Лазер генерирует электромагнитные волны в диапазоне – Лазер — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Свойства лазеров и лазерного излучения

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами – оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation – LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Товары, которые упоминаются в статье

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение

– это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

• монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны;
• когерентность (синфазность) – совпадение фаз электромагнитных колебаний;
• поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения;
• направленность – малая расходимость потока излучения.

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период, равное расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) ( 1мкм=1000нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность лазера

Мощность излучения – средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ – Ватт (Вт). Плотность мощности  – отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ – Вт/см2.

Доза облучения – энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ – Дж/м2. 1Дж  – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1Дж=1Вт/1с

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Спектр лазерного излучения (цвет лазера)

Ультрафиолетовый диапазон

Видимый спектр:

• фиолетовый 400-450 нм;
• синий 450-480 нм;
• голубой 480-510 нм;
• зелёный 510-575 нм;
• жёлтый 575-585 нм;
• оранжевый 585-620 нм;
• красный 620-760 нм;

Инфракрасный диапазон

• Ближняя область 760 нм -15 мкм;
• Дальняя область 15-30 мкм.

В физиотерапии наиболее часто применяют красный и ближнего инфракрасного диапазона, которое обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

1. низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2)
2. среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2)
3. высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).

Товары, которые упоминаются в статье

www.ayna-spb.ru

4.3. Принцип работы лазера

Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа – вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий – неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р₁ и Р₂, установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S₁ и S₂, между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого – менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S

1 и S₂ (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S₁ и S₂, будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня ’₃ на более низкий уровень ^‘₁. Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S₂, делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S₁ и S₂ идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела D, где D – ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z – оптическая длина пути между зеркалами. Если

2Z=m, то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S₁, после прохождения туда и обратно вернется к S₁ в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2Z=(m1)(). Следовательно, =/m, то есть , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни ’₃ и ^‘₁ и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2Z=m может удовлетворять только одна длина волны . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

1. монохроматичность;

2. пространственная и временная когерентность;

3. высокая интенсивность;

4. малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.

studfiles.net

Лазер. Принцип действия. Свойства лазерного излучения, на которых основано их применение.

Лазером (или оптическим квантовым генератором) называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонаторе.

В основе работы лазеров лежат фундаментальные процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного (индуцированного) излучения и процесс поглощения.

Внутренняя энергия частиц может принимать ряд определенных дискретных значений, соответствующих энергетическим состояниям или энергетическим уровням. Самый нижний энергетический уровень с наименьшей энергией частицы – основной, остальные энергетические уровни с более высокой энергией частицы – возбужденные. Переход частицы с уровня на уровень могут быть излучательными или поглощательными.

Переход частиц (молекул, атомов, ионов и атомных ядер) с более высокого энергетического уровня Е₂ на уровень Е1 может происходить самопроизвольно и носит название спонтанного излучения (рис. 6а). Такой переход сопровождается излучением фотонов в результате ускорения и

торможения заряженных частиц. Фотон – это элементарная частица света, обладающая волновыми свойствами и энергия которой определяется так: E=hν, h = 6,62∙10^-34 Дж∙сек – постоянная Планка, ν – частота излучения.

Следовательно, спонтанное излучение сопровождается выделением кванта энергии hν= Е₂ – Е₁.

Частицы, находящиеся в возбужденном энергетическом состоянии могут перейти в низшее (обычно нормальное, основное) энергетическое состояние под действием внешнего электромагнитного поля. Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный. Такое излучение под действием электромагнитной волны носит название индуцированного (вынужденного) излучения (рис. 6с). Явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество.

Главное свойство индуцированного излучения: частота, поляризация, направление распространения кванта энергии вынужденного излучения совпадают с соответствующими характеристиками внешнего поля, т.е. вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его проходящим светом.

Под действием внешнего электромагнитного поля частица может переходить с нижнего на более высокий уровень, поглотив квант энергии. Такой переход носит название резонансного поглощения (рис. 6в).

Поглощение фотонов уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. На рис. 7 схематически представлены два конкурирующих друг с другом процесса: поглощения и вынужденного излучения. Первый процесс уменьшает

число фотонов, проходящих через среду. Второй процесс увеличивает число фотонов, проходящих через среду.

До взаимодействия После взаимодействия

а) Поглощение

Е₂

Б) Вынужденное излучение

Рис. 7

Среда называется активной или средой с инверсной населенностью, ели процессы вынужденного излучения преобладают над процессами поглощения света. В такой среде возрастание интенсивности I проходящего света с увеличением толщины активной среды (рис. 8) происходит быстрее за счет лавинообразного нарастания числа фотонов (рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

Для получения активной среды необходимо создать в среде необычное, неравновесное состояние (инверсное состояние): число атомов (молекул, ионов) на возбужденном уровне должно быть больше, чем на нижнем уровне. Такое распределение атомов по уровням является «перевернутым», «инверсным» по сравнению с обычным. Обычно на верхних уровнях атомов меньше, чем на нижних.

Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например, при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

Накачка осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме лазера. Например, типичным и наиболее используемым лазером на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер, в котором усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном. На рис. 10 изображена упрощенная трехуровневая энергетическая диаграмма такого лазера.

Рис. 10

Под действием электрического разряда часть атомов He ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией, которые, сталкиваясь с атомами He, переводят их из основного состояния Е₁ на долгоживущий возбужденный уровень Е₃. При столкновениях возбужденных атомов He с атомами Ne последние также возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних уровней Е₂ сопровождается лазерным излучением.

Эффект усиления света в лазерах увеличивается за счет многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой активной среды. Это может быть достигнуто, ели слой активной среды (кювета с газом или кристалл) пометить между двумя зеркалами, установленными параллельно друг другу. Одно зеркало – «глухое» З₁ с высоким коэффициентом отражения (около 100%) и второе, полупрозрачное зеркало З₂, через которое проходит излучение.

Чтобы заставить активную среду излучать, надо перевести возможно большее число атомов в возбужденное состояние, для этого можно использовать газовый разряд. Как это делается в газоразрядных трубках, используемых для рекламы. Итак, фотон А, который движется параллельно оси кюветы или кристалла, рождает лавину фотонов, летящих в то же направлении (рис. 11а).

а)

б)

в)

Рис. 11

Часть этой лавины проходит через полупрозрачное зеркало З₂ наружу, а часть отражается и нарастает в активной среде (рис. 11б). Когда лавина фотонов дойдет до зеркала З_1, она частично поглотится, и после отражения от зеркала З₁

усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный «затравочный» фотон. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало З₂, создает пучок лучей света огромной интенсивности с малым расхождением по углам, т.е. остронаправленный. Таким образом, зеркала осуществляют положительную обратную связь: излучение одного атома увеличивает вероятность излучения других. Фотоны В и С (рис. 11а), летящие «вбок», под углом к оси кювета или кристалла, создают лавины, которые после небольшого числа отражений выходят из активной среды и в усилении света не участвуют.

Принципиальная схема действия лазера изображена на рис. 12

Рис. 12

Лазер, как любой генератор, состоит из следующих основных элементов: источника энергии (И), регулятора (Р), колебательной системы (КС) и обратной связи (ОС), которая соединяет колебательную систему и регулятор. Источник энергии поставляет ее в виде удобном для переработки ее в лазерное излучение. В качестве колебательного устройства служат электронные переходы между энергетическими уровнями активной среды. Регулятором является система возбуждения энергетических уровней. Положительная обратная связь обеспечивает подкачку энергии в колебательную систему в нужной фазе колебаний.

Основные параметры лазерного излучения

Преимущества лазеров по сравнению с некогерентными тепловыми источниками определяется следующими их свойствами:

1. Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облученных участках.

2. Монохроматичность характеризует длину волны λ и спектральную ширину излучения Δλ. Ее мерой является отношение Δλ к среднему значению λ. Для лазеров монохроматичность излучения высока и составляет около 10^-5.

3. Когерентность и поляризованность – эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

4. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию.

Вслед за созданием первых лазеров более чем 30 лет тому назад почти сразу появился интерес к взаимодействию когерентного монохроматического излучения с биологическими системами. Лазерная медицина развивается в основном в двух направлениях:

• Макродеструкции целостности тканей и клеток, являющейся основой лазерной хирургии.

• Молекулярной фотомедицины, основанной на фотофизических

процессах и последующих фотохимических и фотобиологических реакциях в молекулах и клетках, являющейся основой лазерной терапии.

Каждое из этих направлений требует своих типов лазеров, которые отличаются по длинам волн, значениям выходной мощности и энергии, длительности и скважности импульсов, а также своих способов доставки излучения к биологической ткани. Лазеры, используемые в медицине, перекрывают диапазон длин волн от 100 нм до 30 мкм, уровни выходной мощности составляют от нескольких милливатт до десятков и сотен ватт; энергия в импульсе изменяется в пределах от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей; длительность импульсов изменяется от единиц фемтосекунд (10^-15сек) до нескольких миллисекунд; ширина спектра излучения лазеров – от нескольких герц до десятков гигагерц, угловая расходимость – от тысячных долей градуса у газоразрядных лазеров до десятков градусов у полупроводниковых лазеров. В таблице 1 приведены основные характеристики твердотельных лазеров.

Таблица 1.

Активное вещество	Длина волны излучения, мкм	Энергия в импульсе, Дж	Расходимость излучения, мрад	Частота повторения импульсов, Гц	К.п.д. в режиме свободной генерации, %
Рубин	0,6943	0,5	20-40	0,03	1-1,5
Стекло с неодимом	1,06	5000	10-15	0,01	1,5-2
Иттрий алюминиевый гранат	1,064	1100	20-30	108-109	2,1-3

Лабораторная работа

studfiles.net

Мир современных материалов – Принципы работы лазера

Лазер (от англ. «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор – это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Также к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения. Таким образом, чтобы понять принципы работы лазера, необходимо поговорить о характерных свойствах лазерного излучения и инверсно-населенной среды – одного из трех основных компонент лазера.

 Спектр лазерного излучения. Монохроматичность.

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры (например, полупроводниковые с вращающейся дифракционной решеткой в качестве выходного зеркала) могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»). На рис. 1 для иллюстрации данного свойства приведены спектры излучения Солнца (на уровне внешних слоев атмосферы и на уровне моря) и полупроводникового лазера производства компании Thorlabs.

Рис. 1. Спектры излучения Солнца и полупроводникового лазера.

Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии (ширина может быть задана как отстройка по длине волны или частоте от максимума интенсивности). Обычно спектральная ширина задается по уровню 1/2 (FWHM), 1/e или 1/10 от максимума интенсивности. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра. Для специалистов отметим, что ширина лазерной линии может быть на порядки уже ширины линии спонтанного излучения, что также является одной из отличительных характеристик лазера (по сравнению, например, с люминесцентными и суперлюминесцентными источниками).

Когерентность лазерного излучения

Монохроматичность – важное, но не единственное свойство лазерного излучения. Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность. Обычно говорят о пространственной и временной когерентности.

Представим себе, что лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 2). После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Можно разделить лазерный пучок и по-другому: вместо полупрозрачного зеркала поставить полностью отражающую поверхность, но перекрыть ей не весь пучок, а только часть его (рис. 2). Тогда будет наблюдаться взаимодействие излучения, которое распространялось в разных частях пучка. Максимальное расстояние между точками пучка, излучение в которых будет интерферировать, называется длиной поперечной когерентности лазерного пучка. Конечно, для многих лазеров длина поперечной когерентности просто равна диаметру пучка лазерного излучения.

                

Рис. 2. К объяснению понятий временной и пространственной когерентности

Угловая расходимость лазерного излучения. Параметр M².

Как бы мы ни стремились сделать пучок лазерного излучения параллельным, он всегда будет иметь ненулевую угловую расходимость. Минимальный возможный угол расходимости лазерного излучения α_d («дифракционный предел») по порядку величины определяется выражением:

α_d ~ λ/D,         (1)

где λ – длина волны лазерного излучения, а D – ширина пучка, вышедшего из лазера. Легко подсчитать, что при длине волны 0.5 мкм (зеленое излучение) и ширине лазерного луча 5 мм угол расходимости составит ~10^-4 рад, или 1/200 градуса. Несмотря на столь  малое значение, угловая расходимость может оказаться критичным для некоторых приложений (например, для использования лазеров в боевых спутниковых системах), поскольку оно задает верхний предел достижимой плотности мощности лазерного излучения.

В целом качество лазерного пучка можно задать параметром M². Пусть минимально достижимая площадь пятна, создаваемого идеальной линзой при фокусировке гауссова пучка, равна S. Тогда если та же линза фокусирует пучок от данного лазера в пятно площади S₁ > S, параметр M² лазерного излучения равен:

M² = S₁/S         (2)

Для наиболее качественных лазерных систем параметр M² близок к единице (в частности, в продаже имеются лазеры с параметром M², равным 1.05). Надо, однако, иметь в виду, что далеко не для всех классов лазеров на сегодняшний день достижимо низкое значение этого параметра, что надо учитывать при выборе класса лазера для конкретной задачи.

Мы вкратце привели основные свойства лазерного излучения. Опишем теперь на основные компоненты лазера: среду с инверсной населенностью, лазерный резонатор, накачку лазера, а также схему лазерных уровней.

 

  Среда с инверсной населенностью. Схема лазерных уровней. Квантовый выход.

Основным элементом, преобразующим энергию внешнего источника (электрическую, энергию нелазерного излучения, энергию дополнительного лазера накачки) в световую, является среда, в которой создана инверсная населенность пары уровней. Термин «инверсная населенность» означает, что определенная доля структурных частиц среды (молекул, атомов или ионов) переведена в возбужденное состояние, причем для некоторой пары энергетических уровней этих частиц (верхний и нижний лазерный уровни) на верхнем по энергии уровне находится больше частиц, чем на нижнем.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 3), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 3. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней, однако, в классическом приближении невозможно[1]. Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень, с которого частицы за короткое время релаксируют к более низкому значению энергии – верхнему лазерному уровню. В лазерную генерацию вовлекается также один из нижележащих уровней – основное состояние атома в трехуровневой схеме или промежуточное – в четырехуровневой (рис. 4). Четырехуровневая схема оказывается более предпочтительной в силу того, что промежуточный уровень обычно населен гораздо меньшим количеством частиц, чем основное состояние, соответственно создать инверсную населенность (превышение числа возбужденных частиц над числом атомов на нижнем лазерном уровне) оказывается гораздо проще (для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии).

Рис. 4. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Особой структурой энергетических уровней обладают полупроводниковые лазеры. В процесс генерации излучения в полупроводниковых лазерах вовлечены электроны двух зон полупроводника, однако благодаря примесям, формирующим светоизлучающий p-n переход, границы этих зон в разных участках диода оказываются сдвинутыми друг относительно друга. Инверсная населенность в области p-n перехода в таких лазерах создается за счет перетекания электронов в область перехода из зоны проводимости n‑участка и дырок из валентной зоны p‑участка. Подробнее о полупроводниковых лазерах можно прочитать в специальной литературе.

В современных лазерах применяются различные методы создания инверсной населенности, или накачки лазера.

Накачка лазера. Способы накачки.

Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс называется накачкой лазера. Существует несколько основных методов накачки, применимость которых в конкретном лазере зависит от рода активной среды. Так, для эксимерных и некоторых газовых лазеров, работающих в импульсном режиме (например, CO₂ – лазера) возможно возбуждение молекул лазерной среды электрическим разрядом. В непрерывных газовых лазерах для накачки можно использовать тлеющий разряд. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется за счет приложения напряжения к p‑n переходу лазера. Для твердотельных лазеров можно использовать некогерентный источник излучения (лампу-вспышку, линейку или массив светоизлучающих диодов) или другой лазер, длина волны которого соответствует разности энергий основного и возбужденного состояний примесного атома (в твердотельных лазерах, как правило, лазерная генерация возникает на атомах или ионах примеси, растворенных в сетке матрицы – например, для рубинового лазера активной примесью являются ионы хрома).

Обобщая, можно сказать, что метод накачки лазера определяется его типом и особенностями активного центра генерирующей среды. Как правило, для каждого конкретного типа лазеров имеется наиболее эффективный метод накачки, который и определяет тип и конструкцию системы подвода энергии к активной среде.

Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации, хотя на их основе уже можно построить некоторые устройства (например, усилитель или суперлюминесцентный источник излучения). Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора. Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

exp(a×2L) = R₁×R₂×exp(g×2L)×X,        (3)

где L = длина активной среды, a – коэффициент усиления в активной среде, R₁ и R₂ – коэффициенты отражения зеркал резонатора и g – «серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды). Последний множитель «X» обозначает все прочие потери, присутствующие в лазере (например, в лазер может быть введен специальный поглощающий элемент, чтобы лазер генерировал импульсы малой длительности), при их отсутствии он равен 1. Чтобы получить условие развития лазерной генерации из спонтанно излученных фотонов, очевидно, равенство надо заменить знаком «>».

Из равенства (3) вытекает следующее правило для выбора выходного лазерного зеркала: если коэффициент усиления излучения активной средой с учетом серых потерь (a-g)×L мал, коэффициент отражения выходного зеркала R₁ должен быть выбран большим, чтобы лазерная генерация не затухала из-за выхода излучения из резонатора. Если же коэффициент усиления достаточно велик, обычно имеет смысл выбрать меньшее значение R₁, поскольку высокий коэффициент отражения будет приводить к повышению интенсивности излучения внутри резонатора, что может сказаться на времени жизни лазера.

Однако резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 5. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами; устойчивый резонатор и

стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.

Мы кратко описали минимальный необходимый набор элементов для создания лазера и основные особенности лазерного излучения.

Вас также может заинтересовать:

worldofmaterials.ru

Теоретические основы лазерной технологии

1. Принцип действия и устройство лазера

Лазер – это генератор когерентного света. Идеальная когерент­ная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и час­тоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некоге­рентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации.

В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и неко­герентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интер­вале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно ре­альную световую волну можно рассматривать как набор плоских мо­нохроматических поляризованных волн с разными частотами, направ­лениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение ко­герентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны.

Когерентное излучение обладает такими свойствами, как мо­нохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обраба­тываемого материала с помощью простой оптической системы. Линей­ные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут дости­гать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия из­лучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратно­го сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокуси­рованный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие мате­риалы.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосо­четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский – усиление света вынужденным испуска­нием.

Работа лазера основана на ис­пользовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещест­ва, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых под­чиняются законам квантовой механики.

Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е₁, Е₂,…, Е_к называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным, остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне Е₁, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Е_m на уровень Е_n, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света _mn:

(1.1)

где h – постоянная Планка.

Рис.1. Энергетический спектр атома

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются в виде волновых цугов(пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот _mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Е_m на уровень Е_n, то его частота равна _mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне E_m, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Е_n. Атом, находящийся на нижнем уровне Е_n, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Е_m. Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N_m было больше числа атомов на нижнем уровне N_n, между которыми происходит переход.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называют активным, или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, – это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода полупрозрачного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:

• нужно рабочее вещество с инверсной заселенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

• рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

• усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепло­вой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др.

Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и на­качку с использованием самостоятельного электрического разряда.

Первый способ является универсальным и применяется для воз­буждения различных активных сред – диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического).

Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных ак­тивных сред.

Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульса­ми), а при непрерывной – непрерывно (стабильно).

Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) об­ладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При им­пульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой кон­центрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхко­роткие световые импульсы мощностью до 10¹² Вт).

Возбуждение активных центров при оптической накачке происхо­дит в результате поглощения излучения от специального источника света.

При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы.

При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуж­дающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего по­ля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электро­нов из ускорителя.

Та­ким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: актив­ного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функци­ональная схема лазера представлена на рис.3.

Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки

Твердотельные лазеры. Твердотельными называют лазеры, актив­ная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных цент­ров.

Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному эле­менту 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражате­ля 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси ци­линдра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого свето­вые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллип­тической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей.

Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 – ак­тивный элемент, 2 – лам­па-вспышка (источник накачки), 3 – отражатели

В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат про­тивоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла.

Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr₂O₃ в сапфире Al₂O₃. Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr³⁺, что дает возможность при накачке получать лазерные перехо­ды в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм.

Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили ши­рокое распространение.

Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режи­ме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными ла­зерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спи­ральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами.

Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое примене­ние среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточ­но высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксе­ноновыми или криптоновыми лампами.

Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками ко­герентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относи­тельная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тон­копленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в ин­тегрально-оптических системах.

Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде. Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов.

Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), – He-Ne-лазер – является газоразряд­ным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм.

Аргоновый и крип­тоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров неп­рерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт – в окрестностях 0,35 мкм, кпд ла­зеров не превышает 0,1%.

Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обла­дают лазеры на углекислом газе (СО₂-лазеры). Они просты в экс­плуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности.

Рис.6. Устройство СО₂-лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 – система прокачки азота, 2 – об­ласть электрического разряда, 3 – рабочий объем резонатора, 4 – выходное зеркало резонатора, 5 – система прокачки диоксида уг­лерода

Активная среда СО₂-лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Ла­зер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО₂ и передают им свою энергию.

СО₂-лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В пер­вом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерыв­ные СО₂-лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО₂-лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизаци­онные – энергией более 2 кДж.

Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF₃J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах.

Устройство лазерных технологических установок.В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники ис­пользуются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и ана­логичные конструктивные элементы (рис.7).

Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фоку­сирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической систе­мы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой дета­ли относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают об­рабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фикси­руют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки.

Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках пре­дусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки.

В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной об­работки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной рез­ки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Пе­ремещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали – датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию.

Рис.7. Структурная схема лазер­ной технологической установки: 1 – программной устройство, 2 – лазер, 3 – датчик параметров излучения, 4 – лазерное излуче­ние, 5 – оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 – обрабатываемая де­таль, 8 – устройство для зак­репления и перемещения обраба­тываемой детали, 9 – датчик па­раметров технологического про­цесса, 10 – устройство подачи технологической среды

studfiles.net

Принцип действия лазера: особенности лазерного излучения

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия рубинового лазера, основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый диодный лазер из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E₂ и базовый Е₁. Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E₂, то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E₂ – E₁. Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором – спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:10³³), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν₀₂ накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E₀ до верхнего Е₂. Безызлучательный переход атомов с E₂ до E₁ устанавливает инверсию населенности между E₁ и E₀, что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E_1, и переход от Е₂ до Е₁ происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E₀ и E₁ достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е₁-Е₀ индуцированного излучения. Более широкий уровень E₂ мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E₁ должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², Со⁺², Ni⁺², Fe⁺², и т. д.), редкоземельных ионов (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Eu^+2,+3, Tb⁺³, Dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, и др.), и актиноидов, подобных U⁺³. Энергетические уровни ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и тепловое расширение, имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером твердотельного лазера является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды – вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря показателю преломления слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное полупроводниковыми материалами одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных – гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, – несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями – в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F₂) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar⁺ и отрицательные F^– реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью – перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.

fb.ru

2.1. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения.

2.2. Действие электрического тока на организм.

2.3. Защита человека от поражения электрическим током.

2. Электромагнитные поля и излучения

2.1. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения.

Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении электрических зарядов. Электромагнитные волны – это взаимосвязанное распространение в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей. Совокупность этих полей, неразрывно связанных друг с другом, называется электромагнитным полем. Несмотря на то, что длина электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением, – одной физической природы. Исследованный в настоящее время диапазон электромагнитных волн состоит из волн с длинами, соответствующими частотам от 10³ до 10²⁴Гц. По мере убывания длины волны в диапазон включаются радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет (световые лучи), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, космические лучи, излучение солнца, а также искусственные источники: различные генераторы, трансформаторы, антенны, лазерные установки, микроволновые печи, мониторы компьютеров и др. На предприятиях источниками электромагнитных полей промышленной частоты являются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), измерительные приборы, устройства защиты и автоматики, соединительные шины и др. В зависимости от длины волны электромагнитное излучение делят на ряд диапазонов (табл. 1).

Таблица 1 – Диапазоны электромагнитных излучений в области радиочастот

* Представленные в таблице диапазоны частот включают верхние пределы и исключают нижние.

**Представленные в таблице диапазоны длин волн включают нижние пределы и исключают верхние.

Электромагнитная волна, распространяясь в неограниченном пространстве со скоростью света, создает переменное электромагнитное поле. Переменные электромагнитные поля способны оказывать негативное воздействие на организм человека, последствия которого зависят от напряженности электрического и магнитного полей, частоты излучения, плотности потока энергии, размера облучаемой поверхности тела человека и индивидуальных способностей его организма. Ткани человеческого организма поглощают энергию электромагнитного поля⁶, в результате этого происходит нагрев тела человека. Интенсивнее всего электромагнитные поля воздействуют на органы и ткани с большим содержанием воды: мозг, желудок, желчный и мочевой пузырь, почки. При воздействии электромагнитного излучения на глаза человека возможно помутнение хрусталика (катаракта).

Как известно, человеческий организм обладает свойством терморегуляции, т. е. поддержания постоянной температуры тела. При нагреве человеческого организма в электромагнитном поле происходит отвод избыточной теплоты до плотности потока энергии I = 10 мВт/см². Эта величина называется тепловым порогом, начиная с которого система терморегуляции не справляется с отводом генерируемого тепла, происходит перегрев организма человека, что негативно сказывается на его здоровье.

Воздействие электромагнитных полей с интенсивностью, меньшей теплового порога, также небезопасно для здоровья человека. Оно нарушает функции сердечно-сосудистой системы, ухудшает обмен веществ, приводит к изменению состава крови, снижает биохимическую активность белковых молекул. При длительном воздействии на работающих электромагнитного излучения различной частоты возникают повышенная утомляемость, сонливость или нарушение сна, боли в области сердца, торможение рефлексов и т.д.

Произошедшие под действием электромагнитных полей нарушения в организме обратимы, если в нем не произошло патологических изменений. Для этого необходимо либо прекратить контакт с излучением, либо разработать мероприятия по защите от него.

При воздействии на организм человека постоянных магнитных и электростатических полей с интенсивностью, превышающей безопасный уровень, могут развиться нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и пищеварения, возможно изменение состава крови и др. Электрические поля промышленной частоты (f = 50 Гц) воздействуют на мозг и центральную нервную систему.

Между человеком, находящимся в таком поле и обладающим определенным потенциалом, и металлическим проводником с меньшим потенциалом может возникнуть электрический заряд, приводящий к судорожным сокращениям мышц или иным, более тяжелым последствиям.

Предельно допустимые уровни облучения в диапазоне радиочастот определяются ГОСТом 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля». В соответствии с этим нормативным документом установлена предельно допустимая напряженность электрического поля (E_пд, В/м) в диапазоне 0,06 – 300 МГц и предельно допустимая энергетическая нагрузка за рабочий день [ЭН, (В/м)2·ч]. Между этими величинами существует следующая связь:

,

где Т – время воздействия в течение рабочего дня, ч.

Для частот 0,06-3,0 МГц: = 500 В/м,= 20 000 (В/м)² ч

Для частот 3,0–30 МГц: = 300 В/м,= 7000 (В/м)²ч

Для частот 30-300 МГц: = 80 В/м,= 800 (В/м)²ч

Электрические поля промышленной частоты нормируются в соответствии с ГОСТом 12.1.002-84 «Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряжения и требования к проведению контроля на рабочих местах». В соответствии с этим нормативным документом предельно допустимый уровень напряженности электрического поля (Е) составляет 25 000 В/м.

Рассмотрим основные методы защиты от электромагнитных излучений. К ним следует отнести рациональное размещение излучающих и облучающих объектов, исключающее или ослабляющее воздействие излучения на персонал; ограничение места и времени нахождения работающих в электромагнитном поле; защита расстоянием, т. е. удаление рабочего места от источника электромагнитных излучений; уменьшение мощности источника излучений; использование поглощающих или отражающих экранов; применение средств индивидуальной защиты и некоторые др.

Из перечисленных выше методов защиты чаще всего применяют экранирование или рабочих мест, или непосредственно источника излучения. Различают отражающие и поглощающие экраны. Первые изготавливают из материалов с низким электросопротивлением, чаще всего из металлов или их сплавов (меди, латуни, алюминия и его сплавов, стали). Весьма эффективно и экономично использовать не сплошные экраны, а изготовленные из проволочной сетки или из тонкой (толщиной 0,01–0,05 мм) алюминиевой, латунной или цинковой фольги. Хорошей экранирующей способностью обладают токопроводящие краски (в качестве токопроводящих элементов используют коллоидное серебро, порошковый графит, сажу и др.), а также металлические покрытия, нанесенные на поверхность защитного материала. Экраны должны заземляться.

Защитные действия таких экранов заключаются в следующем. Под действием электромагнитного поля в материале экрана возникают вихревые токи (токи Фуко), которые наводят в нем вторичное поле. Амплитуда наведенного поля приблизительно равна амплитуде экранируемого поля, а фазы этих полей противоположны. Поэтому результирующее поле, возникающее в результате суперпозиции (сложения) двух рассмотренных полей, быстро затухает в материале экрана, проникая в него на малую глубину.

Другой вид экранов – поглощающие. Их действие сводится к поглощению электромагнитных волн. Эти экраны изготавливаются в виде эластичных и жестких пенопластов, резиновых ковриков, листов поролона или волокнистой древесины, обработанной специальным составом, а также из ферромагнитных пластин. Отраженная мощность излучения от этих экранов не превышает 4%. Например, радиопоглощающий материал «Луч», изготовленный из древесных волокон, в диапазоне длин волн излучения 0,15–1,5 м имеет отраженную мощность 1–3%.

Существуют и другие типы экранов, например, многослойные.

Экранами могут защищаться оконные проемы и стены зданий и сооружений, находящихся под воздействием электромагнитного излучения (ЭМИ). Строительные конструкции (стены, перекрытия зданий), а также отделочные материалы (краски и т.д.) могут либо поглощать, либо отражать электромагнитные волны.

Для защиты от электрических полей промышленной частоты, возникающих вдоль линий высоковольтных электропередач (ЛЭП), необходимо увеличивать высоту подвеса проводов линий, уменьшать расстояние между ними, создавать санитарно-защитные зоны вдоль трассы ЛЭП на населенной территории (табл. 2). В этих зонах ограничивается длительность работ, а также заземляются машины и оборудование.

Особым видом электромагнитного излучения является лазерное излучение, которое генерируется в специальных устройствах, называемых оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Эти устройства широко применяются в различных областях науки и техники, в том числе для обработки различных материалов (получение отверстий, резка и т.д.), в медицине (проведение различных операций), в системах связи для передачи сигналов по лазерному лучу, для измерения расстояний, для получения объемных изображений предметов – голограмм и в ряде других областей.

Таблица 2 – Размеры санитарно-защитных зон вдоль высоковольтных линий

Примечание. Значения, представленные в скобках, допускаются в порядке исключения для сельской местности.

Рубиновые лазеры излучают в оптической части спектра. Длительность импульсов составляет от нескольких миллисекунд (мс) до сотен наносекунд (нc). Энергия одного импульса может достигать сотен джоулей при мощности в сотни мегаватт (1МВт = 10⁶Вт). В настоящее время разработан ряд оптических квантовых генераторов, использующих различные оптические среды (фтористый кальций, вольфрамат кальция, различные газы и др.). Эти лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Лазерное излучение – электромагнитное излучение, генерируемое в диапазоне волн 0,2–1000 мкм. Этот диапазон делится на следующие области спектра в соответствии с биологическим действием лазерного луча: 0,2–0,4 мкм – ультрафиолетовая область, 0,4–0,75 – видимая, 0,75–1,4 мкм – ближняя инфракрасная, свыше 1,4 мкм – дальняя инфракрасная область. Наиболее часто используют в технике лазеры с длинами волн, мкм: 0,34, 0,49-0,51, 0,53, 0,694, 1,06 и 10,6.

Воздействие излучения лазера на организм человека до конца не изучено. При работе лазерных установок на организм человека могут воздействовать следующие опасные и вредные производственные факторы: мощное световое излучение от ламп накачки, ионизирующее излучение, высокочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные поля, инфракрасное излучение, шум, вибрация, возникающие при работе лазерных установок, и др.

При воздействии лазерного излучения на организм человека возникают различные биологические эффекты, которые зависят от энергетических и временных параметров излучения и в первую очередь от энергетической экспозиции в импульсе, длины волны и времени воздействия лазерного излучения, вида облучаемой ткани человеческого организма и ряда других факторов.

Различают первичные и вторичные биологические эффекты, возникающие под действием лазерного излучения. Первичные изменения происходят в тканях человека непосредственно под действием излучения (ожоги, кровоизлияния и т.д.), а вторичные (побочные явления) вызываются различными нарушениями в человеческом организме, развившимися вследствие облучения.

Наиболее чувствителен к воздействию лазерного излучения глаз человека. Воздействие на него лазерного излучения может привести к ожогам сетчатки и даже к потере зрения. Опасно попадание лазерного луча и на кожу человека, в результате чего могут возникнуть ожоги различной степени тяжести и даже обугливание кожи. Лазерные лучи высокой интенсивности могут вызвать не только повреждения кожи, но и поражение различных внутренних тканей и органов человека, что выражается в виде кровоизлияний, отеков, а также свертывания или распада крови.

К основным коллективным средствам защиты от лазерного излучения относятся применение защитных экранов и кожухов; использование телевизионных систем наблюдения за ходом технологического процесса с использованием лазера, а также систем блокировки и сигнализации; ограждение лазерно-опасной зоны, размеры которой определяют или расчетным, или экспериментальным путем. Следует защищаться не только от прямого излучения лазера, но и от рассеянного и отраженного излучений.

Для индивидуальной защиты от электромагнитного излучения применяют специальные комбинезоны и халаты, изготовленные из металлизированной ткани (экранируют электромагнитные поля), а для защиты от действия лазера обслуживающий персонал должен работать в технологических халатах, изготовленных из хлопчатобумажной или бязевой ткани светло-зеленого или голубого цвета.

Для защиты глаз от воздействия электромагнитного излучения применяют очки марки 3П5-90, стекла которых покрыты диоксидом олова (SnO₂), обладающим полупроводниковыми свойствами.

studfiles.net