Естественно-научные основы лазерных технологий.

1. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Хотя прошло всего около двадцати пяти лет с момента рождения лабораторных макетов квантовых генераторов и усилителей, они настолько прочно вошли в повседневную жизнь людей, что уже не только в научных и учебных институтах им уделяется значительное внимание, но и в школьных курсах физики рассказывают о принципах работы и устройстве этих приборов. Напомни, что в основе положена квантовая теория, разработанная А. Эйнштейном, II. Бором, М. Планком и другими учеными.
В любом физическом теле, твердом, жидком или газообразном, молекулы движутся, колеблются, вращаются; то же делают и атомы. А в атомах перескакивают с орбиты на орбиту электроны, при этом они обмениваются энергией.
В соответствии с квантовой теорией излучения энергия элементарных излучателей может изменяться только скачками, кратными некоторому значению, постоянному для данной частоты излучения. Минимальная «порция» энергии называется квантом энергии. Обозначается квант следующим образом: энергия равна произведению частоты на некоторую постоянную, называемую постоянной Планка:
Е = h v,
здесь h — постоянная Планка, численное значение
6,6-10~34 Дж-с, v — частота электромагнитного излучения.
При этом излучение рассматривается как поток элементарных частиц, которым присвоено название фотона. Фотоны обладают количеством движения
Эти формулы поражают своей простотой, хотя описывают явления с такими сложными объектами, как фотоны. Формулы являются основными в квантовой теории света, ибо они связывают энергию кванта света с частотой, а также длиной волны.
Таким образом, фотон является одновременно и частицей, и волной, т.е. признается возможным соединение в одном объекте волновых и механических свойств, вытекающее из постулатов принципиально новой науки о микромире — волновой, или квантовой, механики.
Взаимодействие элементарных излучателей (назовем их микросистемой) и света характеризуется энергией и импульсом, как микросистемы, так и кванта света....

В последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях — физических, химических, биологических.
В результате гонки вооружений, навязанной американской военщиной, ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники — наземной, морской, воздушной.
Ряд образцов лазерной техники — дальномеры, высо¬томеры, локаторы, системы самонаведения — поступили на вооружение в армии США, Англии, Франции, Японии. Также находят применение военные приборы, в основе которых в качестве источника излу¬чения используется лазер.
В связи с этим молодежи, призванной в Вооруженные Силы, необходимо знать принципы работы лазеров, а также основанных на их использовании приборов.
Объяснение слова «лазер» дано в словаре терминов, приведенном в конце книги. Этим словарем следует пользоваться всякий раз, встречая то или иное малознакомое для вас слово или понятие.

Лазерная технология открывает невиданные доселе перспективы. Так, всем известно, что наибольшему разрушению подвергаются поверхностные слои материалов, будь то коррозия, износ или усталостные повреждения. Приходится делать все тело детали из сталей, легированных дорогостоящими элементами (N1, Сг, Мо и т.д.). Лазерная термообработка, легирование и наплавка позволяют получить слои толщиной от микронов до миллиметров, обладающих уникальными свойствами, повышающими сроки службы деталей в десятки раз.
Концентрация энергии очень велика, а время воздействия столь мало, что лазерная обработка практически не изменяет свойств основного материала. После лазерной резки детали изделие можно оставить без дальнейшей обработки.
Лазерное излучение используется во многих областях человеческой деятельности машиностроении, сельском хозяйстве, медицине, связи, для обработки и хранения информации, измерения расстояний, времени и скорости, в научных исследованиях. Разные области применения налагают специфические для этой области требования к лазерам для сварки, резки и сверления металлов необходимы мощные лазеры непрерывного действия, а для исследования быстропротекающих процессов - лазеры, излучающие очень короткие, но энергичные импульсы, и т.д. В частности, для связи и обработки информации желательно иметь миниатюрные, но довольно мощные импульсные или непрерывные лазеры. Для этого используют твердотельные лазеры с высокоэффективными, то есть с большим КПД активными элементами.