Лазерное излучение и его применение (стр. 5 из 8)

F + H₂ ® HF* + Н;

H + F₂ ® HF* + F;

HF* ®HF + hn.

В первой реакции для инициирования необходим свободный атом фтора. Одной из постоянных проблем химических лазеров является разработка методов эффективного получения таких свободных атомов. Возбужденная молекула HF (обозначаемая HF*), возникающая при такой реакции, может находиться в возбужденном состоянии, являющемся верхним уровнем лазерного перехода. Третья реакция выражает переход в нижнее лазерное состояние, которое не заселяется при химической реакции. Оно сопровождается испусканием квантов световой энергии hv. Таким образом, инверсия населенностей возникает автоматически всякий раз после того, как протекает химическая реакция, и в качестве конечного продукта возникают молекулы в возбужденном состоянии. Для инициирования реакции, т. е. для первоначального создания свободных атомов, может потребоваться электрическая энергия, но как только реакция началась, образуются свободные атомы и эти реакции будут непрерывно продолжаться. Наиболее хорошо разработанными лазерами являются лазеры на фтористом водороде, работающие на многих длинах волн, расположенных в диапазоне 2,6...3,6 мкм, а также лазер на окиси углерода, генерирующий на длинах волн около 5 мкм. Химические лазеры, работающие в непрерывном режиме, дают выходную мощность около нескольких киловатт. Они работают без электрического питания, используя смешение втекающих химических компонентов. Такой лазер похож на работающий реактивный двигатель, поскольку рабочая химическая смесь со сверхзвуковой скоростью прокачивается через резонатор, а энергия, выделяющаяся при химической реакции, из резонатора с помощью зеркал выводится и направляется в требуемом направлении.

Йодный лазер относится к фотодиссационным лазерам, так как в нем используется эндотермический процесс, в отличие от химических лазеров (действие которых основано на использовании экзотермических химических реакций).

5.6 Ультрафиолетовый лазер.

До этого были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.На практике эксимерный лазер представляет собой газовую камеру высокого давления (до десятков атмосфер). Внутри камеры установлены зеркала с диэлектрическими покрытиями. Возбуждение осуществляется импульсным пучком быстрых электронов, которые вводятся в газ. В некоторых экспериментах использовались импульсы тока 70 кА электронов с энергией 1 МэВ.

5.7 Лазер на свободных электронах.

Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле в излучение в оптическом диапазоне волн.

Схема лазера на свободных электронах:

1-зеркало; 2-пучок; 3-луч лазера; 4-знакопеременное магнитное поле; 5-ускоритель электронов.

Из рисунка видно, что ускорителем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Поскольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах

5.8 Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ).

Этот лазер получил широкое распространение, благодаря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, максимальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторения – 500, кпд около 1 %.

5.9 Апротонный жидкостный лазер.

Свое название этот лазер получил потому, что в неорганических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd³⁺ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.

Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значительно сужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.

Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.

5.10 Лазер на парах меди.

Одним из достижении лазерной техники является получение стимулированного излучения от среды, образованной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обеспечивающей получение высокой температуры в газоразрядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии населенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.

5.11 Газодинамический лазер.

Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO₂ и N₂ при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

6. Применение лазеров.

6.1 Лазеры в медицине.

Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они решили использовать его в качестве скальпеля. По сравнению с обычным такой скальпель обладает целым рядом достоинств:

во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств, надежностью в работе;

во-вторых, лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая на нее какого-либо механического давления;

в-третьих, лазерный скальпель имеет абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует только излучение, причем в области рассечения возникает высокая температура;

в-четвертых, лазерный луч производит почти бескровный разрез, поскольку с рассечением тканей коагулируют края раны, как бы «заваривая» мелкие сосуды;

в-пятых, лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпель загораживает рабочее поле.

Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как показали клинические наблюдения) почти не болит и относительно скоро заживляется. Все это привело к тому, что лазерный скальпель был применен на внутренних органах грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, пищеводе, кишечнике, почках, печени, селезенке, сердце, делают кожно-пластические операции. Широко используют в офтальмологии при лечении глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первые обратили внимание на возможность использования лазера и внедрили его в клиническую практику.

Также лазеры применяются для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, для сращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего к трофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.