Cтудентам и школьникам книги квантовая электроника, лазеры. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники

Введение

Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.
Настоящий рассвет фототерапии пришелся на 19 век - с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.
В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня лазерные технологии применяются практически при любых заболеваниях.
1. Физические основы применения лазерной техники в медицине

1.1 Принцип действия лазера

Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют три типа переходов между энергетическими состояниями: индуцированные переходы, спонтанные переходы и безызлучательные релаксационные переходы. Свойства индуцированного излучения определяют когерентность излучения и усиления в квантовой электронике. Спонтанное излучение обусловливает наличие шумов, служит затравочным толчком в процессе усиления и возбуждения колебаний и вместе с безызлучательными релаксационными переходами играет важную роль при получении и удержании термодинамически неравновесного излучающего состояния.
При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением энергии электромагнитного поля (переход с нижнего энергетического уровня на верхний), так и с излучением электромагнитной энергии (переход с верхнего уровня на нижний).
Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.
Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. По предложению (1958 г.) распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер (light amplification by stimulated emission of radiation).
Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра.
1.2 Типы лазеров

Существующие типы лазеров можно классифицировать по нескольким признакам. Прежде всего по агрегатному состоянию активной среды: газовые, жидкостные, твердотельные. Каждый из этих больших классов разбивается на более мелкие: по характерным особенностям активной среды, типу накачки, способу создания инверсии и т.д. Например, из твердотельных довольно четко выделяется обширный класс полупроводниковых лазеров, в которых наиболее широко используется инжекционная накачка. Среди газовых выделяют атомарные, ионные и молекулярные лазеры. Особое место среди всех прочих лазеров занимает лазер на свободных электронах, в основе работы которого лежит классический эффект генерации света релятивистскими заряженными частицами в вакууме.
1.3 Характеристики лазерного излучения

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:
- высокой спектральной плотностью энергии;
- монохроматичностью;
- высокой временной и пространственной когерентностью;
- высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;
- возможностью генерации очень коротких световых импульсов.
Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.
Основными характеристиками лазера являются: длина волны, мощность и режим работы, который бывает непрерывным либо импульсным.
Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическим объектом ещё изучен не до конца, но можно отметить, что имеют место либо тепловые воздействия, либо резонансные взаимодействия с клетками тканей .
Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.
2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями

2.1 Виды взаимодействия

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.
В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО 2 -лазер).
Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия - капилляра.
Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные (от лат. ablatio - «отнятие»; в медицине - хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.
В хирургии применяются CO 2 -лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.
В онкологии было замечено, что лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.
Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество - фотосенсибилизатор . Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.
Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.
Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра
(0,63 мкм) мощностью 1,5-2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15-20 мин за сеанс для взрослых и 5-7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.
В офтальмологии лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии по лечению глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения давно и успешно используются эксимерные лазеры.
В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов .
Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода.
При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.
Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.
В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.
Лазерный луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.
Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой - держателем световода.
В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода).
2.2 Особенности лазерного взаимодействия при различных параметрах излучения

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.
Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности.
1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.
2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.
3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.
Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.
Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см -1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.
Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:
· мощность излучения;
· непрерывный или импульсный режим работы;
· способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
· возможность передачи излучения по оптическому волокну.
При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.
При одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально. Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.
На практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.
3. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии

Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.
Растет интерес к немедикаментозным методам лечения, включая физиотерапию. Нередко возникают ситуации, когда необходимо проводить не одну физиопроцедуру, а несколько, и тогда пациенту приходиться переходить из одной кабины в другую, несколько раз одеваться и раздеваться, что создает дополнительные проблемы и потерю времени.
Многообразие методик терапевтического воздействия требует применения лазеров с различными параметрами излучения. Для этих целей служат различные излучающие головки, которые содержат один или несколько лазеров и электронное устройство сопряжения сигналов управления от базового блока с лазером.
Излучающие головки подразделяются на универсальные , позволяющие использовать их как наружно, (с использованием зеркальных и магнитных насадок), так и внутриполостно с использованием специальных оптических насадок; матричные , имеющие большую площадь излучения и применяющиеся поверхностно, а также специализированные . Различные оптические насадки позволяют доставлять излучение к требуемой зоне воздействия.
Блочный принцип позволяет применять широкий спектр лазерных и светодиодных головок, обладающих различными спектральными, пространственно-временными и энергетическими характеристиками, что, в свою очередь, поднимает на качественно новый уровень эффективность лечения за счет сочетанной реализации различных методик лазерной терапии. Эффективность лечения определяется прежде всего эффективными методиками и аппаратурой, которая обеспечивает их реализацию. Современные методики требуют возможность выбора различных параметров воздействия (режим излучения, длина волны, мощность) в широком диапазоне. Аппарат лазерной терапии (АЛТ) должен обеспечивать эти параметры, их достоверный контроль и отображение и вместе с тем быть простым и удобным в управлении.
4. Лазеры, применяемые в медицинской технике

4.1 CO 2 -лазеры

CO 2 -лазер , т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO 2 , занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности - в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO 2 -лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO 2 -лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO 2 -лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO 2 -лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.
На рисунке 1 показаны нижние колебательные уровни основного электронного состояния вместе с условным представлением формы колебаний молекулы CO 2 .
Рисунок 1 - Нижние уровни молекулы CO2
Цикл лазерной накачки CO 2 -лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO 2 , обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO 2 -лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO 2 обеспечивает излучение, N 2 - накачку верхнего уровня, а He - опустошение нижнего уровня.
CO 2 -лазеры средней мощности (десятки - сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 - разрядная трубка, 2 - кольцевые электроды, 3 - медленное обновление среды, 4 - разрядная плазма, 5 - внешняя трубка, 6 - охлаждающая проточная вода, 7,8 - резонатор.
Рисунок 2 - Схема CO2 -лазера с диффузионным охлаждением

Продольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки. Существенной является теплопроводность материала стенки. С этой точки зрения целесообразно применение труб из корундовой (Al 2 O 3) или бериллиевой (BeO) керамик.
Электроды делают кольцевыми, не загораживающими путь к излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, т.е. используется диффузионное охлаждение. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное - из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.
Альтернативой диффузионному служит конвекционное охлаждение. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится разрядом. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема.
CO 2 -лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 30-40 мкм. На расстоянии 300-600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,5-1 мм спонтанно закрываются.
Хирургические устройства на основе CO 2 -лазера в настоящее время предлагаются в достаточно широком ассортименте. Наведение лазерного луча в большинстве случаев осуществляется с помощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора), оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой, которым хирург манипулирует в оперируемой области.
4.2 Гелий-неоновые лазеры

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме
Рисунок 3 - Схема уровней He-Ne лазера

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию
, (1)
можно добиться заселения одного или обоих уровней 3s и 2s неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей.
Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.
Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см 2 . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки. При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение. Плотность числа электронов в слабоионизированной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.
Для гелий-неонового лазера оптимальные значения, равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.
В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии - линии (0,63282 мкм) соответствует оптимальное Тор·мм.
Рисунок 4 - Конструктивная диаграмма He-Ne лазера

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений He и Ne.
Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.
Рисунок 5 - Резонатор He-Ne лазера

Переключение между полосами генерации (рисунок 6) в перестраиваемом гелий-неоновом лазере обычно обеспечивается за счет введения призмы, а для тонкой перестройкой линии генерации обычно используется дифракционная решетка.
Рисунок 6 - Использование призмы Литроу
4.3 И А Г-лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y 3 Al 5 O 12 (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd 3+ из основного состояния 4 I 9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень 4 F 3/2 (рисунок 7).
Рисунок 7 - Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов
Чем ближе к уровню 4 F 3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.
Технология роста кристаллов основана на методе Чохральского, когда ИАГ и присадка плавятся в иридиевом тигле при температуре около 2000 °С с последующим выделением части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (аргон или азот) при нормальном давлении с малой добавкой кислорода (1-2%). Как только кристалл достигает нужной длины его медленно остужают для предотвращения разрушения из-за термических напряжений. Процесс роста занимает от 4 до 6 недель и проходит под компьютерным управлением.
Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей фемтосекунд. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.
При создании неодимовых, как, впрочем, и рубиновых, лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.
В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1…10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности составляет около 10 пс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1…10 пс), так и для синхронизации мод (1…10 пс).
При воздействии интенсивного излучения Nd-ИАГ-лазера на биологическую ткань образуются достаточно глубокие некрозы (коагуляционный очаг). Эффект удаления ткани и тем самым режущее действие, незначительны по сравнению с действием CO 2 -лазера. Поэтому Nd-ИАГ-лазер применяется преимущественно для коагуляции кровотечения и для некротизирования патологически измененных областей ткани почти во всех областях хирургии. Поскольку к тому же передача излучения возможна через гибкие оптические кабели, то открываются перспективы применения Nd-ИАГ-лазера в полостях тела.
4.4 Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-диапазонах (0,32…32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.
В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением (0,32…16 мкм), в p -n -переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения (инжекция носителей заряда, 0,57…32 мкм).
Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками:
- высоким КПД по мощности (выше 10%);
- простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение - как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы);
- возможностью прямой модуляции электрическим током до 10 10 Гц;
- крайне незначительными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);
- низким напряжением накачки;
- механической надежностью;
- большим сроком службы (до 10 7 ч).
4.5 Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры , представляющие собой новый класс лазерных систем, открывают для квантовой электроники УФ диапазон. Принцип действия эксимерных лазеров удобно пояснить на примере лазера на ксеноне (нм). Основное состояние молекулы Xe 2 неустойчиво. Невозбужденный газ состоит в основном из атомов. Заселение верхнего лазерного состояния, т.е. создание возбужденной устойчивости молекулы происходит под действием пучка быстрых электронов в сложной последовательности столкновительных процессов. Среди этих процессов существенную роль играют ионизация и возбуждение ксенона электронами.
Большой интерес представляют эксимеры галоидов инертных газов (моногалогенидов благородных газов), главным образом потому, что в отличие от случая димеров благородных газов соответствующие лазеры работают не только при электронно-пучковом, но и при газоразрядном возбуждении. Механизм образования верхних термов лазерных переходов в этих эксимерах во многом неясен. Качественные соображения свидетельствуют о большей легкости их образования по сравнению со случаем димеров благородных газов. Существует глубокая аналогия между возбужденными молекулами, составленными из атомов щелочного материала и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла, следующий за ним в таблице Менделеева. Этот атом легко ионизуется, так как энергия связи возбужденного электрона мала. В силу высокого сродства к электрону галогена этот электрон легко отрывается и при столкновении соответствующих атомов охотно перепрыгивает на новую орбиту, объединяющую атомы, осуществляя тем самым так называемую гарпунную реакцию.
Наиболее распространены следующие типы эксимерных лазеров: Ar 2 (126,5 нм), Kr 2 (145,4 нм), Xe 2 (172,5 нм), ArF (192 нм), KrCl (222,0 нм), KrF (249,0 нм), XeCl (308,0 нм), XeF (352,0 нм).
4.6 Лазеры на красителях

Отличительной особенностью лазеров на красителях является возможность работы в широком длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ, плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей, мощность непрерывной генерации - десятков ватт, частота повторения сотен герц, КПД десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундный и субпикосекундный диапазоны длительностей.
Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества органических красителей. Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сложных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ближней УФ областях спектра. Окрашенные органические соединения содержат насыщенные хромофорные группы типа NO

В предлагаемом курсе изучаются основные принципы генерации и усиления лазерного излучения, а также оптотехника твердотельных лазерных систем. Курс содержит видеолекции, сопровождаемые опросами по текущему материалу, электронное пособие, интерактивные задания и упражнения. Материал курса рассчитан на десять недель обучения.

О курсе

Курс посвящен изучению физических процессов, связанных с генерацией и усилением лазерного излучения, нелинейно-оптическим преобразованием частоты лазерного излучения, а также изучению оптотехники твердотельных лазерных систем. Цель курса - получение базовых знаний в области лазерной физики, достаточных для специалистов в области лазерной техники и лазерных технологий, а также для всех желающих познакомиться с основами лазерной техники и получить опыт в решении задач лазерной оптики. При изучении разделов курса используются онлайн-опросы, а также интерактивные задания, соответствующие повседневным задачам, возникающим в ходе создания всевозможных типов лазерных излучателей. После прохождения этого курса вы получите как теоретические знания, так и практические навыки по исследованию и проектированию лазерных систем.

Формат

В состав курса входят видеолекции, упражнения и интерактивные задания. Длительность курса составляет 10 недель. Трудоемкость курса – 4 зачетных единицы. Средняя недельная нагрузка на обучающегося – 13 часов.

Информационные ресурсы

1. Звелто О. Принципы лазеров. Изд-во Лань, 2008. – 720 с.
2. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. – М.: Мир, 1981.
3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. – Л.: Машиностроение, 1990.
4. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. – М.: Радио и связь, 1981.
5. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. – М.: Наука, 1979.
6. Альтшулер Г.Б., Дульнева Е.Г., Карасев В.Б., Храмов В.Ю. Генерация и усиление света. Учебное пособие по дисциплине «Теория приборов квантовой электроники». – Л.: ЛИТМО, 1986.
7. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. – М.: Машиностроение, 1982.
8. Тарасов Л.В. Физика лазеров. Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. – 456 с.
9. Агошков В. И., Дубовский П. Б., Шутяев В. П. Методы решения задач математической физики. - М.: Физматлит, 2002. - 320 с.
10. Голоскоков Д. П. Уравнения математической физики. Решение задач в системе Maple. Учебник для вузов- СПб.: Питер, 2004.- 539 с.
11. Электронно-библиотечная система. Издательство «Лань» [Электронный ресурс] Емельянов В. М. Уравнения математической физики. Практикум по решению задач.- СПб.: Лань, 2008 .- 212c. Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=140.

Требования

Знание разделов физики: оптика, физика атомов и молекул, колебания и волны, квантовые и волновые явления, спонтанное и вынужденное излучение, интерференция и дифракция электромагнитных волн. Знание разделов математики: алгебра, основы математического анализа, дифференциальное и интегральное исчисление. Знание основных законов физики, принципов построения математических моделей рассматриваемого физического явления. Знание основ теории дифференциальных уравнений, владение математическим аппаратом на уровне высшей математики. Владение современными математическими программными пакетами, современными информационными технологиями и основными поисковыми системами. Умение планировать и организовывать свои занятия и самостоятельно осваивать в соответствии с программой обучения необходимый материал. Для прохождения курса требуется SciLab (свободный доступ).

Программа курса

В курсе рассматриваются следующие темы:

1. Принципы усиления оптического излучения
2. Принципы действия лазеров различных типов
3. Основы теории лазерной генерации
4. Лазерные резонаторы и пространственные характеристики лазерного излучения
5. Фемтосекундные и пикосекундные лазеры
6. Нелинейнооптическое преобразование частот лазерного излучения
7. Оптотехника мощных полупроводниковых и волоконных лазеров

Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели. На 2-й неделе запланировано упражнение по пройденному материалу, на 4-й, 5-й, 7-й, 9-й неделях запланированы виртуальные лаборатории.

В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):
– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;
– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.

Результаты обучения

• способность к выбору, анализу и применению моделей лазеров для расчета энергетических и временных характеристик лазерной генерации и прогнозирования изменения характеристик лазерного излучения при изменении параметров лазера (РО-1);
• способность к анализу типовых схем лазерных резонаторов для определения пространственных характеристик лазерного излучения (РО-2);
• способность к определению углов фазового синхронизма при анализе процессов смешения частот, генерации гармоник и процессов параметрической генерации в нелинейно-оптических кристаллах (РО-3);
• готовность к анализу и расчету параметров волоконно-оптических систем для доставки лазерного излучения к объекту (РО-4).

Формируемые компетенции

• 16.03.01 Техническая физика
  1. Способность применять методы математического анализа, моделирования, оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ОПК-2)
  2. Способность к теоретическим и экспериментальным исследованиям в избранной области технической физики, готовность учитывать современные тенденции развития технической физики в своей профессиональной деятельности (ОПК-3)
  3. Готовность составить план заданного руководителем научного исследования, разработать адекватную модель изучаемого объекта и определить область ее применимости (ПК-6)
• 12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии
  1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, способностью владеть культурой мышления (ОК-1)
  2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
  3. Готовность моделировать процессы и объекты на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований разрабатывать, отладить и настроить компьютерные программы и их отдельные блоки для решения задач лазерной техники и лазерных технологий (ПК-10)
  4. Готовность и способность рассчитывать, проектировать и конструировать в соответствии с техническим заданием типовых схем, приборов, деталей и узлов на схемотехническом и элементном уровнях, в том числе с использованием стандартных средств компьютерного проектирования (ПК-16)

Авторы курса

Храмов Валерий Юрьевич

Доктор технических наук, профессор

Митрофанов Андрей Сергеевич

Кандидат технических наук, профессор
Профессор кафедры лазерных технологий и лазерной техники

Назаров Вячеслав Валерьевич

Кандидат технических наук
Старший научный сотрудник кафедры лазерных технологий и лазерной техники

Скрипник Алексей Владимирович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Беликов Андрей Вячеславович

Доктор физико-математических наук, профессор
Профессор кафедры лазерных технологий и лазерной техники

Шатилова Ксения Владимировна

Кандидат технических наук
Доцент кафедры лазерных технологий и лазерной техники

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Устройство и принцип действия лазерного дальномера, гироскопа, измерителя скорости

1. Применение квантовых и оптоэлектронных приборов

Основой оптоэлектронных методов и устройств являются излучатели и фотоприемники. Широкое применение оптоэлектронных методов сдерживалось отсутствием простых надежных источников излучения. Появление полупроводниковых источников излучения значительно расширило область их применения.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются полупроводниковые излучатели со спектром излучения, начиная с ультрафиолетового участка до ближнего инфракрасного участка оптического спектра. Практически в настоящее время можно разработать излучатели в диапазоне от 210 до 4000 мкм со спектральными характеристиками, близкими к монохроматическим (с квазимонохроматическими спектральными характеристиками). Особенности полупроводниковых излучателей - высокое быстродействие, возможность управления потоком излучения током, монохроматичность, достаточная мощность излучения и малые габаритные размеры. Наличие таких преимуществ у полупроводниковых излучателей создает предпосылки для исследования и разработки различных устройств контроля, измерения и преобразования для различных областей науки и техники. Отсюда и следует широкий спектр работ в области создания устройств и систем на полупроводниковых излучателях.

Основой оптических методов и устройств является наличие излучателя и оптически связанного с ним через среду фотоприемника. Излучение, создаваемое излучателем, пройдя через среду (воздух, вещество и т. д.), воспринимается фотоприемником. В этих методах и устройствах в качестве носителя информации используется оптическое излучение, не создающее электромагнитные помехи и не подверженное влиянию этих помех. Наличие такой особенности и простота приборной реализации создают предпосылки исследования и разработки различных устройств, основанных на применении оптического излучения.

Устройства контроля.

Оптоэлектронные устройства контроля состоят из источников питания, излучающего диода или светоизлучающего диода, фотоприемника, оптически связанного через контролируемый объект с излучателем, и блока обработки фотоэлектрического сигнала. Понятие "оптоэлектронные устройства контроля" включает в себя измерительное преобразование (для решения частной задачи). Оптоэлектронное устройство показывает принципиальную возможность использования одного из физических принципов воздействия на оптическое излучение с целью измерения требуемого параметра.

Быстрыми темпами развивается и совершенствуется текстильная промышленность. Внедряются новейшие достижения техники и совершенствуются существующие.

Основой любой ткани является нить. Если дефектная нить попадает в процесс прядения, то сотканная ткань будет иметь непоправимые дефекты. Это создает предпосылки разработки устройств обнаружения дефектов. В настоящее время существуют различные методы определения дефектов текстильных материалов. Среди них самые распространенные визуальные методы и методы, основанные на применении специальных камер.

Также существуют оптические методы и устройства для определения дефектов нити. Однако в этих устройствах не учитываются влияния конструктивных размеров, и при обнаружении дефектов на результат обнаружения влияет скорость нити, меняющаяся в процессе перемотки за счет увеличения диаметра барабана.

Для определения линейной плотности волокнистого материала просвечивают участок волокнистого материала и по доле прошедшего через волокно излучения судят о величине линейной плотности. Однако такой способ определения линейной плотности недостаточно эффективен.

В процессе тренировки, подготовки, отбора и тестирования спортсменов широко применяются различные электронные приборы и устройства, в том числе с каждым годом совершенствуются и используются оптические (оптоэлектронные) приборы и устройства.

В процессе подготовки и тестирования широко применяются устройства для определения высоты прыжка (соскока) спортсмена, и результаты измерения становятся определяющими для оценки физических данных спортсменов. В связи с этим разработка новых принципов и устройств определения высоты вертикального прыжка (соскока) является актуальной.

Другая немаловажная проблема - счет шагов спортсмена в реабилитационный период после лечения или травматических операций. Счетчики шагов с успехом могут применяться и в период тренировок для определения подвижности спортсмена. Основными требованиями к приборам такого типа являются малые габаритные размеры и низкое энергопотребление. Этим требованиям отвечают устройства, построенные на оптоэлектронных приборах.

Периодический или непрерывный контроль пульса спортсмена является составной частью комплексного тестирования спортсмена в период отбора и тренировок. Требования, предъявляемые к приборам такого типа, - это малые габаритные размеры, малое энергопотребление и возможность беспроводной связи с пультом контроля (с компьютером). Всем этим требованиям отвечают оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях.

Все эти приборы являются составной частью комплексной системы отбора и тестирования спортсменов в период тренировок и соревнований. Поиск новых методов и разработка более совершенных устройств, несомненно, актуальная проблема.

Как известно, скорость пули является основным параметром, по которому определяют убойную силу и расстояние полета пули.

В настоящее время существуют различные методы измерения скорости пули, в том числе и оптические, с применением быстродействующих твердотельных полупроводниковых камер. Применение в этих устройствах дорогостоящих, быстродействующих камер ограничивает области применения оптических методов. Анализ методов показывает, что общим принципом для всех методов является фиксация времени прохождения пулей заранее установленного расстояния между двумя сенсорами.

Источники света.

В наши дни для освещения применяют лампы накаливания и флюросенсные лампы. В последнее время для целей освещения начали применять светоизлучающие диоды. Проведенные исследования показывают, что применение светоизлучающих диодов в качестве источников освещения позволяет понизить энергопотребление и потери. По сравнению с классическими источниками освещения источники освещения на светоизлучающих диодах при тех же фотометрических данных почти наполовину меньше потребляют энергии.

Совершенствование полупроводниковых технологий и разработка суперярких светоизлучающих диодов создают предпосылки исследования и разработки устройств освещения на светоизлучающих диодах.

Применение полупроводниковых элементов в установках освещения позволяет снизить стоимость систем освещения и увеличить срок службы систем освещения.

В наши дни разработаны светоизлучающие диоды красного, зеленого, синего, желтого, белого цвета и инфракрасного спектра.

Светоизлучающие диоды применяют в установках освещения двух тиров: в установках общего освещения и в установках аварийного (указательного) освещения.

Оптическая связь и индикация.

Преимущество оптических методов и устройств передачи информации заключается в том, что оптическое излучение не создает помех и распространяется в ограниченных пространствах, обеспечивая необходимую секретность передачи информации. В настоящее время существуют стационарные и мобильные средства передачи как цифровой, так и аналоговой информации. Потребность в таких устройствах с каждым днем растет, и, следовательно, исследование этих методов и расширение областей применения является актуальной задачей.

Полупроводниковые излучатели (светоизлучающие диоды) широко используются в качестве элементов индикации и отображения знаков (в качестве индикаторных ламп и отображения цифр и букв). Особенностями светоизлучающих диодов являются малое энергопотребление и малые габариты, а также различные цвета индикации.

Полупроводниковые излучатели также используются в различных электронных устройствах. Одним из примеров является применение излучающих диодов в устройствах для получения периодических импульсов (в оптоэлектронных генераторах). В отличие от классических генераторов на RLC-элементах, здесь есть возможность одновременного получения и световых импульсов.

Основой для построения оптоэлектронных влагомеров является свойство воды поглощать ИК излучение определенной длины волны. Все вещества и материалы обладают определенной гигроскопичностью и, следовательно, поглощают влагу из внешней среды.

Особенности ИК методов - высокая избирательность, чувствительность, точность и воспроизводимость измерений, а также возможность непрерывного неразрушающего контроля, бесконтактность и оперативность анализа. Для создания ИК влагомеров наиболее перспективна ближняя ИК область 0,8…6,1 мкм, в которой влага имеет ряд полос поглощения разной интенсивности. Для исключения влияния на результат измерения рассеивающих свойств веществ и, следовательно, повышения чувствительности обычно применяется двухволновая структурная схема.

Излучения на опорной длине волны, лежащей вне полосы поглощения влагой, и на измерительной длине волн, совпадающей с полосой поглощения влагой, поочередно посылают на исследуемое вещество. Доля излучения после взаимодействия с влажным веществом фотоприемником преобразуется в электрический сигнал. Использование отношения двух сигналов от потоков опорного и измерительного каналов позволяет свести к минимуму влияние нестабильности приемника и источника излучения, а также несколько уменьшить влияние насыпной плотности образца. Абсолютная погрешность результатов измерения содержания влаги составляет около 0,05%.

Классификацию оптических влагомеров можно осуществить по следующим признакам: по способу выделения анализирующего излучения рабочего участка спектра (при помощи светофильтров или с использованием монохроматических источников излучения, полупроводниковых излучателей); по способу приема доли излучения после взаимодействия с контролируемым объектом (влагомеры, основанные на приеме отраженного или прошедшего через объект излучения); по способу обработки фотоэлектрического сигнала (схемы непосредственной оценки, дифференциальные, логарифмические, комбинированные и с функциональной разверткой); по виду контролируемого объекта (влагомеры жидкостей, газов и твердых веществ и материалов).

Влагомеры с использованием полупроводниковых излучателей можно разделять на оптоэлектронные влагомеры импульсного действия и влагомеры с функциональной разверткой. В свою очередь оптоэлектронные влагомеры с функциональной разверткой подразделяются на влагомеры с функциональной разверткой со стороны излучателя и со стороны фотоприемника.

Квантовая электроника - это современная область физики, изучающая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов молекул твердых тел и создающая на основе этих исследований научные методы для разработки квантовых устройств различного назначения.

На основе квантовой электроники как науки быстро формируется лазерная техника, включающая в себя научные рекомендации и технические решения, при выполнении которых создаются разнообразные приборы квантовой электроники. Эти приборы генерируют электромагнитное излучение, усиливают и формируют его, а также преобразуют спектр лазерного излучения. Следует также упомянуть аппаратуру различного практического назначения, в которой в качестве источника излучения, задающего, преобразующего и отображающего информацию, используются лазеры.

Современным требованиям получения информации о свойствах возмущенной среды или проведения прецизионных измерений различных величин могут удовлетворять некоторые оптические методы, согласно которым пучок лазерного излучения можно рассматривать как оптический сигнал с определенной частотой, фазой, амплитудой, поляризацией и направлением распространения. При взаимодействии излучения со средой может изменяться любой из этих параметров. Например, поляризация определяется анизотропными свойствами, а фаза - геометрией и показателем преломления среды взаимодействия. Необходимо учитывать также высокую степень когерентности, монохроматичности и спектральной плотности энергии вынужденного излучения.

Несколько в стороне от данного научного направления находится голография - метод получения объемного изображения объекта, основанный на интерференции электромагнитных волн. Однако без когерентного излучения лазеров практическая направленность голографии вряд ли была возможной.

Границы квантовой электроники и лазерной техники определить очень трудно. Это характерно для всех быстро развивающихся наук. Тем не менее, сформулируем предмет лазерной техники, некоторые основы которого будут освещены в дальнейшем.

Лазерная техника - это совокупность научно обоснованных методик расчета, технических решений и средств, позволяющих оптимальным образом создавать схемы и конструкции квантовых приборов, основанных на использовании лазерного излучения.

Квантовые приборы, устройства и системы в основном можно классифицировать следующим образом:

квантовые стандарты длины, частоты и времени;

квантовые усилители оптического (лазерные усилители) и СВЧ-диапазона длин волн (молекулярные, парамагнитные и т. д.);

преобразователи частоты лазерного излучения;

лазерные модуляционные устройства;

лазерные системы (лидары, гирометры, лазерные доплеровские измерители угловой скорости, системы оптической связи, вычислители и т. д.);

лазерные технологические методы и оборудование для обработки материалов, запись и отображение информации, лазерные интегрально-оптические устройства и т. д.

Наиболее обширным классом квантовых приборов являются лазеры, которые в основном классифицируют по трем признакам: режиму работы, типу активной среды и способу накачки.

По режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного излучения (одно-, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения (режим свободной генерации, модуляции добротности резонатора и моноимпульсный).

В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время используют множество веществ. По активной среде лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, ионных кристаллах, флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические, плазменные и т. д.), жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, органических соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т. д.).

Для создания инверсии населенностей в активной среде применяют различные методы возбуждения (накачки). По этому признаку лазеры разделяются на лазеры с оптической накачкой, лазеры с химической накачкой, газоразрядные лазеры, лазеры с электронной накачкой, накачкой рентгеновскими лучами, плазменным шнуром, ядерной накачкой.

Современный этап в развитии квантовой электроники и лазерной техники характеризуется внедрением лазерной технологии в промышленное производство, исследованиями лазерного термоядерного синтеза и разработкой устройств когерентной и интегральной оптики.

2. Устройство и принцип действия лазерного дальномера, лазерного гироскопа, лазерного измерителя скорости

квантовый оптоэлектронный лазерный гироскоп

Лазерный дальномер

Среди многочисленных областей применения лазеров перспективным является создание лазерных систем измерения дальности и угловых координат движущихся объектов (кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли, планет).

Лазерная локация осуществляется облучением объекта наблюдения (цели) лазерным излучением и приемом части отраженной от этого объекта энергии, несущей полезную информацию о местоположении его в пространстве. Техническими средствами лазерной локации являются высотомеры, дальномеры и лазерные локационные станции (лидары).

С развитием новых, высокоинтенсивных источников излучения, в частности твердотельных лазеров импульсного действия, лазерные локаторы получили широкое распространение. Они используются в бортовых системах управления летательными аппаратами, в метеорологии и геодезии, применяются для картографирования Луны.

Узкая направленность и высокая монохроматичность лазерного излучения позволяют создавать спектральную и пространственную плотность энергии, превышающую аналогичную характеристику радиолокаторов диапазона СВЧ.

Системы лазерной локации обладают преимуществом по сравнению с радиолокаторами: большей точностью измерения доплеровско-го сдвига частот, лучшим разрешением, большей точностью определения координат наблюдаемого объекта. Лазерные дальномеры имеют функциональную схему, аналогичную схеме радиолокатора. Отличие состоит в основном в электронных схемах приема и обработки оптического сигнала и характеристиках излучателя и антенн.

Существует несколько основных методов измерения дальности до неподвижных и подвижных объектов: импульсный, фазовый, интерференционный, базовый и т. д. Рассмотрим первые два из них.

Импульсный метод основан на измерении промежутка времени, необходимого для прохождения импульса излучения до объекта иобратно, по количеству калиброванных импульсов п и:

ф зн = n И Т = 2D/c D= 0,5cф зн,

где Т -- период калиброванного импульса.

Погрешность измерения дальности в этом случае приблизительно можно оценить погрешностью измерения времени Дт зн:

ДD = (DАс/с + 0,5сДт зн) ? 0,5сДт зн,

Фазовый метод измерения дальности основан на регистрации запаздывания фазы модулированного сигнала при двойном прохождении измеряемого расстояния. Дальность до объекта в данном случае является функцией разности фаз и частоты модуляции излучения: D = + ц/(2р)], где М -- целое число полных фазовых циклов в общем сдвиге фаз ц (либо целое число длин волн, укладывающихся на расстоянии 2D); ц/(2р) -- дробная часть фазового цикла 0? ц? 2р. Для определения числа М измерения D производят на нескольких частотах.

Рис. 1. Функциональная схема типового импульсного лазерного высотомера (дальномера): 1 -- лазер-излучатель; 2 -- коммутатор: 3 -- телеобъектив; 4 -- объектив с фильтром; 5 -- схема накачки; 6 -- усилитель; 7 -- триггер; 8 -- схема совпадения; 9 -- счетчик; 10 -- индикатор;11 -- фотоэлектронный умножитель; VD -- фотодиод: М1, М2 -- двигатели.

Рассмотрим импульсный лазерный дальномер, предназначенный для измерения расстояния до 160 км с точностью до 1,5 м (см. рис. 1). Рубиновый лазер 1 с длиной волны излучения 0,6943 мкм работает в режиме модуляции добротности, осуществляемом вращающейся призмой БР-180 с помощью электродвигателя ДИД-1. Генерируемые импульсы имеют длительность ~20 нс. Накачка рубина производится системой 5 с импульсной ксеноновой лампой типа ИСП-250. Выходящее излучение направляется на трассу телескопическим объективом 3, уменьшающим угловую расходимость излучения до 1" при одновременном увеличении диаметра пучка до = 20 см.

Отраженное от объекта излучение собирается оптической системой 3 и через объектив и интенференционный оптический фильтр 4 поступает на фотоумножитель 11 (ФЭУ-84). Коммутатор 2 переключает каналы приема -- передачи оптического сигнала. Часть излучения лазера через фотодиод VD типа ФД-256 передается непосредственно в оптоэлектронный канал, минуя трассу, и создает опорный сигнал.

После фотоэлектрического преобразования сигнал усилителем 6 усиливается и из него формируется импульс, под действием которого происходит переброска триггера 7. Стартовый импульс триггера запускает счетное устройство 9. Отраженное от объекта излучение образует на выходе фотоумножителя сигнал, сдвинутый по времени относительно опорного; он также после усилителя-формирователя 6 подается на триггер 7. Под действием этого импульса триггер перебрасывается в исходное состояние и генерирует стоп-импульс, останавливающий счетчик 9. Таким образом, счетное устройство измеряет время задержки ф зн отраженного светового импульса относительно опорного. В высотомере используются схема совпадения 8 и два кварцевых генератора на 5 и 5,05 МГц. Результат измерения расстояния выдается на цифровой индикатор 10, и в зависимости от времени запаздывания определяется высота объекта Н = ст зн /2.

Принцип действия, состав и характеристики лазерного гироскопа

В лазерном гироскопе (ЛГ) носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения. Они используются для измерения угловой скорости объектов.

Принцип работы ЛГ можно описать следующим образом. В кольцевом резонаторе под воздействием накачки возбуждаются две электромагнитные волны с частотами н 1 и н 2 , распространяющиеся по замкнутому контуру в противоположных направлениях. Эти волны, интерферируя между собой, образуют стоячую волну с узлами и пучностями, так что суммарная амплитуда интенсивности электромагнитных колебаний либо максимальна, либо равна нулю. С помощью специального оптического смесителя -- интерферометра и при наличии внешнего возмущения в виде угловой скорости (t), которую нужно измерять, интерференционную картину можно зафиксировать.

Если кольцевой резонатор привести во вращение, то на основании эффекта Саньяка в смесителе-интерферометре и в оптически связанном с ним фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты F p ~ (н 1 - н 2) - частота биений, по которой можно четко различить прохождение темносветлых полосок интерференционной картины относительно фотоприемника. Чем быстрее вращается система в целом, тем чаще проходят темные полоски и тем выше частота выходного сигнала.

Таким образом, мерой угловой скорости(t) служит сигнал разностной частоты F р. Ток фотоприемника усиливается, формируется и преобразуется в электронном тракте в сигнал двоичного кода, который поступает в бортовую ЭВМ и далее, например в контур управления полетом летательного аппарата.

Рис. 2. Структурная схема ЛГ с синусоидальной "подставкой": 1, 11 -- системы стабилизации периметра резонатора и мощности соответственно; 2-- кольцевой лазер (квантовый чувствительный модуль); 3 -- фотодиоды; 4 -- усилители; 5 -- формирователи; 6 -- оптический смеситель; 7 -- схема знака; 8 -- реверсивный счетчик; 9 -- система "подставки"; 10...13 -- системы питания и поджига; (t) -- входное воздействие (измеряемая угловая скорость); СИ -- синхроимпульсы из ЭВМ

Лазерный гироскоп представляет собой многоконтурную взаимосвязанную систему автоматического регулирования, в которую помимо чувствительного модуля (кольцевого лазера) введен целый ряд систем: стабилизации мощности, магнитного поля, частоты, регулировки периметра резонатора. Для создания смещения по частоте, увеличения точности ЛГ и определения знака вводят систему частотной "подставки" и систему обработки информации (рис. 2). Стабилизация устройства основана на методах, обеспечивающих защиту резонатора, цепей питания и выходного сигнала от действия внешних и внутренних электрических и магнитных полей. Используют и другой метод стабилизации -- введение экстремальных адаптивных систем.

Если сформулировать кратко, то ЛГ является квантовый прибор, основанный на физическом эффекте Саньяка и измеряющий угловую скорость объекта в инер-циальном пространстве. Он представляет собой последовательно включенные преобразователи энергии: кольцевой лазер -- квантовый чувствительный модуль механического воздействия; оптические, фотоэлектрические и электронные измерительные преобразователи механических, оптических и электрических сигналов.

Лазерные гироскопы используются, в частности, на спутниках и космических кораблях для контролирования вращения объектов, перемещающихся по орбите. Современные лазерные гироскопы могут фиксировать очень малые угловые скорости - вплоть до тысячных долей градуса в час.

Доплеровские измерители скорости

Область применения

Одной из важных проблем газовой динамики является определение поля скоростей при обтекании моделей различных тел турбулентным потоком газа, а также получение визуальной картины процесса обтекания. Эта проблема решается различными способами. Например, скорость потока газовой среды определяется с помощью манометров с насадками, регистрирующими давление, и термоанемометров, а визуализация осуществляется теневым методом. В поток, обтекающий модель, вводится нагреваемая электрическим током проволока, и по степени ее охлаждения определяется скорость газа в данной точке. Недостаток этих методов заключается в конечных размерах датчиков, возмущающих анализируемый объем потока, что отрицательно сказывается на точности измерения и качестве визуальной картины.

С развитием лазерной техники появилась возможность создания устройств для измерения вектора скорости движущейся среды, использующих доплеровский эффект сдвига частоты при рассеянии коллимированных пучков излучения лазера движущимися частицами среды. Этот принцип положен в основу работы лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) -- перспективных устройств, обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными измерителями: например, отсутствием искажения потока в точке измерения; весьма широким динамическим диапазоном измеряемых скоростей (10 -6 ... ...10 6 м/с); хорошим пространственным разрешением (10 -10 см 3); непосредственным измерением скорости, не требующим последующей математической обработки информации. К существенным ограничениям принципа следует отнести то, что исследуемая среда должна быть оптически прозрачной и содержать рассеивающие частицы оптимальных размеров и с оптимальными оптическими свойствами. Эффект Доплера, используемый в этих устройствах, заключается в изменении длины волны (частоты), которое наблюдается при движении источника излучения относительно приемника. Этот эффект характерен для любого волнового процесса распространения света, радиоволн, звука и имеет следующее объяснение. Если источник колебаний с периодом Т 0 (частотой V 0 = 1/Т 0) неподвижен относительно приемника, то длина волны, воспринимаемая приемником, равна произведению скорости света с на период колебаний Т 0 . Если же источник, например, будет приближаться к наблюдателю (или наблюдатель к источнику) со скоростью х, то длина волны изменится:

л= (с -- х) Т 0 = л 0 (1 -- х/с),

наблюдатель зарегистрирует длину волны л < л 0 , причем относительное изменение длин волн

Все многообразие различных схем ЛДИС можно разделить на два типа- схемы с опорным лучом и дифференциальные схемы.

Схемы ЛДИС с опорным лучом.

Разработка первого ЛДИС по схеме с опорным лучом относится к середине 60-х годов. Работал он следующим образом. Луч газового лазера 1 с частотой излучения х 0 и волновым вектором к 0 = 2р/л 0 падает на частицы среды в точке А (рис.3 а, б), которые движутся в анализируемом пространстве со скоростью х и рассеивают свет. Рассеянные лучи с частотой н р волновым вектором р = 2р/л р собираются на фотокатоде приемника. Часть начального пучка лазера отклоняется полупрозрачным зеркалом 2, отражается зеркалом 3, затем попадает на полупрозрачное зеркало 4 и совмещается с рассеянным излучением. Если на чувствительном слое фотокатода волновые фронты обоих пучков совпадают, то выходной ток фотоумножителя будет содержать компоненту разностной частоты н D = н р -- н 0 . Таким образом выделяется полезный сигнал доплеровской частоты.

Рис. 3.Варианты схемы ЛДИС с опорным лучом (я, б) и треугольник волновых векторов р, 0 , (в).

Преобразование оптического сигнала в электрический. В схеме на рис.3, а на фотоумножитель падают две волны: опорная с напряженностью электрического поля

Е о (t) = Е от ехр(- jщ 0 t)

и рассеянная

Е р (t) = Е p т ехр(- jщ p t)

где Еот, Ерт -- амплитуды интерферирующих волн.

Преобразованный электрический сигнал зависит от чувствительности фотоумножителя и контраста интерференционной картины смешиваемых волн

i ф (t) = g ф? g ф,(1)

где g ф -- коэффициент усиления фотоумножителя.

Из анализа (1) следует, что выходной ток содержит постоянную составляющую, определяемую квадратом амплитуд Ер и Е 2 0 , и переменную составляющую, промодулированную частотой, равной разности частот опорного и рассеянного сигналов от двух интерферирующих волн. Эта разность и равна доплеровскому смещению частоты н D = ()/(2р).

Вкратце остановимся на особенностях схемы ЛДИС с опорным лучом. В ней доплеровский сигнал имеет максимальное значение только в том случае, если соблюдается совмещение опорной и рассеянной волн, т. е. если выполняется условие оптического гетеродинирования:

где A эф ДЩ -- светосила (так называемое французскими оптиками "этандю" -- геометрия данной оптической системы, которая может принять и пропустить далее определенную порцию энергии излучения); A эф --эффективная площадь фотокатода приемника; ДЩ -- телесный угол, под которым виден анализируемый объем со стороны апертуры приемника.

Для гелий-неонового лазера, применяемого в качестве излучателя, показано, что A эф ДЩ / = (рN Ф) 2 , гдеN ф -- число Френеля. Отсюда, чем больше площадь фотокатода приемника, тем в меньшем телесном угле захватывается излучение, что накладывает ограничения на прием сигнала, несущего информацию о скорости. Это условие требует совмещения на фотокатоде волновых фронтов с точностью до долей длины волны; поэтому такая схема критична к настройке.

В действительности мощности опорной и рассеянной волн неодинаковы. Требуются определенные оптимальные соотношения мощностей этих излучений, т. е. необходимо вводить дополнительные оптические элементы для ослабления энергии опорной волны.

Список литературы

1. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - К.: Выща школа, 1988.

2. Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника. - Мн.: Высш. шк., 1987.

3. Тарасов Л.В. Лазеры и их применение.- М.: Радио и связь, 1983.

4. Свечников С.В. Оптическая электроника.- К.: "Знание",1969.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.

реферат , добавлен 17.12.2014


Принцип действия и разновидности лазеров. Основные свойства лазерного луча. Способы повышения мощности лазерного излучения. Изучение особенностей оптически квантовых генераторов и их излучения, которые нашли применение во многих отраслях промышленности.

курсовая работа , добавлен 20.12.2010


Рассмотрение специфики оптической накачки активной среды лазера. Описание квантовых приборов с оптической накачкой, работающих по трёхуровневой и четырёхуровневой схеме. Параметрическая генерация света. Принцип действия полупроводниковых лазеров.

контрольная работа , добавлен 20.08.2015


История и основное энергетическое понятие фотометрии; визуальные и физические методы. Разработка оптико-механической схемы лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей; расчет оптических параметров, чувствительности; описание установки в динамике.

курсовая работа , добавлен 19.05.2013


Принцип работы акустооптических устройств, применяемых для развертки лазерного излучения в системах: оптической локации; слежения за рельефом местности; считывания информации; точной адресации в устройствах записи. Изготовление акустооптических ячеек.

реферат , добавлен 22.06.2015


Понятие и главные свойства оптронов как особенных оптоэлектронных приборов, их классификация и разновидности, отличительные признаки. Преимущества и недостатки использования данных приборов, требования к среде и сферы их практического применения.

презентация , добавлен 02.12.2014


Элементарное представление о гироскопе, его основные свойства, принцип работы и применение в технике. Теорема Резаля. Направление оси свободного гироскопа в инерциальной системе отсчета. Регулярная прецессия тяжелого гироскопа, правило Жуковского.

презентация , добавлен 09.11.2013


Анализ использования светодиодов и оптических квантовых генераторов. Категории метеоминимумов и схемы построения Alpa-Ata и Calvert. Расчёты мощности лазерных излучателей посадочной системы при работе в реальных условиях аэродромов категории "Г".

дипломная работа , добавлен 20.03.2013


Принцип работы лазера. Классификация современных лазеров. Эффекты, в виде которых в тканях организма реализуется биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения. Действующие факторы лазерного излучения. Последствия действия светового потока.

презентация , добавлен 19.05.2017


Определение мощности лазерного излучения, подаваемого на образец. Вычисление размеров лазерного пучка на образце. Разработка системы измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса, системы измерения температуры в зависимости от времени.

ББК 32.86я73 Б18
УДК 621.375.8 (075.8)

Рецензенты:
кафедра оптико-электронных приборов Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана (зав. кафедрой проф., д-р техн. иаук Л. П. Лазарев); проф., д-р техн. наук Л. 3. Криксунов

Редакция литературы по информатике и автоматике Зав. редакцией Г. Ф. Трофимчук

Байбородин Ю. В.
Основы лазерной техники. Втоое издание, переработанное и дополненное. - К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988.- 383 с. ISBN 5-11-000011-5.

В учебнике в сжатой форме излагаются основной математический аппарат формализма квантовой теории, вопросы когерентности, интерференции и поляризации вынужденного излучения. Рассматриваются принцип действия, характеристики и основные процессы в квантовых приборах. Приводятся методики инженерного расчета элементов схем и конструкции различных лазеров, усилителей и устройств управления лазерным излучением.
Помещен обширный материал по применению квантовых приборов в системах измерения углов, скоростей и расстояний, а также в голографии и лазерной интерферометрии, когерентной и интегральной оптике.

Для студентов высших технических учебных заведении.

Предисловие
Основные обозначения
Введение
Предмет, цели и роль лазерной техники в развитии народного хозяйства
Краткая историческая справка
Классификация квантовых приборов.

Раздел 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
Глава 1. Основные понятия и законы излучения
1.1. Законы классической теории излучения
1.2. Квантовые процессы излучения и поглощения электромагнитных волн
1.3. Форма и ширина спектральной линии

Глава 2. Постулаты и принципы квантовой теории
2.1. Математические методы описания квантовых систем
2.2. Принципы неопределенности, соответствия, суперпозиции
2.3. Простейшие случаи решения уравнения Шредингера
2.4. Кинетические уравнения квантовой системы
2.5. Смешанные состояния. Матрица плотности

Глава 3. Когерентность, интерференция и поляризация лазерного излучения
3.1. Математическая запись квазимонохроматического излучения
3.2. Матрица когерентности
3.3. Интерференция и когерентность
3.4. Поляризация излучения

Раздел 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ
Глава 4. Лазерные вещества и методы инверсии населенностей
4.1. Активные лазерные среды
4.2. Кристалл рубина - активная среда лазера
4.3. Методы инверсии населенностей активных лазерных сред
4.4. Система оптической накачки

Глава 5. Оптические резонаторы
5.1. Открытые оптические резонаторы
5.2. Кольцевые резонаторы
5.3. Оптические элементы резонаторов
5.4. Матричный метод расчета резонатора

Глава 6. Оптические квантовые усилители
6.1. Классификация, принцип действия и основные характеристики
6.2. Схемы оптических квантовых усилителей
6.3. Оптические квантовые усилители бегущей волны
6.4. Шумы в оптических квантовых усилителях

Глава 7. Твердотельные лазеры импульсного действия
7.1. Трехуровневый лазер
7.2. Анализ импульсного режима генерирования лазерного излучения
7.3. Четырехуровневый лазер
7.4. Нестационарное тепловое поле и теплопроводность активной среды
7.5. Частота генерации твердотельного лазера импульсного действия
7.6. Конструкции системы охлаждения и термостабилизации лазерных излучателей
7.7. Графоаналитический метод расчета конструктивных, параметров твердотельного лазера импульсного действия
7.8. Расчет энергетических характеристик
7.9. Номограмма для расчета спектральных характеристик

Глава 8. Газовые лазеры
8.1. Принцип действия лазера на нейтральных атомах гелий-неоновой смеси
8.2. Принцип действия ионного лазера
8.3. Принцип действия молекулярного лазера
8.4. Коэффициент усиления активной среды и стабилизация частоты излучения
8.5. Расчет газового лазера
8.6. Газодинамические лазеры
8.7. Химические лазеры

Глава 9. Полупроводниковые лазеры
9.1. Основные физические процессы в полупроводниковой активной среде
9.2. Принцип действия и конструкция инжекционных лазеров
9.3. Гетероструктуры, гетеропереходы и гетеролазеры
9.4. Методика расчета основных параметров и характеристик инжекционного полупроводникового лазера

Глава 10. Кольцевые лазеры 10.1. Эффект Саньяка и кольцевой интерферометр-резонатор
10.2. Кольцевой лазер и его основные характеристики
10.3. Основные уравнения кольцевого лазера и явление захвата разностной частоты
10.4. Методы разноса частот. Ячейка Фарадея
10.5. Методика расчета основных характеристик кольцевого лазера

Глава 11. Модуляция лазерного излучения
11.1. Физические принципы, классификация и основные характеристики модуляторов лазерного излучения
11.2. Электрооптический эффект в кристаллах
11.3. В нерезонаторная электрооптическая модуляция непрерывного излучения
11.4. Магнитооптический эффект и модуляция лазерного излучения
11.5. Фотоупругость и акустооптические модуляторы излучения
11.6. Внутрирезонаторная модуляция. Метод модуляции добротйостн резонатора
11.7. Лазер с призменным или пассивным затвором
11.8. Электрооптические затворы

Глава 12. Устройства управления лазерным излучением
12.1. Непрерывный оптический дефлектор
12.2. Дискретный оптический дефлектор
12.3. Характеристика временного и пространственного распределения излучения
12.4. Перестройка частоты лазерного излучения
12.5. Методы и схемы селекции мод
12.6. Пространственное формирование лазерного излучения
12.7. Нелинейные оптические эффекты в формировании и преобразовании лазерного излучения

Раздел 3. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 13. Лазерные дальномеры
13.1. Принципы проектирования лазерных дальномеров
13.2. Особенности канала связи
13.3. Импульсные лазерные высотомеры и дальномеры
13.4. Фазовые дальномеры
13.5. Характеристики оптоэлектронного канала
13.6. Анализ точности лазерных устройств

Глава 14. Лазерные гироскопы
14.1. Принцип действия, состав и характеристики лазерного гироскопа
14.2. Нестабильность разностной частоты
14.3. Оптические схемы интерференционных смесителей излучения
14.4. Конструкция лазерного гироскопа
14.5. Методика оценки реальной и потенциальной точностей лазерного гироскопа
14.6. Применение и перспективы развития лазерных гироскопов

Глава 15. Лазерные доплеровские измерители скорости
15.1. Область применения
15.2. Схема ЛДИС с опорным лучом
15.3. Дифференциальная схема ЛДИС
15.4. Краткий анализ рассеянного излучения
15.5. Отношение мощностей сигнала и шума в ЛДИС и структура доплеровского сигнала
15.6. Оценка энергетических характеристик излучателя

Глава 16. Оптическая голография
16.1. Принцип голографии и уравнение голограммы
16.2. Схемы записи и восстановления голограмм
16.3. Типы голограмм
16.4. Некоторые примеры практического применения голографии

Глава 17. Оптические процессоры и интегральная оптика
17.1. Принципы проектирования оптических вычислительных устройств
17.2. Элементы оптических процессоров
17.3. Оптические процессоры
17.4. Пример расчета голографического запоминающего устройства
17.5. Физические принципы интегральной оптики
17.6. Интегрально-оптический волновод и элементы интегральной оптики
17.7. Пленочный лазер с распределенной обратной связью и пленарные фотодиоды
17.8. Перспективы развития интегральной оптики и когерентных оптических вычислительных устройств

Заключение
Приложение
Предметный указатель
Список рекомендуемой литературы

Скачать книгу Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. Киев, Издательство Выща школа, Головное изд-во, 1988

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ¾МИФИ¿

А. П. Менушенков, В. Н. Неволин, В. Н. Петровский

Физические основы лазерной технологии

для студентов высших учебных заведений

Москва 2010

УДК 621.373.826(075) ББК 32.86-5я7 М 50

Менушенков А.П., Неволин В.Н., Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии. Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 212 с.

Целью настоящего учебного пособия является систематизация накопленных за годы развития лазерной технологии знаний и восполнение пробелов учебной литературы по современным проблемам технологических применений лазеров. В книге подробно рассматриваются физические механизмы взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и другими непрозрачными средами, принципы устройства лазерных технологических установок, методы фокусировки мощного лазерного излучения, особенности тех или иных лазерных технологических процессов, включая физику резонансного воздействия лазерного излучения на вещество.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Рыков

ISBN 978-5-7262-1252-4 c Национальный исследовательский ядерный университет ¾МИФИ¿, 2010

Введение

1 Взаимодействие лазерного излучения с веществом 11

1.1 Классификация лазерных технологических процессов. . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Основные характеристики лазерного излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3 Процессы передачи энергии лазерного излучения металлам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.4 Механизмы поглощения лазерного излучения полупроводниками и

диэлектриками. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.5 Оптические свойства металлов. . . . . . . . . . . . 37

1.6 Пространственно-временные характеристики лазерного излучения

как источника тепла. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.7 Процессы нагрева материалов при воздействии лазерного излучения. . . . . . . . . . . 47

1.8 Нелинейные случаи нагрева материала лазерным излучением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

1.9 Плавление и испарение материала под действием импульсов лазерного

излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

1.10 Физические свойства лазерной плазмы. . . . . . . . 68

2.1 Структурная схема лазерных технологических установок. . . . . . . . . . . . . . . 79

2.2 Энергетические оптические системы ЛТУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.2.1 Принципы фокусировки мощного лазерного

излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.2.2 Принципы компоновки энергетических оптических систем. . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.2.3 Проекционные лазерные системы. . . . . . . 88

2.2.4 Линзовые абберации. . . . . . . . . . . . . . 90

2.2.5 Оптические материалы. . . . . . . . . . . . . 92

2.3 Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров. . . . . . . . . . . 94

2.3.1 Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров. . . . . . . . . . 94

2.3.2 Рубиновый лазер. . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.3.3 Твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

2.3.4 Твердотельные лазеры с диодной накачкой. 108

2.3.5 Волоконные лазеры. . . . . . . . . . . . . . . 108

2.4 Лазерные технологические установки

на основе CO2 -лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . 111

2.4.1 Основные параметры и классификация

CO2 - лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

2.4.2 Коэффициент полезного действия СО2 -лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

2.4.3 Классификация мощных СО2 -лазеров. . . . 113

2.4.4 Непрерывные СО2 -лазеры с диффузионным охлаждением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

2.4.5 Непрерывные СО2 -лазеры с продольной

прокачкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

2.4.6 Непрерывные СО2 -лазеры с поперечной прокачкой (ТЕ-лазеры) . . . . . . . . . . . . . 116

2.4.7 СО 2 -лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (TEA-лазеры) . . 118

2.4.8 Мощные СО2 -лазеры с несамостоятельным разрядом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.1 Классификация лазерных технологических процессов в

микроэлектронике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.2 Подготовительные операции. . . . . . . . . . . . . . 123

3.2.1 Очистка поверхности. . . . . . . . . . . . . . 123

3.2.2 Геттерирование. . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.3 Основные операции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.3.1 Окисление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.3.2 Лазерный отжиг полупроводников после

ионной имплантации. . . . . . . . . . . . . . 134

3.3.3 Лазерное легирование. . . . . . . . . . . . . . 143

3.3.4 Создание силицидов. . . . . . . . . . . . . . . 154

3.3.5 Осаждение тонких пленок. . . . . . . . . . . 160

3.3.6 Лазерное напыление тонких ВТСПпленок. 173

3.4 Завершающие операции. . . . . . . . . . . . . . . . . 177

3.4.1 Лазерное скрайбирование. . . . . . . . . . . 177

3.4.2 Маркировка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

3.5 Применение лазеров в создании

4 Лазерная химия

4.1 Лазерная химия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

4.2 Лазерное разделение изотопов. . . . . . . . . . . . . 183

4.2.1 Схемы лазерного разделения изотопов. . . . 184

4.2.2 Коэффициент обогащения. . . . . . . . . . . 186

4.2.3 Инициируемые лазером реакции. . . . . . . 187

4.2.4 Однофотонная предиссоциация. . . . . . . . 190

4.2.5 Двухфотонная диссоциация. . . . . . . . . . 192

4.2.6 Фотоизомеризация. . . . . . . . . . . . . . . 194

4.2.7 Двухступенчатая фотоионизация. . . . . . . 196

4.2.8 Оптическое отклонение атомного пучка. . . 199

4.2.9 Многофотонная диссоциация. . . . . . . . . 200

4.3 Лазерное разделение изотопов в атомной энергетике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

4.4 Получение особо чистых веществ. . . . . . . . . . . 208

ВВЕДЕНИЕ

Лазерная технология наряду с информационными и нанотехнологиями уверенно выдвинулась в число наиболее перспективных высоких технологий технологий 21 века. На своем начальном этапе развития в 70-е, 80-е годы это направление науки и техники вполне обоснованно связывалось лишь с технологией сварки, резки и закалки металлов и сплавов . Лазерный отжиг полупроводников, получение новых сплавов, покрытий, аморфизация, напыление тонких пленок, модификация свойств поверхности, лазерно-плазменная технология, стереолитография, лазерная химия и т.д. еще двадцать лет назад были неизвестны. Сейчас каждый из этих процессов представляет собой самостоятельную, динамичную область исследовательской деятельности, перешагнувшей из стадии первоначальных лабораторных экспериментов в стадию новой, лазерной промышленной технологии.

Общий рынок лазерного оборудования в мире достиг к 2008 г. 200 млрд долларов США. Причем рынок только лазерных установок равен 28.8 млрд долларов. Годовой прирост объема продаж составил в 2008 г. 59%.

Основные направления исследований связаны с разработкой и созданием мощных автоматизированных лазерных технологических комплексов АЛТК для решения широкого круга промышленных задач. Разрабатываются физические и технические принципы создания лазеров мощностью до 20 кВт, проводятся исследования взаимодействия излучения с различными материалами, создаются и отрабатываются технологические процессы изготовления деталей различной сложности.

С созданием мощных непрерывных и импульсно-периодичес- ких газовых и твердотельных лазеров возник целый ряд вопросов, связанных с более широким использованием этих лазеров в различных областях производства, включая и традиционные методы термического воздействия, направленные на изменение

геометрии деталей (сварка, резка) и их физико-химического состояния (термоупрочнение, легирование и т.д.). Высокая интенсивность лазерных источников способствует селективному развитию физико-химических процессов в поверхностном слое материалов. Эти вопросы нашли достаточно подробное отражение как в зарубежных, так и в отечественных монографиях и справочниках .

Вместе с тем, физические процессы, происходящие при воздействии коротких и ультракоротких лазерных импульсов с металлами и полупроводниковыми материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а также достижения в области лазерной химии, пока недостаточно полно отражены в монографиях и учебных пособиях. В то же время, более двух третей лазеров, используемых в развитых странах для обработки материалов, в 2008 г. применялись в микроэлектронике, производстве печатных плат и электротехнике. Электронная промышленность остается наиболее крупным потребителем лазерных технологических установок до настоящего времени и оказывает стимулирующее действие на развитие и совершенствование производства лазерного технологического оборудования. Применение лазеров в электронике позволило довести уровень автоматизации процессов до 85 %, обеспечив выполнение практически всех основных и вспомогательных операций. Среди таких процессов следует выделить отжиг полупроводников после ионной имплантации, легирование, осаждение и травление тонких пленок, получение окисных изолирующих слоев, геттерирование и очистку полупроводниковых пластин, формирование токопроводящих слоев и омических контактов. Кроме того, использование лазерного излучения позволяет модифицировать свойства полупроводниковых приборов, создавать структуры монокристаллического кремния на диэлектрических подложках, гибридные

GaAs/Si микросхемы. Применение эксимерных лазеров в качестве источника ультрафиолетового излучения в фотолитографии при нанесении изображения на фоторезист через шаблон и при прямой записи обеспечивает разрешение 90 нм, что соответствует требованиям промышленного выпуска СБИС. Обеспечивая локальность и быстроту обработки, лазерная технология приводит к ускорению перечисленных технологических процессов, снижению количества критических операций и, в конечном итоге, к повышению качества продукции по сравнению с традиционными способами.

Использование коротких и мощных импульсов лазерного излучения для модификации свойств металлических материалов чрезвычайно перспективно вследствие реализации аномально высоких скоростей нагрева и остывания поверхности материала, поглотившего излучение. Это определяет широкие возможности в создании новых, уникальных по физико-химическим свойствам, структурных и фазовых состояний в металлах и сплавах, являющихся интересными объектами исследований и практических применений. Этими вопросами занимается лазерно-плазменная технология и технология получения металлических стекол.

В новую современную область взаимодействия излучения с веществом вылилась лазерная химия, использующая уникальную возможность резонансного возбуждения атомов и молекул за счет высокой монохроматичности лазерного излучения. Здесь наибольший интерес представляют такие важнейшие процессы, как лазерное разделение изотопов, лазерный синтез материалов с заданными свойствами и получение особо чистых веществ.

Целью настоящего учебного пособия является систематизация накопленных за годы развития лазерной технологии знаний и восполнение пробелов учебной литературы по отмеченным выше современным проблемам технологических применений лазеров. Авторы подробно рассматривают физические проблемы взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и другими непрозрачными средами, принципы устройства лазер-

ных технологических установок, методы фокусировки мощного лазерного излучения, особенности тех или иных лазерных технологических процессов, включая физику резонансного воздействия лазерного излучения на вещество.

Предлагаемое учебное пособие является развитием изданной авторами в 1992 г. книги “Лазерная технология Часть I” и наряду

с переработанным в соответствии с современными достижениями материалом содержит новые главы и разделы, включающие описание созданных в последнее время твердотельных лазеров

с диодной накачкой и волоконно-оптических лазеров, проблемы фокусировки мощного лазерного излучения, проблемы лазерной химии и др.