Лазером является свет, который принудительно превращается в направленный поток излучения. Лазер уже давно перестал быть фантастикой; он может иметь любой цвет, и главное – направленность. Сегодня лазер настолько же естественное явление, как мобильная связь и высокоскоростной интернет. В этой статье описаны виды лазеров и принципы их работы, которые применяются для резки и гравировки любого материала.

Лазер по своему принципу и технологии работы весьма близок к ранее созданному «мазеру», отсюда и следует его альтернативное наименование – оптический мазер. Для этих обоих устройств свойственно излучение излишней энергии атомов, которые под влиянием внешнего воздействия находятся в возбужденном состоянии. Итак, как это работает!?

Что такое свет? Свет – это особая форма материи, которая состоит из «сгустков» именующихся квантами. Совершено любое вещество, несомненно, состоит из атомов поглощающих кванты. Длина волны (соответственно и цвет) излучения обусловливается энергией его кванта. Но при отсутствии добавочных условий атомы вещества абсолютно не взаимодействуют с долями квантов, потому как атомы являются по своей природе одинаковыми, поэтому поглощают или излучают кванты исключительно конкретной длины волны. Примером этого взаимодействия может послужить газоразрядная лампа, однородно заполненная неоном.

Само наличие света является вынужденным для атома участием в энергетических переходах. Поэтому отсюда соответственно и название данных процессов – вынужденное излучение и вынужденное поглощение. Во время вынужденного поглощения численность квантов снижается, следовательно, и интенсивность света также снижается. Попав в освещение некоторое количество атомов, начинает излучать большое количество энергии, чем вызывает вынужденное поглощение. Таким образом, возникает лазерный эффект (так сказать – усиление света под воздействием вынужденного излучения множества атомов).

В связи с этим лазерная генерация возникает только в том множестве микрочастиц, где непосредственно количество возбужденных атомов выше от находящегося атома в основном состоянии. Следовательно, отсюда вывод: что данное множество необходимо предварительно подготовить, накачав в него энергию из внешнего источника. Эта операция имеет одноименное название – накачка.

Основное отличие всех видов/типов лазера именно – способ накачки. Накачкой могут быть: электрический ток; электрический разряд; электромагнитное излучение; пучок чрезвычайно быстрых (релятивистских) электронов; химическая реакция в подходящей для генерации среде. Итак, основные виды лазеров.

Лазеры газовые (лазер СО2)

Неопровержимым достоинством газов как элемент активной среды лазера, безусловно, является – повышенная оптическая однородность. Потому для технических и научных применений, где обязательно необходимы монохроматичность излучения и максимально высокая направленность именно газовые лазеры представляют наибольший интерес. После первого изобретенного газового лазера, для которого основой служила смесь неона и гелия (1960), было изобретено огромное количество самых разнообразных газовых лазеров.

Поэтому в них применялись самые разные технологии и начинки, например: квантовые переходы нейтральных ионов, молекул, атомов имеющих в широком диапазоне частоты от далекой инфракрасной и до ультрафиолетовой частей спектра. Среди всех известных лазеров непрерывного действия ближней и видимой областей спектра, самое большое распространение получил неоново-гелиевый лазер. Данный лазер представляет собой заполненную смесью из He и Ne газоразрядную трубку, которая заключена в оптический резонатор.

В излучении газового лазера весьма отчетливо проявляются присущие лазерному излучению свойства – высокая монохроматичность и направленность. Существенным достоинством и, конечно же, преимуществом является их способность функционировать в непрерывном режиме. Использование новых современных методов возбуждения соответственно и переход к максимально высоким давлениям газа способны достаточно резко в разы умножить мощность газового лазера. При помощи газового лазера допустимо дальнейшее освоение диапазонов рентгеновского и ультрафиолетового излучений, а также далекого инфракрасного диапазона.

Полупроводниковые лазеры

По ряду своих технических характеристик полупроводниковые лазеры среди лазеров, функционирующих в инфракрасном и видимом диапазонах, занимают особое место. У полупроводниковых инжекционных лазеров очень высокий коэффициент полезного действия (КПД), поэтому преобразование электрической энергии в когерентное излучение практически 100%-ное. Эти лазеры очень эффективны и способны функционировать в непрерывном режиме. Другими отличительными особенностями полупроводниковых лазеров являются: малая степень инерционности обуславливает достаточно широкий пояс частот прямой модуляции более чем в 109 ГГц: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30%-50%): возможность переустройства длины волны излучения и присутствие значительного количества полупроводников непрерывно перекрывающих интервал длины волн от 0,32 и до 32 мкм: ну и конечно же, простота всей конструкции.

Полупроводниковые лазеры очень эффективны, когда требования к направленности и когерентности невелики, однако нужны высокий КПД и малые габариты. Полупроводниковые лазеры превосходят все виды/типы лазеров величиной КПД (коэффициент полезного действия) и плотностью энергии излучения.

Жидкостный лазер

Жидкостный лазер – это лазер, для которого активным веществом является жидкость. Основное преимущество таких лазеров: возможность осуществления циркуляции жидкости с целью ее охлаждения. Данный процесс позволяет получать большие мощности излучения и энергии в непрерывном и импульсивном режимах.

В первых изобретенных жидкостных лазерах, как правило, использовались растворы редкоземельных хелатов. Но они пока что не нашли применения недостаточной химической выносливости хелатов и малого количества достижимой энергии. Жидкостные лазеры, которые работают на не органических активных растворах при существенно, средней мощности, обладают весьма большими импульсивными энергиями. При этом данные лазеры генерируют излучения с достаточно узким спектром частот.

Жидкостные лазеры, работающие на растворах из органических растворов, также обладают некоторыми особенностями. Таким жидкостным лазерам позволяют работать, причем с непрерывной перестройкой длины волн излучения в достаточно широком диапазоне – широкие спектральные линии люминесценции. Путем замены красителей, возможно, осуществить перекрытия всего видимого, а также части инфракрасного спектрального участка. Источником накачки для жидкостных лазеров на красителях в большинстве своем используются твердотельные лазеры. Однако для некоторых красителей при необходимости можно использовать накачку от импульсивных специальных газосветных ламп, которые дают более короткие насыщенные вспышки белого света, нежели обычные импульсивные лампы.

Твердотельные лазеры

Сегодня существует масса твердотельных лазеров, которые обладают как непрерывным излучением, так и импульсным. Среди твердотельных импульсных лазеров наиболее распространенным является – лазер на неодимовом стекле и на рубине. Неодимовый лазер функционирует на длине волны ℓ = 1.06 мкм. Также изготавливают сравнительно большие и довольно-таки оптически однородные стержни диаметром 4-5 см и длиной до 100 см. Всего лишь за 10-3 секунды один такой стержень способен выдать импульс генерации с энергией в 1000 Дж.

Твердотельные лазеры на рубине по сравнению с неодимовыми лазерами являются наиболее мощными и импульсными. Абсолютная энергия импульса генерации при длительности импульса в 10-3 секунды достигает сотен Дж. Также возможно успешно выполнить режим генерации импульсов с достаточно большой частотой повторения вплоть до нескольких КГц.

Современное производство сегодня вполне успешно применяет в производстве различных товаров и исследований все вышеизложенные лазерные технологии. В настоящее время трудно представить себе какой-либо огромный завод или крупную частную фабрику без использования лазерных технологий и благодаря этому качество и количество хорошей продукции постоянно увеличивается.