Сублимационная очистка 99Мо методом лазерного сканирования

Большинство твердотельных лазеров  работают в импульсном режиме, так  как для накачки, при которой  возникает генерация, требуется  создавать на активном элементе весьма большие облученности (десятки Вт/см²). Их удается получать только в импульсном режиме при помощи специальных импульсных ламп накачки.

 

Непрерывный режим генерации в твердотельных лазерах возможен только в активных веществах, работающих по четырёхуровневой схеме (лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия (CaF2(Dy³⁺)) и лазера на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов [9].

КПД твердотельных  лазеров составляет от 1 до 3,5%.

3. Полупроводниковые лазеры

Активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы:

GaAs (арсенид галлия), AlGaAs (арсенид галлия - алюминия), GaP (фосфид галлия), InGaP (фосфид галлия - индия), GaN (нитрид галлия), InGaAs (арсенид галлия - индия), GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия),InP (фосфид индия), GaInP (фосфид галлия-индия) и др.

Рисунок 6 – Схема устройства полупроводникового лазера

В отличие  от всех других активных сред, уровни энергии  в которых дискретны и поэтому  генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие  энергетические зоны, их излучение  происходит в широком диапазоне  длин волн (трудность получения монохроматичности) и обладает малой когерентностью (невысокая направленность излучения).

В активной среде движутся либо избыточные электроны (n-проводимость, от англ. negativ — отрицательный) либо дырки, их нехватка (p-проводимость, от positiv — положительный). При их рекомбинации в слое p-n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение [19].

Современные технологии изготовления полупроводниковых структур позволили существенно увеличить время жизни лазеров, которое составляет десятки тысяч часов непрерывной работы.

Вариация состава полупроводникового материала позволяет изменять спектральный диапазон излучения от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. 

Полупроводниковые лазеры отличаются простой конструкцией и имеют очень высокий КПД (до 50%, а отдельные модели — около 100%).

Лазеры работают и в непрерывном, и в импульсном режиме, развивая мощность от долей мВт до 1 МВт (только в импульсе) [4,9].

1.5.4 Жидкостные лазеры

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Схематичное изображение лазера на красителях

Их активной средой служат:

1 растворы органических соединений (органические красители на основе бензола и ряда других соединений). Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 0,322 до 1,260 мкм простой заменой кюветы с раствором.

Лазеры на красителях генерируют как  непрерывное излучение, так и  последовательности ультракоротких импульсов  длительностью до 2·10^-13сек. [20].

Все лазеры на красителях накачиваются оптическим методом с помощью  стержневых ламп. В качестве источника  для накачки красителей можно  также использовать лазер на азоте.

Другим широко используемым источником накачки является мощное излучение  линий (сине-зеленая и ультрафиолетовая области спектра) ионного аргонового лазера.

2 растворы  комплексных соединений редкоземельных  элементов (используются растворы редкоземельных хелатов).

Хелат представляет собой сложный органический комплекс, в котором ионы редкоземельного элемента (европия Eu, тербия Tb, самария Sm) находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих органическим молекулам (лигандам). Они пока не нашли применения из-за недостаточной химической стойкости хелатов [8].

3 неорганические жидкости. Активными частицами являются ионы редкоземельных элементов (главным образом Nd³⁺).

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях работают в импульсном и непрерывном режимах.

Жидкостные лазеры используются в  целом реже, чем газовые либо твердотельные  лазеры, однако с точки зрения некоторых  приложений они обладают рядом уникальных свойств.

Главное преимущество жидкостных лазеров  — сравнительно высокая выходная мощность излучения, получение которой  облегчается возможностью реализации циркуляции жидкости через теплообменник с целью её охлаждения.

Так как жидкости обладают оптической однородностью, то это дает возможность  получать высококогерентное узконаправленное излучение почти таких же параметров, как и у газовых лазеров.

Недостатком жидкостных лазеров является быстрое разрушение активной жидкости под действием излучения накачки [20].

 

6. Практическое применение лазеров
1. Применение лазерного излучения в промышленности и технике

Оптические  квантовые генераторыи их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности.

Начиная с 1964 года, малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия.

Пример  такого способа сверления - пробивка отверстий в часовых камнях, которая  сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные  импульсные лазеры, например, лазер  на стекле с неодимом. Отверстие  в камне (при толщине заготовки около 0,1 – 0,5 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов длительностью около 10^-4 с. Производительность установки в автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности механического сверления [21].

Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) произошла авария - перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако лазерный луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку, и должным образом фокусирую его, можно осуществить сварочную работу.

Большой интерес представляют последние  разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор  должен отличаться сверхвысоким качеством  изображения [22].

 

 

 

2. Применение лазеров в медицине

Свойством лазерного луча сверлить и сваривать  различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они  решили использовать его в качестве «светового скальпеля». По сравнению  с обычным такой скальпель  обладает целым рядом достоинств:

во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств, надежностью в  работе. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель  из строя. Для механического скальпеля  такая ситуация стала бы фатальной;

во-вторых, лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует только излучение;

в-третьих, лазерный луч производит почти бескровный разрез, так как одновременно с  рассечением тканей он коагулирует  края раны «заваривая» не слишком  крупные кровеносные сосуды;

в-четвертых, лазерный луч позволяет хирургу  хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпель загораживает рабочее поле;

в-пятых, луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки  ткани повреждаются значительно  меньше, чем при использовании  механического скальпеля [23].

Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как  показали клинические наблюдения) почти  не болит и относительно скоро  заживляется.

Все это  привело к тому, что лазерный скальпель  был применен на внутренних органах  грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, печени, селезенке  и почках, делают кожно-пластические операции.

Широко  используют в офтальмологии при  лечении глазных болезней. Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (длительность порядка - 0,1 с.). Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, сетчатку «приваривают» к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно [24].

Кроме того успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов.

Лазеры  довольно успешно применяются и  в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как  близорукость и дальнозоркость.

Трудно  переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных  неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно  полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний  различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

Весьма  перспективно использование непрерывных  и импульсных лазеров для прижигания ран и остановки кровотечений у больных с пониженной свертываемостью  крови.

Можно успешно  выжигать лазерным лучом родимые пятна, татуировки и бородавки.

К другим возможным областям применения лазеров  в медицинских целях можно  отнести стоматологию. Лазеры могут  быть применены вместо бормашины  при лечении зубов [25].

3. Применение в химии

Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее.

Лазерное  излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и  энергией. Подбирая частоту лазерного  луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва  которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет  ускорять одни химические реакции и  подавлять другие, то есть проводить селективный синтез [2].

Различные изотопы поглощают свет с различной  длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-либо определенного  изотопа, переводя в возбужденное состояние. Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем [26].

 

Рисунок 8 - Лазерное разделение изотопов

 

Преимущества  лазерного разделения:

1 Высокая  селективность элементарного акта  разделения. В большинстве традиционных методов коэффициент разделения на одной ступени α очень мал, поэтому для получения высокой степени разделения необходимо использовать очень много каскадов разделения.

Лазерные  методы обеспечивают получение α >> 1. Это приводит к многократному  уменьшению числа каскадов разделения, сводя их во многих случаях к одному.

2 Низкие  затраты энергии. В таблице  1 приведены сравнительные затраты  энергии, эВ на атом, для различных  традиционных и для лазерных  методов разделения изотопов.

 

 

 

 

Таблица 1 -  Сравнительные затраты энергии, эВ на атом, для различных методов  разделения изотопов

Традиционные методы	Затраты энергии, эВ		Лазерные методы	Затраты энергии, эВ
Электромагнитное разделение	106÷107		Диссоциация ИК излучением (при КПД  лазера 5÷10%)	102÷103
Газовая диффузия (для 235U - 238U)	3·106
Газовая центрифуга (для 235U - 238U)	4,5·105		Ионизация атомов видимым или УФ излучением (при КПД лазера 0,5÷1%)	103
Дистилляция (для 10B – 11B)	103
Химически обмен (для 10B – 11B)	102