Вы здесь

Лазеры: почему ими и режут, и соединяют?

Лазеры

Слово «лазер» мы слышим каждый день, не правда ли? Лазеры – в кабинетах врачей и заводских цехах, в оружейных прицелах и романах о космических приключениях; в любом киоске можно купить лазерную указку (и положить в стол, так как их использование запрещено почти везде – от стадионов до аэропортов). Так что же такое лазер и почему он настолько многофункционален?

Если говорить сухо и научно, то лазер – это устройство, преобразующее любой тип энергии (тепловой, световой, электрической и так далее) в энергию узконаправленного потока излучения. Этот поток необязательно светится – наоборот, излучение большинства лазеров невидимо. Зато его можно использовать в разных целях: в промышленности для лазерной резки или сварки, в военном деле и медицине, для развлекательных шоу или для освещения. Возможности лазеров почти безграничны – как бесконечно и количество их разновидностей.

Принцип лазера на удивление прост, хотя и основан на сложном физическом явлении индуцированного, или вынужденного, излучения. Суть в том, что, когда некая квантовая система – атом или молекула – переходит из возбужденного состояния в стабильное, она генерирует новый фотон. А поскольку переход этот происходит не сам по себе, а под воздействием другого фотона, становится понятно, что подобное излучение можно вызывать искусственно. Звучит все элементарно: направляем индуцирующие фотоны (энергию) на группу квантовых систем (активную среду) – и вуаля, лазер работает. Но, как нетрудно догадаться, простая теория разбивается о сложную практику, иначе лазер бы изобрели лет на 100 раньше.

Итак, лазер состоит из: активной среды, источника энергии (или иначе – «системы накачки») и оптического резонатора. Резонатор нужен для того, чтобы первая «порция» вынужденного излучения вызывала последующие – как падающие костяшки домино, многократно усиливая суммарный эффект. Обычно резонатор – это два зеркала, между которыми находится активная среда, причем поверхность зеркал почти не поглощает фотоны – ну совсем чуть-чуть, не более одного на миллион.

Самый первый лазер, построенный американским физиком Теодором Майманом в 1960 году, был очень простым. Активной средой служил искусственный рубин, а источником света – импульсная лампа. Но с того момента новые лазеры изобретают практически еженедельно. В одних только 1960-х их появилось несколько десятков – физики всего мира работали методом тыка, подставляя наугад самые разные вещества в качестве активной среды, экспериментируя с резонаторами и источниками накачки.

Собственно количество возможных лазеров практически бессчетно, а излучение каждого имеет собственные уникальные свойства, позволяющие использовать их в разных отраслях науки и техники. Даже классификации лазеры поддаются с трудом: с одной стороны, они делятся на три основные группы – газовые, жидкостные и твердотельные, но с другой – существует множество лазеров, не входящих ни в одну из этих групп.

Так, для лазерной сварки используют твердотельные лазеры, активной средой в которых служит рубин или, например, алюмоиттриевый гранат (АИГ) с примесью неодима. Также сваривают лазерами с газовой активной средой — смесью СO2, N2 и Не.

Для лазерной резки чаще всего применяют дешевые, надежные и мощные углекислотные лазеры с активной средой в виде чистого углекислого газа СO2, реже — твердотельные и волоконные лазеры, например, иттербиевые.

Иначе говоря, сколько веществ и их смесей существует на Земле, столько существует и лазеров, и каждый применим для той или иной работы.

Историческая справка:

Зарождение лазеров

В марте 1917-го Альберт Эйнштейн публикует статью «К квантовой теории радиации», в которой обосновывает теорию вынужденного излучения. Это явление заключается в том, что при переходе любой квантовой системы – атома, молекулы и так далее – на меньший энергетический уровень, от возбуждённого состояния к стабильному, под внешним воздействием генерируется новый фотон. Иначе говоря, излучение можно вызывать искусственно.

Лазер Теодора Маймана

16 мая 1960 года американский физик и инженер Теодор Майман демонстрирует первый в истории функционирующий оптический квантовый генератор, то есть лазер. Активной средой в его системе служил оксид алюминия с примесью хрома, то есть искусственный рубин цилиндрической формы, диаметром 1 см и длиной 2 см. Майман облучал рубин импульсами газоразрядной лампы, в качестве резонатора применив систему Фабри-Перо из двух соосных параллельных зеркал.

Лазерная сварка

В 1972 году компании Banas, Locke и Molin практически синхронно объявили о появлении в линейке оборудования первых устройств для лазерной сварки. Сегодня лазерная сварка повсеместно используется в серийном автопроизводстве, например, у Volkswagen – она позволяет сделать кузов значительно жестче и устойчивее к нагрузкам, а также обеспечивает минимальный перехлест панелей и идеальную чистоту швов.

Категория: 
Лазеры

Добавить комментарий