Файл: Стерлигов, В. Л. Лазеры в авиации.pdf

В настоящее время промышленностью выпускают­ ся всевозможные лазеры. Успешно ведутся работы по созданию лазеров все новых и новых типов. Вслед за твердотельными (рубиновыми) появились лазеры га­ зовые, жидкостные, стеклянные, пластмассовые, полу­ проводниковые, химические, газодинамические. Лазе­ ры большие (до сотен метров в длину) и мощные, ми­ ниатюрные и сверхминиатюрные, в которых световая энергия излучается непрерывно или кратковременны­ ми импульсами.

Существующие лазеры имеют различные назначе­ ния и характеристики, однако принцип работы со времени их открытия остался неизменным. Поясним его на примере первого твердотельного лазера на ру­ бине, появившегося в конце 1960 г.

Твердотельный рубиновый лазер (рис. 2), как впрочем и любой из перечисленных, имеет четыре основные части: активное вещество (рубин); источник возбуждения или накачки активного вещества (спе­ циальная осветительная лампа); резонатор (система отражающих поверхностей, обеспечивающая выделе­ ние сигнала выбранной длины волн, резонатор руби­ нового лазера обычно создается внутренними поверх­ ностями рубинового стержня); вспомогательные эле­ менты п устройства.

Активное вещество — это та среда, в которой су­ ществуют электронные частицы, способные излучать энергию'на вполне определенных частотах. В первых лазерах использовался природный рубин — окись алюминия, в кристаллической решетке которого неко­ торые атомы алюминия замещены атомами хрома. Цвет рубина зависит от количества атомов хрома, входящего в состав минерала. Например, бледноро­ зовый рубин имеет около 0,03—0,05% хрома. И хотя

Луч

Рис. 2. Примерная схема устройства рубинового лазера. Вспо­ могательные элементы (кроме рефлектора) на схеме не показаны

атомов хрома относительно немного, именно они, по­ мимо окраски, п создают нужный эффект.

Кристаллы рубина (а сейчас их выращивают ис­ кусственным путем) в маломощных лазерах имеют вид стерженька длиной 5—20 см и диаметром 0,5— 1,5 см. В качестве активного могут быть использова­ ны и некоторые другие твердые, а также жидкие и газообразные вещества.

Источник возбуждения — это устройство, позволя­ ющее перевести активные атомы (в рубиновом лазе­ ре атомы хрома) в такое состояние, когда они спо­ собны излучать энергию. Такие возбужденные атомы излучают электромагнитную энергию на нескольких незначительно отличающихся друг от друга длинах волн. В качестве источника возбуждения обычно ис­ пользуют яркие светильники, лампы-вспышки и да­ же... взрывающиеся от большого тока проволочки. Чтобы повысить коэффициент полезного действия ис-

12

точника возбуждения, а следовательно, и лазера, ис­ пользуют рефлекторы различной конфигурации, под­ бирают цвет и яркость свечения ламп. Так, например, у рубинового лазера, излучающего красный луч, на­ иболее эффективно возбуждает активное вещество лампа-вспышка сине-зеленого свечения. Источником возбуждения может быть не только световая энергия, но и некоторые другие виды энергии: химическая, электрическая, термоядерная. В качестве источника возбуждения может быть применен другой лазер.

Резонатор .позволяет погасить ненужные колеба­ ния и усилить нужные. Это достигается благодаря системе отражающих поверхностей (зеркал), полно­ стью или частично ослабляющих паразитные колеба­ ния. Резонатор может быть образован металлизацией поверхностей твердого активного вещества. У руби­ нового лазера иногда так и делается. На торцовые поверхности стержня активного вещества наносят тонкий слой серебра. Посеребренные поверхности должны располагаться на определенном, точно изме­ ренном' расстоянии, а их поверхности должны быть строго параллельны.

Лишь в этом случае в резонаторе могут быть соз­ даны условия, когда электромагнитные колебания определенной частоты, например 694,3 нм*, после многократного отражения от посеребренных торцов сложатся и возникнет мощное излучение.

Следует заметить, что электромагнитная энергия из элементарных частиц излучается во все стороны равномерно, но усиливаться резонатором будут лишь те колебания, которые распространяются строго па­ раллельно продольной оси активного вещества. Излу­ чение в других направлениях резонатором будет га­

* I н.ч= 1• 1О-0 м = 10 А.

13

ситься. В результате через выходное отверстие в лазере будет выходить пучок строго параллельных друг другу лучей.

Резонаторы лазера могут располагаться и вне ак­ тивного вещества (внешний резонатор), но их назна­ чение и принцип работы при этом не меняется.

Вспомогательные элементы и устройства включа­ ют в себя все то, что не определяет принцип работы лазера, но без чего работа лазера менее эффективна, а иногда и невозможна. Это органы управления, сиг­ нализации, контроля и системы электропитания, ох­ лаждения, наддува и т. п. Первоначально размерам и массе вспомогательных элементов и устройств не придавали серьезного значения. Однако зачастую вспомогательные элементы и устройства определяют границы практического применения лазеров. Напри­ мер, относительно большой вес источников питания затрудняет создание портативных переносных уст­ ройств на лазерах. Этот же недостаток в сочетании с некоторыми другими пока сдерживает стремительное проникновение лазерной техники в авиацию.

ЧЕЛОВЕК УПРАВЛЯЕТ ЭЛЕКТРОНАМИ

На примере рубинового лазера было показано устройство квантовомеханического прибора оптичес­ кого диапазона. С помощью этого прибора человеку удается воздействовать на процессы, протекающие внутри молекулы, атома или другой элементарной частицы. Чтобы прибор заработал, нужно на источ­

ник возбуждения подать питающее напряжение (тот же смысл имеет фраза «необходимо включить генера­ тор накачки»), т. е. включить осветительную лампу.

14

Рис. 3. Схема перехода ионов хрома с основно­ го на высший м проме­ жуточные энергетичес­ кие уровни. Схема пояс­ няет принцип работы рубинового лазера

При освещении кристалла рубина атомы (ионы) хрома, находящиеся в стабильном, невозбужденном состоянии (иа основном энергетическом уровне), воз­ буждаются и переходят на высшие энергетические уровни. Эти уровни неустойчивы, поэтому ионы хро­ ма, не задерживаясь, переходят на промежуточные (так называемые метастабильные) и частично на ос­ новной энергетические уровни (рис. 3).

Промежуточные уровни более устойчивы. У руби­ на их два. На промежуточных уровнях находится по­ давляющее число возбужденных ионов. Если воз­ бужденные ионы хрома искусственно не «снять» с промежуточных уровней, то они сами самопроизволь­ но переходят на основной, излучая при этом неболь­ шие порции электромагнитной энергии с длиной вол­ ны 692,9 и 694,3 нм.

Некоторые возбужденные частицы с высшего энер­ гетического уровня переходят сразу на основной, из­ лучая при этом кванты световой энергии, соответст­ вующие разности между высшим и основным энерге-

15

тическнмн уровнями (на рис. 3 показан только одни переход, соответствующий волне в 560 нм). Однако вероятность такого перехода очень незначительна. Та­ кое световое излучение слабое, непрерывно и равно­ мерно направленное в разные стороны называют спонтанным. В лазерах его стремятся свести к нулю.

Частично спонтанное излучение достигает посе­ ребренного торца рубинового лазера, отражается от зеркал резонатора в различных фазах и затухает. Ре­ зонатор ослабляет вредные сигналы, так как он сконструирован таким образом, что усиливает только волны определенной длины. Чаще всего резонатор ла­ зера настраивают в резонанс на волны, длина кото­ рых примерно равна 694,3 нм.

Итак, с помощью осветительной лампы либо ка­ кого-нибудь другого генератора накачки значитель­ ное количество ионов хрома удалось перевести на промежуточные энергетические уровни. Как же те­ перь получить мощный, узкий пучок света, который называется лучом лазера?

В усилителях на лазерах применен такой способ. Через кристалл рубина вдоль его оптической оси про­ пускают слабый луч от другого лазера, который тре­ буется усилить. Разумеется, длина волны усиливае­ мого излучения должна соответствовать резонансной длине волны самого резонатора (например, 694,3 нм). Луч, пронизывая толщу рубина, снимает («стряхива­ ет») с промежуточного энергетического уровня нако­ пившиеся там ионы. Большое количество элементар­ ных излучателей одновременно начинает излучать электромагнитные волны строго определенной длины. Резонатор способствует их усилению, и в результате на выходе лазера-усилителя возникает мощный пу­ чок света. При этом лучи света в пучке строго па­ раллельны, так как лучи света другой направленно­

16

сти в резонаторе быстро затухают и на выход лазе­ ра не поступают. Усилитель на лазере не может рабо­ тать в качестве генератора, пока не выполнены неко­ торые условия (так называемые предпороговые усло­ вия возбуждения активной среды).

В генераторах на лазерах мощный луч возникает произвольно сам по себе вскоре после освещения ру­ бина светом лампы-вспышки.

Благодаря резонатору более высокого качества некоторая часть излучения, направленная вдоль про­ дольной оси кристалла, многократно отражается от зеркал, снимает с промежуточного энергетического уровня оставшиеся там И0|ны, усиливается и ,на выходе

генератора создает мощный пучок света.

Лазеры всех других типов хотя и имеют различ­ ные активные вещества, самые разнообразные резо­ наторы и способы накачки, в принципе работают так же, как и описанный ранее рубиновый лазер.

ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЛИ СПОНТАННОЕ?

Всем известные источники света являются генера­ торами электромагнитной энергии. Но можно ли от­ нести электрическую лампочку, костер и Солнце к лазерам? Конечно, нельзя. И хотя в любом источнике света непрерывно происходят переходы элементар­ ных частиц материи с одного энергетического уровня на другой, тем не менее луч лазера очень многим от­ личается от луча обычного света.

В чем же необыкновенность луча, рожденного ато­ мами квантовомеханического устройства?

На этот вопрос можно ответить коротко и доста­ точно точно. Излучение лазера — индуцированное,

17

когерентное, остронаправленное, высокостабильное, с очень узким спектром излучения. Эти особенности из­ лучения лазера лежат в основе многочисленных дос­ тижений лазерной техники, о которых уже много лет пишут в научных трудах, газетах, журналах.

Индуцированное излучение в противоположность самопроизвольному спонтанному излучению может быть выработано в любой нужный момент времени.

Когерентность излучения — понятие более слож­ ное. Попытаемся объяснить, что же это такое. Извест­ но, что электромагнитные колебания характеризуют­ ся несколькими основными параметрами. Каждая электромагнитная волна имеет вполне определенную частоту, амплитуду, направление плоскости распро­ странения (поляризацию), фазу (величину волны в какой-то момент времени или в каком-то месте про­ странства).

Если волны имеют одинаковые частоты, амплиту­ ды, поляризацию и фазы в любой точке пространст­ ва и в любой момент времени, то такие волны коге­ рентны. Из определения следует, что когерентные волны монохроматичны, т. е. имеют одинаковые час­ тоты. И хотя излучения лазера и радиоволны отно­ сят к когерентным, лазеры и радиопередатчики из­ лучают энергию и на частотах, отличных от основ­ ной. Относительный разброс частот у радиопередат­ чика значительно больше, чем у квантовомеханнчес-

зеры позволяют создать практически нерасходящийся луч. Достаточно сказать, что лазерный луч, на­ правленный с поверхности Земли, достигает Луны, имея диаметр не более б км. Получить на поверхно­ сти Луны пятно меньшего размера мешает атмосфе­

18

ра Земли. Атмосфера как лупа увеличивает угол расхождения лучей. Наиболее остронаправленный луч можно создать в космическом пространстве.

При решении «земных» задач узкий луч лазера в состоянии осветить весьма малые участки поверхно­ сти, последовательно (а не одновременно) освещать рядом находящиеся объекты (например, самолеты или здания). Пучок света с практически параллель­ ными лучами позволяет значительно повысить разре­ шающую способность лазерного «глаза» — локатора, высотомера, дальномера.

Стабильность длины световой волны луча, созда­ ваемого лазером, значительно превосходит стабиль­ ность радиоволны, создаваемой генератором радио­ волн с применением кварца. Это свойство лазерного луча обеспечивает быстрый и надежный контакт между двумя лазерами, и как следствие этого значи­ тельно увеличивается протяженность «лазеротрассы» при одновременном снижении мощности генериру­ ющих колебаний. Радистам известны трудности лриема радиосигналов на коротких волнах. Самопроиз­ вольное изменение длины волны передатчиков и при­ емников часто ухудшает качество радиоприема, тре­ бует дополнительной подстройки радиоприемников.

ЛАЗЕРЫ И РАДИО

Роль радио в жизни современного человека огром­ на, поэтому закономерно бурное развитие радиотех­ ники. Перспективы радиотехники необозримы. И тем не менее квантовая электроника, взявшая совсем не­ давно на вооружение лазеры, прочно входит в жизнь, зачастую успешно .выполняя задачи, которые ранее могли быть решены только с помощью радио.

19