Лазерне випромінювання

В даний час лазерна техніка знаходить дуже широке застосування. Зараз нараховується більше 200 галузей застосування ОКГ. Вони використовуються в дальнометрії, системах передачі інформації, телебаченні, спектроскопії, в електронній та обчислювальній техніці, при забезпеченні термоядерних процесів, біології, медицині, у металообробці, металургії, при обробці твердих і надтвердих матеріалів, при зварювальних роботах і ін. Мала кутова розбіжність ЛВ дозволяє здійснити його фокусування на площах малих розмірів (порівняних з довжиною хвилі) і одержувати щільність потужності світлового потоку, достатнью для інтенсивного розігрівання і випаровування матеріалів (щільність потужності випромінювання досягає 1011-1014 Вт/см2). Висока локальність нагрівання і відсутність механічних дій дозволяє використовувати лазери при збиранні мікросхем (зварювання металевих виводів і напівпровідникових матеріалів). За допомогою лазерного променю здійснюють проплав багатошарових матеріалів. Використовують ОКГ для приєднання резисторів, конденсаторів, виготовлення друкованих схем. Широко використовують ОКГ для одержання мікроотворів у надтвердих матеріалах.

Розширене застосування лазерних установок у різних галузях діяльності людини сприяє залученню великої кількості працівників для їх обслуговування. Поряд з унікальними властивостями (спрямованість і величезна щільність енергії в промені) і перевагами перед іншим устаткуванням лазерні установки створюють певну небезпеку для здоров'я обслуговуючого персоналу.

Принцип дії лазерного випромінювання заснований на використанні змушеного (стимульованого) електромагнітного випромінювання, одержуваного від робочої речовини в результаті порушення його атомів електромагнітною енергією зовнішнього джерела. Стимульоване випромінювання має такі якості:

1 - когерентність (сталість різниці фаз між коливаннями і монохроматичність - практично ширина смуги випромінювання 2 Гц);

2 - мала розбіжність променя (22" - теоретична, 2' - практична);

3 - висока щільність потужності (1014 Вт/см2).

У залежності від характеру робочої речовини розрізняють ОКГ: твірдотільні (робоча речовина - рубін, стекло з неодимом, пластмаси); напівпровідникові (Zn0, CaSe, Te, Pb і ін.); рідинні (з рідко земельними активаторами, органічними барвниками); газові (He-Ne, Ar, Xe, CO2 і ін.).

По режиму роботи лазери підрозділяються на безупинної дії й імпульсні. Зараз отримане лазерне випромінювання в діапазоні від 0.6 мм (субміліметрові) до 1 мкм, що входить в УФ область (ІЧ, видимий, УФ). Уже з'явилися повідомлення про створення лазерів у діапазоні рентгенівського (6 нм - 0.01 нм) і ведуться роботи зі створення лазерів в області гамма-випромінювання (0.01 - 0.0005 нм). Лазерне випромінювання в цих діапазонах крім монохроматичності, когерентності, гострої спрямованості і високої щільності потужності буде мати і високу проникаючу здатність. Як ми вже говорили, лазерне випромінювання може бути сконцентрованим у вузько спрямованому промені з великою щільністю потужності. Щільність потужності в промені лазера досягає великих величин внаслідок додавання енергії безлічі когерентних променів окремих атомів, що приходять в обрану точку простору в однаковій фазі.

Щільність потужності лазерного випромінювання на малій площині об'єкта визначається формулою:

,

де Р - вихідна потужність випромінювання лазера;

D - діаметр об'єкта оптичної системи;

l - довжина хвилі;

f - фокусна відстань оптичної системи.

Наприклад: Р=1 МВт, l=0.69 мкм, D/f=1.2, тоді Ps=3×1014 Вт/см2. Для порівняння щільність потужності випромінювання на поверхні Сонця 108 Вт/×см2.

Лазерне випромінювання з високою щільністю потужності супроводжується високою напруженістю електричного полю:

,

де m - магнітна проникність середовища (для повітря Гн/м) ;

e - діелектрична проникність середовища (для повітря Ф/м).

Значення електричної напруженості у вакуумі при Р=1 МВт складає 2.74×106 В/м.

Випромінювання лазера з величезною щільністю потужності руйнує і випаровує матеріали. Одночасно в області падіння лазерного випромінювання на поверхню матеріалу в ньому створюється світловий тиск сотні тисяч мега паскалей (мільйони атмосфер) (лазерний промінь - потік фотонів, кожний з який має енергію й імпульс сили) до 106 МПа. При цьому виникає температура до декількох мільйонів градусів К. При фокусуванні лазерного променя в газі відбувається утворення високотемпературної плазми, що є джерелом легкого рентгенівського випромінювання (1 нм).

При проходженні променю через неоднорідне середовище (повітря, деяке середовище) відбувається розбіжність і блукання тобто відбивання променя. Відрізняють дзеркальне і дифузне відбивання лазерного променя.

При оцінці дифузійного відображення випромінювання слід враховувати геометричні розміри поверхні, що відбиває, (крапковий чи протяжний).

Щільність енергії для прямого випромінювання визначається формулою

,

де I0 - вихідна енергія ОКГ (Вт) Дж;

j - кут розбіжності випромінювання;

r - відстань ЭКГ до розрахункової точки;

s - коефіцієнт ослаблення випромінювання ОКГ повітряним середовищем (залежить від дальності видимості) s=3.9/V, V - видимість.

В умовах відбитого випромінювання щільність енергії в заданій точці можна визначити по формулі:

,

де In - енергія, що падає на відбиту поверхню, Дж;

К - коефіцієнт відображення поверхні;

b - кут між нормаллю до поверхні і напрямком візування;

К1 - коефіцієнт, що враховує розміри плями (наприклад, якщо R>30r (радіусів плям), то К1=1 (точкове джерело).