O`zbekiston respublikasi oliy ta’lim vazirligi universiteti

Kirish - lazerlar tarixi
Doktor Stiven Trokel eksimer lazerni ko'rishni tuzatishga patentladi. Excimer lazeri dastlab 1970-yillarda silikon chipslarni o'ralgan holda ishlatilgan. 1982 yilda IBM tadqiqot laboratoriyalarida ishlaydigan Rangaswamy Srinivasin, Jeyms Wynne va Samuel Blum eksimer lazerining biologik to'qima bilan o'zaro aloqada bo'lish imkoniyatlarini ko'rgan. Srinivasin va IBM jamoasi siz to'qimalarni qo'shni materiallarga hech qanday issiqlik keltirmasdan lazer bilan olib tashlashingiz mumkinligini tushundi.

Steven Trokel

Nyu-York shahrining oftalmolog shifokori Steven Trokel kornea bilan aloqani yo'lga qo'ydi va 1987 yilda bemorning ko'zlarida birinchi lazer operatsiyasini amalga oshirdi. Kelgusi o'n yil lazer ko'zlarini jarrohlikda ishlatiladigan uskunalar va texnikani takomillashtirish uchun sarflandi. 1996 yilda AQShda oftalmik refraktsiyani ishlatish uchun birinchi eksimer lazer tasdiqlangan.
Eslatma: 1970-yillarda ko'z fiziologiyasi bo'yicha doktor Fyodorovning kuzatishlari radial keratotomiya yordamida sinchkovlik bilan jarrohlik amaliyotini qo'llash imkonini berdi.


2.2. Gaz lazerlari haqida
Ushbu turdagi lazerlarning faol muhiti gaz yoki gaz aralashmasidir.
Gaz lazerlarida ishlaydigan mikrozarrachalar gaz atomlari (neon Ne, ksenon Xe), musbat zaryadlangan ionlar (neon Ne2+, Ne3+, argon Ar2+, kripton Kr2+), molekulalar (azot N2, karbonat angidrid CO2, suv H2O, siyan kislotasi HCN) hisoblanadi. . Ko'pincha boshqa gaz asosiy ishchi gaz bilan aralashtiriladi. Misol uchun, geliy-neon lazerida Ne neon atomlari faol zarralardir. Geliy aralashmasi U kvant tizimining yuqori darajalariga rezonans energiya o'tkazish orqali neon Ne atomlarining qo'zg'alishi uchun sharoitlarni yaxshilaydi.
Gaz fazasidagi faol muhitning o'ziga xos xususiyati uning yuqori optik bir xilligi bo'lib, bu katta rezonator uzunliklaridan foydalanish va nurlanishning yuqori yo'nalishi va monoxromatikligiga erishish imkonini beradi. Gazli tizimning optik nasosi samarasiz, chunki gazlar tor spektral diapazonlarda (chiziqlar) energiyani yutadi, lampalar esa keng chastota diapazonlarida yorug'lik chiqaradi. Gaz lazerlarida lampalar bilan optik nasosning samaradorligi juda past.
Shuning uchun, ushbu guruhning lazerlari faol muhit orqali elektr tokini o'tkazish yoki porlash deb ataladigan oqim orqali pompalanadi.
Bo'shatish jarayonida gazning mikrozarralari (atomlari, ionlari, molekulalari) bilan to'qnashuvda paydo bo'ladigan erkin elektronlar ularni elektron ta'sirida qo'zg'atadi va yuqori energiya darajalariga o'tkazadi. Agar yuqori energiya sathlarida qo'zg'aluvchi mikrozarrachalarning umri nisbatan uzoq bo'lsa, gazsimon muhitda aniq va barqaror populyatsiya inversiyasi hosil bo'ladi. Elektron zarba usuli uzluksiz va / yoki impulsli rejimlarda ishlaydigan gaz lazerlarini pompalash uchun samarali qo'llaniladi.
Rezonansli qo'zg'alish o'tkazish usuli ham muvaffaqiyatli qo'llaniladi, bunda bir turdagi mikrozarralarning qo'zg'alishi boshqa turdagi mikrozarralar bilan elastik bo'lmagan to'qnashuvlarda sodir bo'ladi. Bunda gazda faol muhit hosil bo‘lishi ikki bosqichda sodir bo‘ladi: birinchidan, elektronlar yordamchi gazning mikrozarrachalarini qo‘zg‘atadi, so‘ngra ular ish gazining mikrozarralari bilan elastik bo‘lmagan to‘qnashuv jarayonida ortiqcha energiyani uzatadi. ularga. Yordamchi mikrozarrachalarning dastlabki energiya to'planishi, agar bu mikrozarrachalarning yuqori energiya darajasida ishlash muddati nisbatan uzoq bo'lsa, to'g'ri sodir bo'ladi.
Kimyoviy nasos, gaz dinamik kengayish va boshqalar usullari kamroq qo'llaniladi.
Gaz lazerlarida faol gaz trubkasi optik rezonatorga joylashtiriladi, u eng oddiy holatda ikkita parallel oynadan iborat bo'lib, ulardan biri yarim shaffofdir. Faol gaz orqali tarqaladigan optik to'lqin kuchayadi va fotonlarning ko'chkisini hosil qiladi. Yarim shaffof oynaga etib borgan to'lqin qisman rezonatordan tashqariga chiqib, lazer nurlanishini hosil qiladi. Optik energiyaning yana bir qismi oynadan aks etadi va fotonlarning yangi ko'chkisini hosil qiladi. Barcha fotonlar chastotasi, fazasi va keyingi tarqalish yo'nalishi bo'yicha bir xil.
Gaz lazerlari juda keng chastota diapazonida ishlaydi (ultrabinafshadan uzoq infraqizilgacha).
Qattiq va suyuqliklar bilan solishtirganda, gazlar ancha past zichlikka va yuqori bir xillikka ega, shuning uchun gazlardagi optik nur amalda buzilmaydi, tarqalmaydi va energiyani yo'qotmaydi. Natijada, gaz lazerlarida lazer nurlanishining yo'nalishi keskin ravishda yorug'lik diffraktsiyasi bilan belgilanadigan chegaraga oshadi. Ko'rinadigan yorug'lik hududida gaz lazerlarining yorug'lik nurlarining divergensiyasi 10-5-10-4 rad, infraqizil mintaqada esa 10-4-10-3 rad.
Gaz lazerlarida radiatsiya chastotasining barqarorligi, asosan, nometall va optik bo'shliqning boshqa tarkibiy qismlarining harakatsizligi bilan belgilanadi, bu juda yuqori chastotali barqarorlikni kafolatlaydi. Gaz lazerlari asosiy qiyinchiliklarsiz bitta o'ziga xos chastotali (monoxromatik nurlanish) optik tebranishlarni yaratishga qodir bo'lishi juda muhimdir.
Molekulyar lazerlarda energiya darajalari molekulalarning tebranish darajalariga bog'liq, ya'ni. tashkil etuvchi atomlarning nisbiy harakati, atom elektronlari esa past energiya darajasida qoladi va hayajonlanmaydi. Molekulyar lazerlar guruhining xarakterli va eng keng tarqalgan vakili CO2 karbonat angidrid lazeridir.
CO2 lazerlari birinchi xorijiy va mahalliy CtP qurilmalarida, masalan, LGA lazerli o'yma mashinasida ishlatilgan. Biroq, hozirgi vaqtda ular kamdan-kam qo'llaniladi, asosan metallar yoki polimerlarni o'yma qilish uchun. Buning sababi CO2 lazerlarining yuqori sovutish talablari, maydonning sayoz chuqurligi va katta nuqta o'lchami (30 mkm dan ortiq) kabi kamchiliklari edi.
Gazli CO2 lazerlarida populyatsiyaning inversiyasi elektron ta'sirida molekulalarni qo'zg'atish va rezonansli qo'zg'alish o'tkazish orqali erishiladi. Qo'zg'alish energiyasi N2 azot molekulalari tomonidan uzatiladi, ular o'z navbatida elektron ta'sirida qo'zg'atiladi. Odatda, porlash oqimi sharoitida azot molekulalarining taxminan 90% qo'zg'aluvchan holatga o'tadi, uning umri juda uzoq. Molekulyar azot qo'zg'alish energiyasini yaxshi to'playdi va uni elastik bo'lmagan to'qnashuvlarda CO2 molekulalariga osongina o'tkazadi. Yuqori populyatsiya inversiyasiga oqizish aralashmasiga geliy qo'shilishi orqali erishiladi, bu oqimning boshlanishi uchun sharoitlarni osonlashtiradi va CO2 molekulasining past lazer darajalarining kamayishiga yordam beradi.


Karbonat angidrid molekulasining tebranish darajalarining nozik tuzilishi to'lqin uzunligini 940 dan 1060 nm gacha bo'lgan to'lqin uzunligi oralig'ida diskret ravishda o'zgartirishga (lazerni qayta joylashtirish) imkon beradi.
CO2 lazer uzluksiz rejimda yuqori chiqish quvvatini ta'minlaydi. Karbonat angidrid molekulalari elektron razryad bilan qo'zg'atilganda, bunday lazer 10 kVtgacha kuch chiqaradi. Ushbu lazerlarning yuqori samaradorligi 15-20%, ba'zan esa 40% ga etadi. CO2 lazerlari impulsli rejimda ham samarali.
CO2 lazerlarining dizayni yuqori darajadagi energiya, chastota va chiqish nurlanishining burchak barqarorligini ta'minlashga imkon beradi. Faol muhit va rezonatorning eksenel simmetriyasini to'g'ri moslashtirish ko'ndalang rejimlarni ishonchli tanlash va eng past TEM00 rejimini tanlash imkonini beradi. Chiqish nurlanishining burchak holatining barqarorligi yuqori aniqlik bilan mog'or materiali yuzasida yo'naltirilgan nurning joylashishini nazorat qilish imkonini beradi. Yaratilgan nurning kichik diafragmasi nisbatan arzon optik elementlardan foydalanish imkonini beradi. Lazer nurlanishining sifati uning nurlarini 50-100 mkm o'lchamdagi nuqtaga yo'naltirish va 108 Vt / sm2 gacha bo'lgan radiatsiya intensivligini olish imkonini beradi.
CO2 lazerining ishlashining asosiy shartlaridan biri lazer aralashmasini 600-700 ° K dan yuqori haroratda isitishga yo'l qo'ymaslikdir va shuning uchun uni samarali sovutish kerak. Lazerning ishchi aralashmasidan issiqlikni olib tashlash yoki tushirish trubasining sovutilgan devoriga issiqlik tarqalishi tufayli yoki gazning qizdirilgan qismini yangisiga almashtirish orqali amalga oshirilishi mumkin. Shuning uchun, ishchi aralashmani sovutish usuliga ko'ra, gaz deşarj CO2 lazerlari odatda diffuziya va konvektiv sovutish bilan lazerlarga bo'linadi.
Gaz lazerining ishchi aralashmasini diffuziya bilan sovutish printsipi gazning quvur yoki kameraning sovutilgan devorlariga molekulyar issiqlik o'tkazish jarayoni tufayli lazer hosil qilish paytida chiqarilgan issiqlikni olib tashlashdir.
Ishchi aralashmani gaz chiqarish zonasi orqali tez surtish orqali amalga oshiriladigan konvektiv sovutish bilan lazerlarda diffuziya lazerlarining mos keladigan parametrlari bilan solishtirganda yuqori darajadagi ish bosimi va o'ziga xos hajmli energiyaga erishiladi. Bu diffuziya sovutish vaqtiga nisbatan tez nasos paytida aralashmaning sovutish vaqtini keskin qisqartirish bilan ta'minlanadi.
Uzunlamasına va ko'ndalang nasosli konvektiv CO2 lazerlarining odatiy sxemalari bir nechta silindrsimon (bo'ylama nasosli) yoki bitta to'rtburchaklar (ko'ndalang nasosli) tushirish kameralari, rezonator, issiqlik almashtirgichlar, fan, gaz kanallari va chiqish oynasidan iborat.
Inert gazlar, geliy-neon (He-Ne) va argon (Ar) asosidagi lazerlar kengroq qo'llanilishini topdi.


Argon lazeri etti xil to'lqin uzunligini chiqarishi mumkin, ammo bu lazerlarning 80% dan ortig'i 488 (ko'k) va 514,5 nm (yashil) diapazonlarda ishlaydi. Yaqin ultrabinafsha mintaqada lazer ikki to'lqin uzunligida ishlaydi - 351,1 va 363,8 nm. Ushbu ikkala soha ham katta amaliy qiziqish uyg'otadi, chunki ular keng qo'llaniladigan fotografik va shakl materiallarining maksimal sezgirlik sohasiga to'g'ri keladi.
CO2 lazer bilan solishtirganda, argon lazeri ancha arzon va oson ishlaydi. Argon lazeri kompyuterdan plastinkaga FNA texnologiyasiga keldi, garchi u bugungi kunda ularda kamdan-kam qo'llaniladi. Hozirgi vaqtda argon lazerlari ultrabinafsha va ko'rinadigan spektr diapazonlarida uzluksiz kogerent nurlanishning eng kuchli manbalari hisoblanadi.
Argon lazeri nisbatan yuqori energiya darajasiga ega bo'lgan ion o'tishlarida ishlaydi, shuning uchun bu lazerni pompalamak uchun yuqori oqim oqimi talab qilinadi. Radiatsiya quvvati dastlab oqimning kubiga mutanosib ravishda o'sadi; ishlashga yaqin rejimlarda bu qaramlik taxminan kvadratikdir. Oqim zichligi (600-1000 A / sm2) yanada ortishi bilan to'yinganlik kuzatiladi, keyin esa nasl yo'qolguncha pasayish kuzatiladi.
Gaz chiqarish trubkasidagi yuqori oqim zichligi tufayli Ar+ ionlari katod tomon pompalanadi, bu esa generatsiyaning buzilishiga olib keladi. Ushbu ta'sirni qoplash uchun gaz chiqarish trubkasi loyihasida teskari gaz aylanishini ta'minlaydigan qo'shimcha quvur (bypass kanali) nazarda tutilgan (3.16-rasm). Ushbu trubka orqali oqim paydo bo'lishining oldini olish uchun u asosiy gaz chiqarish trubkasidan uzunroq qilib qo'yiladi. Bundan tashqari, kolba odatda trubaning o'qiga parallel ravishda doimiy magnit maydonga joylashtiriladi. Uzunlamasına magnit maydon asosan plazma parametrlariga ta'sir qiladi; deşarj trubasining devorlariga maydon chiziqlari bo'ylab harakatlanadigan elektronlarning traektoriyalari burama. Natijada, plazmadagi to'qnashuv chastotasi oshadi va devor yo'qotishlari kamayadi. Magnit maydonda zaryadsizlanishning yonish kuchlanishi pasayadi va bir xil tushirish oqimida radiatsiya quvvati ortadi, ya'ni samaradorlik oshadi.
Hozirgi vaqtda turli darajadagi radiatsiya quvvatiga mo'ljallangan ko'plab turdagi ionli gaz lazerlari ishlab chiqarilmoqda. Sanoatda eng keng tarqalgan bo'lib uzluksiz rejimda ishlaydigan va 0,01-0,1% samaradorligi bilan millivattdan 520 Vt gacha bo'lgan nurlanish quvvatiga ega qurilmalardir. Shaxsiy namunalarda yuzlab vattgacha bo'lgan radiatsiya quvvati foizning o'ndan bir qismigacha bo'lgan samaradorlik bilan olingan.
Kuchli gaz chiqindilaridan foydalanish qobiqlarni va gaz chiqarish quvurlarining boshqa strukturaviy elementlarini yo'q qilishdan himoya qilish uchun maxsus choralarni ko'rishni talab qiladi. Shuning uchun, dizayn nuqtai nazaridan, ionli argon lazeri boshqa gaz lazerlariga qaraganda ancha murakkab.
Yuqori quvvatli argon lazerlarining keng qo'llanilishiga ularning yuqori narxi, past samaradorligi (10% gacha) va yuqori quvvat sarfi (3-5 kVt) to'sqinlik qiladi. Shunga qaramay, bunday lazerlar zamonaviy CtP uskunalari va FNAda qo'llaniladi. Masalan, argon lazeri Esko-Graphics PlateDriver-ga o'rnatilishi mumkin. PlateDriver-ning maksimal ruxsati 6,5 mikron nuqta o'lchamida 5080 dpi ni tashkil qiladi.


CtP qurilmalarida ishlatiladigan gaz lazerining yana bir turi geliy-neon bo'lib, u ham atom deb ataladi. Ushbu lazerda geliy va neon aralashmasi faol modda sifatida ishlaydi. Eng keng tarqalgani qizil nurli (to'lqin uzunligi 633 nm) va infraqizil nurlanishli (1150 va 3390 nm to'lqin uzunliklarida) geliy-neon lazerlari.
Rag'batlantirilgan emissiya neon atomlari tomonidan yaratiladi, geliy atomlari esa faqat energiyani neon atomlariga o'tkazishda ishtirok etadi. Gaz aralashmasi elektr toki bilan qo'zg'atilganda (to'g'ridan-to'g'ri yoki taxminan 30 MGts chastotali o'zgaruvchan), reklama neon chiroqidagi razryadga o'xshash porlash oqimi paydo bo'ladi.
Geliy-neon lazerining yordamchi va ishchi zarrachalarining energiya darajalarining sxemasi (3.17a-rasm) gazli lazerlar uchun xosdir.
Elektr razryadda neon atomlarining bir qismi E1 er sathidan qo'zg'atilgan yuqori energiya darajasi E3 ga o'tadi, ammo sof neonda E3 qo'zg'aluvchi mikrozarrachalarning ishlash muddati qisqa, atomlar undan tezda E1 va E2 darajalariga o'tadi. bu E2 va E3 darajalari juftlari uchun etarlicha yuqori populyatsiya inversiyasini yaratishga to'sqinlik qiladi geliy aralashmasi vaziyatni sezilarli darajada o'zgartiradi. Geliyning birinchi hayajonlangan darajasi neonning yuqori E3 darajasiga to'g'ri keladi. Shuning uchun, elektron ta'sirida qo'zg'atilgan geliy atomlari qo'zg'atmagan neon atomlari bilan to'qnashganda (energiya E1), qo'zg'alish o'tishi sodir bo'ladi, buning natijasida neon atomlari qo'zg'aladi va geliy atomlari asosiy holatga qaytadi. Etarlicha ko'p miqdordagi geliy atomlari bilan neonning E3 darajasining ustun populyatsiyasiga erishish mumkin. Bunga neonning E2 darajasining kamayishi ham yordam beradi, bu atomlar gaz chiqarish trubkasi devorlari bilan to'qnashganda sodir bo'ladi.
Quvur yuqori sifatli kvarts oynasidan tayyorlangan. Ishlab chiqarish quvvati asosan quvur diametriga bog'liq. Uning diametrining oshishi bilan, bir tomondan, ishchi aralashmaning hajmi ortadi, boshqa tomondan, plazmaning elektron harorati pasayadi, bu esa gaz atomlarini hayajonlantirishga qodir elektronlar sonining kamayishiga olib keladi.
Geliy-neon lazerlarining afzalliklari radiatsiya kogerentligi, kam quvvat iste'moli (8-10 Vt) va nisbatan kichik o'lchamdir. Asosiy kamchiliklar past samaradorlik (10% gacha) va 100 mVt dan oshmaydigan past chiqish quvvatidir. Qo'zg'alish uchun yuqori amplitudali impulsli kuchlanish ishlatilsa, lazer impulsli rejimda ishlaydi.
633 nm to'lqin uzunligi bo'lgan geliy-neon lazer, masalan, ECRM-dan samolyot ichidagi TigerCat CtP qurilmalari bilan jihozlangan. TigerCat qurilmalarining maksimal yozib olish ruxsati 3556 dpi, nuqta o'lchami 14 mkm.
FNKda yuqori quvvatli qisqa to'lqinli gaz lazerlaridan foydalanish yanada barqaror xarakteristikaga ega bo'lgan rastr nuqta - "qattiq" nuqtani olish imkonini beradi. Bunday nuqtalar uchun qirralarning va markazning qorayish darajasi juda oz miqdorda farq qiladi. Bunday manbalarga mos ravishda 650 va 488 nm to‘lqin uzunligiga ega geliy-neon (He-Ne) va argon (Ar) lazerlari misol bo‘la oladi.

3.