Лазерные технологии: основы, виды и применение

Принципы действия и сферы использования лазерных технологий

Наименование «лазер» происходит из английской аббревиатуры "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает «усиление света посредством индуцированного (вынужденного) излучения». Лазер — это устройство, преобразующее различные виды энергии (световую, тепловую, электрическую) в когерентный, узконаправленный и монохроматический поток излучения.

Базовые теоретические предпосылки, приведшие к появлению лазерных технологий, были заложены Альбертом Эйнштейном в 1917 году, когда он впервые описал явление вынужденного излучения. Для функционирования лазера необходимы особые условия. Во-первых, в активной среде должна быть создана инверсия заселённости, при которой число возбуждённых частиц превышает количество основных. Во-вторых, рабочее вещество помещается внутрь оптического резонатора — чаще всего между двумя зеркалами — что позволяет организовать требуемую обратную связь. В-третьих, усиление света в среде должно быть выше порогового уровня, зависящего от потерь света на отражающих и частично прозрачных зеркалах.

Первым лазером, реализованным на практике, был твердотельный рубиновый квантовый генератор, сконструированный в 1960 году. Позже появились газовые, жидкостные, полупроводниковые, кольцевые и газодинамические лазеры, что существенно расширило область их применения. Сегодня лазерные технологии активно интегрированы в промышленность, медицину, науку и другие сферы человеческой деятельности.

Все технологические процессы с использованием лазеров условно подразделяются на два главных направления. В первом случае акцент делается на возможность сверхтонкой фокусировки лазерного излучения и точной дозировке энергии — как в импульсных, так и в непрерывных режимах. Такие задачи решают, как правило, устройства средней и малой мощности. Примерами служат газовые лазеры, работающие импульсно-периодически, а также твердотельные лазеры, изготовленные на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (YAG:Nd).

Пример 1

Именно с помощью лазерных установок на иттрий-алюминиевом гранате стало возможным сверло диаметром 1-10 мкм и глубиной до 100 мкм в чрезвычайно твёрдых материалах (рубине, алмазе). Такие отверстия используют при производстве часовых камней и фильер, предназначенных для протяжки сверхтонкой проволоки.

Лазеры малой мощности нашли широкое применение для резки и сварки миниатюрных элементов в микроэлектронике, электровакуумной аппаратуре, маркировки изделий, а также для лазерной гравировки и нанесения изображений в полиграфии. В последние годы лазерные технологии все чаще используются в фотолитографических процессах микроэлектроники, где требуется высокая точность экспонирования. Именно такие процессы легли в основу создания современных интегральных схем, печатных плат и элементов наноэлектроники — без лазеров подобная миниатюризация была бы невозможна.

Многомощные лазеры и разновидности оборудования

Вторая основная категория — это технологии, где применяются лазерные комплексы с высокой мощностью (от 1 кВт и выше). Данный класс оборудования используется для обработки самых сложных и энергоёмких материалов и задач: резки и сварки толстых металлов, кройки тканей и кожи на текстильных производствах, обработки мрамора и гранита, а также для удаления загрязнений на крупных строительных объектах. Лазерная сварка выгодно отличается качеством шва и не требует создания вакуумных условий, что ускоряет производственные операции. Мощные лазерные технологии активно применяются в автомобильной индустрии, машиностроении, строительстве, где необходимо повысить точность и надёжность обработки.

Наиболее распространённой группой лазеров считаются газовые. Благодаря огромному разнообразию моделей, каждый может выбрать нужное устройство под конкретные задачи. Хотя по пиковым мощностям газовые лазеры уступают твердотельным, они часто обладают большей монохроматичностью и стабильностью параметров излучения.

Замечание 1

Яркий пример внедрения полупроводниковых лазеров — это магнитооптические накопители. В таких устройствах запись осуществляется за счёт одновременного воздействия лазерного луча и магнитного поля, а считывание выполняется только лазером. Данный принцип позволяет избежать деформации поверхности носителя, обеспечивает надёжную многократную перезапись и высокую защищенность информации по сравнению с обычными магнитными дисками. Всё это способствует распространению магнитооптических технологий в хранении данных.

Области использования лазерных технологий

Лазерные технологии повсеместно применяются в самых разных областях — от исследований до производства и медицины.

Научные исследования и информационные технологии

В научной среде лазеры стали базовым инструментом — они используются в спектроскопических исследованиях, нелинейной оптике, экспериментах с плазмой. Значимым достижением стало появление голографических методов визуализации, реализованных благодаря лазерной технике. В системах оптической связи и локации лазеры имеют преимущество перед радиочастотами благодаря узкой диаграмме направленности и высокой частоте передаваемых данных — один лазерный канал способен обеспечить одновременную передачу сотен телевизионных сигналов.

Медицинские применения

Наибольший интерес лазерные технологии вызывают в медицине, прежде всего за счёт уникальных характеристик — высокой монохроматичности и направленности, что позволяет сфокусировать энергию в минимальной области.

Офтальмология: Лазеры дают возможность проводить операции на глазах без повреждения тканей — например, коррекция зрения, лазерное скрепление отслоившейся сетчатки.
Онкология: Местное воздействие лазерного пучка позволяет удалять опухолевые образования, как злокачественные, так и доброкачественные, с минимальными побочными эффектами.
Хирургия: Луч лазера работает как высокоточный, стерильный скальпель. Это позволяет выполнять операции практически без крови, в том числе на печени и селезёнке. Кроме того, для остановки кровотечений у пациентов с нарушениями свёртываемости применяются как импульсные, так и непрерывные лазерные импланты, а раны поддаются эффективной обработки.

Промышленное производство и авиационные системы

В индустрии лазеры незаменимы при обработке труднодоступных материалов — там, где невозможна резка или сварка традиционными способами, на помощь приходит лазерное оборудование. Среди решаемых задач — микросверление в тугоплавких металлах, изготовление пленочных микросхем и запайка контактных элементов в микроэлектронике. Существенное достоинство состоит в бесконтактности обработки, что минимизирует риск повреждения хрупких компонентов.

В авиации лазерные технологии используются для построения навигационных комплексов. Указательные гироскопы на базе лазеров отличаются высокой степенью точности, малым уровнем дрейфа показаний и широким рабочим диапазоном. Также лазеры применяют в приборах контроля скорости движения воздушных судов и в автоматизированных системах посадки, значительно повышая безопасность полётов.