Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 31 страниц)

Солнечные лазеры

Сразу же после открытия лазера стали мечтать о прямом преобразовании белого, некогерентного солнечного света в монохроматическое, когерентное излучение лазера. Это позволило бы, например, существенно уменьшить вес лазерной системы, располагаемой на спутнике, поскольку все функции системы накачки могли бы выполняться Солнцем. Эти мечты вскоре были реализованы, и в 1966 г. были созданы лазеры с солнечной накачкой. Однако их эффективность была довольно низкой, типично порядка 1%, т.е. лишь сотая доля собранного солнечного излучения преобразовывалась в лазерный свет. Позднее, были разработаны весьма совершенные способы концентрации солнечного света, немыслимые прежде. В результате получалась концентрация 72 Вт/мм ², что превышает интенсивность света на самой поверхности Солнца (63 Вт/мм ²). С такими значениями интенсивности света накачки можно создать лазеры с улучшенными параметрами. Эффективность уже превзошла 6%.

Оптические волокна и лазерная связь

Со времен античности свет использовался для передачи сообщений. В Китае, Египте, и в Греции использовали днем дым, а ночь огонь для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической связи мы можем вспомнить осаду Трои. В своей трагедии «Агамемнон», Эсхил дает детальное описание цепочки сигнальных огней на вершинах гор Ида, Антос. Масисто, Египланто и Аракнея, а также на утесах Лемно и Кифара, для передачи в Арго весть о захвате Трои ахейцами.

В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.

На Капри до сих пор можно видеть руины античного «Фаро» (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.

В Северной Америке одна из первых оптических систем связи была установлена около 300 лет назад в колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек в Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило ряд позиций для сигнальных огней во многих деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. В этой цепи, которая начиналась с Иль Верте, на расстоянии около 200 км от Квебека ниже по течению, было не менее 13 пунктов. С начала 1700-х гг. в каждой из этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать за сигналом, посылаемым из деревни ниже по течению, и передавать его далее. С помощью такой системы сообщение о британской атаке в 1759 г. достигло Квебека прежде, чем было слишком поздно.

В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (1847—1922) получил патент на «фотофон» устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:

«Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов ...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить».

Изобретение лазера стимулировало возросший интерес к оптической связи. Однако, вскоре было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки с газовыми линзами и диэлектрические волноводы, но все они были оставлены в конце 1960-х гг., когда были разработаны оптические волокна с малыми потерями.

Понимание, что тонкие стеклянные волокна могут проводить свет за счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной с XIX в. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) и использованной в инструментах и для освещения. Однако в 1960-х гг. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. В то время типичным значением ослабления был один децибел на метр, означающим, что после прохода 1 м пропущенная мощность уменьшается до 80%. Поэтому было возможным лишь распространение по волокну длиной несколько десятков метров, и единственным применением была медицина, например эндоскопы. В 1966 г. Чарльз Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, в которой показали, что если в плавленом кварце тщательно устранить примеси, а волокно окружить оболочкой с меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления до -20 дБ/км [15]15
  За этот результат Ч. Као получил в 2009 г. Нобелевскую премию по физике. – Прим. пер.


[Закрыть]. Это означает, что при прохождении длины 1 км мощность пучка ослабляется до одной сотой входной мощности. Хотя это и очень малое значение, оно приемлемо для ряда применений.

Как часто бывает в таких ситуациях, в Великобритании, Японии и США начались интенсивные усилия с целью получить волокна с улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут в 1970 г. Е. П. Капроном, Дональдом Кеком и Робертом Майером их Компании Корнинг Глас. Они изготовили волокна, которые имели потери 20 дБ/км на длине волны 6328 А° (длина волны He-Ne-лазера). В том же году И. Хаяши с сотрудниками сообщили о лазерном диоде, работающем при комнатной температуре.

В 1971 г. И. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой связи в AT&T Bell Laboratories (Холмдел, Нью-Джерси, США), и ему было поручено разработать системы с высокой скоростью передачи информации. Его начальники У. Даниельсон и Р. Компфнер перевели часть персонала в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы «не спускать глаз» с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.

Итак, предварительный эксперимент был сделан в середине 1976 г. в Атланте с оптическими волоконными кабелями, помещаемыми в трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел к созданию системы, которая связала две телефонные станции в Чикаго. На основе этих первых результатов, осенью 1977 г., в Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. В 1983 г. связь была установлена между Вашингтоном и Бостоном, хотя это и было связано с многими трудностями. Эта система связи работала со скоростью передачи 90 Мбит/с. В ней использовалось многомодовое волокно на длине волны 825 нм.

Между тем NTTC (японская телеграфная и телефонная компания) сумела вытягивать волокна с потерями лишь 0,5 дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,5 мкм, а Линкольновская лаборатория в MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного диода, способного непрерывно работать в диапазоне между 1,0 и 1,7 мкм при комнатной температуре. Использование волокон с малыми потерями на 1,3 мкм позволило создать более совершенные системы. Были построены системы с пропусканием 400 Мбит/с в Японии и 560 Мбит/с в Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. В США было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая все еще использует медный провод, является связь между домом и телефонной станцией. Эта «последняя миля», как ее стали называть, также становится объектом волоконной связи.

Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен в действие в 1858 г. Почти сто лет спустя, в 1956 г., был проложен первый телефонный кабель, получивший название ТАТ-1. В 1988 г. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей на оптических волокнах (их стали называть ТАТ-8). Они работают на длине волны 1,3 мкм и связывают Европу, Северную Америку и Восточную часть Тихого океана. В 1991 г. началось установление второго поколения волоконно-оптической связи, ТАТ-9, которая работает на 1,3 мкм и связывает США и Канаду с Великобританией, Францией и Испанией. Другая линия работает между США и Канадой и Японией.

В мире имеется ряд других волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией и Японией покрывает 27 300 км в Атлантическом океане, Средиземном море, Красном море, Индийском океане, в Тихом океане, и имеет 120 000 промежуточных усилителей на пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 г. использовал 36 преобразователей, а первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.

Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.

Однако имеется одно достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Это возможность непосредственно усиливать оптические сигналы в волокне, т.е. без необходимости сперва извлекать их из волокон. Путем добавления в материал волокна примесей подходящих элементов, например эрбия, и возбуждения их с помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между двумя уровнями эрбия с переходом, который точно соответствует 1,5 мкм. В результате можно получить усиление импульса света на этой длине волны при его распространении через волокно. Кусок такого активного волокна помещается между двумя концами волокон, через которые распространяется сигнал. С помощью оптического ответвителя в этот кусок направляется и излучение накачки. На выходе остаток излучения накачки выходит наружу, а усиленный сигнал продолжает распространение в волокне. С помощью такого подхода можно исключить промежуточные электронные усилители. В старых системах электронных усилителей свет выходил из волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался и преобразовывался в свет, который продолжал распространяться в следующей секции волокна.

Компакт-диски

Одним из самых популярных применений лазеров является их использование в системах записи и воспроизведения компакт-дисков (CD), которые ныне полностью заменили старомодные виниловые диски. Технология оптических дисков берет свое начало в исследовательских лабораториях фирмы Филипс (Нидерланды) в 1969 г. Параллельно исследования в этой области проводились фирмой Сони (Япония). После соглашения обе эти фирмы стали сотрудничать, и в 1982 г. компакт-диски вышли на рынок. В этой системе звуковая информация сначала записывается и преобразуется в серию импульсов, которые представляют первоначальный сигнал (т.е. сигнал оцифровывается). Затем эти импульсы переносятся на поверхность стеклянного диска с помощью сложной техники, использующей лазер, испускающий ультрафиолет. Этот лазер «записывает» последовательность импульсов в виде отверстий на поверхности диска. Каждое отверстие имеет микроскопические размеры с шириной около тысячной миллиметра (0,5 мкм) и глубиной 1000 А°. Таким образом, можно зарегистрировать большой объем информации на очень малой площади диска. Эту предварительную запись используют для изготовления матрицы, с помощью которой изготавливаются пластиковые копии для продажи. Для «считывания» записанной информации диск вращается, и считывание получается с использованием света GaAlAs-диодов, работающих на длине волны 780 нм. Свет диода направляется на диск и отражается той частью поверхности, где нет отверстий, а сами отверстия не отражают свет. Отраженный свет регистрируется подходящим приемником. Сигналы декодируются электроникой с преобразованием в звук (рис. 64). В настоящее время получают лучшие результаты с диодами, работающими в сине-зеленой области спектра. Уменьшение длины волны позволяет уменьшить размеры отверстий и тем самым записать большую информацию на той же площади диска.

Рис. 64. Схема системы считывания с оптического диска. Свет, излучаемый лазерным диодом, формируется в пучок, который направляется на диск с записанной информацией. Та же оптическая система собирает отраженный свет и посылает его на приемник

Разумеется, реальная система значительно сложнее, чем описано. Используются весьма искусные оптические системы, которые обеспечивают, что лазерный свет всегда нужным образом фокусируется на диск (положение фокуса изменяется не более 0,5 мкм), а диск вращается с постоянной скоростью. На диске также закодированы сигналы номеров содержания диска, продолжительность выбранного трека и всей записи. Эти сигналы служат для выбора желаемого куска информации на диске без необходимости прослушивать всю запись. Принципиальным преимуществом является то, что диск записывается и считывается световым пучком, без какого-либо механического контакта. Поэтому исключаются все царапины и повреждения, характерные для старых пластинок. Более того, можно записывать информацию с избытком, поэтому малые царапины и следы от пальцев часто не сказываются на работе. Разумеется, если грязь и пыль накапливается на диске, он может выйти из строя.

Оптические диски позволяют вообще сохранять огромное количество данных. Наиболее важным применением оптических дисков является т.н. CD-ROM (компакт-диск только для считывания памяти), которые обычны в компьютерах.

Медицинские применения

Применение в медицине – одно из интереснейших использований лазеров. Лазеры начинают широко использоваться в биологических исследованиях и в медицинской практике. Большинство применений основано на стандартном коммерчески доступном оборудовании.

Одним из первых применений лазеров стала офтальмология. Фотокоагуляция с потерей зрения, которая может произойти при наблюдении затмения, известна с античных времен. Платон предостерегал людей никогда не смотреть прямо на затмение, так как это могло привести к ослеплению. Это было забыто людьми, наблюдающими взрыв первой атомной бомбы, некоторых из которых были ослеплены вспышкой. В 1950-х гг., до появления лазера, коагуляторы сетчатки глаза использовали свет от ксеноновых дуговых ламп. Действие этого света на сетчатку было таким же, как и действие солнечного света. Одним из первых применений было восстановление отслоенной сетчатки. Врачи использовали ксеноновую лампу для выжигания, которое позволяло возвратить на место отслоенную сетчатку глаза. Естественным было использование лазера для улучшения этой процедуры, и это оказалось успешным!

Фотокоагуляция заключается в следующем. Лазерный свет превращается в тепло с возрастанием температуры приблизительно до 65°. Это повышение температуры приводит к денатурации белка с образованием коагулянта. Таким же способом можно также устранить ненормальные кровеносные сосуды, кисты, опухоли и другие ненормальности в глазу. Это может также обеспечить слипание отслоенной ретины и сосудистой оболочки.

Главной причиной потери зрения людей в возрасте от 20 до 64 лет является болезнь сосудов, в частности диабетная ретинопатия. Причиной потери зрения также является дегенерация роговицы, которая получается или при снижении эффективности сосудистой оболочки, или при чрезмерном увеличении кровеносных сосудов в центре ретины. Во многих случаях коагуляция этих сосудов может стабилизировать эти проблемы.

Одним из пионеров в области лазерной офтальмологии был американец Френсис Эсперанс (Francis L'Esperance Jr.), который работал в Институте глаза (Нью-Йорк, США). После экспериментов с рубиновым лазером он решил, что лазер, генерирующий сине-зеленое излучение, значительно лучше. Поскольку вскоре после рубинового лазера появился аргоновый лазер, работающий как раз на этих длинах волн, то он решил приобрести его. Он узнал, что Компания Raytheon изготовила такой лазер с выходной мощностью 10 Вт для американского правительства, который предполагалось использовать для военных целей. Это было огромное чудовище длиной более 3,5 м! После изготовления этого лазера он стал не нужен правительству и Эсперанс получил его. Лазер был застрахован, и его должны были доставить в лабораторию на девятом этаже. Лазер был слишком велик и не помещался в лифте. Поэтому был нанят лучший такелажник Нью-Йорка, который не ронял ничего в своей жизни. Лазер поднимался из окна. Большая толпа собралась наблюдать подъем. Лазер подняли почти до пятого этажа, но затем «трах, трах», что-то оборвалось, и весь ящик рухнул на землю. Люди были испуганы. Можно было подумать, что кто-нибудь из семьи Эсперанс умер: люди плакали и выражали свое сочувствие.

Френсис отправил разбитый ящик обратно компании и, к удивлению, лазер был работоспособен. Но, разумеется, компания отказалась от гарантии и предложила изготовить другой. К счастью, страховка была выплачена, и Эсперанс смог заказать новый лазер. Спустя некоторое время Raytheon предоставила ему лазер меньшего размера. С ним начались лабораторные эксперименты, которые показали превосходство аргонового лазера над рубиновым лазером.

Первое испытание состоялось 14 февраля 1968 г. Была предпринята попытка устранить бельмо на зрачке у молодой девушки. Операция оказалась успешной, и у девушки полностью восстановилось зрение. В настоящее время аргоновый лазер является стандартным инструментом в офтальмологии. Лазер используется для лечения глаукомы и для коррекции зрения с помощью изменения кривизны роговицы, путем аккуратного испарения тонкого слоя роговицы.

Еще одно применение – устранение камней мочевого пузыря. Обычно камни представляют собой некоторое органическое образование, окружаемое кристаллической субстанцией разной природы (фосфат кальция, мочевая кислота и др.). При проходе камня из почки в мочеиспускательный канал возникают сильные колики. Кроме удаления камней традиционными хирургическими методами были разработаны альтернативные методы, такие, как фармакологическое растворение и эндоскопическая хирургия. Дробление камней бескровным способом является очень прогрессивным. Обычно используют ультразвук или гидравлические волны, производимые электрическим разрядом вблизи расположения камня. С появлением лазера в 1968 г. стал применяться лазерный метод. Лазерный свет, направляемый на камень с помощью оптического волокна, испаряет и разрушает его. После дробления фрагменты выходят наружу естественным путем.

Существуют и другие применения лазеров в медицине, например, в хирургии, причем с помощью оптических волокон операция может выполняться в трудно доступных местах. Лазеры также применяются во многих терапевтических процедурах и для диагностики.

Быстрое развитие лазеров ультракоротких импульсов и выпуск на рынок образцов таких лазеров на рынок способствовали быстрому внедрению их в биомедицинскую сферу. В частности, в области лазерной хирургии излучение в виде ультракоротких импульсов позволяет производить более точные разрезы с существенно меньшими повреждениями окружающих тканей. Такие лазеры также с успехом используются в офтальмологии.

Здесь мы должны остановиться. Хотя говорилось далеко не обо всем, но даже то, что изложено, позволяет понять фундаментальную важность использования лазеров в медицине.

Технические применения

Способность сконцентрировать лазерный свет в очень малой области позволяет производить с высокой скоростью и точностью такие технологические операции, как резка, прожигание отверстий, сварка, закалка и др. При этом можно работать с самыми различными материалами, такими, как металлы, керамика, пластмассы, дерево и др. Возможность точно контролировать выполнение таких операций с помощью компьютера делает их совместимыми с роботами, т.е. полностью автоматизировать их.

Лазерные технологии нашли применения в автомобильной и авиационной промышленности. Использование лазеров для резки, сварки и закалки в производстве автомобилей позволяет существенно повысить их характеристики и снизить стоимость изготовления.

Лазерный пучок можно направить с высокой точностью в заданное место, не вызывая никаких вредных воздействий на окружающий материал. При этом можно достигать трудно доступные места. С помощью лазеров можно производить закалку более эффективно, чем с помощью обычных печей. В то время, как печь должна функционировать круглые сутки, для работы всего лишь в течение нескольких часов, лазер дает энергию только тогда, когда требуется. Автомобильная промышленность была первой, где использовались лазеры для термической обработки распределительных валов, цилиндров и клапанов. При обработке поверхностей лазерным излучением материал подвергается структурным изменениям, и становится прочнее и менее подверженным коррозии.

Лазерная резка используется не только с металлами, но также в текстильной промышленности, например для раскройки материалов, кожи, бумаги или дерева. Электронная промышленность является одной из главных областей применения лазеров. Они с успехом используются в производстве микросхем. С их помощью производится изготовление и очистка печатных схем, пайка элементов и ремонт быстродействующих микросхем путем прецизионного устранения нежелательных соединений в схеме.

Интересным примером является резка алмаза. Иногда требуется разрезать алмаз в направлениях, не связанных с его кристаллическими ориентациями. Обычно алмаз при механической обработке раскалывается по определенным направлениям (плоскости спаянности). Лазер позволяет обойти это ограничение.

Наконец, можно сказать и об использовании лазерных роботов в качестве инструментов или датчиков.