение фокусируется в пятно малых размеров, что позволяет получать высокую концентрацию энергии. Высокая направленность лазерного излучения позволяет передавать лазерную энергию на большие расстояния с очень малыми потерями.

Рассмотренные свойства лазерного излучения – монохромность, когерентность и малая расходимость – позволяет получать большую плотность мощности. Плотность мощности лазерного излучения Е представляет собой отношение мощности, излучения Р, проходящего через сечение лазерного пучка к площади сечения S, т.е. E = P/S Размерность плотности мощности Е является Вт/см². Плотность мощности лазерного излучения достигает гигантских величин благодаря возможности сфокусировать лазерное излучение в пятно весьма малых размеров порядка десятых, сотых долей миллиметра. Создание мощных технологических лазеров позволило достичь при фокусировке этого излучения плотностей до 10⁸ Вт/см² в непрерывном режиме и до 10¹² Вт/см² в импульсном режиме. Такие высокие энергетические параметры лазерного излучения на несколько порядков превосходят плотность мощности электрической дуги, плазмы и других известных источников тепловойэнергии, обеспечивают высокопроизводительную и высококачественную обработку любых материалов в технологических процессах закалки, наплавки, сварки, резки и прошивки отверстий.

Далее: 3.4. Основные типы технологических лазеров