Устройство оптического квантового генератора

Плоды научно-технического прогресса не всегда находят свое конкретное практическое выражение сразу после подготовки теоретической основы. Так произошло и с лазерной техникой, возможности которой в полной мере не раскрыты до сих пор. Теория оптических квантовых генераторов, на базе которой была создана концепция устройств, испускающих электромагнитное излучение, частично освоена благодаря оптимизации лазерной техники. Однако специалисты отмечают, что потенциал оптического излучения может стать основой для целого ряда открытий в будущем.

Принцип действия устройства

Под квантовым генератором в данном случае понимается лазерный аппарат, действующий в оптическом диапазоне в условиях вынужденного монохроматического, электромагнитного или когерентного излучения. Само происхождение слова лазер в переводе указывает на эффект усиления света путем вынужденного излучения. На сегодняшний день существует несколько концепций реализации лазерного устройства, что обусловлено неоднозначностью принципов работы оптического квантового генератора в разных условиях.

Ключевым фактором различий является принцип взаимодействия лазерного излучения с целевым веществом. В процессе излучения энергия подается определенными порциями (квантами), что позволяет контролировать характер воздействие излучателя на рабочую среду или материал целевого объекта. Среди базовых параметров, которые позволяют корректировать уровни электрохимического и оптического воздействия лазера, выделяют фокусировку, степень концентрации потока, длину волны, направленность и т. д. В некоторых технологических процессах играет роль и временной режим излучения – к примеру, импульсы могут иметь длительность от доли секунды до десятков фемтосекунд с перерывами от мгновения до нескольких лет.

Синергетическая структура лазера

На заре становления концепции оптического лазера систему квантового излучения в физическом выражении принято было понимать как форму самоорганизации нескольких энергетических компонентов. Таким образом и сформировалось понятие синергетики, позволившей сформулировать основные свойства и этапы эволюционного развития лазера. Независимо от типа и принципа работы лазера, ключевым фактором его действия является выход за пределы равновесия световых атомов, когда система становится неустойчивой и в то же время открытой.

Отклонения в пространственной симметрии излучения создают условия для появления импульсного потока. После достижения определенной величины накачки (отклонения) оптический квантовый генератор когерентного излучения становится управляемым и переходит в упорядоченную диссипативную структуру с элементами самоорганизующейся системы. В определенных условиях устройство может работать в режиме импульсного излучения циклически, а ее изменения приведут к хаотическим пульсациям.

Рабочие компоненты лазера

Теперь стоит перейти от принципа работы к конкретным физико-техническим условиям, в которых действует лазерная система с определенными характеристиками. Важнейшее значение, с точки зрения работоспособности оптических квантовых генераторов, имеет активная среда. От нее, в частности, зависит интенсивность усиления потока, свойства обратной связи и оптического сигнала в целом. Например, излучение может происходить в газовой смеси, на которой сегодня работает большинство лазерных аппаратов.

Следующий компонент представлен источником энергии. С его помощью создаются условия для поддержания инверсии заселенности атомами активной среды. Если проводить аналогию с синергетической структурой, то именно энергетический источник выступит своего рода фактором отклонения света от нормального состояния. Чем мощнее поддержка, тем выше накачка системы и эффективнее лазерное воздействие. Третий компонент рабочей инфраструктуры – это резонатор, который обеспечивает многократное излучение при прохождении через рабочую среду. Этот же компонент способствует выводу оптического излучения в полезном спектре.

Устройство гелий-неонового лазера

Наиболее распространенный форм-фактор современного лазера, конструкционную основу которого составляет газоразрядная трубка, оптические зеркала-резонаторы и электрический источник энергоснабжения. В качестве рабочей среды (наполнитель трубки) используется смесь гелия и неона, как видно из названия. Сама трубка выполняется из стекла кварца. Толщина стандартных цилиндрических конструкций варьируется от 4 до 15 мм, а длина – от 5 см до 3 м. По торцам трубы закрываются плоскими стеклами с небольшим уклоном, что обеспечивает достаточный уровень поляризации лазера.

Оптический квантовый генератор на гелий-неоновой смеси имеет небольшую спектральную ширину полос излучения порядка 1,5 ГГц. Данная характеристика обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ, обуславливая успешность применения аппарата в интерферометрии, устройствах считывания визуальной информации, спектроскопии и т. д.

Устройство полупроводникового лазера

Место рабочей среды в таких аппаратах занимает полупроводник, в основе которого заключаются кристаллические элементы в виде примесей с атомами трех- или пятивалентного химиката (кремний, индий). По способностям к удельной проводимости этот лазер стоит между диэлектриками и полноценными проводниками. Разница в рабочих качествах проходит по параметрам температурных величин, концентрации примесей и характеру физического воздействия на целевой материал. Энергетическим источником накачки в данном случае может выступать электроэнергия, магнитное излучение или электронный пучок.

В устройстве оптического квантового генератора на полупроводниках часто используется мощный светодиод из твердотельного материала, который может аккумулировать большие запасы энергии. Другое дело, что работа в условиях повышенных электротехнических и механических нагрузок быстро ведет к износу рабочих элементов.

Устройство лазеров на красителях

Данный вид оптических генераторов заложил основу для формирования нового направления в лазерной технике, работающей с длительностью импульса до пикосекунды. Это стало возможным благодаря использованию органических красителей в качестве активной среды, однако функции накачки должен выполнять другой лазер – как правило, аргоновый.

Что касается конструкции оптических квантовых генераторов на красителях, то для обеспечения сверхкоротких импульсов используется специальная база в виде кюветы, где формируются условия вакуума. Модели с кольцевым резонатором в такой среде позволяют обеспечивать прокачку жидкого красителя на скорости до 10 м/c.

Особенности оптоволоконных излучателей

Разновидность лазерного прибора, в котором функции резонатора выполняет оптическое волокно. С точки зрения рабочих свойств, данный генератор является наиболее производительным по объему оптического излучения. И это при том, что конструкция прибора имеет очень скромные размеры на фоне других типов лазеров.

К особенностям оптических квантовых генераторов данного рода относится и универсальность в плане возможностей подключения источников накачки. Обычно для этого применяются целые группы оптических волноводов, которые объединяются в модули с активным веществом, что также способствует конструкционной и функциональной оптимизации прибора.

Реализация системы управления

В основе большинства аппаратов стоит электротехническая основа, за счет которой напрямую или косвенным способом обеспечивается энергетическая накачка. В простейших системах через эту систему питания и осуществляется контроль мощностных показателей, влияющих на интенсивность излучения в пределах определенного оптического диапазона.

Квантовые генераторы профессионального назначения содержат и развитую оптическую инфраструктуру для контроля потоков. Посредством таких модулей, в частности, контролируется направление сопла, мощность и длина импульса, частота, температура и другие эксплуатационные характеристики.

Сферы применения лазеров

Хотя оптические генераторы по-прежнему остаются устройствами с пока еще не до конца раскрытыми возможностями, уже сегодня сложно назвать область, где бы их не задействовали. Наиболее ценный практический эффект они дали промышленности как высокоэффективный инструмент резки твердотельных материалов с минимальными затратами.

Широко используются оптические квантовые генераторы и в лечебных методах применительно к глазной микрохирургии и косметологии. Например, универсальным лазерным инструментом в медицине стали так называемые бескровные скальпели, позволяющие не только рассекать, но и соединять биологические ткани.

Заключение

На сегодняшний день существует несколько перспективных направлений развития оптических генераторов излучения. К наиболее популярным можно отнести технологию послойного синтеза, 3D-моделирование, концепцию объединения с робототехникой (лазер-трекеры) и т. д. В каждом случае предполагается свое особое применение оптических квантовых генераторов – от поверхностной обработки материалов и сверхбыстрого создания композитных изделий до пожаротушения посредством излучения.

Очевидно, что более сложные задачи потребуют наращивания мощностей лазерной техники, в результате чего будет повышен и порог ее опасности. Если сегодня главным поводом для обеспечения безопасности при работе с такой аппаратурой является ее вредное воздействие для глаз, то в будущем речь может идти и о специальной защите материалов и объектов, вблизи которых организуется применение оборудования.