Плоди науково-технічного прогресу не завжди знаходять своє конкретне практичне вираження відразу після підготовки теоретичної основи. Так сталося і з лазерною технікою, можливості якої повною мірою не розкрито дотепер. Теорія оптичних квантових генераторів, на базі якої була створена концепція пристроїв, що випускають електромагнітне випромінювання, частково освоєна завдяки оптимізації лазерної техніки. Однак фахівці відзначають, що потенціал оптичного випромінювання може стати основою для цілої низки відкриттів у майбутньому.

Принцип дії пристрою

Під квантовим генератором в даному випадку розуміється лазерний апарат, діючий в оптичному діапазоні в умовах вимушеного монохроматичного, електромагнітного або когерентного випромінювання. Саме походження слова лазер в перекладі вказує на ефект посилення світла шляхом вимушеного випромінювання. На сьогоднішній день існує кілька концепцій реалізації лазерного пристрою, що зумовлено неоднозначністю принципів роботи оптичного квантового генератора в різних умовах. Ключовим фактором відмінностей є принцип взаємодії лазерного випромінювання з цільовим речовиною. В процесі випромінювання енергія подається певними порціями (квантами), що дозволяє контролювати характер вплив на випромінювача робоче середовище або матеріал цільового об'єкта. Серед базових параметрів, які дозволяють корегувати рівні електрохімічного та оптичного впливу лазера, виділяють фокусування, ступінь концентрації потоку, довжину хвилі, спрямованість і т. д. В деяких технологічних процесах відіграє роль і часовий режим випромінювання – наприклад, імпульси можуть мати тривалість від частки секунди до десятків фемтосекунд з перервами від хвилини до декількох років.

Синергетична структура лазера

На зорі становлення концепції оптичного лазера систему квантового випромінювання у фізичному вираженні прийнято було розуміти як форму самоорганізації декількох енергетичних компонентів. Таким чином і сформувалося поняття синергетики, дозволила сформулювати основні властивості та етапи еволюційного розвитку лазера. Незалежно від типу і принципу роботи лазера, ключовим фактором його дії є вихід за межі рівноваги світлових атомів, коли система стає нестійкою і в той же час відкритою. Відхилення в просторової симетрії випромінювання створюють умови для появи імпульсного потоку. Після досягнення певної величини накачування (відхилення) оптичний квантовий генератор когерентного випромінювання стає керованим і переходить в упорядковану диссипативную структуру з елементами самоорганізуючої системи. В певних умовах пристрій може працювати в режимі імпульсного випромінювання циклічно, а її зміни призведуть до хаотичним пульсаціям.

Робочі компоненти лазера

Тепер варто перейти від принципу роботи до конкретних фізико-технічних умов, в яких діє лазерна система з певними характеристиками. Важливе значення, з точки зору працездатності оптичних квантових генераторів, має активне середовище. Від неї, зокрема, залежить інтенсивність посилення потоку, властивості зворотного зв'язку та оптичного сигналу в цілому. Наприклад, випромінювання може відбуватися в газовій суміші, на якій сьогодні працює більшість лазерних апаратів.

Наступний компонент представлений джерелом енергії. З його допомогою створюються умови для підтримки інверсії заселеності атомами активного середовища. Якщо проводити аналогію з синергетичної структурою, то саме енергетичний джерело виступить свого роду фактором відхилення світла від нормального стану. Чим могутніше підтримка, тим вище накачування системи і ефективніше лазерне вплив. Третій компонент робочої інфраструктури – це резонатор, який забезпечує багаторазове випромінювання при проходженні через робочу середу. Цей же компонент сприяє висновку оптичного випромінювання в корисному спектрі.

Пристрій гелій-неонового лазера

Найбільш поширений форм-фактор сучасного лазера, конструкційну основу якого становить газорозрядна трубка, оптичні дзеркала-резонатори і електричний джерело енергопостачання. В якості робочого середовища (наповнювач трубки) використовується суміш гелію і неону, як видно з назви. Сама трубка виконується зі скла кварцу. Товщина стандартних циліндричних конструкцій варіюється від 4 до 15 мм, а довжина – від 5 см до 3 м. По торцях труби закриваються плоскими стеклами з невеликим ухилом, що забезпечує достатній рівень поляризації лазера.
Оптичний квантовий генератор на гелій-неонової суміші має невелику спектральну ширину смуг випромінювання близько 15 ГГц. Дана характеристика забезпечує ряд експлуатаційних переваг, обумовлюючи успішність застосування апарату в інтерферометрії, пристроях зчитування візуальної інформації, спектроскопії і т. д.

Пристрій напівпровідникового лазера

Місце робочого середовища в таких апаратах займає напівпровідник, в основі якого полягають кристалічні елементи у вигляді домішок з атомами трьох - або пятивалентного хімікату (кремній, індій). За здібностями до питомої провідності цей лазер стоїть між діелектриками і повноцінними провідниками. Різниця в робочих якостях проходить по параметрами температурних величин, концентрації домішок і характером фізичного впливу на цільовий матеріал. Енергетичним джерелом накачування в даному випадку може виступати електроенергія, магнітне випромінювання або електронний пучок. У пристрої оптичного квантового генератора на напівпровідниках часто використовується потужний світлодіод з твердотільного матеріалу, який може акумулювати великі запаси енергії. Інша справа, що робота в умовах підвищених електротехнічних і механічних навантажень швидко веде до зношування робочих елементів.

Пристрій лазерів на барвниках

Даний вид оптичних генераторів заклав основу для формування нового напрямку в лазерній техніці, що працює з тривалістю імпульсу до пикосекунды. Це стало можливим завдяки використанню органічних барвників в якості активного середовища, проте функції накачування повинен виконувати інший лазер – як правило, аргоновий.
Що стосується конструкції оптичних квантових генераторів на барвниках, то для забезпечення надкоротких імпульсів використовується спеціальна база у вигляді кювети, де формуються умови вакууму. Моделі з кільцевим резонатором в такому середовищі дозволяють забезпечувати прокачування рідкого барвника на швидкості до 10 м/c.

Особливості оптоволоконних випромінювачів

Різновид лазерного приладу, в якому функції резонатора виконує оптичне волокно. З точки зору робочих властивостей, що цей генератор є найбільш продуктивним за обсягом оптичного випромінювання. І це при тому, що конструкція приладу має дуже скромні розміри на тлі інших типів лазерів. До особливостей оптичних квантових генераторів даного роду відноситься і універсальність в плані можливостей підключення джерел накачування. Зазвичай для цього застосовуються цілі групи оптичних хвилеводів, які об'єднуються в модулі з активною речовиною, що також сприяє конструкційної і функціональної оптимізації приладу.

Реалізація системи управління

В основі більшості апаратів варто електротехнічна основа, за рахунок якої безпосередньо або непрямим способом забезпечується енергетична накачування. У найпростіших системах через цю систему харчування і здійснюється контроль потужностних показників, що впливають на інтенсивність випромінювання в межах певного оптичного діапазону.

Квантові генератори професійного призначення містять і розвинену оптичну інфраструктуру для контролю потоків. За допомогою таких модулів, зокрема, контролюється напрямок сопла, потужність і довжина імпульсу, частота, температура та інші експлуатаційні характеристики.

Сфери застосування лазерів

Хоча оптичні генератори, як і раніше, залишаються пристроями з поки ще не до кінця розкритими можливостями, вже сьогодні складно назвати область, де б їх не задіяли. Найбільш цінний практичний ефект вони дали промисловості як високоефективний інструмент різання твердотільних матеріалів з мінімальними витратами. Широко використовуються оптичні квантові генератори і в лікувальних методах стосовно до очної хірургії і косметології. Наприклад, універсальним лазерним інструментом в медицині стали так звані безкровні скальпелі, що дозволяють не тільки літати, але і з'єднувати біологічні тканини.

Висновок

На сьогоднішній день існує кілька перспективних напрямків розвитку оптичних генераторів випромінювання. До найпопулярніших можна віднести технологію пошарового синтезу, 3D-моделювання, концепцію об'єднання з робототехнікою (лазер-трекери) і т. д. В кожному випадку передбачається своє особливе застосування оптичних квантових генераторів – від поверхневої обробки матеріалів і надшвидкого створення композитних виробів до пожежогасіння за допомогою випромінювання. Очевидно, що більш складні завдання потребуватимуть нарощування потужностей лазерної техніки, в результаті чого буде підвищений і поріг її небезпеки. Якщо сьогодні головним приводом для забезпечення безпеки при роботі з такою апаратурою є її шкідливий вплив для очей, то в майбутньому може йтися і про спеціальну захист матеріалів і об'єктів, поблизу яких організується застосування обладнання.