Рабочая профессия лазера — взгляд из 1965 года. Реальность.


Рабочая профессия лазера — взгляд из 1965 года. Реальность.

Лазер_1Лазер_2Лазер_3

 

Для понимания того, что представляет собой прогресс и инновации достаточно почитать старые журналы. Вот, например, журнал «Радио», декабрьский номер 1965 года. Статья «Рабочая профессия лазеров».Чего в ней удивительного?

А вот что. Открываем Википедию и читаем:

«1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера[7]. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесенными на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм[4]. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света[6].
Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей[6]. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры[4].»

Предложенная статья, как уже сказано выше, за 1965 год. То есть с момента изобретения лазера, как такового, прошло всего 5 лет. Прописью: Пять лет. За это время лазер прошел путь от научной диковины до промышленных образцов. Это твердотельный лазер, на основе рубина. Полупроводниковый лазер был создан Ж.Алферовым  в 1963 году.  (Алферову, кстати, было в то время всего 33 года.) То есть, от этого момента  до написания статьи прошло всего два года. За это время полупроводниковый лазер прошел путь от лабораторного образца до промышленного изделия.
Подобные статьи очень помогает оценить темпы развития прогресса в то время. И в той стране. И уж конечно, больше не делать глупостей и перестать считать наш период периодом стремительного развития науки и техники. Можно еще вспомнить Сколково… Но лучше этого не делать.

Рабочая профессия лазеров.
А.Васильев, В.Рясин

Появление оптических квантовых генераторов-лазеров открыло новую, весьма перспективную главу в развитии науки и техники. В Советском Союзе производится серийный выпуск ряда образцов оптических квантовых генераторов. Они обрели рабочие профессии и применяются в народном хозяйстве.

Прежде чем рассказать о лазерах, созданных советскими специалистами, напомним коротко о физических принципах их работы. Работа оптических квантовых генераторов основана на принципе индуцированного излучения. В соответствии с этим принципом, переходы электронов с верхних энергетических уровней на нижние, происходящие под воздействием потока излучения, увеличивают интенсивность этого потока.

Как известно из квантовой механики, энергия электронов в каком- либо веществе может изменяться дозами, так называемыми квантами. Это означает, что электроны в атомах вещества могут находиться только на определенных энергетических уровнях, разделенных между собой зонами с запрещенными значениями энергии. При наличии внешнего возбуждения электрон может переходить с нижнего устойчивого энергетического уровня на верхний энергетический уровень. При снятии внешнего возбуждения электрон стремится снова перейти на нижний уровень, где его энергия имеет меньшую величину. Этот обратный переход сопровождается выделением энергии в виде светового излучения, частота которого определяется расстоянием между энергетическими уровнями. Рассматриваемые переходы имеют хаотический, спонтанный характер: кванты света, выделяемые при переходах (фотоны), не связаны друг с другом: излучение энергии направлено во все стороны. Поэтому эти переходы и излучение, вызванное ими, носит название спонтанных.

Иная картина будет наблюдаться. если через вещество с возбужденными электронами проходит луч света с частотой, соответствующей энергии между уровнями. Проходящий поток света оказывает воздействие на процесс перехода возбужденных электронов. Он будет как бы срывать электроны с верхнего энергетического уровня, ускоряя процесс перехода. При этом оказывается, что фотоны излучения, возникающие при срыве электронов, неразличимы с фотонами луча света, проходящего через рассматриваемое вещество. Это означает, что энергия, выделяемая при переходах, будет добавляться к энергии проходящего потока, усиливая его. Излучение, вызванное воздействием проходящего потока фотонов, носит название индуцированного излучения.

Рассмотрим два различных состояния активного вещества.В том случае, если число электронов в веществе, находящихся на верхнем энергетическом уровне, будет меньше числа электронов на нижнем равновесном уровне, поглощение в веществе будет преобладать над индуцированным излучением. Луч света, проходящий через вещество, будет ослабляться, отдавая свою энергию электронам нижнего уровня.

В том случае, если число электронов на верхнем энергетическом уровне будет больше числа электронов на нижнем равновесном уровне, индуцированное излучение в веществе будет преобладать над поглощением. Разность этих чисел носит название перенаселенности. Оказывается, что усиление света в активном веществе возможно только тогда, когда перенаселенность достигает критического, порогового значения. Пороговое значение перенаселенности зависит от целого ряда параметров активного вещества.

Таким образом, если на активное вещество (например, на синтетический рубиновый стержень) воздействует внешняя энергия, переводящая электроны на высшие энергетические уровни, то в случае, когда перенаселенность превышает пороговое значение, вещество оказывается способным усиливать луч света, направленный от какого-либо внешнего источника. Для рубинового стержня источником возбуждения (накачки) может служить, например, газоразрядная лампа, дающая белый свет. Усиливаться в рубиновом стержне будет луч красного цвета. В случае полупроводникового диода из арсенида галлия источником возбуждения электронов является электрический ток, протекающий через диод. Усиливаться в таком диоде будет луч света с длиной волны, лежащей в инфракрасной области спектра.

От режима усиления можно перейти к режиму генерации, если ввести в систему обратную связь. Для оптических квантовых систем обратная связь осуществляется с помощью резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми располагается активное вещество. В рубиновом генераторе резонатором могут служить тщательно отполированные плоско- параллельные торцы стержня, на которые нанесены отражающие покрытие. На одном из торцов покрытие делается полупрозрачным для вывода энергии излучения. В полупроводниковом генераторе из арсенида галлия дополнительных покрытий на торцы резонатора не наносят, поскольку арсенид галлия имеет достаточно высокий коэффициент отражения.

Слабые колебания на оптических частотах, возникающие в резонаторах, усиливаются при их многократных отражениях от зеркал резонатора. Однако отражаются многократно только лучи, параллельные оси резонатора, то есть распространяющиеся перпендикулярно плоскости зеркал. Поэтому излучение в оптических генераторах будет иметь острую направленность, что является весьма важной их особенностью.

Схематично оптический квантовый генератор можно представить себе как устройство, состоящее из источника накачки, активного элемента и оптического резонатора.

12Рассмотрим теперь более подробно параметры некоторых отечественных оптических генераторов. Типичным образцом рубинового лазера является генератор «Раздан», серийно выпускаемый нашей промышленностью. Его рабочим телом является рубиновый стержень длинной 80 мм.  и диаметром 6.5 мм. Для возбуждения (накачки) используется ксеноновая лампа ИФП- 800, на которую подается энергия около 500 дж. Резонатор находится в генераторной головке и состоит из двух строго параллельных зеркал, одно из которых имеет коэффициент отражения 50 процентов С этой-то стороны и происходит выход лучистой энергии. Для накопления энергии. которая подается на лампу, используются электролитические конденсаторы. Генератор снабжен собственной системой охлаждения с замкнутым циклом.

Световые импульсы в «Раздана» следуют с частотой 2 Гц и длительностью 400 мксек. Энергия излучения в импульсе — 2 дж. Длина волны для всех рубиновых генераторов равна 6943А; генерация рубинового лазера наблюдается невооруженным глазом в виде узкого красного луча.
Питание генератора осуществляется от сети 220 в, 50 гц, потребляемая мощность —3 квт. Вес «Раздана» в рабочем состоянии —32 кг. Габариты — 350X290X450 мм.
Как источник когерентного излучения высокой интенсивности «Раздан» может широко использоваться в лабораторных исследованиях и в промышленных работах, например при точечной сварке, пробивании малых отверстий и т. д.

Большое значение для исследовательских целей, например, при изучении взаимодействия излучения большой мощности с различными веществами, имеет оптический квантовый генератор с управляемой добротностью. В таких генераторах с помощью специального устройства происходит накопление возбужденных электронов на верхних энергетических уровнях, а затем накопленная энергия излучается в виде мощного светового импульса за очень короткий промежуток времени. Таким образом, удается получить световые импульсы длительностью 40—50 нсек  мощностью 30 мет (фото 2).
34Квантовые генераторы на рубине широко используются в народном хозяйстве. Например, создана сварочная установка СУ-1 (фото 3). Она вырабатывает световые импульсы длительностью 5 мсек с энергией в I дж. Мощные световые импульсы дают возможность осуществлять сварку тугоплавких металлов в таких, например, сочетаниях, как титан и сталь, золото и кремнии, золото и германий, и других. Кроме того, СУ I позволяет производить сварку металлов с резко отличными температурами плавления, как например алюминий с никелем.

В установке используется сменная оптика, позволяющая изменять диаметр свариваемой точки от 50 до 100 мкм. Интересной особенностью СУ-1 является возможность сварки в закрытых стеклянных баллонах; она может также применяться при микромонтаже, при изготовлении по¬лупроводниковых приборов и т. д.

Квантовые генераторы с активным элементом на рубине начали использоваться в медицине. Советскими специалистами разработан лазерный офтальмокоагулнтор, предназначенный для приваривания отслоившейся сетчатки глаза (фото 4). Генератор, используемый в этой установке, позволяет получать световые импульсы с энергией до 0.5 дж, диаметр светового пятна — около I мм. Установка снабжена системой оптической регулировки, позволяющей фокусировать световой пучок в любой точке глаза. Клиническая проверка прибора показала его перспективность по сравнению с фотокоагуляцией, используемой в лечебной практике.

Наряду с генераторами, где активным элементом является рубин, начинают широко использоваться генераторы с активным элементом из стекла с примесью неодима. Они имеют длину волны излучения  1,06 мкм, то есть не видимое невооруженным глазом.
К типам таких генераторов относится установка ГОР-100 (фото 5). Энергия ее импульсного излучения достигает 100 дж. Расходимость светового луча ГОР-100 составляет несколько минут, что позволяет 56получить огромную плотность энергии на облучаемой поверхности. В приборе используется активный элемент диаметром 16 мм и длиной 240 мм.

Модификацией этого генератора является прибор ГСИ-1. который имеет аналогичные параметры, но активный элемент изготовлен в виде прямоугольной пластины, что позволяет сформировать выходной луч с прямоугольным сечением. Такие генераторы могут использоваться для сварки и резки металла, для выполнения сверлильных работ. Другой интересной группой оптических квантовых генераторов являются приборы, в которых в качестве активного элемента используются полупроводниковые диоды из определенных материалов, например из арсенида галлия.

На фото б — оптический генератор Луч-3 с полупроводниковым диодом. Этот малогабаритный прибор состоит из активного элемента, системы охлаждения, системы импульсной накачки и системы управления. Вес генератора в рабочем состоянии — 1,5 кг, габариты — 90X 155X 180 мм. Система охлаждения изготовлена в виде сосуда Дьюара, в который помещен лазерный диод из арсенида галлия размерами 0,4X0,4X0,1 мм. Сосуд Дьюара заполняется жидким азотом, который может в нем храниться в течение часа, обеспечивая непрерывную работу прибора.

Луч-3 вырабатывает импульсы излучения с длиной волны 8430А, длительностью 2 мксек. Частота следования импульсов плавно изменяется от 70 до 200 гц. Питание прибора осуществляется от сети постоянного тока напряжением 27 в. Прибор Луч-3 предназначен для лабораторных исследовании.
Основным преимуществом генераторов на полупроводниковом активном элементе является их очень малый размер и вес при большом к.п.д.
Из года в год растут технические достижения отечественной квантовой электроники. Можно с уверенностью утверждать, что ее дальнейшее развитие позволит создать устройства, которые найдут еще более широкое применение в промышленности, связи и научных исследованиях.

Категории: Блоги, История
Теги: , , ,