Лазерное излучение

Лазерное излучение представляет собой особый вид электромагнитного излучения, генерируемого в диапазоне длин волн 0,1...1000 мкм. Лазеры широко применяются в самых различных областях человеческой деятельности благодаря таким уникальным свойствам, как высокая степень когерентности и монохроматичности излучения, малая расходимость луча, острая фокусировка излучения и возможность получения огромной плотности мощности излучения.

Лазерные системы помимо широкого научно-технического и промышленного использования имеют разнообразное применение в медицине, биологии, биотехнологии, генной инженерии и т.п.

По виду лазерное излучение подразделяют на прямое; рассеянное; зеркально-отраженное; диффузное.

Свойства лазерного излучения. Интенсивность излучения. В отличие от всех известных оптических источников излучение лазеров обладает чрезвычайно высокой интенсивностью. Мощность твердотельного оптического квантового генератора (ОКГ) может достигать 10¹² Вт. При фокусировке это излучение можно сконцентрировать в малом пятне. Плотность мощности лазерного излучения может достигать высоких значений - порядка 10¹⁷ Вт см^-2 и более. При воздействии такого излучения на вещество развиваются высокие температуры порядка 10⁶ К. и выше. Естественно, что никакой тугоплавкий материал не выдержит такой плотности излучения. Время воздействия таких плотностей в случае импульсного действия гораздо меньше времени установления стационарного процесса, при этом происходит взаимодействие интенсивного излучения с веществом в локальном объеме, т.е. в области облучения, не затрагивая соседние области.

Ширина линии излучения и когерентность. Монохроматическая волна имеет строго определенную частоту колебаний:

Е = E₀cos[(ωt - kх) + φ], (5.29)

где Е₀ - амплитуда вектора электрической напряженности поля; к - волновое число; x - координата оси распространения волны; φ - фаза (E₀, ω, k, φ - не зависят от t).

При распространении в пространстве двух волн одинаковой частоты, но с разными фазами (φ₁, φ₂), в любой момент времени разность фаз Δφ = (φ₁-φ₂) будет оставаться постоянной. Две волны когерентны, если амплитуда, частота, фаза, поляризация и направление распространения этих волн остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Идеальных монохроматических колебаний в природе не существует, так как каждый энергетический уровень имеет конечную ширину, связанную с временем жизни уровня. Из соотношения неопределенности (соотношение Гейзенберга) следует, что неопределенность значения верхнего уровня Δε при излучении связана с неопределенностью времени жизни этого уровня Δt соотношением

(5.30)

Длительность процесса излучения τ и естественная ширина линии излучения Δω = 2πΔν связаны выражением

(5.31)

Учитывая, что в лазере имеется оптический резонатор, в котором существуют собственные частоты (моды колебаний шириной Δν_ρ), путем соответствующего выбора размеров резонатора и условий работы лазера можно получить высокую степень монохроматичности. В газовых лазерах сравнительно легко получить Δν_ρ/ν₀ = 10^-10 (где v₀ - резонансная частота перехода) и даже меньше. Это выполняется в том случае, если в интервале Δν_л на резонансной частоте ν₀ находится одна мода Δν_м колебания резонатора (одномодовый режим). У твердотельных ОКГ монохроматичность хуже монохроматичности газовых лазеров. Высокая степень монохроматичности лазерных источников облегчает получение меньшего пятна r_s при фокусировке. При этом хроматическая аберрация оптических линз практически не играет роли. Это свойство лазерных источников способствует получению значительных интенсивностей.

Лазерное излучение обладает высокой степенью временной и пространственной когерентности. Это свойство лазерного излучения способствует получению больших значений W_s, так как малая расходимость лазерного потока способствует получению меньших значений r_s. Понятие когерентности играет большое значение при использовании лазерного излучения в оптической локации.

Напряженность электрического поля. Лазерное излучение, обладая чрезвычайно высокой интенсивностью, позволяет получать высокие значения электрической напряженности в потоке. Эти значения сравнимы с внутриатомными полями. Максимальное значение электромагнитной связи электрона с протоном водорода Н определяется выражением

(5.32)

где е - заряд электрона; r₀ - радиус электронной орбиты.

При го = 10^{-8 см величина Е}_н, = 10⁹ В/см. Для других веществ это значение составляет 107...108 В/см.

Как известно, интенсивность поля (плотность мощности) связана с напряженностью электрического поля Е соотношением

(5.33)

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума; с - скорость света.

При интенсивностях, например, 10¹⁴ Вт · см^-2 величина Е составляет примерно 10⁸ В см^-1.

Лазерное излучение дает возможность относительно просто варьировать мощность лучевого потока, изменять направление его распространения при помощи фокусирующих линз, внешних коллиматоров, отражающих зеркал или специальных устройств.

Яркость. Свойства лазеров позволяют получить необычайно высокое значение яркости излучения. В табл. 5.10 представлены сравнительные значения яркости некоторых оптических источников, из которой видно, что яркость лазерного источника на много порядков превышает яркость Солнца и мощность искусственных источников спонтанного оптического излучения.

Таблица 5.10. Значения яркости некоторых источников

Источник	Мощность, Вт	Расходимость потока, стсрад	Площадь, см2	Яркость, Вт · см­-2· стсрад-1
Ртутная лампа	104	4 π	1	~ю5
Солнце	4 · 10:б	4π	2,5 · 1031	1,3 · 10*
Не-, Νe-лазер	10-2	3· 10-4	0,1	106
Рубиновый лазер	107	5 · 10-3	1	4 · 10"
СО2-лазер (непре­рывный)	102		1	~3 · 109
Nd-стекло (лазер спец. конструкции)	4 · 10'°	4 ·105	10	~2 · 1017

Угол расходимости пучка. Одной из важных характеристик лазерного излучения является направленность (коллимация) излучения. Важность коллимации заключается в том, что энергия, переносимая лазерным потоком, может быть собрана (сфокусирована) на малой площади.

Ограничение на угол расходимости лазерного потока накладывается дифракцией:

(5.34)

где θ - угол расходимости; К - числовой коэффициент порядка единицы (для однородного пучка К =1,22); λ - длина волны; d - диаметр выходной апертуры.

Классификация лазеров. Основной источник лазерного излучения - оптический квантовый генератор (лазер). Лазеры являются генераторами электромагнитных волн оптического диапазона, в которых используется вынужденное электромагнитное излучение молекул активного вещества, приводимого в возбужденное состояние источником накачки. Типы лазеров различаются видом активного вещества и способом накачки.

В твердотельных лазерах в качестве активного вещества используются кристаллы рубина, иттриево-алюминиевый гранат (АИГ) или стекло, активированное неодимом (Nd) или эрбием. Для возбуждения активного вещества применяют импульсные ксеноновые лампы. В режиме свободной генерации твердотельные лазеры генерируют импульсы длительностью 0,1-1 мс, с энергией десятки джоулей и мощностью в импульсе десятки или сотни киловатт (10⁹...10¹⁰ Вт). Угол расходимости луча в твердотельных лазерах составляет 20...30°.

В газовых лазерах активным веществом является газ или смесь газов, которые приводятся в возбужденное состояние газовым разрядом. Газовые лазеры характеризуются малым углом расхождения луча - всего 1...3°. Наибольшее распространение получили лазеры на смеси гелия (Не) и неона (Ne) с длиной волны генерации 0,63 мкм и лазеры на углекислом газе (СО₂) с длиной волны 10,6 мкм. Мощность гелий-неоновых лазеров невелика и составляет десятки или сотни милливатт. Лазеры на углекислом газе характеризуются большой мощностью - сотни ватт в непрерывном режиме и высоким КПД - 20...30%.

В полупроводниковых лазерах активным веществом является полупроводниковый кристалл. Возбуждение лазера осуществляется электрическим током, проходящим через кристалл. Максимальная мощность составляет около 100 Вт в импульсном режиме и несколько ватт - в непрерывном. Обладает углом расходимости луча в несколько градусов.

В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют обычно органические красители. Возбуждение активного вещества осуществляется или когерентным излучением другого лазера, или некогерентным излучением импульсных ламп. В жидкостных лазерах при соответствующем выборе активного вещества можно получить когерентное излучение с длинами волн от 0,34 до 11,75 мкм. Энергия излучения в импульсе составляет до 10 Дж.

Воздействие лазерного излучения на человека, живой организм, живую клетку многолико и противоречиво.

В настоящее время лазерное излучение используется и как хирургический нож для удаления злокачественных опухолей и других образований, и как тонкий инструмент в микрохирургии глаза, и как целительный луч для лечения самых разнообразных заболеваний сердца, печени, вегетативно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.

С другой стороны, лазерное излучение представляет определенную опасность при неосторожном и неумелом его использовании. Даже работа с маломощным лазером представляет опасность, прежде всего для глаз.

Биологическое действие лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области: ультрафиолетовая (0,2...0,4 мкм); видимая (0,4...0,5 мкм); инфракрасная - ближняя (0,75...1) и дальняя (свыше 1,0).

По степени опасности лазерного излучения для организма человека все лазерные установки подразделяются на четыре класса. К классу I относятся лазеры, излучение которых не представляет опасности для кожи и глаз человека, к классу II - излучение которых представляет опасность для глаз или кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением.

Излучение лазеров класса III представляет опасность для глаз и кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением и опасность для глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

К классу IV относятся лазеры, излучение которых представляет опасность для кожи и глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Деление лазеров на классы позволяет определить мероприятия по обеспечению безопасности при работе с лазерами различных типов.