Особенности лазерного излучения

Теперь рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер
представляет собой источник монохроматического когерентного света с
высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при
точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или
молекулы).

В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового
фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и
поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием
данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных
фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными
атомами происходит также процесс самопроизвольного, спонтанного
испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г.

Если число возбуждённых атомов велико и существует инверсная
населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно)
большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое
число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем
направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей
лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем
получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так
как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным
фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было
использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с
высокой монохроматичностью, необходимо "снимать" инверсную
населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и
той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме.
В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного
луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно
родившиеся фотоны, направление распространения которых не
перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением "вбок" можно будет полностью
пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На
практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной
связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора
используют в большинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Е. Басовым и А. М.
Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип
создания первого в мире генератора квантов электромагнитного
излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи
приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т.
Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического
диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью
описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность
возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой
лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл
оксида алюминия Al2O3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При
добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают
розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней
ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина
поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света
ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В
результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в
основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих
уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими
интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую
параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома
в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса=0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или
быстродействующего электрического затвора можно "включить" обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности "снимется" вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается
гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме "свободной генерации", но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения = 100000000Вт.

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию
конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность
излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре
спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого
процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного
излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях
удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного
излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить
расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в
принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд
экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой.
Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра,
соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность
лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча,
можно с помощью формулы Планка вычислить температуру
воображаемого черного тела, использованного в качестве источника
светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча – его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной
населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка,
возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей
средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный).
Эти различия определяются многообразием требований к
характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения
поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной
последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных
импульсов может быть очень высокой - до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать "гигантские импульсы" (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кет), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10- 12 с, интенсивность в максимуме до 109 кет). В качестве активных элементов
лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые

материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовые
активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:

а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных
неодимом);

б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на
углекислом газе);

в) жидкостные (на растворах органических красителей);

г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих
друг с другом примесных полупроводниках разного типа);

д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические
реакции с выделением энергии);

е) газодинамические (на реактивной струе газа).

Газовые лазеры

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко
используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем,
что они, как правило, являются источниками атомных или
молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно
известны они определяются атомной структурой и обычно не зависят
от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации
при определенных усилиях может быть значительно улучшена по
сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее
время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом
другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2000 А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако
благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для
большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

Полупроводниковые лазеры

Основным примером работы полупроводниковых лазеров является
магнитно-оптический накопитель (МО). Принципы работы МО накопителя состоит в том, что МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает
определенные точки на диски, и под воздействием температуры
сопротивляемость изменению полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается нополярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем примененным к ней в момент нагрева. В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла, цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает
последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает
на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра,
заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного
лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае
является намагниченная при записи точка на поверхности диска,
соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании
используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к
нагреву считываемого участка, таким образом, при считывании хранимая
информация не разрушается.

Такой способ в отличии от обычного применяемого в оптических
дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличии от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его
высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО
диск необходим для задач, требующих большого дискового объема, это
такие задачи, как САПР, обработка изображений звука. Однако
небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять
МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому
применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них
временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным
использованием является резервное копирование жестких дисков или баз
данных. В отличии от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с
произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те
данные в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе
восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до
полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой
надежностью хранения информации делают применение МО дисков при
резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с
приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков
позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут хранится в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы, из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это
технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система
уже реализована некоторыми фирмами производителями. Существуют
еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология основанная на изменении фазового состояния,
основана на способности вещества переходить из кристаллического
состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на
поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество
в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется
отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом процессе деформируется
поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

Технология основанная на полимерных красителях, также
допускает повторную запись. При этой технологии поверхность диска
покрывается двумя слоями полимеров, каждый из которых
чувствителен к свету определенной частоты. Для записи используется
частота, игнорируемая верхним слоем, но вызывающая реакцию в нижнем. В точке падения луча нижний слой разбухает и образует выпуклость, влияющую на отражающие свойства поверхности диска. Для стирания используется другая частота, на которую реагирует только верхний слой полимера, при реакции выпуклость сглаживается. Этот метод как и предыдущий имеет ограниченное число циклов записи, так как при записи происходит деформация поверхности.

В настоящие время уже разрабатывается технология позволяющая
менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле
синхронно с поступлением данных на запись. Существует также
технология построенная на модуляции излучения лазера. В этой
технологии дисковод работает в трех режимах - режим чтения с низкой
интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска, и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера. В процессе записи инициализирующий слой записывается нулями, а при воздействии лазерного луча средней интенсивности записывающий слой намагничивается инициализирующим, при воздействии луча высокой интенсивности, записывающий слой намагничивается в соответствии с полярностью магнита смещения. Таким образом запись данных может происходить за один проход, при переключении мощности лазера.

Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся
устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими
объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от
технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей
информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

Лазерные технологии

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в
промышленности для различных видов обработки материалов: металлов,
бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на
два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой
фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в
импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических
процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней
мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

В последние годы в одной из важнейших областей
микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой
практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на XeCL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической nтехнике до 0,15 - 0,2 мкм.

Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с
применением в качестве экспонирующего источника света мягкого
рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В
этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны
рентгеновского излучения (1= 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто
фантастическим.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с
большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении,
автомобильной промышленности, промышленности строительных
материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки
материалов, но и улучшить технико-экономические показатели
производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных
листов толщиной 14 мКм достигает 100м\ч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.

Использование лазера

5.1. Лазерный луч в роли сверла. Сверление отверстий в часовых
камнях — с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о
рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление
часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением.
Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызывая
интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме - камень в секунду. Это в тысячу раз выше
производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее
задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего
протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так
называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как
оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких
мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо
твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной
хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма
деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении
отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной
керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое
сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное
расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с
появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

То, что сверление — призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений.
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя,

Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной

 

 

5.2. Лазерная резка и сварка. Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся С0₂-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки - когда одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

Первый пример такого рода резки лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает С0₂-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности. Так, С0₂-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100- 300 Вт.

В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных С02-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт. Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры.

Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

На рисунке изображён процесс вырезания квадратных отверстий в листе нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью С0₂-лазера. Скорость
резания примерно 2 м/мин. Если длина стороны одного отверстия равна 10 мм, то за 1 мин лазерный луч может вырезать до 5 10 отверстий.

При газолазерной резке луч работает совместно с сильной струёй кислорода. Место разреза подвергается

5.3. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля. Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится С02-лазер. Излучение лазера поступает в шарнирный световод — систему полых раздвигающихся трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может перемещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча — ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скальпель.
В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см². Излучение проникает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см³. для биологических тканей это очень много. Происходит их быстрое разогревание и испарение — налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см², то ткань испаряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то

мере загораживает хирургу рабочее поле. Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность - ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживляется.

До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоящий в том, что до больного места добирались с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканями. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на такой шаг.

С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г. Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Метод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. для этого был использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реализации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из основания, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибкого соединения подвешена излучающая головка с рубиновым лазером. На одной оптической оси с лазером располагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кнопки, расположенной на одной из рукояток. Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающего персонала прибор снабжен световой и звуковой сигнализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02 до 0,1 дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облучение. Вся операция напоминает сварку металла точечным методом.

5.4. Лазерное оружие. В середине 80-х годов был получен ряд сообщений о том, что на американских полигонах было испытано несколько образцов лазерного оружия, часть из которого была изготовлена в виде пистолета, часть—в виде ружья. В сообщениях подчеркивалось, что оно было создано для борьбы с живой силой противника на поле боя. Действие оружия основано на использовании большой пиковой мощности лазера. Для чего применялся твердотельный (рубиновый или на стекле с неодимом) лазер с модуляцией добротности. В результате длительность импульса составляла всего i0 с, что при использовании энергии в 1 Дж приводило к мощности в 10 Вт. В первую очередь действие такого оружия, по замыслам создателей, должно состоять в поражении глаз, вызывая в них обратимые или необратимые процессы. Предположения основаны на том, что, попадая на хрусталик человеческого глаза, лазерное излучение не должно поражать сам хрусталик, так как он прозрачен для этого излучения. Но хрусталик, как всякая оптическая система, фокусирует излучение в очень маленькое пятно на сетчатке. В этом пятне плотность энергии возрастает настолько, что приводит к кровоизлиянию. Человек либо не успевает моргнуть настолько короткой является вспышка, либо даже не видит излучение если оно на волне 1,06 мкм. Но зрение теряется мгновенно. Образцы такого оружия представлены на рисунке ниже. В качестве источника излучения используется лазер на рубине, помещенный внутри съемного патрона. В этом же патроне находится источник возбуждения, представляющий собой химический элемент, питаемый от батареи. На рисунке показан патрон отдельно от пистолета. Управление таким оружием максимально приближено к обычному оружию. Оно наводится на объект поражения, нажимается спусковой курок, чем подается импульс от батареи на химический элемент, который дает питание на рубиновый стержень. Излучаемая энергия выбрасывается в сторону цели. Действие показанного на рисунке ружья аналогично. Разработчики считают, что для поражения органов зрения нет необходимости наведения луча точно в глаз противника. Достаточно облучить голову или весь корпус человека. Но если он будет расположен лицом в сторону источника излучения, то поражение органов зрения обеспечено. Механизм воздействия лазерного излучения на сетчатку и хрусталик подробно рассмотрен в предыдущем материале и здесь нет надобности повторяться. В сообщении отмечается, что даже если объект поражения находится к источнику излучения под некоторым углом, все же он может потерять зрение. С появлением лазеров на С0 ₂, работающих в непрерывном режиме, работы по созданию наземного оружия были форсированы. Были созданы лазерные «пушки». Если первые пистолеты и ружья предназначались в основном против человека и только в отдельных случаях для поджога легко воспламеняющихся материалов, то лазерные пушки предполагали, в основном, борьбу с техникой.

В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запустили модель беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где размещалась эта пушка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости беспилотного самолета. Самого луча никто не видел, но самолет был сбит. В опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится о мощности излучения пушки, о высоте, на которой пролетел самолет, о материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.

Помимо использования так называемого прямого воздействия лазерного излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения применяется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и тренажеров. Использование лазеров для тренировки стрелков и наводчиков танковых пушек обосновывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка, повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность» стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года. В сообщении делают вывод, что лазерные имитаторы, которыми предполагают оснастить танковые подразделения, позволяют разыгрывать танковые бои в условиях, максимально приближенных к боевым.

 

Заключение

Сегодня трудно даже перечислить всевозможные применения лазеров в науке и технике. Лазеры используются в современной измерительной технике — для оптической локации, в геодезии, для сверхточных измерений расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений. Всё шире внедряются в практику лазерные методы контроля за состоянием атмосферы (степень и характер её загрязнённости), качеством различных изделий, наличием в тех или иных деталях высоких механических напряжений или внутренних дефектов. Развиваются системы лазерной связи (наземные, подводные, космические). Лазерное излучение начинают использовать и в современных вычислительных комплексах — для хранения, поиска, передачи и обработки информации. Накоплен большой материал по эффективному применению лазеров в медицине: созданы лазерные установки для выполнен для самых различных хирургических операций, включая операции на человеческом глазе. Наиболее широко лазеры используются для обработки материалов. Мощные лазеры используются в таких энергоёмких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве. Лазерным лучом делают на различных поверхностях, ставят клейма, зачищают провода от изоляции. И всякий раз лазерный луч применяется там, где требуется особо “тонкая” работа, где механические средства обработки оказываются грубыми или попросту непригодными.

Одно из наиболее эффективных применений лазера — при глазных операциях. Оказалось, что лазер идеальной точностью сообщает как раз то количество энергии, которое необходимо, чтобы отслоившуюся сетчатку к глазному дну.

Модулированные лазерные пучки эквивалентны огромному числу каналов радиосвязи, и влияние, которое они окажут на развитие техники связи, должно быть колоссальным.

Лазерный пучок используется для точного измерения величены. Отражая лазерный пучок от зеркала, помещённого на Луне, можно получать информацию о флуктуациях расстояния от земли до Луны, которая имеет важное значение для геофизики Земли и Луны.

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.

Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

 

Список использованных источников:

1. Блудов М.И. ”Беседы по физике”. Москва «Просвещение»1992 год.

2.Гинсбург Физике и Астрофизике”. Москва «Просвещение» ь1985 год.

3.МякишевГ.Я., Буховцев Б.Б. «Физика» Москва «Просвещение» 1991 год.

4.Поль Р.В. «Оптика и атомная физика». Москва «Наука» 1966 год.

5.Триг Дж. “Физика 20 века: ключевые эксперименты”. Москва издательство «Мир» 1978 год.

6.Элементарный учебник физики” Под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Москва том 3, 1986 год.

 

ТЕМА: МЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Содержание

1. Введение

2. История развития мембранных технологий

3. Мембранные технологии - авангардное направление
науки и техники XXI века

4. Мембранные процессы, применяемые для очистки воды

5. Заключение

6. Список литературы

Введение

XX столетие может быть названо веком накопления отходов и загрязнения окружающей среды, ликвидация которых (например, химического оружия), требует огромных средств, что нарушает нормальное развитие мировой цивилизации.

Процессы устойчивого развития общества и государства прямо связаны с решением основных глобальных проблем человечества - безопасностью проживания, обеспечением населения экологически чистыми продуктами питания и питьевой водой, созданием должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды.

Реализованные в последнее время современные технологические процессы получения различных веществ и материалов, а также обработки отходов и сточных вод, как это не покажется странным, увеличивают общий объем отходов. Существующая мировая статистика свидетельствует о том, что в настоящее время только 7-12% исходного сырья преобразуется в конечный продукт, а, примерно, 90% на разных стадиях производства и потребления переходят в отходы, которые в то же время могут быть ценным сырьем, представляющим собой полуфабрикат, переработка которого может быть в несколько раз рентабельней, чем стандартного сырья, конечно, при условии реализации экологически безопасных технологий и получения при этом высококачественных конкурентоспособных продуктов. В этой связи уже сегодня можно сделать предположение, что XXI век будет в значительной степени посвящен созданию экологически безопасных и, самое главное, малозатратных экономически и технологически обоснованных процессов переработки материалов, отходов и получения на их базе полезных и необходимых для общества продуктов.

Одной из первых, если не самой первой среди таких технологических процессов следует отнести мембранные процессы обработки веществ и материалов.