Лазеры: почему ими и режут, и соединяют?
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. Читать далее
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.
Зарождение лазеровВ 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.
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.
Лазер Теодора Маймана16 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.
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.
Лазерная сваркаВ 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.
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.
