Автор: Гранкин В.Я. Танин Н.А. Нестеренко М.Т. Макухин В.Н.
Теги: физика квантовая электроника лазерное излучение
Год: 1977
Текст
ЛАЗЕРНОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
id общей редакцией профессора В. Я ГРАНКИНА
Ордена Трудового Красного Знамени
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР
МОСКВА—1977
1
Л 17z
У/ЙСЭЗО.145(024)
Авторский коллектив- В. Я. Гранкии; Н А Танин,
М Т. Нестеренко; В Н. Маку хин
оз г
Лазерное излучение. Под общ. ред. В. Я- Гранкина.
Л17 М., Воениздат, 1977.
192 с. с илл.
В книге рассмотрены и описаны свойства лазерного излу-
чения, его взаимодействие с веществом, вопросы биологиче-
ского, термического и механического воздействия лазерного
излучения на различные материалы. Кроме того, в книге
освещены вопросы защиты от лазерного излучения и требо-
вания техники безопасности при работе с лазерами.
Книга написана по материалам, опубликованным в от-
крытой отечественной и зарубежной печати, и рассчитана на
широкий круг читателей, интересующихся квантовой электро-
никой. Фактический материал взят из иностранных источни-
ков. Предполагается, что читатель уже знаком с основами
квантовой электроники и лазерной техники.
„ 30407-204
JI-----------
068(02)-77
86-77
6Ф4
© Воениздат, 1977
ВИВДИОТЭДА
Имамшег» мм« мча
инвмтутл
ВВЕДЕНИЕ
Научно-техническая революция, начавшаяся с 50 х
годов нашего столетия, вызвала появление ряда новых
наук, в том числе и квантовой электроники.
Квантовая электроника сформировалась на основе
квантовой механики, радиофизики, оптики, радиоэлек-
троники и физики твердого тела и изучает процессы ге-
нерации, усиления и преобразования электромагнитных
колебаний в оптическом диапазоне на основе квантовых
явлений. Процессы генерации и усиления в этом диапа-
зоне базируются на принципе стимулированного (инду-
цированного) излучения в элементарных частицах (ато-
мах, ионах, молекулах) вещества.
Эта наука возникла в результате диалектического
представления о двойственной — противоречивой — кор-
пускулярно-волновой природе света. Следует заметить,
что даже в самом названии «квантовая электроника»
выражены связь и единство электронов и квантов излу-
чения [1].
Впервые возможность усиления света квантовой си-
стемой, находящейся в возбужденном состоянии, была
георетически обоснована в 1940 году советским ученым
В Л. Фабрикантом В 50-х годах он вместе с Ф А Бу-
таевой и М М. Вудынским провел серию опытов по уси-
лению излучений, подтвердивших теоретические расчеты.
В 1954 1958 годах советские ученые, ныне академи-
ки Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, провели ряд комплекс-
ных исследований в области генерации излучений в оп-
тическом диапазоне на основе применения молекуляр-
ных генераторов. В это же время в США возможности
генерации излучений в оптическом диапазоне с помощью
квантовых систем исследовались Ч. Таунсом
Н Г Басов, А М Прохоров и Ч. Таунс за осново-
полагающие открытия в области генерации и усиления
** 3
электромагнитных излучений квантовыми системами, ос-
нованными на индуцированном излучении, в 1964 году
были удостоены Нобелевской премии.
Оптические квантовые генераторы (лазеры) — это
приборы, генерирующие когерентное излучение электро-
магнитной энергии в оптическом диапазоне на основе
использования вынужденного — индуцированного — из-
лучения и положительной обратной связи. Названия
«оптические квантовые генераторы» и «лазеры» употреб-
ляются в данной книге как синонимы.
Лазерное излучение присуще только оптическому диа-
пазону. Оптический диапазон, входящий в состав спек-
тра электромагнитных колебаний, охватывает огромную
полосу частот и включает области инфракрасного излу-
чения видимых глазом человека лучей, ультрафиолето-
вого и рентгеновского излучений, а также область гам-
ма-излучения.
Изобретение лазеров явилось величайшим достиже-
нием современной науки. До 1960 года лазерное излуче-
ние, как его понимают сегодня, не было ни обнаружено
в природе, ни создано в лабораториях ученых. Лазерное
излучение рождено в научной лаборатории. Лазер — де-
тище квантовой электроники.
Лазерное излучение в отличие от других излучений
оптического диапазона имеет ряд преимуществ, высокую
монохроматичность, когерентность и направленность, а
также огромную плотность энергии в луче. В связи с
этим под лазерным излучением понимают монохромати-
ческий, когерентный и узконаправленный поток электро-
магнитной энергии, излучаемый оптическим квантовым
генератором (ОКГ).
Ввиду особых свойств лазерного излучения оптиче-
ские квантовые генераторы стали быстро внедряться и
находить широкое распространение в народном хозяйст-
ве и в военной технике некоторых зарубежных стран.
Около 200 областей применения насчитывают лазеры
в настоящее время Они используются в дальнометрии,
системах передачи информации, телевидении, спектро-
скопии, при обработке металлов и сверхтвердых матери-
алов, в химии, электронно-вычислительной технике, при
обеспечении термоядерных процессов, в геодезии, голо-
графии, биологии, медицине и т. д. Применение лазеров
поистине безгранично.
4
С каждым годом увеличивается число людей, связан-
ных с лазерным излучением, поскольку лазеры начина-
ют выпускаться в большом количестве. Поэтому необхо-
димо знать свойства лазерного излучения и особенности
его влияния на организм человека, а также на различ-
ные вещества и материалы.
Глава 1
ЛАЗЕРЫ И ИХ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ
В научно-технической литературе приводится несколь-
ко вариантов классификации чазеров. По типу активного
вещества лазеры делятся * на твердотельные, полу-
проводниковые, газовые и жидкостные (рис. 1.1) В за-
висимости от режима работы лазеры бывают непрерыв-
ного и импульсного излучения.
Генерацию излучения в лазерах обеспечивают четыре
основных элемента — активное вещество, оптический ре-
зонатор, источник возбуждения (накачки) и источник
питания. Однако для получения эффекта лазерного из-
лучения требуются дополнительные устройства и си-
стемы, обеспечивающие работоспособность генератора
или предназначающиеся для управления излучением.
К ним относят устройство для управления излучением, уст-
ройство для селекции типов колебаний, систему охлаж-
дения активного вещества и оптического резонатора, си-
стему модуляции излучения, внешнюю оптическую систему
фокусирования луча и некоторые другие устройства.
Присутствие тех или иных элементов или всех сразу
не является необходимым условием. Основным элемен-
том, где зарождается генерация излучения, является ак-
тивное вещество (активная среда) или рабочее тело.
Активные вещества, которых в настоящее время насчи-
тывается около ста, определяют конструкцию того или
иного лазера.
К активным веществам предъявляются следующие
требования: ширина спектральной линии излучения ато-
* В настоящее время следует руководствоваться классификаци-
ей, данной 0 ГОСТ 21394—75. (Нрим ред.)
6
Рис. 11. Классификация лазеров по типам активного вещества
tea или иона должна быть минимальной, поглощение
энергии, не связанное с переходом между рабочими энер-
гетическими уровнями, должно быть также минималь-
ным; время нахождения возбужденного атома (молеку-
лы, иона) в метастабильном состоянии — максималь-
ным; время нахождения возбужденного атома (молеку-
лы, иона) на верхнем энергетическом уровне должно
быть меньше времени пребывания его на метастабиль-
ном уровне.
Твердотельные лазеры могут иметь различные ак-
тивные вещества, например кристаллические, стеклян-
ные, пластмассовые.
Газовые лазеры разделяются на газостатические, га-
зодинамические, электроаэродинамические, электроиони-
зационные и химические.
Полупроводниковые (инжекционные) лазеры по ак-
тивному веществу не классифицируются.
Жидкостные лазеры могут иметь в качестве актив-
ного вещества как жидкие красители, так и неорганиче-
ские растворы.
Наибольшее применение находят твердотельные, по-
лупроводниковые и газовые лазеры. Жидкостные лазеры
еще находятся в стадии лабораторных разработок.
В настоящее время лазерное излучение наибольшей
интенсивности получено от газовых лазеров, поэтому при
рассмотрении лазеров всех основных типов наибольшее
внимание уделяется газодинамическим, электроаэроди-
н мическим, электроионизационным и химическим лазе-
рам, появившимся в начале 70-х годов. Однако для луч-
шего понимания физических процессов вначале корот-
ко рассмотрим принцип работы твердотельных и
полупроводниковых лазеров.
Твердотельные лазеры
Активное вещество (кристаллическое, стеклянное,
пластмассовое) твердотельных лазеров должно обладать
высокими оптическими качествами и стойкостью к раз-
рушению. В качестве активного вещества широко приме-
няют: рубин, активированный хромом, стекло или гра-
нат, активированные неодимом или эрбием, и другие
вещества.
Во всех твердотельных лазерах активное вещество
возбуждается с помощью света. В состав источника све-
8
та входят: источник электроэнергии, накопители электро-
энергии (конденсаторы, индуктивности), коммутирую-
щая система, излучатели света.
В первых образцах лазеров на рубине энергия вы-
ходного импульсного излучения составляла около
0,1 Дж. Затем были получены уровни энергии в сотни
и тысячи джоулей. Кроме увеличения общей энергии
излучения лазеров с момента их создания начали раз-
рабатывать методы повышения импульсной мощности
генераторов при фиксированном уровне средней мощ-
ности.
В настоящее время им ульсвую мощность излуче-
ния повышают путем уменьшения длительности импуль-
са. Наиболее эффективно длительность импульса можно
уменьшить, используя эффект изменения добротности
оптического резонатора с помощью оптических затворов.
Оптические затворы, например типа ячейки Керра, по-
зволили получить импульсную мощность твердотельных
лазеров в десятки мегаватт при длительности импульса
в единицы микросекунд. Если же длительность импульса
уменьшалась до единиц наносекунд, то импульсная мощ-
ность лазеров возрастала до сотен (тысяч) мегаватт.
—""‘ВГнастоящее время создан лазер на стекле, активи-
рованном неодимом, генерирующий на длине волны
1,06 мкм * импульсы длительностью 3 пс ** и мощностью
2,5 • 1013 Вт [2]. Однако энергия излучения составляет
всего-навсего 75 Дж. Сравнительно низкие уровни энер-
гии излучения объясняются тем, что активное вещество
твердотельных лазеров имеет ограниченное количество
атомов излучающих примесей (в рубине — хром, в стек-
ле— неодим), что и обусловливает необходимость их
работы в импульсном режиме.
Одной из причин, препятствующих дальнейшему по-
вышению мощности излучения твердотельного лазера,
является разрушение активного вещества (рабочего те-
ла) локальными мощностями на его торце. Избежать
разрушения можно путем увеличения диаметра рабочего
* В оптическом диапазоне электромагнитного спектра дли
измерения длин волн употребляются следующие единицы: микро-
метр (I мкм = [О-® м), нанометр (1 Нм = 10“’ м), а также уста-
О
ревшая единица ангстрем (1А= 10~10 м).
** 1 пс= 10-1г с. В одной секунде JG* нс (наносекунд) и О пс
(пикосекунд).
9
тела лазера либо применением многоэлементных лазер-
ных систем. Технология изготовления и обработки ра-
бочего тела больших размеров сложна и выход годных
образцов не превышает нескольких процентов. Помимо
технологических трудностей, увеличение диаметра огра-
ничивается возможностью создания в активном веществе
лазера необходимой инверсной населенности. Предель-
ный диаметр рабочего тела зависит также от коэффици-
ента поглощения излучения накачки рабочим телом (на-
пример, диаметр рубинового стержня не может пре-
вышать 25,4 мм). Следовательно, идя по пути увеличения
диаметра монокристалла, нельзя получить достаточно
больших выходных мощностей излучения, поэтому, ес-
тественно, были предприняты попытки повысить выход-
ную мощность излучения, используя различные много-
элементные лазерные системы.
В современных условиях большая часть исследований
направлена на получение режима непрерывного излуче-
ния твердотельного лазера Однако при мощном непре-
рывном излучении активное вещество перегревается и
мощность излучения падает Поэтому конструкция лазе-
ра предусматривает охлаждение активного вещества до
температуры жидкого азота ( 196°С), при этом полу-
чены уровни мощности излучения, достигающие 100 Вт.
Твердотельные лазеры в импульсном режиме могут
иметь длительность импульса от десятых долей пикосе-
кунды и более. Твердотельные лазеры генерируют излу-
чение в полосе частот 0,61—26 мкм [3]. Генерация твер-
дотельных лазеров охватывает области видимого и ин-
фракрасного излучения.
Одна из основных характеристик лазера — коэффи-
циент полезного действия (КПД), который у современ-
ных твердотельных лазеров составляет единицы процен-
тов. Такой сравнительно малый КПД объясняется пло-
хим согласованием частотных спектров излучения накач-
ки и частотных спектров поглощения излучения актив-
ным веществом.
Действительно, при создании в рубине «активной»
среды ионы хрома при переходе с нижнего уровня на
верхний поглощают только сине-зеленую часть спектра
излучения источника накачки. Доля энергии сине-зеле-
ного света (для большинства существующих источников
накачки) составляет всего 10% общей энергии. Следова-
10
тельно, 90% энергии расходуется напрасно. Однако и
поглощенные 10% также используются далеко не пол-
ностью. Одна часть этой энергии затрачивается на бес-
полезный нагрев активного вещества при переходе ионов
хрома с верхнего уровня на промежуточный, другая —
тратится на спонтанное излучение, которое возникает
сразу же после возбуждения, и третья часть компенси-
рует потери энергии в резонаторе и в самом активном
веществе. В результате КПД твердотельного лазера ока-
зывается равным 1—2%.
Важная характеристика твердотельных лазеров —
расходимость луча. Расходимость луча твердотельного
лазера зависит от длины волны и определяется условия-
ми дифракции. Реальная расходимость луча лазера, учи-
тывающая явление дифракции, значительно превышает
теоретически рассчитанную расходимость. Во-первых,
волна на выходе лазера имеет не плоскую форму, а не-
которую сферичность из-за дифракции в оптическом ре-
зонаторе. Во-вторых, неоднородность активного вещест-
ва приводит к искажению распределения поля на зерка-
ле оптического резонатора, что также вызывает
расширение и искажение диаграммы направленности из-
лучения. Поэтому реальная расходимость луча твердо-
тельных лазеров сравнительно велика и находится в
пределах 25—30'. Тем не менее область применения
твердотельных лазеров обширна. В частности, за рубе-
жом твердотельные лазеры применяются в дальномерах,
лазерно-телевизионных системах, при обработке твердых
и сверхтвердых материалов, в различных системах раз-
ведки и наведения снарядов, бомб и ракет на цель, в
тренажерах стрельбы, в средствах голографии, в термо-
ядерных реакторах и т. д.
Полупроводниковые лазеры
Важным шагом в развитии квантовой электроники
было создание полупроводникового (инжекционного)
лазера на основе арсенида галлия. Большой вклад в
создание полупроводниковых оптических квантовых ге-
нераторов внесли советские ученые Н. Г. Басов,
Б. М. Бул и Ю. М. Попов. На возможность использова-
ния полупроводниковых материалов в квантовых гене-
раторах указывалось еще в 1959 г. [4].
11
Наиболее значительным преимуществом полупровод-
никового генератора перед другими лазерами является
простота возбуждения (накачки) —лазер функциониру-
ет при пропускании через полупроводниковый материал
электрического тока. Конструкция полупроводникового
лазера ничем не отличается от конструкции плоскост-
ного диода. Поэтому иногда эти генераторы называют
диодными лазерами. В качестве активного вещества в
полупроводниковых лазерах применяют арсенид галлия,
кремний с примесью индия, фосфид галлия, арсенид ин-
дия и другие полупроводниковые материалы
Полупроводниковые лазеры могут работать как в им-
пульсном, так и в непрерывном режиме. Теоретически
коэффициент полезного действия их может достигать
значений, близких к 100%, практически он колеблется в
пределах 40—50% [5]. Мощность излучения полупровод-
никовых лазеров относительно мала. Это объясняется
малой толщиной переходного слоя полупроводникового
материала, используемого в качестве активного вещест-
ва. Слабым звеном полупроводникового лазера является
переходный слой, который в результате перегрева может
разрушиться Этот недостаток устраняется применением
криогенных систем. Криогенная система обеспечивает
достаточно хороший отвод тепла, так что плотность тока
накачки, проходящего через переходный слой, может со-
ставлять 104—10е А/см2. В настоящее время созданы по-
лупроводниковые лазеры, работающие при комнатной
температуре.
Полупроводниковые лазеры излучают на длинах волн
от 0,37 до 16,1 мкм. Большим преимуществом полупро-
водниковых лазеров по сравнению с другими являются
их малые размеры. Так, размеры активного вещества
наиболее распространенных полупроводниковых лазеров
составляют 1X1X1 мм.
Исследования показали, что можно увеличить мощ-
ность излучения полупроводниковых лазеров путем бом-
бардировки всего объема полупроводника пучком элек-
тронов с высокой энергией. Поток электронов направля-
ется па одну из граней полупроводникового диода.
Электроны, попадая во внутреннюю часть объема полу-
проводника, теряют свою энергию, которая расходуется
на создание огромного числа электронно-дырочных пар с
низкой энергией. Один электрон может создать до 104
12
комбинаций электронов й дырок, которые занимают свой
места соответственно на границе зоны возбуждения и
валентной зоны. Таким образом увеличивается инверс-
ная населенность энергетических уровней, при этом КПД
лазера несколько понижается, однако выходная мощ-
ность излучения вырастает пропорционально увеличению
используемого объема полупроводникового материала
лазера.
Полупроводниковые лазеры представляют большой
интерес с точки зрения применения в системах связи,
так как модуляция их излучения может быть осуществ-
лена изменением тока возбуждения. Кроме того, полу-
проводниковые лазеры за рубежом применяют в даль-
нометрировании и в системах управления оружием Ис-
ключительно малые размеры рабочего тела лазеров и
сравнительно высокая прочность дают возможность при-
менять их в лазерных взрывателях артиллерийских сна-
рядов (мин, ракет). К недостаткам полупроводниковых
лазеров следует отнести широкую спектральную линию
излучения. В настоящее время ширина спектральной ли-
нии излучения диодных лазеров значительна. В резуль-
тате возникает и другой недостаток — большой угол рас-
ходимости пучка, доходящий до 10 угловых градусов.
Газовые лазеры
Газовые лазеры разделяют на газостатические, газо-
динамические, эдектроаэродинамические, электроиониза-
ционные и химические. В газовых лазерах в качестве ак-
тивного вещества применяют газ или смесь газов.
Разделение газовых лазеров на указанные подтипы
определяется способами накачки. Как будет показано
ниже, в газодинамических лазерах, например, применяет-
ся принцип тепловой накачки активного вещества за
счет газодинамического процесса, в химических лазерах
накачка активного вещества осуществляется за счет хи-
мических реакций компонентов, входящих в состав ак-
тивного вещества. Большой вклад в разработку теории
газодинамических, электроаэродннамических, электро-
ионизационных и химических лазеров внесли академики
Н Г. Басов и А. М. Прохоров.
Газовые лазеры выделяются среди других типов ла-
зеров высокой спектральной чистотой, высокой степенью
13
когерентности, способностью работать как в импульсном,
так и в непрерывном режиме в диапазоне волн, охва-
тывающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную
области. Первые газовые лазеры (газостатические) об-
ладали небольшой мощностью излучения и уступали по
многим характеристикам твердотельным.
Стремление получить большую мощность излучения и
высокий КПД привело ученых к созданию в 70-х годах
газовых лазеров, основанных на применении совсем дру-
гих методов накачки нежели те, которые применялись в
газостатических лазерах. В результате в газовых лазерах
были получены примерно такие же импульсные мощно-
сти излучения, какие имеют современные твердотельные
лазеры. В непрерывном режиме современные газовые
лазеры генерируют излучение, мощность которого значи-
тельно превосходит мощность излучения твердотельного
лазера. Перед мощными газовыми лазерами открывает-
ся перспектива широкого применения в локации, связи,
навигации, технике обработки материалов, инициирова-
нии термоядерных реакций и др.
В табл. 1.1, по зарубежным данным, приведены па-
раметры твердотельных, полупроводниковых и газовых
лазеров.
Рассмотрим принцип действия и основные характе-
ристики газовых лазеров.
Газостатические лазеры появились вскоре после со-
здания твердотельного лазера на рубине. Это были ла-
зеры непрерывного действия, в которых в качестве ак-
тивного вещества использовались чистые газы или их
смеси. Их назвали газовыми оптическими квантовыми
генераторами. Однако с появлением в 1968 г. газодина-
мических лазеров было предложено газовые лазеры на-
зывать газостатическими, так как активное вещество в
них представляет собой смесь газов или один газ, за-
полняющий емкость постоянного объема (газоразрядную
трубку) при заданном давлении. Смесь газов или чистый
газ находится в данном объеме как бы в статическом
состоянии. Емкость такого лазера герметически закры-
та, и газы, находящиеся в ней, не убывают и не обме-
ниваются в процессе работы.
Принципиальное отличие газостатических лазеров от
твердотельных заключается в методике возбуждения (на-
качки) активного вещества. В газостатических лазерах
14
Таблица 1.1
Характеристики лазеров
Активное вещество Режнм работы Длитель- ность импульса, с Энергия нвлуч.е- инн, Дж Мощность излуче- ния, Вт
Т в е р д о т е л ь и ы е
Стекло с неодимом Импульсный 30 10”® 30—80 10е
То же 1» 7—8-10“9 40 4109
Стекло „Совирсль“ с 5’,'о-ной присадкой Nd2O3 > 30-10“® 30 10«
Генератор на стек- ле с неодимом-}-уси- литель на гранате 1» 2-10“® 40 20-109
Полупроводниковые
Арсенид галлия Импульсный 30-10-9 2-10 7 2—4
То же ,, ЮО-10"9 2-Ю- 5 200
Непрерывный — — 2
» —- — 3
Газовые
Углекислый Газ Непрерывный — —• 6 1 ‘
(СОг) (газодинамиче- ский лазер) Углекислый газ II 105
(электроаэродинамн- чсский лазер) Углекислый газ Импульсный 20-10“® 2000 Ю8
(электроионизацион- ный лазер) Водород и фтор, Непрерывный 2- 10s
дейтерий и фтор (хи- нческий лазер)
активное вещество возбуждается постоянным или пере-
менным (высокочастотным) напряжением, прикладывае-
мым к электродам газоразрядной трубки. Необходимая
инверсная населенность энергетических уровней создает-
ся электрическим разрядом.
Выходная мощность излучения газостатических лазе-
ров меняется от нескольких милливатт до десятков и
15
сот ватт. Такой мощности вполне достаточно, например,
для систем связи на расстояние в пределах прямой ви-
димости (что особенно важно в космосе) или для очень
точных измерительных приборов (геодезических лазер-
ных дальномеров, лазерных гироскопов и др).
Газостатические оптические квантовые генераторы
способны функционировать в непрерывном и импульсном
режимах, причем их импульсная мощность излучения не
превышает нескольких сот ватт. Указанная мощность
значительно меньше импульсной мощности твердотель-
ного лазера. Это объясняется тем, что плотность актив-
ного вещества газового лазера гораздо меньше плотно-
сти активного вещества твердотельного лазера, вслед-
ствие чего количество атомов в сравнимых единицах
объемов активного вещества будет различным. Отсюда и
общая населенность энергетических уровней в этих ла-
зерах различна.
Ширина спектральной линии излучения газостатиче-
ского лазера значительно меньше, чем у лазеров, рабо-
тающих на твердом теле. Спектр излучения осветитель-
ных ламп, наполненных инертными газами, очень узок,
а в газовом лазере спектр излучения сужается в мил-
лионы раз. Эта особенность важна для применения га-
зовых лазеров, так как позволяет получить остронаправ-
ленный и практически не расходящийся луч. В газовых
лазерах с конфокальными оптическими резонаторами
получена расходимость луча 2—5 угловых минут с плос-
кими отражателями не менее 2 угловых минут.
В качестве активного вещества в газостатических
лазерах могут применяться многие газы. Наиболее под-
ходящими являются инертные: аргон, гелий, криптон,
неон и ксенон, а также азот и углекислый газ.
В настоящее время получено излучение газовых ла-
зеров примерно на 200 различных частотах оптического
диапазона, начиная от ультрафиолетовой области (излу-
чение азота) и кончая дальним участком инфракрасной
области (излучение газовых лазеров, работающих на ко-
лебательных переходах молекул, их длина волны 300—
400 мкм) [3]
Созданы газостатические лазеры с поперечным раз-
рядом. В этом лазере для увеличения его мощности дав-
ление активного вещества повышается до 100 кПа (око-
ло 1 кгс/см2).
16
Газодинамические лазеры. Активное вещество газо-
динамического лазера представляет собой смесь азота
и двуокиси углерода. Инверсная населенность энергети-
ческих уровней в этом лазере создается за счет диффе-
ренцированной колебательной релаксации, вызываемой
столкновением молекул в процессе сверхзвукового рас-
ширения газа.
Согласно теоретическим расчетам газодинамические
лазеры способны создавать непрерывное лазерное излу-
чение мощностью в несколько сот тысяч киловатт в об-
ласти инфракрасного излучения [7].
В газодинамическом лазере применяется тепловая на-
качка за счет сгорания окиси углерода и реактивный
принцип истечения активного вещества. Лазерная камера
^напоминает по внешнему виду камеру сгорания реак-
сОд-вного двигателя. Она снабжена сужающймся и рас-
ширяющимся соплом, назначение которого состоит в по-
I лучении за соплом пониженных температур и давления
д_газа в целях создания инверсной населенности энерге-
гтических уровней.
*** Принцип работы газодинамического лазера основан
на расширении газовой смеси и резком снижении ее
температуры и давления за время, гораздо меньшее, чем
это требуется для протекания процессов колебательной
релаксации верхнего энергетического уровня лазерной
системы.
Принцип действия газодинамических лазеров на уг-
лекислом газе показан на рис. 1 2
лазера
Рис. 1.2. Схема газодинамического лазера
I — смесительная камера; 2 —сопло, 3 —лазерная камера; 4— об-
ласть генерации; 5 — зеркало оптического резонатора
2 Зак. 213 |7
I БИБЛИОТЕКА
|Ижек»<*г»
i.
нн»»пута
В смесительной камере 1 лазера находится смесь
нагретых газов (углекислого газа — 75%, азота — 22%
и водяных паров — 3%), Поскольку в процессе генера-
ции газовая смесь должна постоянно истекать из каме-
ры, то для такого истечения газов могут быть использо-
ваны различные способы, и в частности нагревание в га-
зообменном аппарате, сжигапие соответствующего топ-
лива и т. д.
В первых экспериментальных образцах газодинами-
ческого лазера сжигалось специальное топливо, полный
поток массы газа которого составлял около 1,36 кг/с [8].
Топливо (циан либо окись углерода) горело в присутст-
вии воздуха, а поджигалось оно с помощью небольшой
метановой горелки. Для обеспечения необходимой кон-
центрации газовой смеси при заданной температуре в
газовый поток на полпути от основной горелки до сопла
дополнительно вводился азот.
Возбужденные молекулы азота передают колебатель-
ную энергию молекулам углекислого газа. Давление и
температура в смесительной камере достигают соответ-
ственно 1,7 МПа (17 атм) и 1400 К. Скорость истечения
смеси газов за соплом 2 составляет 1360 м/с, в резуль-
тате чего в лазерной камере 3 (область расширения соп-
ла) давление и температура понижаются соответственно
до 104 Па (0,1 атм) и 350 К- Вытекающие газы поступа-
ют в область 4 генерации, которая находится вне каме-
ры лазера.
Добавление в газовую смесь азота и углекислого га-
за катализаторов (водяного пара или гелия) приводит
к релаксации нижнего лазерного энергетического уров-
ня за время, меньшее, чем это требуется для расшире-
ния газа. Таким образом, инверсная населенность энер-
гетических уровней, определяющая возможность появле-
ния лазерного излучения, возникает, если нагретая
газовая смесь расширяется и охлаждается при про-
пускании ее через сопло со сверхзвуковой скоростью.
Температура и давление газовой смеси падают на-
столько быстро, что энергия колебаний стимулирован-
ных атомов (молекул) «замораживается» в состоянии
высокой энергии. Вследствие этого повышается инверс-
ная населенность уровней возбужденных атомов азота
в области 3 при сохранении этими атомами энергии ко-
лебаний, которой они обладали при первоначальной тем-
пературс «замороженного» газового потока до Сопла
(1400 К)
При дальнейшем снижении давления возбужденные
атомы азота сталкиваются с молекулами углекислого
газа и передают им свою энергию колебаний. Получив-
шие энергию возбужденные молекулы углекислого газа
создают когерентное монохроматическое излучение на
волне 10,6 мкм.
Генерация лазерного излучения происходит в обла-
сти 4, где расположен резонатор, состоящий из плоских
медных зеркал 5. В газодинамических лазерах зеркала
оптического резонатора нуждаются в охлаждении, по-
этому зеркала охлаждаются водой, так как коэффициент
поглощения излучения медных зеркал большой. Таким
образом, в объемном оптическом резонаторе лазера 4
и 5 путем возбуждения молекул углекислого газа гене
рируются волны длиной 10,6 мкм в режиме непрерывного
излучения нескольких колебаний. Первый газодинамиче-
ский лазер развивал мощность генерации в непрерыв-
ном режиме около 60 кВт. В настоящее время за рубе-
жом созданы газодинамические лазеры мощностью до
200 кВт и более.
Газодинамические лазеры имеют сравнительно низ-
кий КПД, который в настоящее время достигает 10—
15%. Это объясняется неэффективностью первоначаль-
ного нагревания газовой среды. Одним из способов по-
вышения КПД газодинамических лазеров является при-
менение замкнутого цикла, при котором отработавшая
(но еще горячая) газовая смесь возвращается обратно в
камеру сгорания или другой источник нагревания.
К недостаткам газодинамических лазеров следует
также отнести их большие габариты, потребление боль-
шого количества горючего, сильный шум при работе,
что отрицательно сказывается на эксплуатации их на
земле.
Электроаэродинамические лазеры Для устранения
одного из недостатков газодинамического лазера было
предложено отказаться от тепловой накачки, требующей
сжигания большого количества горючего, и возбуж-
дать молекулы азота с помощью электрического разря-
да Так были созданы электроаэродинамические опти-
ческие квантовые генераторы. Схематическое изображе-
ййе электроаэродннамического лазера показано на
рис. 1 3
В описываемом лазере молекулы азота возбуждают-
ся в сильном электрическом поле, создаваемом электри-
ческим разрядом в пространстве между электродами 1,
расположенными на входе в буферную камеру 2 лазера.
Не
Рис. 1.3 Схема электроаэродинамического лазера:
/ — электроды; 2 — буферная камера: 3 — сопло; 4 — лазерная кй’
мера; 5 — зеркала оптического резонатора; 6 — область генерации
Для создания потока возбужденных и нагретых до не-
обходимой температуры молекул азота используется
электрический дуговой инжектор. В буферной камере
на!ретый азот смешивается с дополнительным потоком
азота, имеющим комнатную температуру, при этом уста-
навливаются заданные температура и давление Затем
происходит быстрое сжатие, перемещение со скоростью
1020 м/с и расширение за соплом нагретого азота. В ла-
зерной камере 4 возникает расширение и перемешивание
газовых потоков азота. Сюда же через узкие щели, рас-
положенные друг против друга перпендикулярно пото-
ку газа, проходящему со сверхзвуковой скоростью, под
давлением вводится смесь холодного углекислого газа
с гелием. При быстром перемешивании горячего потока
молекул азота с холодными молекулами углекислого га-
за последние возбуждаются.
Инверсная населенность верхнего энергетического
уровня молекул углекислого газа сохраняется ввиду
быстрого пролета молекул от места их возбуждения к
20
области генераций 6, а очищение нижнего энергётиче-
ского уровня происходит благодаря быстрому охлажде-
нию газа, что создает условия для получения большей
инверсной населенности молекул углекислого газа.
Из области генерации выводится мощность излучения
и максимум ее значения составляет примерно 20 кВт.
Коэффициент полезного действия повышается до 25—
30 % • Генерация излучения происходит на длине волны
10,6 мкм [9]. В настоящее время созданы электроаэроди-
намические лазеры, которые имеют мощность непрерыв-
ного излучения 50 кВт [9].
Электроаэродинамический лазер не требует сжига-
ния горючего для получения возбужденных молекул уг-
лекислого газа, поэтому его размеры меньше размеров
газодинамического лазера
Газодинамические и электроаэродинамические лазе-
ры, которые уже в настоящее время генерируют излуче-
ния большой мощности, работают в длинноволновом
участке инфракрасной области. Однако известно, что
созданы электроаэродинамические лазеры, генерирую-
щие электромагнитные колебания в видимой области оп-
тического диапазона на длинах волн 0,41—0,64 мкм.
В качестве активного вещества в данном типе элек-
троазродинамического лазера могут применяться также
аргон, криптон, ксенон и пары металлов или металлои-
дов; меди, ртути, кадмия, брома.
На рис. 1 4 показано схематическое изображение бо-
лее совершенного электроаэродинамического лазера с
рециркуляцией активного вещества, генерирующего из-
лучение в видимой области. В таком лазере применяет-
ся замкнутый цикл циркуляции газов, при котором отра-
ботавшая газовая смесь из лазерной камеры 6 через
охладитель 7 и компрессор 8 возвращается обратно в
буферную камеру 2.
Переход в видимую область (на более высокие час-
тоты) повышает энергоемкость излучения лазера более
чем на один порядок. Известно, что если энергия фотона
инфракрасных лучей равна 0,124 эВ, то энергия фотона
зеленого участка видимой области равна уже 2,5 эВ,
г. е. в двадцать раз выше. Возникает перспектива по-
лучения высокоэнергетического излучения на еще более
высоких частотах при уменьшении размеров лазерного
Устройства. Недостатком электроаэродинамического ла-
21
§ера является необходимость создания электрического
разряда для возбуждения молекул азота. Однако иност-
ранные специалисты считают, что электроаэродинамиче-
скне лазеры имеют большое будущее.
Рис. 1.4. Схема электроаэроцинамического лазера с ре-
циркуляцией газов:
/ — подогреватель: 2 — буферная камера; 3 электроды; 4 — сопло»
5 —зеркала оптического резонатора, £ —лазерная камера, 7 охла-
дитель; 8 — компрессор
Электроионизационные лазеры. В начале 70-х годов
был создан новый тип лазера, работающий при давле-
ниях в десятки мегапаскалей н имеющий сравнительно
небольшие размеры при высоком коэффициенте полез-
ного действия.
Активным веществом в таких лазерах является смесь
углекислого газа и азота. Метод накачки активного ве-
щества в лазерах основан на создании проводимости га
зовой смеси под действием ионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение создается в свою очередь
внутри лазерной камеры управляемым потоком быстрых
электронов. По названию метода возбуждения активно-
го вещества (электроионизационпый) получили назва-
ние и сами лазеры. Предполагается, что коэффициент
полезного действия в лазерах может достигать 50%, а
энергия излучения — тысячей джоулей [6]. На рис. 1.5
показана схема электроионизационного лазера, создан-
ного фирмой «Avco EVerett» (США).
При работе лазера электронный пучок 1, предназна-
ченный для ионизации смеси газов, создается 42 элек-
22
тронными пушками 3 Об часть ионизации отделяется от
места расположения электронных пушек мембраной
(тонкой алюминиевой фольгой) 4. Электроны с энергией
около 130 кэВ проходят через фольгу толщиной 25 мкм
в область ионизации, где создается электрическое поле
напряженностью 3-6 кВ/см. Электрическое поле распо-
лагается перпендикулярно к оптической оси лазера.
Рис. 1.5. Схема электроионизационного лазера:
/ — электронный пучок; 2— сплошной анод; 3 —• электронные пушки;
4— мембрана; 5 — сетчатый катод; 6 — зеркала оптвческого резона-
тора, 7 — взлучение лазера
Поток быстрых электронов движется по направлению
к аноду 2, выполненному в виде сплошной пластины.
Поток электронов, проходя через активное вещество
(смесь газов), рождает на своем пути электрон ионные
пары. Созданные таким образом электроны под дейст-
вием электрического поля, двигаясь через газ, при столк-
новениях переводят молекулы газа на высшие энергети-
ческие уровни.
Лазерное излучение выводится через зеркало 6 опти-
ческого резонатора. В электроионнзационном лазере по-
лучена энергия излучения до 2000 Дж при длительности
импульса 20 мкс.
Электроионизапиошгые лазеры обладают рядом пре-
имуществ перед другими газовыми лазерами В электро-
ионизационном оптическом квантовом генераторе можно
одновременно получить высокий КПД (до 50%), высо-
кую энергию излучения при одномодовой генерации и
формировать мощные импульсы излучения За рубежом
электроионизационные лазеры относят к весьма перспек-
23
тивным оптическим квантовым генераторам. Считают,
что они смогут широко применяться в первую очередь
в лазерных термоядерных реакторах.
Химические лазеры. Одновременно с разработкой га-
зодинамических, элсктроаэродинамических и электро-
ионизационных лазеров в настоящее время за рубежом
ведутся большие работы по созданию оптических кван-
товых генераторов, действие которых основано на ис-
пользовании энергии, освобождающейся при химических
Ряс. 1.6. Схема химического лазера:
1 — смеситель ая камера; 2 — вход азота, фтора, гелия; 3 — вход дей
терпя и углекислого газа; 4 — сопло; 5 — лазерная камера; 6— зерка-
ла оптического резонатора; 7 — выход
реакциях. Такие лазеры назвали химическими. Химиче-
ская эффективность (коэффициент преобразования хими-
ческой энергии в энергию лазерного излучения) в таких
лазерах в настоящее время превышает 15%.
Химические лазеры генерируют электромагнитные не-
прерывные колебания за счет химических реакций эле-
ментов, например реакции водорода и фтора либо реак-
ции дейтерия и фтора.
В химическом лазере, схема которого показана на
рис. 1 6, использовался азот, нагретый с помощью элек-
трической дуги, который вместе с молекулярным водоро-
дом и фтором впрыскивался в смесительную камеру.
Водород и фтор вступали в химическую реакцию, об-
разуя фтористый водород. Энергия, высвобождаемая при
реакции, вызывала инверсную населенность энергетиче-
24
ских уровней молекул фтористого водорода, необходи-
мую для возникновения лазерного излучения. Фтористый
водород излучает на волнах 2,6—3,5 мкм, которые силь-
но поглощаются влагой атмосферы Поэтому использо-
вать такой лазер в условиях атмосферы нецелесообраз-
но. Если в лазер подобного типа вместо водорода впрыс-
кивать газообразный дейтерий, то образующийся в этом
случае фтористый дейтерий дает излучение на волнах
3,6—5 мкм, где атмосферное поглощение почти отсут-
ствует [9].
В другом химическом лазере, названном лазером с
переносом энергии (Transferchemical laser), возбужден-
ные молекулы фтористого водорода (фтористого дейте-
рия) передают свою энергию молекулам углекислого га-
за, которые генерируют лазерное излучение.
Лазеры с переносом энергии подобны газодинамиче-
ским и электродинамическим, в которых сначала проис-
ходит возбуждение азота, а затем его энергия передает-
ся молекулам углекислого газа. Мощность излучения
химического лазера с переносом энергии составляла
4- 5 кВт на длине волны 10,6 мкм. Предполагается полу-
чить мощность излучения в десятки раз большую.
Существует еще один класс химических лазеров
лазеры с взрывной волной [9]. Накачка в нем создается
за счет вспышки (взрыва) химической смеси изотопов
водорода и азотно-фтористых химических соединений.
В состав активного вещества входят водород (дейтерий),
фтористый тритий, тетрафлюрогидразин, азотистый три-
фторид, дифлюориазин, а также метан. В результате хи-
мической реакции компонентов происходит генерация
лазерного излучения на длине волны 3 мкм.
В лазере с взрывной волной компоненты предвари-
тельно смешиваются таким образом, что химической ре-
акции между ними не происходит (или происходит сла-
бая реакция) до тех пор, пока не будет оказано иници-
ирующее действие. Инициирующее действие может быть
вызвано ударной или взрывной волной, а также электри-
ческим разрядом.
Химические лазеры обладают рядом преимуществ по
сравнению с другими типами лазеров, причем главное
из них состоит в отсутствии обычной системы накачки
Излучение лазера происходит только за счет химической
реакции Иностранные специалисты проявляют большой
25
интерес к химическим лазерам, так как эти генераторы
имеют большие потенциальные возможности — могут
иметь малые габариты и массу, большинство из них
требует небольшой энергии возбуждения от внешнего
источника или даже способны генерировать вообще без
внешних источников накачки. По мнению некоторых спе-
циалистов, химические лазеры смогут генерировать излу-
чения с очень высокой энергией. Преимуществом хими-
ческих лазеров является также и то, что они генерируют
электромагнитные колебания на таких волнах, которые
испытывают меньшее затухание при распространении в
атмосфере. Длина волны излучения зависит от приме-
няемых в лазерах химических компонентов [10].
Газовые лазеры широко применяют в различных об-
ластях народного хозяйства и в иностранной военной
технике: системы связи, дальнометрирование, локация,
голография, вычислительная техника, промышленная об-
работка материалов, термоядерный синтез легких ядер
элементов, системы управления оружием в авиации и ар-
тиллерии, навигация (лазерные гироскопы и лазерные
системы наведения), спектроскопия, медицина, фотогра-
фия, объемное телевидение, управление химическими ре-
акциями и др.
Жидкостные лазеры
Главное преимущество жидкостных лазеров — срав-
нительно высокая выходная мощность излучения, полу-
чение которой облегчается тем, что жидкое активное ве-
щество, циркулируя через теплообменник, быстро охлаж-
дается. Использование жидкостей в качестве активного
вещества упрощает изготовление лазеров и сни-
жает их себестоимость Так как жидкости обладают оп-
тической однородностью, то это дает возможность полу-
чать высококогерентное узконаправленное излучение
почти таких же параметров, как и у газовых лазеров
Первый жидкостный лазер, основанный на эффекте
комбинационного рассеяния света, был создан в 1962 г.
В этом лазере первичным источником монохроматиче-
ского света (источником накачки) был оптический кван-
товый генератор на рубине с примесями хрома. В каче-
стве активного вещества применялась органическая жид-
26
кость — нитробензол. Могли применяться также пиридин,
бензол, толуол, дейтерий — бензол, циклогексан и
некоторые другие жидкости.
Принцип действия жидкостного лазера, использую-
щего эффект комбинационного рассеяния света, состоит
в следующем Активное вещество помещалось в оптиче-
ский резонатор и облучалось лучом рубинового лазера
с длиной волны 0,6943 мкм. На противоположном конце
резонатора в зависимости от типа жидкости создавалось
выходное излучение, например с длиной волны 0,7658,
0,8539 и 0,9632 мкм. Стимулированное комбинационное
лазерное излучение возникало только в том случае, ког-
да выходная мощность излучения лазера на рубине пре-
вышала заданное пороговое значение.
Выходное излучение жидкостного лазера узконаправ-
ленное, расходимость луча составляет несколько угло-
вых минут.
Лазеры, использующие явление комбинационного рас-
сеяния, можно сравнительно просто перестраивать пу-
тем замены жидкого активного вещества. Поэтому чаще
применяют жидкостные лазеры на красителях.
В 1966 году было получено стимулированное коге-
рентное излучение жидкостного лазера, в котором в ка-
честве активного вещества был применен раствор, содер-
жащий флуоресцирующий органический краситель [11].
Эти оптические квантовые генераторы стали называть
лазерами на красителях. После 1966 года теория и
техника лазеров на красителях развивалась очень
быстро.
Важнейшим свойством лазеров па красителях явля-
ется возможность получать при соответствующем выбо-
ре красителя интенсивное когерентное излучение почти
любой длины волны в диапазоне от 0 34 до 11,75 мкм [II].
Кроме того, длину волны излучения лазера на одном
и том же красителе можно непрерывно менять в обла-
сти нескольких десятков нанометров либо изменением
параметров раствора или оптического резонатора, либо
введением в резонатор лазера селектора частоты (напри-
мер, дифракционной решетки).
Лазеры на красителях позволяют получить большую
частоту следования импульсов лучистой энергии при ин
тенсивной прокачке раствора. Кроме того, открываются
27
большие возможности для создания сверхмощных лазе-
ров путем использования больших рабочих объемов ра-
створа.
Накачка в лазерах на красителях в настоящее время
осуществляется светом ламп-вспышек, которые приме-
няются для накачки твердотельных лазеров. На рис. 1.7
Рис. 17. Схема жидкостного лазера (на
красителе):
/ —- кювета с раствором; 2 лампа накачки:
3 — зеркала оптического резонатора: 4 — емкость
с раствором; 5 — камера теплообменнику; б — на
сос прокачки раствора; 7 — источник питания
лампы накачки
показано схематическое устройство лазера на красителе.
Лазеры на красителе имеют КПД до 50% и обладают
высокой направленностью излучения. Расходимость луча
не превышает 0,1 мрад.
Слово «краситель» используется для обозначения ор
ганического соединения с определенным химическим
строением и спектральным составом К таким соедине-
ниям относят оксазольные, антраценовые, кумариновые,
акридиновые, полиметиновые и другие красители.
28
Перед жидкостными лазерами открывается широкая
перспектива применения для подводной локации, так как
вода сравнительно хорошо пропускает излучение на дли-
не 0,45—0,58 мкм.
Основными требованиями, которые предъявляются к
жидкостным лазерам, являются высокая диэлектриче-
ская проницаемость растворителя, обеспечивающая со-
здание больших концентрации активных ионов, и доста-
точная прозрачность растворителя в диапазоне излуче-
ния. Лазеры, использующие эффект комбинационного
рассеяния, и лазеры на красителях недостаточно полно
отвечают указанным требованиям, поэтому поиски уче-
ных были направлены на создание такого активного
вещества, которое отвечало бы поставленным требова-
ниям.
Оказалось, что наиболее полно этим требованиям
удовлетворяет неорганический раствор оксихлорида се-
лена с примесью неодима. От жидкостного лазера на
этом неорганическом растворе было получено излучение,
на длине волны 3 мкм. Оптическая накачка осуществля-
лась ламиами-вспышками За рубежом предсказывают
бурное развитие жидкостных лазеров на красителях и на
неорганических растворах.
В результате анализа характеристик и принципов
действия различных типов лазеров следует отметить, что
каждый из них обладает специфическими свойствами,
в которых те или иные характеристики лазеров прева-
лируют в большей или меньшей степени, что в свою
очередь определяет область применения лазеров. Напри-
мер, твердотельным лазерам присущи лучшие энергети-
ческие характеристики, но у них низкий КПД, большие
габариты и работать они могут только в импульсном
режиме. Газовые лазеры имеют высокую монохроматич-
ность, направленность и когерентность излучения, ста-
бильную частоту, могут работать в импульсном и не-
прерывном режимах, имеют сравнительно высокий КПД.
Однако размеры газовых лазеров (большой и средней
мощности) значительны
Полупроводниковые лазеры сравнительно просты по
конструкции, компактны и обладают высоким КПД.
В то же время излучение полупроводниковых лазеров
имеет большую расходимость, широкий спектр и ма-
29
лую мощность. Жидкостные лазеры в перспективе могут
сочетать преимущества как твердотельных, так и газо-
вых оптических квантовых генераторов.
Таким образом, рассматривая лазеры как источники
лучистой энергии, можно выделить два основных направ-
ления их применения.
1. Использование мощного излучения (тепловой энер-
гии), способного воздействовать на различные мате-
риалы.
2 Использование следующих свойств лазерного излу-
чения: когерентности, монохроматичности, стабильности
частоты, широкополосности для передачи, приема и об-
работки информации, для производства различных из-
мерений. Для второго направления характерно приме-
нение лазеров малой мощности.
Рассмотрим более подробно свойства лазерного из-
лучения.
1.2 СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Под излучением в оптическом диапазоне понимает-
ся процесс испускания электромагнитных волн или ча-
стиц До появления оптических квантовых генераторов
в оптическом диапазоне были известны следующие виды
излучений: инфракрасное излучение (тепловые лучи),ви-
димый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-
излучение. Источниками этих излучений соответственно
являлись тепловые, люминесцентные, ультрафиолетовые
и рентгеновские источники излучений, а также ядерные
источники гамма-лучей.
Лазерное излучение оптических квантовых генерато-
ров отличается от существующих электромагнитных из-
лучений оптического диапазона и имеет некоторые спе-
цифические свойства, присущие только ОКГ
На рис 1 8 показана примерная полоса частот элек-
тромагнитных колебании (заштрихованная часть), в ко-
торой- генерируется лазерное излучение.
Она охватывает субмиллимстровую, инфракрасную,
видимую и ультрафиолетовую области оптического диа-
пазона электромагнитного спектра. В остальной части
этого диапазона возможность получения генерации ла-
зерного излучения пока доказана лишь теоретически.
30
эпнээмп/гэпу
МпнэгЖ/сп :
-' tfWW2 '
чшэоирд
йпнаьЛиеп ;
: игтпвонагшноГ-
’С.- . чшзы/дд
; ?.; чйпа/да '
Юев1з1/опфр4шчь-х.
OfiMKM
Рве. 1.8. Электромагнитный спектр Лазерное излучение получено в заштрихованной
части оптического диапазона и в субмиллиметровой области радиодиапазона
Наибольшие трудности ожидаются при освоении рент-
геновской области, а также области гамма-излучения.
Выдающиеся ученые физики А Эйнштейн иМ Планк
доказали, что электромагнитная энергия излучается или
поглощается порциями, квантами или фотонами, кото-
рые ведут себя подобно элементарным частицам, при
этом энергия кванта (фотона) пропорциональна частоте
колебаний, т. е.
W = Ь. (1.1)
где W — энергия излучения;
v — частота;
h — постоянная Планка.
Лазерное излучение обладает свойствами как волн,
так и частиц. Так как энергия фотона пропорциональна
частоте, то очевидно, что чем больше частота, тем боль-
ше и энергия излучения. В инфракрасной, видимой и
ультрафиолетовой областях оптического диапазона ла-
зерное излучение проявляет себя как поток электромаг-
нитных волн, в то время как в области гамма-лучей из-
лучение представляет собой поток частиц, так как дли-
на волны этих электромагнитных колебаний чрезвычай-
но мала.
Основными свойствами лазерного излучения, обеспе-'
чивающими самое широкое применение лазеров в раз-
личных областях науки и техники, являются: монохрома-
тичность, высокая когерентность, чрезвычайно малая
расходимость луча и высокая плотность мощности (энер-
гии) излучения Рассмотрим перечисленные свойства ла-
зерного излучения.
Монохроматичность излучения
Как известно спектральной шириной излучения ха-
рактеризуют распределение излучения по длинам волн.
Излучения могут быть однородными и сложными. Одно-
родными считают излучения, занимающие очень узкий
участок спектра частот. Сложные излучения представ-
ляют собой совокупность однородных излучений и мо-
гут иметь линейчатый, полосатый или сплошной спектр.
Линейчатый спектр характерен для одноатомных га-
зов Полосатый спектр наблюдается при излучении мно-
гоатомными молекулами газообразных и жидких ве-
ществ, а сплошной характерен для теплового излучения
32
твердых и жидких тел. Нас интересует однородное излу-
чение, потому что оно эквивалентно монохроматическо-
му (одноцветному) излучению.
Для излучения оптических квантовых генераторов
характерен крайне узкий спектр излучения (он уже чем
линейчатый спектр газов).
Ширина полосатого спектра, т. е. ширина полосы час-
тот теплового излучения газов (жидкостей), равна не-
скольким десяткам тысяч обратных сантиметров (см4)*.
Ширина линейчатого спектра излучения атомов газа
обычно колеблется от 10 до 0,1 см-1. Лазерное излуче-
ние имеет еще более узкую полосу частот. Так, газовые
лазеры генерируют излучение, частота которого изме-
ряется миллионными долями обратного сантиметра. Та-
ким образом, лазерное излучение можно вполне счи-
тать монохроматическим.
В монохроматичности излучения нет ничего удиви-
тельного. Такое излучение получали в лабораториях и
до появления оптических квантовых генераторов с по-
мощью монохроматоров, выделяющих из того или иного
спектра теплового излучения узкую полосу частот. Од-
нако при этом приходилось терять мощность излучения,
тогда как лазер может генерировать огромную энергию
излучения (сотни и тысячи джоулей) в очень узкой по-
лосе частот.
f Высокая степень монохроматичности лазерного из-
' лучения объясняется тем, что стимулированное излуче-
ние представляет собой резонансный процесс и вследст-
:тте~~7Того п к цеЕгпу Цбдосц частот (шеТчЕм
^-изл^ВЬие, спонтанно испускаемое обычными источнй-
ками Излучения!
~Из сказанного можно заключить, что оптический
квантовый генератор излучает практически на одной
фиксированной длине волны.
Как было отмечено выше, для лазеров характерен
крайне узкий спектр излучения. Однако те 1ерация в
них происходит одновременно более чем на одной ча
стоте, вследствие чего получается ряд узких спектраль-
ных линий, при этом следует рассматривать ширину по-
* Обратный сантиметр см-1 — единица частоты в оптике, рав-
ная числу колебаний, укладывающихся в одном сантиметре пути
света Например, частота зеленого участка видимой области равна
6. 10й Гц, или в обратных сантиметрах равна 2- 104 см-1.
3 Зак. 213
33
лосы частот одной компоненты, обусловленной генера-
цией данного типа колебаний (модой).
Обычно в резонаторах, используемых в оптических
квантовых генераторах, возбуждается много типов ко-
лебаний. Это связано с тем, что частотное расстояние
между резонансами резонатора бывает гораздо меньше
ширины контура усиления рабочего перехода. Ширина
спектра излучения зависит от числа одновременно воз-
бужденных мод резонатора Очевидно, минимальная ши-
рина получается, когда генерация происходит только на
одной моде.
Выделение одного типа колебаний, а следовательно,
получение узкого спектра излучения необходимо, на-
пример, при использовании лазера в системах связи,
где требуется минимум шума и высокая спектральная
чистота излучения.
Генерация излучения в идеальном оптическом кван
товом генераторе будет происходить, как показали тео-
ретические расчеты, в одномодовом режиме с шириной
спектральной линии для гелий-неонового лазера, равной
IO-3 Гц [12]. Фактическая же монохроматичность в ре-
альном лазере на несколько порядков хуже вследствие
флуктуаций механического характера, теплового ухода
и изменений, обусловленных эффектами затягивания
процесса генерации. Известно, что спектральная шири-
на линии генерации лазерного излучения гелий-неоново-
го лазера достигает 2 Гц.
Задача теоретического определения монохроматично-
сти, т. е. ширины спектра излучения лазера, является
довольно сложной и в настоящее время полностью не
решена. Спектральная ширина лазерного излучения
большинством исследователей определяется опытным пу-
тем.
Когерентность излучения
Напряженность электрического и магнитного поля
лазерного излучения изменяется по синусоидальному за-
кону в зависимости от времени и расстояния. Определе-
но, что чем выше монохроматичность излучения, тем
больше интервал времени или пространства, в котором
синусоидальный закон выполняется с точностью до фа-
зы, значительно меньшей чем л/4, т. е. максимумы и
минимумы волн появляются с точностью, значительно
34
превышающей четверть длины волны Такие колебания
называются когерентными. Таким образом, понятие ко-
герентности * в применении к колебаниям относится к
согласованности или связи между фазами колебания
both в различных точках пространства в один и тот же
момент времени, или между фазами колебаний в одной
и той же точке в различные моменты времени. Матема-
тически эта связь или согласованность колебаний опи-
сывается с помощью корреляционных функций.
На примере твердотельного лазера можно пояснить,
что в его объемном резонаторе формируются стоячие
волны, причем все ионы хрома (рубиновый лазер), вхо-
дящие в состав активного вещества этого лазера, явля-
ются отдельными генераторами колебаний, которые вы-
нуждены генерировать излучение синхронно, т. е. одно-
временно. Их общее излучение приобретает некоторую
упорядоченную регулярность в пространстве и во вре-
мени. Эта регулярность излучения называется когерент-
ностью.
Существует два типа когерентности колебаний: вре-
менная и пространственная. Рассмотрим эти типы коге-
рентности колебаний.
Идеальные электромагнитные колебания, если бы они
были в природе, то представляли собой колебания точ-
но на одной и той же частоте. В реальных условиях лю-
бой генератор электромагнитных колебаний, а в оптиче-
ском диапазоне атом (ион, молекула) испытывают от-
клонение частоты v на некоторую величину Ду. Интервал
времени в течение которого это отклонение нс сменит-
ся другим отклонением частоты, определяется значением
Дт = 1/Дм и называется временем когерентности. При
Ду *0 Дт стремится к бесконечности
За любой интервал времени, не превышающий Дт,
излучение происходит на одной частоте без изменения
фазы колебании. Чем больше величина Дт, тем больше
временная когерентность и строже выполняется фазовое
соответствие между волнами, излучаемыми в разные
моменты времени.
Пространственно когерентными считают источники,
которые излучают колебания с одинаковыми фазами или
* Coherency английское слово, означающее связь, согласован-
ность между какими-либо явлениями, факторами или событиями.
3* 35
с постоянной разностью фаз. Пространственная коге-
рентность определяется корреляцией фаз излучения, вы-
ходящего из различных точек излучающего тела. Б том
случае, когда по всей площади поперечного сечения ак-
тивной излучающей среды все атомы (ионы, молекулы)
излучают в одной фазе, то фронт суммарной волны
лучистой энергии приближается к фронту плоской
волны.
Иногда когерентность излучения количественно опре-
деляется обобщенной функцией корреляции четырехмер-
ного пространства. Вследствие того что функция корре-
ляции определена в четырехмерном пространстве, она
характеризует сразу и временную и пространственную
когерентность электромагнитного излучения.
Известно, что электромагнитное излучение представ-
ляет собой систему колебаний электрических и магнит-
ных волн, для которых величина частот и направление
излучения имеют одни и те же значения. Эго свидетель-
ствует о том, что спектр излучения заключен в узкой
полосе частот, в центре которой размещается несущая,
определяемая заданным значением частоты и направ-
лением распространения данного излучения. Следова-
тельно, понятие пространственной когерентности, можно
заменить понятием поперечной когерентности, т. е. ко-
герентности в плоскости, перпендикулярной направле-
нию распространения излучения, а временная когерент-
ность оказывается пропорциональной пространственной
продольной когерентности.
Таким образом, если выходное излучение по форме
близко к плоской волне, и все волновые фронты плос-
кие и перпендикулярны направлению распространения
излучения, то оно является пространственно-когерент-
ным. Если же выходное излучение обладает высокой
степенью монохроматичности, оно является когерент-
ным и во времени, так как имеется строгое фазовое со-
ответствие между частью волны, излучаемой в данный
момент времени, и волной, излучаемой спустя некоторый
момент времени. При точном соблюдении электромаг-
нитным излучением заданной частоты более резко на-
блюдается свойство когерентности излучения во вре-
мени.
Чем же отличается излучение обычных некогерент
ных источников лучистой энергии (электрическая дуга,
36
лампа накаливания, газовая горелка, солнце, ядерный
взрыв) от когерентных?
Излучение некогерентных источников является ре-
зультатом генерации колебаний огромного множества
атомов (ионов, молекул). При этом фаза, частота и ам-
п; чтуда колебаний, соответствующие излучениям от-
дельных атомов, хаотически меняются с очень большой
скоростью по случайному закону. Каждый атом, ион и
молекула излучают независимо друг от друга, и излуче-
ние их начинается в различные моменты времени. Излу-
чение обычного источника света более похоже на стати-
стический шум, чем на излучение какой-то определенной
частоты. Такое излучение не является когерентным.
Колебания некогерентных источников нельзя преоб-
разовать, т, е, нельзя, например, применить частотную
или фазовую модуляцию для передачи информации,
принципиально нельзя осуществлять супергетеродинный
прием таких излучений и т. д. Такие пекогерентные из-
лучения годятся лишь для осуществления примитивной
световой сигнализации.
Совершенно иными свойствами характеризуется излу-
чение лазера. Оно создается одновременным излучением
множества атомов. Но при этом сосредоточенная в оп-
тическом резонаторе энергия лазерного излучения гене-
рируется таким образом, что вновь возникающее излуче-
ние оказывается в фазе с уже распространившимся в
пространстве. Стимулированное излучение в резонаторе
лазера объединяет возникающие в разное время момен-
ты излучения, так что выходное излучение определяет-
ся как когерентное.
Таким образом, пространственная когерентность
волн обеспечивает получение концентрации энергии в
поперечном сечении лазерного луча, а временная коге-
рентность позволяет все преимущества монохроматиче-
ского лазерного излучения использовать для передачи
информации с помощью передающих и приемных уст-
ройств систем лазерной связи [13],
Б [агодаря свойству пространственной когерентности
лазерного излучения возможно создать высокоэффектив-
ные мощные лазерные устройства с огромной выходной
мощностью излучения. Лазерное излучение, обладающее
свойством когерентности, теоретически может быть сфо-
кусировано в пятно диаметром, равным длине волны, ге-
37
нерируемой лазером, при этом происходит колоссальная
концентрация энергии излучения.
Излучение же обычного источника света сфокусиро-
вать можно только до величины размеров излучающего
тела, при этом уровень концентрации энергии значитель-
но снижается.
Лазерное излучение может быть сконцентрировано с
помощью оптических систем в изображение, яркость ко-
торого больше яркости первоначального излучения. Ла-
зерное излучение в виде плоской волны, имеющее про-
странственную и временную когерентность, можно на-
править на большое расстояние с очень малыми
потерями, в то время как обычные источники излучения
этой способностью нс обладают.
Лучеиспускание лазера Ек в огромное число раз боль-
ше лучеиспускания Еи обычного источника света [13].
Эти величины связаны соотношением
Ек _ lo3SPQ
Ен”
(L2)
где Р — выходная мощность излучения лазера;
Q — добротность объемного оптического резонатора
лазера на частоте м;
т-—частота генерации лазера.
Рассчитаем это отношение для лазера, имеющего сле-
дующие данные' Р=1 Вт; т —5- 10й Гц (К 0,63 мкм);
Q-10lc.
В результате расчетов находим, что отношение
Ек:Ен=4 10’5. Отношение ЕК:ЕН с возрастанием часто-
ты уменьшается пропорционально т+2.
Найдем, при каких условиях отношение Ек: Ен будет
равно единице. Это произойдет тогда, когда частота ге-
нерации лазера достигнет 1022—1023 Гц (область косми-
ческих лучей).
Вполне очевидно, что при работе в оптическом диапа-
зоне и при выполнении всех условий генерации лазер-
ного излучения создается возможность получить отно-
шение Ен: Ен»1.
Направленность излучения
Важным свойством лазерного излучения является его
направленность, характеризуемая расходимостью цзлу-
38
чения. Под расходимостью пучка излучения понимают
плоский или телесный угол при вершине конуса, внутри
которого распространяется заданная доля энергии или
мощности пучка излучения.
Таким образом, под расходимостью понимают плос-
кий или телесный угол, характеризующий направлен-
ность пучка излучения по заданному уровню плотности
энергии или мощности излучения.
Лазеры обладают острой направленностью излуче-
ния, а обычные излучатели света имеют слабую направ-
ленность. Диаграмма направленности элементарных из-
лучателей (атомов, ионов, молекул), из которых состав-
ляется источник излучения, может быть всенаправлен-
ной, т. е. круговой.
Как уже указывалось, излучение обычных источников
света некогерентно, и поэтому создаваемое ими электро-
магнитное поле хаотическое: все атомы излучают в раз-
пых фазах.
С помощью диафрагм, размещаемых на большом
удалении от обычных источников излучения, можно по-
лучить почти параллельный пучок лучей, но эти «выре-
занные» параллельные лучи несут малое количество
энергии. Почти параллельный пучок излучения можно
также получить, если применить для этого систему опти-
ческого коллимирования.
Если в фокальной плоскости линзы коллиматора раз-
местить источник излучения, имеющий конечные разме-
ры, то коллимирующая система сформирует луч с угло-
вой расходимостью, равной диаметру тела излучателя,
деленному на величину фокусного расстояния линзы
коллиматора. Таким образом, для получения меньшей
угловой расходимости необходимо уменьшить размеры
источника излучения, по при этом будет уменьшаться и
энергия в луче.
Иначе обстоит дело при формировании луча оптиче-
ского квантового генератора. Пазсрное излучение у-шю-
направлен вследст.-.Н- того, ч . г,'’,-; н ,y, ic; v из.тумр-
тотся лишь те колебания волн, которые быди множество
раз O’ и эт ч их т; М дрия зле о клони-
лась от н равнения, параллельного оси оптического ре-
зон аторд па заря.
Ранее было показано, что если фазы излучения в раз-
личных точках плоскости, перпендикулярной направле-
39
ййю распространения излучения лазера, одинаковы, то
пучок такого излучения будет распространяться строго
параллельно оптической осн лазера. Это условие со-
гласованности фаз колебаний легко выполняется а ла-
зере с плоским оптическим резонатором. Поэтому излуче-
ние лазера обладает очень высокой направленностью.
Однако идеального параллельного излучения все же не
получается. Лазерный луч имеет небольшое расхожде-
ние, определяемое десятками угловых секунд.
Если рассматривать луч лазера как диаграмму на-
правленности и сравнивать ее с диаграммой направлен-
ности излучений радиолокатора, то следует отметить, что
ни боковых ни задних лепестков в диаграмме направ-
ленности у лазерного луча нет.
Такая высокая направленность излучения лазера до-
стигается за счет самой природы лазерного излуче-
ния - его когерентности. Следует также отметить, что
угловая расходимость лазерного излучения практически
не зависит от размеров излучающего тела: она ограни-
чивается лишь явлением дифракции когерентных волн
на выходном отверстии (окне) лазера.
Из теории дифракции известно, что излучение из
круглого отверстия диаметром d происходит в фазе и с
однородной амплитудой, т. е. получается изображение
точечного источника когерентного излучения. Это изо-
бражение включает в себя яркое центральное пятно н
окружающие его следующие друг за другом темные и
светлые кольца (рис. 1.9).
Рис. 1 9 Изображение интерференционных
колеу
10
Угол между оптической осью излучения (рис. 1 10) и
направлением на первый минимум (угол расходимости)
в = (1.3)
где X — длина волны излучения;
d — диаметр излучающей поверхности (круглого тор-
ца стержня активного вещества).
Рис 1 10 Схематическое изображе <ие хода луча
Из формулы видно, что чем короче длина волны из-
лучения и чем больше диаметр излучающей поверхно-
сти (апертуры лазера), тем меньшей угловой расходимо-
стью обладает его излучение.
Для примера определим теоретический угол расходи-
мости луча лазера, если диаметр круглого торца руби-
нового лазера d=8 мм, длина волны излучения
X —0,69 мкм
а 1,221 1,22-0 69-57°17'
d 810s
Для выбранного лазера угол расходимости излуче-
ния равен 22 угловым секундам (22").
Для получения такой же угловой расходимости излу-
чения обычного источника света с применением системы
коллимирования луча необходимо было бы иметь фо-
кусное расстояние объектива коллиматора равным 50 м.
Следует однако отметить, что получаемая на практи-
ке расходимость излучения лазеров всех типов значи-
тельно превосходит теоретическую величину. Например,
41
в твердотельном лазере с активным веществом в виде
рубинового стержня диаметром 10 мм генерируется луч
с углом расходимости 6 мрад (21'). Теоретически же уг-
ловая расходимость луча оптического квантового гене-
ратора с подобными данными не должна быть боль-
ше 18"
Такое увеличение угловой расходимости излучения
лазера по сравнению с теоретической объясняется тем,
что не вся площадь торцовой поверхности рубинового
стержня излучает равномерно по фазе и по амплитуде.
Исследование фотографий торцовой поверхности ру-
бинового стержня показывает, что распределение излу-
чения неодинаково по всей ее поверхности.
Угловая расходимость излучения у твердотельных ла-
зеров, выпускаемых промышленностью, находится в пре-
делах 20 25'. У газовых лазеров угловая расходимость
излучения во много раз меньше и достигает 2—3'. Это
объясняется тем, что газ как активное вещество пред-
ставляет собой практически идеальную оптическую сре-
ду в противоположность активному веществу, исполь-
зуемому в твердотельных лазерах, которому присущи
внутренние напряженности и неоднородности.
Лазерное излучение, обладающее исключительно вы-
сокой направленностью, имеет следующие преимущества
перед излучением обычных источников света:
дает возможность получить значительную концен-
трацию энергии в луче;
— имеет очень малые потери энергии при передаче
ее на большие расстояния (влияние атмосферы не учи-
тывается) ;
— высокая угловая разрешающая способность по-
зволяет распознавать объекты на расстоянии.
Теперь перейдем к рассмотрению следующего свойст-
ва лазерного излучения, заключающегося в возможности
высокой концентрации энергии в луче.
Плотность мощности излучения
Лазерное излучение может быть сконцентрировано
в узконаправленном луче с большой плотностью мощ-
ности
Плотность Ps мощности излучения определяется от-
ношением мощности излучения, проходящего через се-
42
пение лазерного пучка, к площади сечения и имеет раз-
мерность Вт-см 2.
Соответственно плотность We энергии излучения оп-
ределяется отношением энергии, проходящей через сече-
ние лазерного пучка, к площади сечения и имеет размер-
ность Дж см 2
Плотность мощности в луче лазера достигает боль-
ших величин вследствие сложения энергии огромного
множества когерентных излучений отдельных атомов,
приходящих в выбранную точку пространства в одинако-
вой фазе.
При концентрации излучения обычных источников
света, в том числе и Солнца, добиться большей плотно-
сти энергии, чем на самом источнике, невозможно. Это
объясняется некогерентностью излучения названных ис-
точников света.
Когерентное излучение лазера с помощью оптической
системы линз можно сфокусировать на малую, сравни-
мую с длиной волны площадку на поверхности объекта.
Плотность мощности лазерного излучения на этой пло-
щадке достигает огромной величины. В центре площадки
плотность мощности
Ps =
PD8
(14)
где Р —выходная мощность излучения лазера;
D — диаметр объесгнва оптической системы;
Л длина волны;
f — фокусное расстояние оптической системы.
Определим плотность мощности излучения лазера,
если он имеет следующие параметры Р=1 МВт;
л = 0,69 мкм; относительное отверстие D/f=l,2.
Подставляя значения параметров в формулу (1.4),
получаем, что плотность мощности лазерного излучения
(облученность в центре пятна) Ps—31014 Вт-см 2
Полученная плотность мощности излучения огромна
Она, например, превышает плотность мощности излуче-
ния на поверхности Солнца (которая равна примерно
108 Вт-см 2) более чем в миллион раз
Лазерное излучение с высокой плотностью мощности
сопровождается соответственно высокой напряженно-
43
Стью электрического поля [13], определяемой следующий
математическим выражением;
Еи = /Ж (1.5)
где 1]г = 120я — коэффициент, характеризующий свойст-
ва свободного пространства;
Ps — плотность мощности лазерного излуче-
ния.
Для ранее рассмотренного примера напряженность
электрического поля
Еп = /12(к-3- 10й = 3 108В-см~* = З-Ю^В-м’1.
Таким образом, лазерное излучение характеризуется
высокой плотностью мощности излучения, сопровождае-
мой высокой напряженностью электрического поля.
Излучение лазера с огромной плотностью мощности,
воздействуя на различные материалы, разрушает и да-
же испаряет их в области падающего сфокусированно-
го излучения. Одновременно в области падения лазерно-
го излучения на поверхность материала на нем создает-
ся световое давление в согни тысяч мегапаскалей
(в миллионы атмосфер).
Спектральная плотность лазерного излучения, выра-
женная в виде плотности мощности излучения на едини-
цу длины волны, также достигает огромной величины
1017—101в Вт-см 2-мкм *, что превышает спектральную
плотность солнечного излучения на двенадцать поряд-
ков.
В итоге рассмотрения свойств лазерного излучения
отметим, что, фокусируя излучение оптического кванто-
вого генератора до пятна, диаметр которого равен при-
мерно длине волны излучения, можно получить световое
давление в I06 МПа, а также огромные плотности мощ-
ности излучения, достигающие величин 10й—Ю16 Вт-см 2,
при этом возникают температуры до нескольких мил-
лионов градусов Кельвина.
Такие плотности мощности позволяют применять ла-
зерное излучение для обработки различных материа-
лов С помощью лазерного излучения можно:
— резать самые твердые материалы — алмаз и сверх-
твердые сплавы;
44
— ускорять в синхрофазотронах заряженные час-
тицы;
— инициировать термоядерные процессы;
— ускорять химические реакции;
— • создавать новые синтетические материалы с не-
обычайными свойствами,
-— передавать по каналам связи громадные потоки
информации;
измерять с большой точностью время и расстоя-
ния;
управлять космическими кораблями и искусствен-
ными спутниками;
— производить хирургические операции и терапевти-
ческое лечение людей.
Область применения лазерного излучения поистине
безгранична.
1.3. О ВОЗМОЖНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕНТГЕНОВСКОЙ ОБЛАСТИ И В ОБЛАСТИ
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
К началу 70 х годов лазерное излучение было полу-
чено почти во всем оптическом диапазоне, начиная с
дальнего участка инфракрасной области (X—300 мкм)
и кончая ультрафиолетовой областью (Х=6 нм). Иност
ранные специалисты предполагают, что в ближайшем
будущем рабочий диапазон излучения ОКТ расширится
как в сторону субмиллиметровой области радиодиапазо-
на, так и в сторону более коротких волн, а именно за
счет освоения рентгеновской области и области гамма-
излучения (рис. 1.8).
Обычно излучение, создаваемое в рентгеновской
трубке, подобно излучению обычных источников в види-
мой области. Оно составляется из суммы электромагнит-
ных колебаний, каждое из которых имеет свою длину
волны. По ширине спектра частот оно представляет со-
бой спонтанное излучение.
Область рентгеновского излучения занимает полосу
от 10,G до 1019 Гц. Так называемые мягкие рентгеновы
лучи входят в область ультрафиолетового излучения, дли-
на их волны значительно больше самых коротких уль-
трафиолетовых лучей. Коротковолновый участок рентге-
45
невской области называется участком жестких рентге-
новых лучей.
Рентгеновы лучи обладают волновой природой излу-
чения, что и было доказано в 1912 г. немецким ученым
М. Лауэ, который наблюдал дифракцию рентгеновых лу-
чей на кристаллической решетке. Рентгеновское излуче-
ние обладает высокой проникающей способностью.
Наибольшей проникающей способностью обладает
жесткое рентгеновское излучение с более короткой дли-
ной волны (0 1 нм и короче). Оно беспрепятственно про-
ходит через многие непрозрачные материалы, например
через слой стали толщиной 15—20 см. Рентгеновы лучи
способны ионизировать воздух, вызывать химические ре-
акции и не отклоняются магнитным полем.
Рассмотрим гамма-излучение. На шкале электромаг-
нитных волн (рис. 1.8) оно граничит с жестким рентге-
новским излучением, занимая область более коротких
волн. Гамма-излучение имеет очень малую длину вол-
ны (сотые и тысячные доли нанометра), поэтому обла-
дает ярко выраженными корпускулярными свойствами
и ведет себя как поток частиц (гамма-квантов). Об-
ласть гамма излучения в своей коротковолновой части
граничит с областью космических лучей.
Гамма-излучение возникает при ядерных реакциях,
при аннигиляции пар частица — античастица, а также
при прохождении быстро заряженных частиц через веще-
ство.
По своим свойствам гамма-излучение подобно жест-
кому рентгеновскому излучению. Как и рентгеновы лучи,
оно ионизирует воздух, вызывает химические реак-
ции, не отклоняется магнитным полем. При прохожде-
нии через кристаллы гамма-излучение подобно рентге-
новскому излучению подвержено дифракции. Совпадение
свойств гамма-излучения и жесткого рентгеновского из-
лучения доказывает их одинаковую природу.
Рентгеновское излучение и гамма-излучение распро-
страняются, как и все виды излучений электромагнит-
ного спектра, со скоростью света. Гамма-излучение об-
ладает очень высокой проникающей способностью,
т. е. может проникать через большие толщи вещества
без заметного ослабления. По проникающей способно-
сти гамма-излучение превосходит жесткое рентгеновское
излучение. Это объясняется тем, что энергия квантов
46
гамма-излучения выше, чем энергия квантов ультрафио-
тетового и рентгеновского излучения. Постараемся пояс-
нить на примере.
По формуле М Планка (1.1) подсчитаем значение
энергии квантов инфракрасного, ультрафиолетового,
рентгеновского и гамма-излучения, если частота колеба-
ний инфракрасного излучения Vhk=3* 101® Гц, ультрафио-
летового vy—3,3’ 1015 Гц, рентгеновского (мягкого) —
vP=3- 101’ Гц и гамма-излучения — vr=1020 Гц.
Подставляя в формулу (1.1) значения, находим, что
энергия кванта инфракрасного излучения составляет до-
вольно малую величину — 0,124 эВ, ультрафиолетового
излучения —13,6 эВ, рентгеновского излучения —
1,2’10® эВ и, наконец, энергия кванта гамма-излучения
имеет значительную величину 4- 10s эВ.
Таким образом, энергоемкость гамма-излучения поч-
ти в 4 млн. раз выше энергоемкости инфракрасного из-
лучения. Если энергию рентгеновых или гамма-лучей
при стимулированном монохроматическом и когерентном
излучении сфокусировать, то она будет очень большой.
Следовательно, получение вынужденного излучения
в рентгеновской области, а также в области гамма-излу-
чения является заманчивой идеей для ученых. Наряду с
преимуществами, которыми обладает лазерное излуче-
ние длинноволновых областей оптического диапазона
(монохроматичность, высокая когерентность, острая на-
правленность и высокая плотность мощности), лазерное
излучение рентгеновской области и области гамма-излу-
чения будет иметь еще и высокую проникающую способ-
ность. Последним преимуществом лазерное излучение
длинноволновой части оптического диапазона нс обла-
дает.
Для создания квантовых генераторов в коротковол-
новой части электромагнитного спектра, как полагают
ученые, необходимо решить две проблемы. Первая проб-
лема— это создание объемных резонаторов рентгенов-
ских и гамма-лазеров. Вторая — получение активного
вещества для таких лазеров.
Первую проблему, возможно, удастся решить, ис-
пользовав явление отражения рентгеновых и гамма-лу-
чей от кристаллических решеток. Предполагается, что
активное вещество для будущих лазеров можно полу-
чить с помощью интенсивного электрического разряда
47
в газе, вызывающего высокую степень ионизации ато-
мов, либо в ускорителях при столкновениях электронов,
В ускорителе электрон в состоянии передать энергию
фотону лазерного излучения видимой (ультрафиолето-
вой) области, который затем превращается в гамма-
квант. Таким образом, отдельные фотоны света могут
превращаться в кванты гамма-излучения высокой энер-
гии. В объемном резонаторе гамма-лазера они могут
создать стимулированное, когерентное и монохроматиче-
ское излучение.
За рубежом предлагается [14] лазерное устройство,
предназначенное для генерации рентгеновского стиму-
лированного излучения. В состав устройства входит объ-
емный резонатор трехмерной многоугольной формы.
Энергия накачки передается путем соударений элемен-
тарных частиц и фотонов лазерного лучка видимой об-
ласти, создаваемого первичным лазером. В результате
происходит генерация рентгеновского когерентного из-
лучения.
В области гамма-излучения также ведутся работы по
получению генерации лазерного излучения.
Таким образом, можно отметить, что лазерное излу-
чение успешно внедряется в самые коротковолновые об-
ласти оптического диапазона — рентгеновскую область
и область гамма-излучения. И, видимо, в течение теку-
щего десятилетия появятся лазеры, генерирующие рент-
1еповы лучи и гамма-излучение.
Глава 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЕЩЕСТВОМ
2.1. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимодействие лазерного излучения с веществом ох-
ватывает как элементарные квантовые процессы, так и
макроскопические явления, проявляющиеся при воздей-
ствии лазерного излучения на поглощающие или про-
зрачные среды К макроскопическим явлениям относятся
эффекты нелинейной оптики, пробой газов под действи-
ем сфокусированного лазерного излучения, а также ди-
намические эффекты, возникающие при воздействии
мощных потоков лазерного излучения на конденсирован-
ные вещества. Интерес к этим явлениям вызван воз-
можностью изучать поведение различных веществ в ус-
ловиях сильных электромагнитных полей и высоких
плотностей потоков излучения, необходимостью поиска и
исследования методов защиты от этих излучений.
Лазерное излучение взаимодействует с веществом в
трех группах процессов: при генерировании лазерного
излучения, распространении излучения в среде и непо-
средственном воздействии излучения на вещество. Такую
классификацию можно признать достаточно условной,
так как физика различных процессов взаимодействия
лазерного излучения с веществом часто неразделима.
Особенно это относится к процессам излучения и по-
глощения, которые во многом обратимы и обычно рас-
сматриваются вместе.
Взаимодействие излучений различных участков элек-
тромагнитного спектра с веществом различно, а если
учесть многообразие веществ, то число возможных вза-
имодействий следует признать весьма большим. Они свя-
4 Зак. 213 49
заны как с состоянием вещества, так и с природой излу-
чения. Это п является предметом изучения современной
оптики, базирующейся на крупных открытиях, заложив-
ших основы физики наших дней, таких как: квантовая
природа излучения, теория строения атома и спектраль-
ных линий, теория парамагнетизма, эффект Рамана и
объяснение сил молекулярного взаимодействия. Эти от-
крытия явились результатом изучения вещества в со-
стоянии излучения или поглощения электромагнитной
энергии оптического диапазона.
Для выявления динамики взаимодействия между ла-
зерным излучением и атомами применяются приборы с
высокой разрешающей способностью, которые дают воз-
можность измерить излучение, поглощение и дисперсию,
вычислить распределение энергии, время жизни носи-
телей и вероятности переходов
При воздействии лазерного излучения на вещество
проявляются различные эффекты взаимодействия: теп
лопроводность. конвекция (перенос массы), переизлуче-
нне, изменение агрегатного состояния, образование
ударных и звуковых волн в веществе, его ионизация,
различные фотоэлектрические и фотохимические про-
цессы.
Вследствие того что основной объект подобного рода
исследований — взаимодействие лазерного излучения с
веществом, целесообразно природу вещества рассмот-
реть с точки зрения его восприимчивости к излучению
и, кроме того, определить взаимосвязь свойств вещества
с оптическими процессами.
Характер взаимодействия лазерного излучения с ве-
ществом зависит от режимов работы лазеров, классифи-
кацию которых можно представить следующим образом-
непрерывный, импульсный периодический, импульсный с
модуляцией добротности, генерирование одиночного мил-
лисекундного импульса, генерирование одиночного пнко-
сскундного импульса 15].
В непрерывном режиме наибольшие мощности полу-
чены от лазеров на СО2 (сотни киловатт). Импульсный
периодический режим работы таких лазеров характери-
зуется частотой повторения импульсов порядка десятков
герц, длительностью импульса 1 мс, пиковой мощно-
стью — киловатты и энергией в импульсе — сотые доли
джоуля.
50
Импульсный режим с модуляцией добротности 316
режим получения наиболее высоких пиковых мощностей
(добротность лазера определяется отношением энергии,
запасенной в резонаторе, к энергии, уходящей из него
за период колебания поля).
Использование модуляции добротности в лазерах
приводит к потере энергии, однако, значительно повы-
шает пиковую мощность благодаря существенному уко-
рочению длительности импульса. Так, например, при дли-
тельности импульса с можно получить мощность
10—100 МВт (энергия в импульсе 0,1—1 Дж).
При накачке лазера импульсным источником энергии
возможно получение миллисекундного импульса с дли-
тельностью 0,1 1 мс, мощностью 10 100 кВт и с энер-
гией в импульсе до 100 Дж. Миллисекундный импульс
представляет собой серию пичков (релаксационных коле-
баний) микросекунд ной длительности.
Наиболее короткие импульсы, длительность которых
измеряется пикосекундами, получают при синхрониза-
ции мод. Модовая структура излучения представляет
особый интерес, так как наличие мод влияет на угло-
вую расходимость лазерного луча и его фокусировку.
В режиме пикосекундных импульсов достигаются самые
высокие значения пиковой мощности: энергия 10 Дж из-
лучается за время 10-11 с.
При воздействии излучения на вещество наиболее
важное значение имеет интенсивность излучения, кото-
рая обеспечивается малым углом расходимости луча.
Что касается монохроматичности, то она (с точки зре-
ния воздействия на вещество) играет второстепенную
роль. Высокая монохроматичность излучения способст-
вует хорошей фокусировке, так как хроматические абер-
рации линз практически отсутствуют. Эффект воздейст-
вия излучения па вещество не зависит также и ог коге-
рентности излучения.
Электромагнитное излучение взаимодействует с ве-
ществом с помощью электрических зарядов вещества
или через движение этих зарядов. Формально эти явле-
ния могут быть выражены лишь условно в рамках физи-
ческой модели и количественных отношений, составляю-
щих теорию электромагнетизма. Теория оптики метал
лов, например, связывает такие параметры, как
отражение и поглощение, с проводимостью, диэлектриче-
4* 51
ской постоянной и магнитной проницаемостью В явле-
ниях излучения это могут быть электроны и ионы, вза-
имодействующие с электромагнитными полями.
Большое значение имеют связи различных видов меж-
ду зарядами, которые определяют свойства вещества,
вид взаимодействия и частотный интервал излучения,
участвующего в процессе. Таким образом, структурное
состояние зарядов, связанных или свободных, зависимых
или независимых друг от друга, будет определять вели-
чину отражения, преломления или поглощения электро-
магнитной волны на границе раздела двух сред, а так-
же селективность или непрерывность поглощения и из-
лучения.
В связи с развитием квантовой электроники появи-
лась реальная возможность наблюдать ряд новых физи-
ческих явлений, обусловленных взаимодействием интен-
сивного электромагнитного излучения с веществом.
Такие новые эффекты, как генерация гармоник оптиче-
ского излучения, параметрические взаимодействия, раз-
личного рода вынужденное рассеяние излучения, само-
фокусировка волновых пучков в среде и т п., в настоя-
щее время усиленно изучаются и теоретически, и
экспериментально, что и составляет содержание нели-
нейной оптики.
Характерной особенностью этих эффектов является
то, что все они обусловлены нелинейной (по электро-
магнитному полю) поляризацией среды, при этом пред-
полагается, что сама среда в процессе взаимодействия
с излучением не меняет своего агрегатного состояния
и служит лишь нелинейным преобразователем излуче-
ния С этой точки зрения такие процессы, как пробой
в газах или разрушение в твердых телах, рассматрива-
ются как вторичные явления, приводящие к утрате нели-
нейно-оптических свойств среды.
Предположение о неизменности состояния среды оп-
ределяет также особенности теоретического подхода к
задачам нелинейной оптики и проявляется в том, что
все они могут быть описаны в рамках макроскопической
электродинамики, т. е. с помощью уравнений Максвел-
ла, дополненных нелинейными материальными уравне-
ниями 16].
К нелинейной оптике примыкает еще более новая и
гораздо менее развитая область, также возникшая в
52
связи с Появлением когерентных источников излучения,—
нелинейная спектроскопия. Исследования в этой обла-
сти направлены на изучение спектров поглощения ин-
тенсивного излучения в газах, жидкостях и твердых те-
лах.
В области слабых электромагнитных попей (нелазер-
ные источники) шкала частот является основной шка-
лой, с помощью которой классифицируются эффекты
взаимодействия излучения с веществом (в основе такой
классификации лежит предположение о том, что в про-
цессе взаимодействия излучения со средой частота излу-
чения существенно не изменяется). Исследование про-
цессов отражения на границе двух сред является доста-
точно строгим лишь в том случае, если определено на-
правление поляризации падающей волны (например, при
угле падения, равном углу Брюстера, излучение, поляри-
зованное в плоскости падения, вообще не отражается).
Таким образом, частота и поляризация — основные
характеристики излучения в области слабых полей. От-
метим, что в этой области характер явлений не зависит
от интенсивности излучения до тех пор, пока оно оста-
ется слабым.
Эффекты взаимодействия излучения с веществом
можно рассматривать, опираясь на основные положения
классической или квантовой теории. Квантовая теория
необходима при анализе поглощения и излучения света
атомными системами. При изучении распространения
электромагнитного излучения в среде вдали от полос
резонансного поглощения вполне приемлемо классиче-
ское описание.
Взаимодействие электромагнитного излучения со сре-
дой сводится к последовательным элементарным взаимо-
действиям излучения с атомами и молекулами среды.
В электрическом поле волны Е атомы или молекулы сре-
ды поляризуются: отрицательно заряжег i ые электроны
под действием поля смещаются относительно положитель-
но заряженных ядер, появляется электрический диполь-
ный момент, причем смещение определяется величиной
и знаком напряженности поля.
Знак и величина напряженности электромагнитного
поля изменяются с частотой <а, в связи с этим изменяет-
ся и положение электрона. Колеблющийся электрон сам
является источником поля, он переизлучает действую-
53
1цёс На него электромагнитное поле. Переизлученйое по-
ле изменяется во времени точно так же, как поле пада-
ющей на среду гармонической волны; эти поля отлича-
ются только фазами и амплитудами.
Потери энергии при элементарном акте взаимодейст-
вия волны с атомом составляют причину поглощения
электромагнитной волны.
Приобретенный отдельным атомом под действием
электромагнитной волны дипольный момент р=аЕ.
Величина а называется линейной атомной восприим-
чивостью, а величина дипольного момента, приобретен-
ного средой объемом 1 см3, называется поляризацией
среды
Р' = №Е - хЕ, (2.1)
где N — число атомов в I см3;
к — макроскопическая линейная восприимчивость
(поляризуемость), которая зависит только от
свойств среды.
Хотя экспериментальный материал долазерной опти-
ки хорошо согласовывался с уравнением (2.1), было яс-
но, что линейное соотноше! ие между поляризацией и по-
лем не является универсальным, а лишь приближенно
описывает реакцию среды на воздействие электромаг-
нитного поля. Для этого следует обратиться к микро-
моделям, описывающим взаимодействие излучения с ве-
ществом. Одна из наиболее известных и распространен-
ных моделей такого рода модель осциллятора (коле-
бательной системы, в которой могут возбуждаться соб-
ственные гармонические колебания).
Электрон, движущийся в поле ядра и переизлучаю-
щий электромагнитное поле, представляется в виде ос-
циллятора. В случае когда частота колебаний не зави-
сит от амплитуды, а возвращающая сила, которая дей-
ствует на электрон, линейно зависит от смещения,
осциллятор называют гар,моническим. Модель гармони-
ческого осцит.тятора непосредственно приводит к соот-
ношению (2.1). *
Вместе с тем ясно, что гармонические колебания
элементарного атомного осциллятора возможны лишь
при небольших смещениях от положения равновесия и,
следовательно, при небольших амплитудах электромаг-
нитного поля, вызывающих эти смещения. При значи-
54
тельных смещениях картина колебаний осциллятора ус-
ложняется. В этом случае возвращающая сила нелиней-
но связана со смещением, и осциллятор называют
ангармоническим. Таким образом, в сильных электро-
магнитных полях характер колебаний аюмного осцил-
лятора изменяется.
В слабых световых полях электрон, колеблющийся
под действием электромагнитной волны, можно рассмат-
ривать как линейный осциллятор. Следствием этого яв-
ляется линейная связь между поляризацией среды Р' и
полем Е (см. формулу 2.1). Гармоническая волна сохра-
няет форму при распространении в среде, и характер
явлений не зависит от интенсивности излучения. При
воздействии лазерного изд учения электрон рассматри-
вают как ангармонический осциллятор, при этом связь
между поляризацией и полем становится нелинейной.
Исследования лазерных пучков с плотностью мощно-
сти излучения 10s—1010 Вт/см£ показали, что существует
весьма сильная количественная и, что особенно важно,
качественная зависимость характера эффектов взаимо-
действия излучения с веществом от интенсивности излу-
чения. При этом речь идет не о малых поправках, реги-
стрируемых лишь в тонком физическом эксперименте:
имеются в виду вполне определенные явления, радикаль-
но меняющие поведение потоков излучения 17.
Проявляется множество эффектов, которые состав-
ляют содержание нового раздела нелинейной оптики.
Термин «нелинейная» отражает тот факт, что в сильных
полях поляризация Р' уже не прямо пропорциональна
напряженности электрического поля Е. Зависимость Р
от Е представляют в виде степенного ряда [18]
Р' = хЕ + 7Е® 4- 0Е3 +... (2.2)
Коэффициенты О называют нелинейными воспри-
имчивостями %— 1/Е, 0= /Е2.
При использовании нелазерных источников излуче-
ния все члены этого выражения, кроме первого, очень
малы. Простейшее проявление нелинейности заключает-
ся в генерации гармоник с частотами вдвое, втрое и т. д.
раз большими, чем частота излучения, распространяю-
щегося в среде.
При распространении лазерного излучения в твер-
дых телах, жидкостях и газах электромагнитные волны
не только отражаются от тепловых волн, но и взаимо-
действуют с ними, что приводит к увеличению интен-
сивности тепловых колебаний. Эффект сводится к тому,
что падающая и отраженная электромагнитные волны
складываются, образуя максимумы и минимумы суммар-
ного поля, В тех местах среды, где интенсивность излу-
чения наибольшая, т. е. где волны находятся в фазе,
проявляется электрострикционная сила (электрострик-
ция — деформация вещества во внешнем электрическом
поле, пропорциональная квадрату напряженности элек-
трического поля), которая приводит к сжатию. Перио-
дичность изменения силы сжатия такова, что она вызы-
вает увеличение как внутренних давлений, так и интен-
сивности акустической в’олны. Такая волна с большей
интенсивностью в свою очередь приводит к увеличению
отраженного излучения. Интенсивные колебания в твер-
дых телах могут стать одной из причин их разрушения.
2.2. ЭФФЕКТ ДАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Как известно, электромагнитное излучение переносит
энергию. Кроме того, при падении обычного света и ла-
зерного излучения на вещество действуют силы, назы-
ваемые соответственно световым давлением или давле-
нием лазерного излучения [19].
Лазерный луч — это поток фотонов, каждый из ко-
торых имеет определенную энергию и импульс силы.
При этом следует отметить, что атом представляет со-
бой резонансную систему, которая может существовать
лишь в определенных энергетических состояниях. Атомы
взаимодействуют с лазерным излучением при условии,
что энергия фотонов соответствует энергии, необходимой
для перевода атома из одного энергетического состоя-
ния в другое. Мерой силы взаимодействия является се-
чение поглощения. Для атомов, находящихся в состоя-
нии резонансного поглощения, сечение поглощения рав-
но квадрату длины волны излучения. Если учесть, что
лазерный луч можно сфокусировать в пятно площадью,
равной квадрату длины волны, то можно сделать вывод,
что единичный атом, находящийся в области фокуса ла-
зерного луча, поглощает практически всю энергию пучка.
При поглощении лазерного излучения атому сообща-
ются как энергия, так и импульс фотона, при этом атом
56
йе только переходит в возбужденное состояние, но И по-
лучает приращение скорости в направлении падающего
излучения. Прежде чем вернуться в основное состояние,
атом остается возбужденным в течение некоторого вре-
мени. По возвращении в исходное состояние испускает-
ся фотон той же частоты, и атому сообщается один им-
пульс. Последующие поглощения и спонтанные испуска-
ния энергии сообщают атому дополнительные импульсы,
направленные вдоль луча, при этом действует сила, на-
правленная вдоль оси лазерного излучения. Можно про-
вести аналогию между этой силой и силой струи воды
из брандспойта, направленной на мяч и разбрызгивае-
мой его поверхностью в разных направлениях. Такая
оптическая сила по аналогии со случаем воздействия
светового потока называется резонансным световым дав-
лением.
Интересно отметить, что световое давление при неко-
тором значении величины мощности лазерного излуче-
ния достигает максимального значения, которое соот-
ветствует концу времени возбужденного состояния ато-
ма. При использовании лазеров непрерывного действия
возможны ускорения, в миллион раз превосходящие ус-
корение свободного падения. Оптические силы светового
давления можно использовать для разделения частиц
в жидкости, ускорения до больших скоростей электри-
чески нейтральных частиц, разделения изотопов и ана-
лиза атомных пучков.
Примечательны закономерности поглощения интен-
сивных световых пучков. Наиболее интересное разли-
чие в поглощении слабого и мощного излучений состоит
в том, что среды, непрозрачные для слабого излучения
некоторой частоты, могут стать прозрачными для высо-
коинтенсивного излучения (просветление) и, наоборот,
так называемые прозрачные материалы могут затем-
няться по отношению к мощному излучению (нелиней-
ное поглощение). Следовательно, коэффициент погло-
щения является функцией не только частоты, но и ин-
тенсивности излучения.
Физика явления сводится к следующему: если интен-
сивность резонансного по отношению к данной среде из-
лучения велика, существенная доля частиц среды пере-
ходит в возбужденное состояние и проявляется эффект
насыщения. Это явление называют эффектом насыщения
57
квантовой системы (при этом населенности на ее верх-
нем и нижнем уровнях выравниваются).
Значительный интерес представляет эффект много-
фотонпого поглощения, при котором интенсивное излу-
чение поглощается гораздо сильнее слабого. Объясне-
ние этого эффекта содержится в основном уравнении
теоретической нелинейной оптики (формула 2.2). А имен-
но, если член 6Е3 содержит фазовый сдвиг, то помимо
нелинейной поправки к показателю преломления появля-
ется и нелинейная поправка к коэффициенту поглоще-
ния 6.
Одним из последних достижений в области исследо-
вания закономерностей взаимодействия мощного лазер-
ного излучения с веществом является открытие резо-
нансного просветления в поле коротких лазерных им-
пульсов, длительность которых меньше характерных
времен релаксации системы (здесь релаксация — про-
цесс установления теплового равновесия в системе).
В этом случае короткий мощный лазерный импульс про-
ходит через резонансную среду, вообще не испытывая
никакого поглощения. Слабое излучение той же часто-
ты может поглощаться в этой среде практически полно-
стью; единственным результатом его взаимодействия со
средой оказывается резкое уменьшение групповой скоро-
сти распространения.
Эффект самофокусировки и самодефокусировки ла-
зерного излучения хорошо объясняет смысл, вкладывае-
мый в утверждение о качественном изменении .характе-
ра оптических явлений в сильном электромагнитном
поле. Речь идет о таком простейшем (для малоинтенсив-
ного излучения) явлении, как распространение ограни-
ченного пучка излучений в однородной среде. Оказы-
вается, при достаточно большой, но вполне умеренной
для современной лазерной техники мощности пучка, пре-
вышающей некоторое критическое значение Ркр, вместо
обычной дифракционной расходимости первоначально
параллельного пучка наблюдается его самосжатие. В не-
которых случаях (при распространении излучения мощ-
ных импульсных лазеров в жидкостях) самосжатие носит
характер схлопывания пучка, которое сопровождается
настолько быстрым нарастанием электромагнитного по-
ля, что это в свою очередь может вызвать изменение со-
стояния среды (пробой, фазовые переходы и т. п.).
58
В других случаях, в частности при распространении
излучения газовых лазеров непрерывного действия в стек-
лах, нарастание поля также заметно, хотя и не носит
столь катастрофического характера. Пройдя некоторое
расстояние в среде, лазерный пучок самопроизвольно
сжимается. Это похоже на поведение пучка, сфокусиро-
ванного обычной линзой. Однако существенные разли-
чия наступают за фокальной точкой. Самосфокуспровап-
ный пучок может образовывать квазистационарные нити
(волноводное распространение), последовательность не-
скольких фокальных точек и т. п.
Физическая причина этого эффекта сводится к тому,
что в сильном электромагнитном поле может существен-
но изменяться показатель преломления среды. Если в
области, запятой пучком, показатель преломления изме-
няется возрастая, то эта область становится оптически
более плотной и периферийные лучи отклоняются к цен-
тру пучка. Принципиально важным оказывается то, что
эта так называемая нелинейная рефракция может быть
настолько существенной, что дифракционные эффекты
практически полностью подавляются.
Причины появления нелинейной добавки к величине
показателя преломления не исчерпываются нелинейным
откликом электрона. Важную роль может играть и элек-
трострикция: в нелинейной среде лазерное излучение
приводит к появлению постоянного давления, а следо-
вательно, к изменению плотности и связанного с ним
показателя преломления среды. В жидкостях нелиней-
ная добавка к значению показателя преломления может
быть связана с ориентацией молекул в электрическом
поле электромагнитной волны. Это явление называется
высокочастотным эффектом Керра. Весьма важной при-
чиной изменения показателя преломления является на-
грев среды лучом
В поле ограниченного интенсивного лазерного пучка
первоначально однородная среда становится оптически
неоднородной; показатель преломления среды опреде-
ляется распределением интенсивности распространяю-
щейся волны. Это приводит к явлению нелинейной ре-
фракции.
Чрезвычайно важным обстоятельством, выделяющим
эффект самофокусировки среди других оптических про-
цессов, является его лавинный характер Даже слабое
59
увеличение интенсивности в некотором участке лазер-
ного пучка приводит к концентрации лучей в этой об-
ласти среды, а следовательно, и к дополнительному воз-
растанию интенсивности лазерного пучка, что соответ-
ственно усиливает эффект нелинейной рефракции и т. д.
В области слабых полей нарастанию поля в фокаль-
ных точках оптических систем препятствует дифракция.
Аналогичную роль играет она и в явлении самофокуси-
ровки, однако здесь дифракционные эффекты далеко не
всегда могут скомпенсировать нелинейную рефракцию
Экспериментальные исследования, выполненные в по-
следние годы, показали, что критические мощности, при
которых наблюдается самофокусировка, относительно
невысоки (в сероуглероде Ркр= 10 кВт, в некоторых сор-
тах оптического стекла Ркр=1 Вт), так что эффект
можно наблюдать не только в мощных пучках импульс-
ных лазеров, по и в пучках лазеров непрерывного дей-
ствия.
Отметим, что изучение самофокусировки лазерного
излучения — одна из актуальных задач Высказываются
предположения, что изучение этого эффекта приведет
к созданию методов передачи энергии.
Наряду с самофокусировкой возможен и обратный
эффект — самодефокусировка. Он возникает, если среда
в области, занятой лазерным пучком, в результате за-
висимости показателя преломления от интенсивности
пучка становится оптически менее плотной. В этом слу-
чае мощный лазерный пучок расходится гораздо быст-
рее, чем пучок малой интенсивности. Этот эффект зна-
чительно изменяет свойства среды при интенсивности
излучения, измеряемого всего лишь милливаттами.
При распространении в прозрачной жидкости луча
гелий-неонового лазера наблюдается расширение луча,
зависящее от его интенсивности. Этот эффект является
следствием температурного градиента и, следовательно,
градиента плотности, созданного в жидкости самим лу-
чом. Величина эффекта и форма расширения луча зави-
сят от количества тепла, внесенного в жидкость лазер-
ным лучом, теплопроводности жидкости и граничных ус-
ловий, таких, как диаметр кюветы, толщина ее стенок,
положение луча по отношению к кювете-
Тепловую природу эффекта легко продемонстриро-
вать внезапным изменением мощности луча или его по-
60
ложеиия. Для установления устойчивого состояния тре-
буется несколько секунд. Этот эффект не ограничен жид-
костями, он наблюдается в твердых телах и в газах.
Как известно, при воздействии лазерного излучения
на вещество электромагнитные волны взаимодействуют
не только друг с другом, но и с акустическими, и с мо-
лекулярными колебаниями. Причем рассеяние излуче-
ния на акустических волнах называется рассеянием Ман-
дельштама — Бриллюэна, а рассеяние на внутримолеку-
лярных колебаниях — комбинационным рассеянием [20].
Физику этих явлений можно объяснить следующим об-
разом.
В различных средах (жидкость, твердое тело, газ)
происходят внутренние движения, приводящие к изме-
нениям частоты излучения. Например, тепловое движе-
ние молекул вызывает изменение плотности среды, а
следовательно, и показателя преломления. Случайные
изменения плотности, обусловленные тепловыми движе-
ниями молекул (тепловые акустические волны), приво-
дят к изменению длины волны и направления распрост-
ранения лазерного излучения в среде, т. е. тепловые
акустические волны модулируют электромагнитные вол-
ны лазерного излучения аналогично тому, как в радио-
технике низкочастотный сигнал модулирует высокочас-
тотную несущую. В результате у спектральной линии
частоты «о возникают боковые компоненты (сателлиты)
с частотой <о±Йа, где Йа — частота акустической волны.
К аналогичному явлению приводят и внутримолеку-
лярные колебания (колебания ядер в молекуле). В ре-
зультате их воздействия на лазерный пучок также появ-
ляются сателлиты с частотами со + Йм, где Йм — частота
внутримолекулярных колебаний. Таким образом, моду-
ляция электромагнитных волн лазерного излучения мо-
жет осуществляться не только посредством коллектив-
ных движений молекул, но и в результате внутренних
движений в отдельной молекуле.
Наряду с акустическими колебаниями среды, модули-
рующими проходящие электромагнитные волны лазер-
ного пучка, имеет место обратное воздействие лазерного
излучения на акустические колебания. Оно связано с яв-
лением электрострикции и проявляется в том, что ла-
зерное излучение вызывает акустическое давление. По-
этому с помощью лазеров удается возбуждать мощные
61
(до 10 кВт) звуковые колебания во многих жидкостях
и твердых телах.
Как уже отмечалось, излучение лазера в отличие от
излучения пелазерных источников света может обладать
огромной мощностью, что позволяет получать с его по-
мощью очень высокие концентрации энергии в вещест-
ве. Лазерные потоки высокой интенсивности, воздейст-
вуя на вещество, нагревают его до температуры 10® К
Малая расходимость пучка позволяет сфокусировать всю
энергию лазерного излучения в небольшой области ис-
следуемого вещества, т. е. достичь чрезвычайно высокой
плотности мощности лазерного излучения (101в Вт/см2)
Напряженность электрического поля, соответствующая
такой плотности потока, сравнима с внутриатомными
полями.
Эффективная температура лазерного излучения ис-
ключительно высока, она превышает все реализующиеся
в природе значения. Мощность лазерного излучения мо-
жет варьироваться в широких пределах, и его взаимо-
действие со средой приводит к вторичным явлениям: оп-
тическому пробою газов (световая искра) и образова-
нию высокотемпературной плазмы.
2.3. ОПТИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В ГАЗАХ
В разреженных газах под действием сфокусирован-
ного лазерного излучения (плотность мощности
10п Вт/см2) первоначально прозрачный газ становится
непрозрачным, что приводит к быстрому увеличению по-
глощения света и соответственно к его нагреванию и
ионизации. Первые затравочные электроны появляются
в области фокуса на атомах примесей с наиболее низ-
кими потенциалами ионизации. Электроны поглощают
световые кванты при упругих столкновениях с атомами
и набирают энергию. Когда энергия становится доста-
точной для ионизации или возбуждения атомов, элек-
троны испытывают неупругие столкновения. Размноже
ние происходит либо в результате прямой ионизации
атомов электронным ударом, либо вследствие отрыва
электронов от возбужденных атомов под действием ла-
зерного излучения.
Если отрыв электронов идет с достаточной скоростью,
что имеет место при высоких интенсивностях излучения,
62
то возбуждение атомов не тормозит, а даже несколько
ускоряет развитие лавины. При не слишком интенсивных
полях возбуждение тормозит лавину, так как электрон
может много раз отдавать свою энергию атомам и снова
набирать ее в поле излучения, прежде чем ему удастся
пройти зону возбуждения, достичь энергии ионизации
и произвести размножение [16].
Следует отметить, что при заданной плотности газа
пробой наступает только при определенном пороговом
значении плотности потока лазерного излучения. Это
связано с процессами, приводящими не к ионизации, а
к возбуждению атомов. Область, охваченная ионизаци-
ей, расширяется в направлении к лазеру. Одна из воз-
можных причин этого — возникновение в момент обра-
зования искры ударной волны. Нагретый газ, давление
в котором велико, порождает сферическую ударную
волну.
Распространяясь навстречу лучу, ударная волна так-
же ионизирует газ, облегчая условия пробоя. Новые
порции газа, сжатые и прогретые ударной волной, ста-
новятся непрозрачными для излучения, которое сильно
поглощается и таким образом поддерживает движение
волны. В других направлениях ударная волна быстро
затухает.
Значительный интерес представляет образование
длинной искры — возникновение серии отдельных искр,
расположенных вдоль лазерного луча. Размеры такой
искры достигают нескольких метров. Это явление свя-
зано с неоднородностью излучения, т. е. с изменением
во времени и пространстве плотности излучения лазера.
Поэтому условия для пробоя могут возникнуть в тече-
ние лазерного импульса во многих точках на пути луча.
При попытках определить основные механизмы энер-
гетических связей, приводящие к явлениям пробоя, боль-
шое внимание уделялось исследованию зависимости по-
роговых интенсивностей пробоя в газах от частоты Ис-
следования, проведенные за рубежом с использованием
лазеров на неодимовом стекле и рубине, показали, что
пороговая интенсивность пробоя увеличивается с умень-
шением длины волны.
Приведем некоторые данные экспериментальных ис-
следований зависимости порога пробоя от давления, фо-
кального объема и частоты излучения лазера для боль-
63
ШОГО числа Газов (гелий, йеой, аргон и воздух). При
одинаковых давлении газа и объеме пробоя для пробоя
в аргоне требуется наименьшее электрическое поле, а
обладающие более высоким потенциалом ионизации ге-
лий и неон имеют более высокие пороги.
Порог пробоя зависит от размеров начальной обла-
сти пробоя, причем необходимое для пробоя электриче-
ское поле уменьшается с увеличением объема. Это ука-
зывает на существование диффузно-подобных потерь,
играющих значительную роль в развитии пробоя. Диф-
фузно-подобные потери объясняют диффузией электро-
нов или совершенно другим видом потерь, зависящих от
отношения поверхности к объему, таких как перенос за-
хваченного излучения Порог пробоя при низких давле-
ниях в случае излучения лазера на неодиме меньше,
чем в случае более высокочастотного излучения лазера
на рубине. Время наступления пробоя увеличивается по
мере уменьшения амплитуды лазерных импульсов
Исследования, проведенные в интервале давлений
104—4-104 Па, свидетельствуют об уменьшении порога
с ростом давления по закону Рд-°-7. Использование им-
пульсов излучения длительностью 200 и 50 нс показало,
что пробой определяется пиковой мощностью излучения,
а не энергией импульса. С увеличением размеров фо-
кального пятна от 0,01 до 0,1 см наблюдается уменьше-
ние величины порога от 6 108 до 4- 107 Вт/см2 для гелия
при давлении 2-10s Па. Отмечается, что полученные за-
висимости свидетельствуют о наличии более быстрого,
чем диффузия электронов механизма потерь, общего
для газов различной природы и не зависящего от длины
волны излучения. Предполагается, что таким механиз-
мом может быть процесс захвата резонансного излуче-
ния возбужденных атомов исследуемого газа.
2 4 ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
Использование лазерного излучения позволяет полу-
чать плазму с большими значениями плотности и темпе-
ратуры. Такая плазма может быть получена при опти-
ческом пробое в газах, а также при воздействии лазер-
ного луча на поверхность твердого тела или па частицы
малых размеров. Получаемая плазма может быть ис-
пользована для изучения взаимодействия лазерного из-
64
лучения с веществом, возбуждения высокотемператур-
ных реакций, получения тонких покрытий, а также как
источник излучения для спектрального микроанализа и
исследования ионов с высокой степенью возбуждения
Вызываемый лучом лазера пробой в газах при визу-
альном наблюдении воспринимается как светящийся
разряд. Для наблюдения этого явления опыты обычно
проводят в вакуумируемой камере, которую наполняют
газом, при этом лазерный луч вводят через специальное
окно, используемое одновременно в качестве линзы.
При проведении опытов, как правило, применяют ла-
зер с модулированной добротностью, имеющий длитель-
ность импульса несколько меньше 100 нс, при этом све-
чение разряда наблюдается в течение 5 мкс. Это свиде-
тельствует о том, что набчюдаемый эффект — не просто
рассеяние лазерного излучения, а процесс возникновения
плазмы, основные параметры которой определяют экспе-
риментальным путем Так, например, с помощью кадро
вой киносъемки был зафиксирован ход пространственно-
го расширения плазмы. Время экспозиции каждого кад-
ра 0,5 мкс, время между кадрами 0,7 мкс. Анализ по-
лученных данных позволяет определить длительность
существования плазменного образования [21].
Г Для исследования плазмы, полученной при лазер-
ном пробое в газах, применяют различные методы. Так,
например, используя пару противоположно заряженных
электродов, которые располагают вблизи области про-
боя, установили, что количество образовавшихся пар за-
ряженных частиц при опытах с аргоном и атмосферном
давлении оказалось равным 1015
Используя двухчастотные интерферометры, удается
I проследить за ходом изменения электронной плотности
I на ранних стадиях развития плазменного образования.
Экстраполяция полученных результатов с учетом дли-
тельности лазерного импульса приводит к плотности
2-Ю19 электронов в 1 см3 для концентрации плазмы прн
атмосферном давлении и свидетельствует о том, что
при лазерном пробое имеет место полная (однократная)
ионизация газа. При плотностях порядка 1021 электронов
j в 1 см3 наступает отсечка лазерного луча. Это значит,
। что луч полностью отражается от плазмы. При увеличе-
I нии давления газов отмечается повышение интенсивно-
I ста отраженного лазерного луча.
5 Зак. 213 65
Исследование падающего й проходящего лазерных
лучей показало, что примерно 90% энергии лазерного
луча теряется при прохождении через плазму. Практи-
чески вся эта энергия поглощается плазмой. Эти дан-
ные позволяют установить верхний предел плотности
потока лазерного излучения, передаваемого через атмо-
сферу.
Большая плотность мощности лазерного излучения
способствует нагреванию плазмы до очень высоких тем-
ператур (при воздействии лазерного излучения с интен-
сивностью Ю12 Вт/см2 на твердое вещество температура
плазмы через 1 нс достигала значения 10е К), которые не
только обеспечивают полную ионизацию газа, но и со-
здают условия для проведения в плазме высокотемпера-
турных химических реакций.
В ряде экспериментов исследовалось образование
плазмы при облучении лазерным лучом поверхности
твердого тела, помещенного в вакуум или газовую сре-
ду. На облучаемой поверхности образуются плазменные
выбросы Выброс плазмы происходит перпендикулярно к
поверхности при любых углах падения лазерного луча
на поверхность и обусловлен силами давления, дейст-
вующими в области лазерного пятна. Облучаемая по-
верхность нагревается как за счет непосредственного
поглощения энергии лазерного луча, так и за счет теп-
ловой энергии образовавшейся плазмы, при этом про-
исходит непрерывное испарение твердого материала в
течение всего времени действия лазерного импульса.
При расширении плазмы энергия запасенного в плаз-
ме тепла преобразуется в кинетическую энергию, кото-
рая может быть измерена и учтена при определении
полной энергии плазмы Спектроскопические исследова-
ния излучения, исходящего из плазмы, полученной при
лазерном облучении твердых тел, позволяют сделать вы-
вод, что во' время действия лазерного импульса получа-
ют плазму с чрезвычайно высокой степенью ионизации.
Последующий период времени характеризуется меньшей
степенью ионизации.
Для того чтобы исключить влияние нейтральных га-
зов и паров, лазерным лучом воздействовали на отдель-
ные частицы, находящиеся в вакууме. В этом случае
частицы, подлежащие ионизации, заряжаются электро-
нами, которые эмиттируются раскаленной нитью и удер-
66
живаются с помощью системы электродов. Для облуче-
ния частиц применялся мощный лазер с модулированной
добротностью. Плазма, полученная в результате облу-
чения, обладала высокими значениями плотности и тем-
пературы.
Плазма, созданная в вакууме, немедленно начинает
расширяться в пространстве. Это расширение снижает
плотность плазмы и, следовательно, коэффициент по-
глощения. Используя гидродинамические уравнения с
учетом начальных условий, определяемых параметрами
лазерного луча и частиц, описывают изменение плазмен-
ного образования во времени. При этом плазменный
шар условно разбивается на несколько сферических сло-
ев, для каждого из которых определяют плотность, ско-
рость расширения и температуру. На основе теоретиче-
ских и опытных данных было установлено, что плазмен-
ное образование имеет сферическую форму и скорость
его расширения достигает 2-107см/с (при средней энер-
гии плазмы 60 эВ).
2.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
НА ПОГЛОЩАЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Действие лазерного излучения па поглощающие ве-
щества достаточно ясно. Процессы взаимодействия излу-
чения лазера с веществом в области относительно малых
плотностей мощности, существенно меньших 10е Вт/см2,
хорошо описываются уравнениями теплопроводности.
Правомерность использования классической теории теп-
лопроводности можно проиллюстрировать следующим
образом.
Среднее время между соударениями электронов в
проводнике составляет 10-13 с, при этом поглощение ла-
зерного излучения обусловлено его взаимодействием с
электронами. Возбужденные электроны воздействуют на
кристаллическую решетку и взаимодействуют с другими
электронами, передавая им энергию.
Процессы столкновений и обусловливают перенос
тепла. За время длительности лазерного импульса элек-
троны претерпевают множество соударений, при этом
энергия распределяется между электронами и передает-
ся решетке. Можно считать, что энергия лазерного им-
5‘ 67
пульса мгновенно переходит в тепло в точке поглоще-
ния.
Энергия распределяется настолько быстро, что для
импульсов лазера с модуляцией добротности и миллисе-
кундных лазерных импульсов можно считать, что локаль-
ное равновесие существует в течение всего импульса.
В этом случае можно применять уравнения классиче-
ской теории теплопроводности.
Время, в течение которого поглощается импульс пи-
косекундной длительности, оказывается слишком корот-
ким для того, чтобы энергия успела распределиться сре-
ди частиц через столкновения. Поэтому при воздейст-
вии пикосекундных импульсов необходимо использовать
другой математический аппарат.
В общем случае при рассмотрении теплового нагре-
ва вещества учитывают две особенности. Прежде всего,
процесс нагрева быстротечен. Если вещество, поглощаю-
щее лазерное излучение, непрозрачно, то вся энергия
поглощается очень небольшим объемом вещества (пер-
вая особенность), вследствие чего скорость, с которой
повышается его температура, составляет 1О10 К/с. За вре-
мя действия импульса тепловая энергия не успевает
распространиться в объеме облучаемого образца из-за
его теплопроводности. Нагрев при этом может оказать-
ся весьма ограниченным.
Вторая особенность нагрева лазерным излучением
проявтяется в том, что величина поглощения излучения
зависит от длины волны и характеристик вещества Весь-
ма показателен в этом смысле опыт, в котором при воз-
действии лазерного излучения разрушался надувной ре-
зиновый шарик голубого цвета, в то время как такой
же бесцветный шарик, являвшийся наружной оболоч-
кой голубого, даже не нагревался. Голубой шарик раз-
рушался из-за поглощения красного света и последую-
щего локального разогрева его стенок.
Для сфокусированного излучения зависимость пре-
вышения температуры Т вещества над температурой ок-
ружающей среды может быть выражена следующим об-
разом [56]:
т(г' <2-з>
где 8—количество выделенного тепла,
68
г — расстояние от источника излучения до облучае-
мой поверхности;
р — удельная плотность вещества;
S — коэффициент теплопроводности;
D коэффициент диффузии;
t — время, прошедшее с момента подачи импульса.
Для лазеров непрерывного излучения при нахожде-
нии распределения температуры необходимо учитывать
потери тепла с поверхности, связанные с излучением и
конвекцией. Если лазер излучает короткий импульс, то
тепло выделяется на небольшой площадке, потери с ко-
торой считают малыми по сравнению с потоком излуче-
ния, падающим на нее. Но если поглощение тепла про-
должается длительное время, то значительно большая
площадь оказывается нагретой. При этом тепловые по-
тери с поверхности, обусловленные конвекцией и излу-
чением, по значению приближаются к тепловому пото-
ку, поглощаемому поверхностью.
При плотностях мощности лазерного излучения, пре-
вышающих 10е Вт/см2, происходит резкое изменение аг-
регатного состояния вещества, поглотившего излучение,
с последующим выбросом новой фазы (образование «фа-
кела») в результате возникающих градиентов давления.
При этом конечное состояние выброшенного вещества
зависит от длины пробега падающего излучения в кон-
денсированном теле и от величины плотности мощности
излучения. В этом случае для описания происходящих
явлений модель, связанная с механизмом теплопровод-
ности, является недостаточной. Необходимо учитывать
движение вещества, поглотившего излучение, и задача
взаимодействия лазерного излучения с веществом при
плотностях мощности, больших 10е Вт/см2, рассматри-
вается как чисто газодинамическая задача об испарении
вещества под действием излучения [22].
Уже при воздействии лазерных потоков плотностью
10е—108 Вт/см2 наблюдается интенсивное испарение ве-
щества. При этом температура Т вещества оказывается
существенно меньше критической температуры TIip фазо-
вого перехода твердое вещество — газ. Критическая тем-
пература— это минимальная температура, при которой
плотность пара становится равной плотности твердого
тела и резкая граница между паром и твердым телом
исчезает.
69
При температурах Т<Ткр плотность пара значитель-
но меньше плотности твердого тела, что приводит к по-
явлению резкой границы, разделяющей твердую и газо-
образную фазы вещества. Средняя кинетическая энергия
частиц в твердом теле, пропорциональная кТ, зна-
чительно меньше энергии W, необходимой для испарения
одной частицы (где к —постоянная Больцмана). Поэто-
му испаряться могут только те частицы, которые в ре-
зультате столкновений с остальными наберут энергию,
большую W. Вероятность возникновения таких частиц
очень мала (пропорциональна величине e~w/KT). Плот-
ность паров также мала по сравнению с плотностью
твердого тела.
Образовавшиеся пары расширяются со скоростью,
сравнимой со скоростью звука в них v3B= 105 см/с, что
соответствует температуре паров в несколько тысяч кель-
винов. Движение паров приводит к механическому эф-
фекту — телу сообщается импульс отдачи. Полный ме-
ханический импульс системы твердое тело — пар равен t
нулю. Измеряя массу и скорость истечения пара, а так-
же механический импульс мишени, определяют теплофи-
зические характеристики вещества, например энергию
испарения на каждый атом, а также критические посто-
янные: температуру и давление.
Начиная с плотностей потока излучения, которым со-
ответствует внутренняя энергия пара, превышающая
теплоту испарения, физика действия лазерного излуче-
ния на поглощающее вещество существенно изменяется.
Возрастание температуры пара приводит к ионизации и
быстрому росту коэффициента поглощения. В результате
поверхность твердого тела экранируется, при этом внут-
ренняя энергия образующейся плазмы еще более возра-
стает. Характер взаимодействия лазерного излучения с
плазмой определяется коэффициентом поглощения излу-
чения, величина которого в видимой и инфракрасной об-
ластях сложным образом зависит от состояния плазмы.
При плотностях потока мощности 10п Вт/см2 разность
температур в 104 К достигается за время, меньшее 10-10 с.
Над поверхностью мишени образуется 'облако отрица-
тельного пространственного заряда, которое существен-
но влияет на эмиссию ионов и их распределение по ско-
ростям.
Значительное увеличение температуры приводит к
70
тому, что при высоких плотностях потока наряду с элек-
тронной теплопроводностью существенную роль в пере-
даче энергии в металле начинает играть лучистая тепло-
проводность. Вследствие этого глубина нагретого лазер-
ным импульсом слоя вблизи поверхности металла может
стать больше глубины проникновения лазерного излуче-
ния. В этом слое ионы в течение короткого времени по-
лучают значительную энергию, много большую теплоты
испарения материала. В дальнейшем этот перегретый
слой действует на остальной металл подобно взрывча-
тому веществу. Внутрь металла распространяется удар-
ная волна, которая сообщает металлу значительную
энергию Это приводит к испарению металла, а затем по
мере затухания ударной волны к плавлению и механиче-
скому разрушению.
Разлетающийся перегретый слой образует плазмен-
ное облако, имеющее сложную структуру. Внешнюю обо-
лочку облака составляют быстрые электроны За ними
следует светящийся слой быстрых ионов сравнительно
малой плотности. За светящейся зоной движется плот-
ное ядро плазменного облака, скорость распространения
которого зависит от плотности потока и меняется в те-
чение импульса.
При плотности мощности излучения I011 Вт/с.м2 к кон-
цу импульса скорость движения светящейся границы
6- 10е см/с, а скорость непрозрачного ядра 4-106 см/с,
при этом в условиях больших плотностей потоков энер-
гии температура продуктов разрушения вещества значи-
тельно выше, чем в условиях медленного испарения. По-
этому затраты энергии на испарение одного грамма ве-
щества с увеличением плотности мощности лазерного
излучения значительно возрастают.
При теоретических и экспериментальных исследова-
ниях, связанных с воздействием лазерного излучения на
вещество, как правило, отдельно рассматриваются про-
цессы взаимодействия излучения с прозрачным вещест-
вом (диэлектриками), с поглощающими материалами
(металлы, полупроводники) и с биологическими объек-
тами. Следует, однако, отметить, что физика процессов
в различных случаях принципиально отличается только
в области относительно небольших плотностей мощно-
сти лазерного излучения. С возрастанием плотности
мощности излучения диэлектрик также становится не-
71
прозрачным и возникающие явления оказываются в
принципе близкими по своей физической природе как
для прозрачных, так и для поглощающих излучение ве-
ществ [23].
При рассмотрении процессов воздействия лазерного
излучения на вещество наибольший практический инте-
рес представляет анализ механизма разрушения веще-
ства, при этом обращают внимание на следующие
явления эффект давления лазерного излучения, электри-
ческий пробой, нагрев вещества за счет непосредствен-
ного поглощения лазерного излучения, ударные волны.
Эффект давления лазерного излучения обусловлива-
ется следующими причинами: отражением света от по-
верхностей, электрострикцией, передачей импульса ла-
зерного излучения облучаемой части объема тела. В двух
первых случаях величина давлений пропорциональна
плотности потока мощности лазерного пучка. При кри-
тических потоках даже в гигантском импульсе эти дав-
ления не превышают 1 Па из-за отражения лазерного
излучения и 10-2 Па из-за электрострикции.
Давления, возникающие в результате передачи им-
пульса лазерного излучения, пропорциональны плотно-
сти потока энергии импульса и при критических энер-
гиях в обычном импульсе не превышают 10 2 Па. Поэтому
эффект давления лазерного излучения практически не
учитывают. Что касается электрического пробоя, то в
механизме разрушения он также может не учитываться:
электрические поля характеризуются значениями, зна-
чите тьно меньшими, чем статическое пробойное напря-
жение.
Оценка роли нагрева показывает, что тепловые на-
пряжения характеризуются величинами 20 Па и могут
играть существенную роль при разрушении материалов.
При прохождении ударной волны скорость ее рас-
пространения в среде уменьшается, и она преобразует-
ся в акустическую волну при условии, что замедление,
вызываемое средой, или зона взаимодействия волны с
ней достаточно велики. При этом возникают зоны гид-
родинамического сжатия и разрежения среды. Напря-
жения достигают величины 200 Па.
В заключение отметим, что эффекты воздействия ла-
зерного излучения на вещество для мощных импульсов
определяются их полной энергией, а форма и длитель-
72
ность импульсов не оказывают заметного влияния. При
воздействии обычных импульсов решающим фактором
оказывается значение пиковой мощности, которая может
быть выражена через суммарную энергию импульсов,
время нарастания и коэффициент, величина которого за-
висит от формы импульса.
2.6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В ВОДЕ И АТМОСФЕРЕ
Практическое использование лазерного излучения
связано с его прохождением через вещественные среды—
воду и атмосферу.
Лазерное излучение в воде
Прохождение лазерного излучения в воде сопровож-
дается значительным ослаблением интенсивности, ко-
торое подчиняется экспоненциальному закону. При
этом коэффициент ослабления излучения можно пред-
ставить состоящим из двух частей: коэффициентов по-
глощения и рассеяния.
В воде без взвесей рассеяние практически отсутствует
и затухание обусловливается только поглощением. По-
глощение можно считать одинаковым для всех встреча-
ющихся в природе водных бассейнов, тогда как рассея-
ние в значительной степени зависит от наличия приме-
сей, например живых организмов.
Интенсивность излучения в любой точке среды харак-
теризуется двумя компонентами. Одна определяется из-
лучением, приходящим от источника без рассеяния, а
другая — излучением, претерпевшим многократное рас-
сеяние.
Интенсивность рассеянного излучения практически не
зависит от длины волны излучения. Рассеянное излуче-
ние в свою очередь представляют состоящим из двух
частей: излучение, рассеянное вперед, и излучение, рас-
сеянное назад. Естественные воды характеризуются ин-
тенсивным рассеянием вперед, что является результатом
дифракционного рассеяния света прозрачными биологи-
ческими организмами и различными неорганическими
частицами с размерами, существенно превышающими
длину волны излучения. Коллимация пучка лазерного
излучения сохраняется на расстояниях, соответствую-
73
щих 10 длинам ослабления. При дальнейшем распростра-
нении пучок расходится и принимает конусообразную
форму.
Ослабление лазерного излучения в воде определяет-
ся длиной волны излучения и прозрачностью водной сре-
ды. Величина, обратная коэффициенту ослабления, на-
зывается длиной ослабления и измеряется в метрах. Эта
величина определяет расстояние в водной среде, на ко-
тором поток лазерного излучения ослабляется по ин-
тенсивности на 37%. Длина ослабления в воде океанов
при длине волны излучения 0,5 мкм составляет 10 м и
уменьшается до 2 м в прибрежных водах. Эксперимен-
тально установлено, что для чистой воды океанов при
длине волны излучения 0,48 мкм коэффициент погло-
щения составляет 0,02 м_|, а коэффициент рассеяния
0,03 м~».
При определении законов распространения лазерно-
го излучения в жидкостях используются различные тео-
ретические методы. Однако наилучшие результаты дает
диффузионная теория, которая позволяет определять об-
лученность объектов. На основе использования диффу-
зионной теории установлено, что на расстояниях, рав-
ных нескольким длинам ослабления, интенсивность рас-
сеянного лазерного излучения превышает интенсивность
излучения, непосредственно падающего на объект,
т. е. определяющим фактором облученности становится
рассеянное лазерное излучение [24].
Так, например, для приемника с полем зрения 26°
отношение облученности рассеянного излучения к пря-
мой облученности на дальности 20 длин ослабления со-
ставляет около 103 и на дальности 40 длин ослабления
около 109. Эксперименты при использовании лазерного
луча диаметром 3 см показали, что на дальности 7 длин
ослабления 20% общей энергии луча распределяется по
площади окружности диаметром 1,5 м, 50%—по пло-
щади окружности диаметром 3,5 и 80% — по площади
окружности диаметром 5,5 м.
Теоретически и экспериментально установлено, что
использование рассеяния лазерного излучения обеспе-
чивает увеличение дальности наблюдения в два раза.
Аналогичного результата можно достигнуть при увели-
чении мощности источника излучения в 15 раз. Следует
учесть, что существует предельное значение выходной
74
Мощности лазерй, прй которой наступает закипание или
ионизация воды, что вызывает изменение ее показателя
преломления, обусловливающее нестабильность луча ла-
зерного излучения. Согласно расчету это значение соот-
ветствует величине плотности потока мощности лазер-
ного излучения 3-1013 Вт/см2, а создаваемый лучом гра-
диент напряжения составляет 2 • 10® В/см. Учитывая, что
лазерный луч включает несколько типов колебаний, ре-
альное* значение плотности потока мощности оценивает-
ся в 1010 Вт/см2.
Увеличение максимально допустимой мощности обес-
печивается расширением пучка лазерного излучения или
конвергированием (уменьшением) расходимости луча
после его вхождения в жидкую среду, при этом жид-
кость закипает и ионизируется только в зоне фокусиров-
ки лучей.
Морская вода сильно ослабляет лучистую энергию
в широком спектре электромагнитных колебаний. Одна-
ко две области представляют исключение: область очень
низких частот и область видимого диапазона частот в
районе 0,48 мкм. Излучения в этих областях спектра
также подвержены сильному ослаб тению морской во-
дой, но при больших мощностях источников могут быть
достигнуты значительные радиусы действия.
Одним из ограничительных факторов при использо-
вании лазерного излучения является воз ожность вски-
пания воды. Другим ограничивающим фактором явля-
ется обратное рассеяние лазерного излучения от орга-
нических и неорганических частиц, находящихся в воде.
Следует подчеркнуть, что при передаче лазерного излу-
чения через жидкую среду основные потери энергии
обусловлены именно его рассеянием.
Лазерное излучение в атмосфере
При прохождении лазерного излучения через атмо-
сферу основное внимание обращается на следующие яв-
ления: просветление атмосферы; влияние ветра и кон-
вективного перемешивания на прямолинейность распро-
странения излучения и характер его типов колебаний;
тепловую дефокусировку луча, вызванную повышением
температуры в канале просветления; самофокусировку
излучения в результате кинетического охлаждения ат-
мосферы Эти явления оказывают существенное влияние
75
на процесс затухания излучения, что объясняется резо-
нансным молекулярным поглощением компонентами ат-
мосферы, рассеянием на частицах аэрозолей и испаре-
нием их интенсивным полем оптической частоты с обра-
зованием просветленного канала [25].
Основным фактором, который определяет характер
передачи лазерного излучения через нижние слои атмо-
сферы, является испарение капель тумана в интенсив-
ном поле излучения, что приводит к созданию так назы-
ваемых окон прозрачности — просветлению атмосферы.
Как известно, облако (туман) состоит из мелких во-
дяных капель радиусом 3—10 мкм. Под действием ла-
зерного излучения объем капли уменьшается в результа-
те испарения. Энергия лазерного излучения, необходимая
для просветления облака, пропорциональна его тол-
щине. Скорость перемещения фронта прозрачности оп-
ределяется скоростью испарения капель в облаке.
Для оценки времени испарения капли и установления
определенной макротемпературы в канале распростра-
нения лазерного луча, а также для определения крити-
ческой плотности мощности, при которой лазерное излу-
чение может распространяться в тумане без значитель-
ного увеличения угла расходимости, учитывают кинетику
испарения капли в условиях облучения лазерным по-
током. Результаты, полученные при исследовании в газо-
образной среде кинетики испарения нагреваемых лазер-
ным излучением капель, характеризуют практически все
реальные случаи испарения.
При интенсивностях лазерного излучения, превышаю-
щих 10® В т/см2, имеет место режим квазистационарного
испарения. Превышение этой величины приводит к сме-
не стационарного режима взрывным. При разогреве во-
дяных капель больших размеров (до 400 мкм) вследст-
вие асимметрии распределения оптического поля в капле
процесс испарения приобретает анизотропный характер,
при этом появляется результирующая сила отдачи пото-
ка испаренного вещества и имеет место светореактивное
движение капли в оптическом поле.
Так как распределение оптического поля внутри кап-
ли анизотропно, то точка максимальной температуры
не совпадает с центром капли и взрывной режим испа-
рения приводит к сбросу части массы капли. Радиус
капли при этом существенно уменьшается.
76
Рассмотренные процессы приводят к значительному
перемешиванию тумана и дополнительному расширению
лазерного луча. Следует отметить, что, хотя ослабление
излучения вследствие рассеяния каплями с радиусом
меньше 5 мкм и превышает поглощение в них, в конеч-
ном итоге рассеяние вносит меньший вклад; концентра-
ция таких капель невелика. Кроме того, скорость умень-
шения капли прямо пропорциональна величине радиуса,
т. е. крупные капли испаряются быстрее мелких. Поэто-
му можно пренебречь рассеянием излучения каплями ту-
мана (при одновременном рассмотрении поглощения).
По окончании испарения капли до момента, когда пар
продиффундирует в окружающее пространство, он за-
нимает объем шара с радиусом 50 мкм. Время образо-
вания сгустка пара составляет 10~® с. Сгусток пара рас-
сеивает лазерное излучение.
При распространении излучения в слабопоглощаю-
щей среде перпендикулярно направлению распростране-
ния устанавливается градиент температуры, а следова-
тельно, и градиент показателя преломления, что вызы-
вает линзовый эффект атмосферы, приводящий к
деформации лазерного луча. Поглощенная атмосферой
энергия приводит к перемешиванию газа в вертикаль-
ном направлении в поле сил тяжести (эффект естествен-
ной конвекции), вследствие чего лазерный луч также
расширяется. Так как время действия индуцированного
конвективного переноса невелико, его влиянием можно
пренебречь.
Водяные капли тумана, поглощая энергию светово-
го импульса, испаряются, что обусловливает нагрев меж-
капельной среды атмосферы. Повышение температуры
газовой среды сопровождается ее тепловым расшире-
нием, которое приводит к уменьшению величины ди-
электрической проницаемости среды в канале светового
пучка и, как следствие, к явлению тепловой дефокуси-
ровки света. В результате просветления тумана мощным
лазерным импульсом среда приобретает свойства рас-
сеивающей тепловой линзы, что приводит к значитель-
ному падению плотности мощности в канале лазерного
луча.
На основе изучения распространения лазерного излу-
чения через нижние слои атмосферы при плохих метео-
рологических условиях (снег, дождь, изморось, при ко-
77
торой размер капель больше капель тумана, но меньше
капель дождя) было определено следующее
Через туман наиболее эффективно проходят лазер-
ные импульсы, длительность которых не меньше време-
ни просветления тумана и не больше времени повыше-
ния температуры в канале лазерного луча При плотно-
сти мощности лазерного излучения 106 Вт/см2 длитель-
ность импульса определяется величинами 5-Ю 4—102с,
скорость просветления составляет в этом случае
7-103 см/с.
При плотностях мощности, больших 10° Вт/см2, ква-
зистационарный режим испарения капли сменяется
взрывным, что приводит к быстрому перемешиванию ча-
стиц капель в канале распространения лазерного луча
и дополнительному расширению канала. Выбор милли-
секундной длительности для лазерного импульса позво-
ляет избежать паразитного влияния ветра и процесса
конвективного перемешивания, которые деформируют
структуру луча, смещают его навстречу ветру и способ-
ствуют дополнительному расширению.
Наибольшее ослабление лазерного излучения наблю-
дается при снегопаде. Резкий перепад поглощения излу-
чения вне и внутри просветленного канала (па 3—4 по-
рядка) способствует коллимированию лазерных лучей,
при этом сохраняются неизменными апертура и расхо-
димость луча во всем слое тумана.
При распространении лазерного излучения до высо-
ты 12 км значительное расширение пучка происходит из-
за турбулентности атмосферы, что учитывается при
оценке возможностей передачи энергии лазерного излу-
чения на большие расстояния. Значительный интерес
представляет процесс деформации поля луча вследствие
турбулентности среды, приводящий к изменению модо-
вого состава излучения — преобразованию основной мо-
ды в моду высших порядков. Коэффициент преобразо-
вания моды гауссова светового луча в атмосфере воз-
растает пропорционально первой степени длины пути
распространения L на малых расстояниях и пропорцио-
нально L8/3 — на больших. При увеличении размера ла-
зерного пятна коэффициент преобразования моды воз-
растает в соответствии с Ь5/3. Это явление оказывает
существенное влияние па расстояниях около 1000 км
78
Немаловажную роль играют процессы кинетического
охлаждения атмосферы, связанные с резонансным погло-
щением лазерного излучения молекулами углекислого
газа с последующей передачей возбуждения другим мо-
лекулам атмосферы. Энергия, поглощаемая водой, при-
водит к немедленному нагреванию атмосферы, а энергия,
поглощаемая углекислым газом, нагревает воздух с за-
держкой во времени вследствие низких скоростей коле-
бательной релаксации. Время релаксации зависит от вы-
соты и относительной влажности атмосферы.
Кинетическое охлаждение атмосферы приводит к са-
мофокусировке лазерных пучков и при плотности мощ-
ности лазерного излучения 10е Вт/см2 проявляет себя
через 5-Ю-4 с после прихода фронта лазерного импуль-
са в течение времени 10-2 с. Отсюда следует, что весь
миллисекундный импульс в верхних слоях атмосферы
практически полностью самофокусируется.
Влияние движения среды на распространение лазер-
ного излучения в поглощающей атмосфере первоначаль-
но рассматривалось с помощью кристаллов и жидкостей.
Было показано, что эффект теплового самовоздействия
можно описать, если учесть зависимость диэлектриче-
ской постоянной среды е« от температуры Т:
t = -J— дт,
0 <ЭТ
где ДТ — изменение температуры среды, описываемое
уравнением теплопроводности с учетом движения среды
(ветер, конвективное перемешивание, сканирование
луча).
Существуют два физических фактора, оказывающих
влияние на процесс установления температуры в канале
чазерного луча нагревание среды и отвод тепла вслед-
ствие конвективных процессов При больших скоростях
движения среды температурный градиент приводит к
отклонению луча лазера навстречу направлению ветра.
Кроме того, движение среды изменяет гауссово распре-
деление интенсивности в луче, превращая его в серпо-
видное, вытянутое в сторону, противоположную направ-
лению ветра. Указанный эффект становится значитель-
ным только в случае непрерывного излучения или рас-
пространения узких пучков лазера в слабопоглощающей
атмосфере Если же используются лазерные пучки ши-
79
риной I м при длительности порядка 10 3 с, то рассмот-
ренные эффекты не учитываются.
Оптимальным с точки зрения условий распростране-
ния через атмосферу с учетом ее нелинейных и турбу-
лентных свойств считается импульсный режим длитель-
ностью порядка миллисекунд при апертуре пучка 1 м.
В заключение отметим, что распространение лазер-
ных потоков высокой плотности излучения в газообраз-
ных и жидких средах приводит к изменению оптических
характеристик этих сред. Это в свою очередь существен-
но влияет на свойства самого пучка. Например, нагрев
среды при поглощении энергии лазерного излучения вы-
зывает изменение показателя преломления, что приво-
дит к расплыванию первоначальной формы пучка, от-
клонению от исходного направления распространения.
Сложность процессов взаимодействия лазерного излуче-
ния с различными средами вызывает необходимость вво-
дить упрощающие предположения и рассматривать в
основном кратковременные процессы или исследовать
установившиеся явления, связанные с теплопроводно-
стью и свободной или вынужденной конвекцией [26].
Причины, обусловливающие уход энергии из лазер-
ного пучка, весьма сложны. Прежде чем перейти в теп-
ло, энергия фотона претерпевает множество преобразо-
ваний. В зависимости от состава среды процессы преоб-
разования энергии могут происходить в промежутки
времени от нескольких микросекунд до нескольких сот
миллисекунд. Динамика процессов определяется уравне-
ниями сохранения массы, количества движения и энер-
гии.
Глава 3
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(по материалам зарубежной печати)
3.1. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Под биологическим действием лазерного излучения
понимают совокупность структурных, функциональных и
биохимических изменений, возникающих в живом орга-
низме в результате облучения монохроматическими ко-
герентными лучами.
Лазерное излучение является для любого живого ор-
ганизма непривычным искусственным раздражителем, не
встречающимся в естественных условиях. Оно воздей-
ствует на весь организм, но наибольшую опасность пред-
ставляет для зрения. Это объясняется способностью гла-
за фокусировать световые лучи, вследствие чего плот-
ность энергии на его внутренней поверхности, так на-
зываемой сетчатой оболочке, увеличивается па несколь-
ко порядков.
Для того чтобы попять механизм воздействия лазер-
ного излучения на живой организм и целенаправленно
искать средства надежной защиты от него, рассмотрим
некоторые общие положения биологии и физиологии че-
ловека.
Любой живой организм представляет собой совокуп-
ность сложных химических соединений (белки, жиры,
углеводы, нуклеиновые кислоты и т. д.), которые опре-
деляют соответствующее анатомическое строение и фи-
зиологические функции организма. В живом организме
в отличие от неорганической материн не существует
клетки, а тем более ткани или целой функциональной
структурной единицы, которая представляла бы точную
копию соседней.
6 Зак. 2J3
81
Результаты воздействия лазерного излучения на жи-
вой организм определяются как физиологическими свой-
ствами отдельных тканей организма (отражающей и по-
глощающей способностью, теплоемкостью, теплопровод-
ностью, скрытой удельной теплотой парообразования,
акустическими и механическими свойствами), так и тех-
ническими характеристиками лазерного излучения, ос-
новными из которых являются энергия в импульсе,
плотность мощности, длина волны, а сопутствующими —
величины когерентности и поляризации.
При воздействии мощного лазерного излучения на
организм происходит большое количество различных
биологических реакций, одновременно начинающихся и
идущих параллельно, но приводящих часто к совершен-
но противоположным эффектам, что создает большие
трудности при изучении этих реакций.
Распад одних крупных молекул и синтез других, окис-
ление тех или иных продуктов обмена и восстановление
тканевых веществ, изменение скорости и появление но-
вых реакций, нарушение привычной цепочки биологиче-
ских процессов, сдвиги в кислотно-щелочном равнове-
сии тканей и органов и многое другое составляют сущ-
ность биологического действия лазерного излучения.
Взаимодействие лазерного излучения с любой биоло-
гической тканью начинается с поглощения одной части
энергии излучения (абсорбции) и отражения другой ее
части. Энергия отражается от поверхности раздела меж-
ду любыми средами, имеющими разные оптические ха-
рактеристики. На границе Двух сред (клеток, тканей)
происходит преломление, рассеивание излучения части-
цами ткани и одновременно возникают поляризационные
эффекты В результате в поверхностных тканях, подвер-
гающихся воздействию лазерного излучения, изменяется
направленность электрических и магнитных полей.
Так как облучаемые ткани имеют различные харак-
теристики поглощения, то лазерное излучение действует
избирательно на различные органы и системы. Именно
эта особенность лазерного излучения отличает его от
излучений всех других известных типов и в первую оче-
редь от проникающей радиации ядерного распада.
Любая живая ткань состоит из отдельных клеток, в
которых различают центральное образование — ядро,
более мелкие ядрышки и окружающую их цитоплазму.
82
Лазерное излучение способно вторгаться во внутрикле-
точные структуры и действовать при этом строго изби-
рательно. Объясняется это просто. Каждое из веществ,
составляющих организм — ферменты, гормоны, витами-
ны, пигменты, — имеет свои, только ему присущие ха-
рактеристики поглощения излучения.
Увеличивая и уменьшая энергию лазерного излуче-
ния или вводя в клетку некоторые химические реакти-
вы, целенаправленно изменяющие чувствительность
различных внутриклеточных структур к излучению, уда-
ется избирательно повысить чувствительность ядра,
ядрышка или цитоплазмы клеток к поглощению энергии
лазерного излучения.
При поглощении лазерного излучения тканями орга-
низма энергия излучения в соответствии с законом со-
хранения энергии и массы преобразуется в облученной
ткани в другой вид энергии (тепловую, энергию фотохи-
мических процессов, энергию электронных переходов)
или же появляется излучение другой длины волны. При
этом может возникнуть так называемое бриллюэновское
рассеяние, под которым понимают модулирование лазер-
ного излучения акустическими колебаниями, т. е рас-
сеяние света на акустических волнах. Все это и обуслов-
ливает повреждение облучаемой лазером ткани.
Лазерное излучение вызывает следующие биологиче-
ские эффекты: термический, ударный, светового давле-
ния, электрострикции, образование в пределах клетки
микроволнового электромагнитного поля. Рассмотрим
природу каждого эффекта в отдельности.
Термический эффект
Одним из важнейших факторов взаимодействия ла-
зерного излучения с биологическими тканями является
термический эффект, накладывающий определенный от-
печаток па характер поражения облученного участка в
целом. На характер повреждения биологической ткани
существенно влияет ряд параметров излучения лазеров.
Из них определяющими являются энергия излучения,
мощность и длительность импульса, длина волны, час-
тота следования импульсов и режим работы — импульс-
ный или непрерывный.
Существенное значение имеет также эффект повтор-
ного воздействия лазерного излучения на биологические
6* 83
Ткани и возможность концентрации энергии излучения
в глубоко расположенных слоях Максимальному раз-
рушению подвергаются ткани, содержащие красящее ве-
щество— меланин. Лишенные этого пигмента ткани раз-
рушаются меньше. Поэтому можно говорить об избира-
тельности поглощения монохроматического, когерентно-
го светового пучка.
Поражение при лазерном облучении обычно сходно
с тепловым ожогом, в особенности с ожогом, возникаю-
щим под влиянием токов выстой частоты. При этом
омертвение ткани происходит в результате свертывания
белков под влиянием образующейся разницы потенциа-
лов. Для лазерного ожога характерно наличие резко
выраженных границ пораженного участка. Это объясня-
ется кратковременностью лазерного импульса, под дей-
ствием которого мгновенно выделяющееся тепло не ус-
певает распространиться за пределы облученного лазе-
ром участка ткани.
На характер повреждения биологической ткани ла-
зерным излучением сильно влияют степень естественной
окраски (пигментации), микроскопическая структура и
физическая (механическая) плотность органов и тканей.
При этом следует учитывать, что максимум поглощения
электромагнитного излучения некоторых красящих ве-
ществ, например пигмента кожи человека — меланина,
находится в диапазоне длин волн 0,50—0,55 мкм,
т. е. в диапазоне излучения наиболее распространенных
современных лазеров.
Так, специфическая окраска таких жизненно важных
органов, как печень и селезенка, приводит к тому, что
ткани этих внутренних органов обладают наибольшей
чувствительностью к действию узконаправленного луча
аргонового лазера, генерирующего излучение (0,48 и
0,51 мкм) в видимой сине-зеленой области электромаг-
нитного спектра.
Напомним, что биологическая ткань состоит из мас-
сы сложнейших химических веществ, находящихся в про-
цессе непрерывного взаимодействия — синтеза и парал-
лельно идущего распада. При этом своеобразными ус-
корителями зачастую даже одновременно протекающих
биохимических реакций являются биологические катали-
заторы — ферменты. Именно ферменты являются теми
компонентами клеток, которые, будучи наиболее чув-
84
ствительными к воздействию термического фактора ла-
зерного излучения, первыми разрушаются. В результате
биохимические реакции, протекающие в клетке, полно-
стью затормаживаются, и клетка гибнет.
По мнению иностранных специалистов, при случай-
ном облучении непигментированпой кожи человека ма-
ломощным лазерным лучом обычно отмечается незначи-
тельное, всего лишь поверхностное поражение.
Пузыри, возникающие в результате воздействия ла-
зерного излучения достаточно большой энергии, распо-
лагаются в поверхностных слоях кожи, в то время, как
пузыри, появляющиеся при термических ожогах, нахо-
дятся значительно глубже. При еще большем увеличе-
нии энергии лазерного излучения степень поражения
внешних покровов, а также внутренних тканей и органов
возрастает, причем зависимость степени поражения от
мощности излучения близка к линейной.
Новые мощные ОКГ, которыми оснащаются совре-
менные лаборатории, представляют значительную опас-
ность для обслуживающего персонала. Достаточно мощ-
ными ОКГ с биологической точки зрения следует счи-
тать лазеры, выходная энергия которых при длине
волны от 0,48 до 10,6 мкм составляет 50 Дж и больше.
Большая часть биологических последствий, вызы-
ваемых воздействием лазерного излучения, зависит от
величины мощности, создаваемой на единице поверх-
ности биологической ткани (плотность мощности). Ею
же определяется и тепловое действие лазерного излу-
чения. Так, лазер мощностью всего лишь 10 мВт может
создать высокую плотность мощности на сетчатке глаза
человека. Такой уровень светового излучения вполне до-
статочен для того, чтобы вызвать хотя и обратимое, одна-
ко весьма болезненное поражение сетчатки глаза.
Следует отметить, что име-ются существенные разли-
чия в биологическом действии сфокусированного и не-
сфокусированного лазерных излучений. При действии
сфокусированного излучения размеры пораженных обла-
стей наружных покровов уменьшаются, а степень пора-
жения возрастает. В то же время для отдельных органов
в силу особенностей их строения биологический эффект
лазерного излучения практически не зависит от степени
его фокусирования. Например, граница повреждения ла-
зерным излучением отдельных участков печени обычно
85
йМеет резко очерченную форму. Наличие такой резкой
границы между непораженным и пораженным участка-
ми печени объясняется полностью только тепловым эф-
фектом лазерного излучения.
Ударный эффект
Одним термическим эффектом не исчерпывается воз-
действие лазерного излучения на биологические ткани.
Причиной некоторых повреждений, безусловно, являет-
ся и ударное действие энергии'лазерпого излучения. Не-
зависимо от механизма возникновения ударный эффект
характеризуется появлением в биологических тканях
распределенного давления, при этом, в частности, воз-
никает испарение и извержение частиц ткани с облу-
чаемой поверхности. Это явление приводит в соответ-
ствии с законом сохранения момента количества
движения к образованию механического импульса, на-
правленного противоположно движению выбрасываемых
частиц, т. е. по ходу лазерного излучения. Одновременно
в облученном участке в результате резкого подъема
температуры возникает тепловое объемное расширение,
при этом выделившееся тепло практически не успевает
распространиться путем теплопроводности и конвекции.
Быстрое расширение приводит к появлению механиче-
ских напряжений и ударных волн, распространяющихся
в толщу ткани.
Как известно, взаимодействие между всеми структур-
ными элементами биологической ткани обусловлено су-
ществованием единого биоэнергетического поля организ-
ма, складывающегося из более элементарных полей,
каждое из которых дискретно, т. е. к нему применим
принцип квантования. Основу энергетических связей со-
ставляет система компонентов электрон—ион (так на-
зываемый электронно-ионный мультиплет) Таким обра-
зом, энергетическая система любого живого организма
состоит из огромной совокупности элементарно малых
систем, отражающих строгое энергетическое соответст-
вие.
Молекула биологической ткани обладает определен-
ным запасом энергии, заключенным в электронных уров-
нях. Этот запас энергии находится в строгом соотноше-
нии с химически организованной структурой молекулы.
86
Изменение энергетического содержания электронных
уровней неизбежно вызывает пространственные или, как
их принято называть, стереохимические перестройки (из-
менение пространственного расположения молекул в
биохимическом соединении), а следовательно, — появле-
ние вначале биохимических и функциональных измене-
ний, а затем уже и серьезные нарушения анатомической
структуры облучаемых тканей. Резкое изменение энер-
гии ионов и электронов, сопровождаемое повышением
температуры биологических тканей, приводит к их теп-
ловому расширению с одновременным изменением фа-
зового состояния отдельных внутриклеточных компонен-
тов— образованию паров и в конечном итоге к гибели
клеток.
В результате теплового расширения тканей, вызван-
ного ударным эффектом, развивается значительно
большее давление, чем давление отдачи, связанное с
выбросом частиц вещества с поверхности облучаемой
лазером ткани [27]. Это резкое повышение давления рас-
пространяется сначала со сверхзвуковой скоростью, имея
характер ударной волны, затем по мере углубления в
ткани — замедляется.
Итак, механизм образования ударной волны связан
с изменением состояния внутриклеточных жидкостей, хо-
тя иногда образование ударной волны может быть объ-
яснено увеличением объема за счет нагревания ткани
без изменения фазового состояния самого вещества [28].
Ударная волна может возникнуть на поверхности или во
внутренней зоне облучаемой лазером ткани. По сравне-
нию с давлением, вызываемым поверхностным поглоще-
нием, давление за счет внутреннего поглощения может
быть даже более выраженным.
Сила ударной волны обычно недостаточна для воз-
никновения значительного биологического эффекта. В то
же время, распространяясь во внутренних тканях, удар-
ная волна при лазерном облучении кожи может повреж-
дать внутренние ткани без каких-либо видимых внеш-
них проявлений. Это следует особенно учитывать спе-
циалистам, эксплуатирующим устройства лазерной
техники.
В соответствии с квантовой природой света при вза-
имодействии лазерного излучения с веществом возника-
ют дополнительные колебания молекул (ультразвуковые
87
волны частотой 2-104—1 • 1013 Гц). Они также являют-
ся причиной деформации и повреждения облученных
лазеро и тканевых структур.
Как известно, белок является носителем тех свойств,
которые в целом определяются одним исключительно
емким термином «жизнь». Но белок проявляет все при-
сущие ему физико-химические свойства, определяющие
качественное состояние материи — «живое», только при
соблюдении определенных условий внешней и внутрен-
ней среды. При нарушении этих условий любыми внут-
ренними или внешними факторами произойдет сверты-
вание клеточного белка, так называемая коагуляция, с
потерей главного свойства — активности (жизни).
И действительно, под действием лазерного излуче-
ния в облученном слое биологической ткани формиру-
ются периодически повторяющиеся концентрические зо-
ны уплотнения коагулята — упругие колебания свернув-
шегося белка.
Эти колебания в результате столкновения основной
и отраженной волн на границе двух различных по плот-
ности тканей приводят к образованию стоячей волны,
влекущей гибель большой массы клеток. Описанная кар-
тина наблюдается только под микроскопом с большим
увеличением.
Эффект светового давления и электрострикции
Под электрострикцией понимают деформацию тел во
внешнем электрическом поле, пропорциональную квад-
рату его напряженности. Электрострикцию с 1едует от-
личать от обратного пьезоэлектрического эффекта, на-
блюдающегося в некоторых кристаллах (пьезоэлектри-
ках), при котором деформация пропорциональна напря-
женности электрического поля (а не квадрату).
Под воздействием на биологические ткани лазерно-
го излучения внутри клеток могут возникать не только
электрические и фотоэлектрические, но и фотохимиче-
ские процессы. При этом ослабляются и даже могут
полностью разорваться химические связи, нарушается
ход специфических биохимических реакций за счет ги-
бели биологических ускорителей (ферментов) химиче-
ских реакций. И наконец, в процессе взаимодействия ла-
зерного излучения с биологической тканью образуются
свободные радикалы,
88
Ё молекулах большинства органических веществ
электроны с противоположно направленными магнитны-
ми моментами объединены в пары, и поэтому внешнее
магнитное поле на них не действует. Большой научный
интерес представляют соединения, известные под назва-
нием свободных радикалов.
Под свободным радикалом подразумевают молекулу,
содержащую неспаренный электрон. Таких молекул, до-
статочно стабильных при комнатной температуре, из-
вестно сравнительно мало. Большинство радикалов име-
ет очень короткое время жизни, например 10~3 с. Они
оканчивают свое существование, объединяясь с други-
ми свободными радикалами, или Же участвуют в само-
поддерживающейся цепной реакции, когда вместо од-
ного погибшего радикала возникает другой [29].
К свободным относят радикалы, которые представ-
ляют собой молекулы, находящиеся в электронно-воз-
бужденном состоянии. Они обладают свободной валент-
ностью и потому могут либо нести электрический заряд,
являясь в этом случае положительными или отрицатель-
ными ион-радикалами, либо остаются нейтральными.
Свободные радикалы служат активными центрами
ряда ферментов, участвующих в катализе наиболее важ-
ных реакций биологического окисления. В процессе это-
го окисления освобождается, перераспределяется и ис-
пользуется энергия для основных биологических процес-
сов (дыхание, синтез и т. д.). Существенным моментом
является наличие стабильных свободных радикалов в
пигментах, которыми особенно богаты радужки глаз и
так называемые родимые пятна кожи Они же обуслов-
ливают общий своеобразный тон загорелого тела.
Чаще всего свободные радикалы обладают большой
химической активностью, благодаря чему они активно
вступают в реакции взаимодействия с насыщенными
молекулами. Свободные радикалы отличаются рядом
специфических оптических и магнитных свойств, поэтому
они могут быть обнаружены и изучены с помощью раз-
личных методов исследования, наиболее эффективным
из которых является метод электронного парамагнитно-
го резонанса.
Основным условием возникновения спектра электрон-
ного парамагнитного резонанса является эффект элек-
трострикции — наличие у частиц исследуемого образца
89
йескомпенсированных магнитных моментов, обусловлен-
ных взаимодействием неспаренных электронов под влия-
нием магнитного поля. В целом явление электронного
парамагнитного резонанса представляет собой совокуп-
ность процессов, связанных с квантовыми переходами,
происходящими между энергетическими уровнями си-
стем под влиянием переменного поля резонансной час-
тоты.
И действительно, в облачке распыленного материала,
извергавшегося под действием лазерного излучения с
поверхности тела животного в эксперименте, удавалось
не раз обнаружить положительно и отрицательно заря-
женные частицы
В некоторых ферментах свободные радикалы появля-
ются только в процессе активного отбора от их молекул
атомов водорода (так называемая дегидрогенизация).
Местонахождение свободных радикалов в животных
клетках чаще всего ограничено ферментами, находящи-
мися в структурных элементах клетки, называемых ми-
тохондриями. Ловушкой короткоживущих свободных ра-
дикалов в митохондриях — важнейших элементах любой
клетки, в которых происходит синтез белка из нуклеи-
новых кислот, — служит витамин Е.
Свободные радикалы в клетке обычно являются ко-
роткоживущими, хотя меланин, о котором уже упомина-
лось, всегда существует в виде свободного радикала.
Видимо, в природе меланин был отобран в процессе
эволюции в качестве ловушки для электронов, освобож-
дающихся при действии света на кожу.
За счет внутреннего обмена веществ или под дейст-
вием радиоактивного и лазерного излучений из воды,
всегда присутствующей во всех микроструктурах биоло-
гических тканей, образуется небольшое количество ра-
дикалов НО и HOi, обладающих высокой реакционной
способностью.
Появление свободных радикалов, а главное, их на-
копление в больших количествах в тканях организма,
является одной из причин значительного ухудшения со-
стояния здоровья человека, подвергшегося лазерному
облучению. Одна из научных зарубежных школ видит в
этих радикалах и в накоплении вызываемых ими на-
рушений естественную химическую основу изменения на-
90
следственное™ — мутирования, а также возникновения
некоторых форм рака [30]. Накопление свободных ради-
калов отмечено при различных патологических состоя-
ниях, в том числе с ними связана и одна из нескольких
современных теорий биологического старения.
Причиной образования в ткани свободных радикалов
под влиянием лазерного излучения большой энергетиче-
ской плотности является создание электрического поля,
напряженность которого для лазеров, имеющих исклю-
чительно высокие импульсные значения мощности, со-
ставляет 107—108 В/см.
Для сравнения укажем, что в Советском Союзе в со-
ответствии с действующим законодательством по здраво-
охранению интенсивность электромагнитных полей ра-
диочастот на рабочих местах специалистов, эксплуати-
рующих радиоэлектронную аппаратуру, не. должна пре-
вышать 2-Ю3 В/см по электрической составляющей в
диапазоне частот 100 кГц — 30 МГц и 500 В/см в диа-
пазоне частот 30—300 МГц. Эти цифры предельно допу-
стимые, выше которых начинаются патологические про-
цессы в организме, подвергшемся облучению [31].
В процессе взаимодействия лазерного излучения с
биологической тканью каждый фотон квантового излуче-
ния абсорбируется (поглощается) только одной молеку-
лой, которая при этом становится возбужденной и пред-
ставляет собой отправную точку указанного взаимодей-
ствия лазерного излучения с тканью. Энергия, получен-
ная при этом молекулой, преобразуется во внутреннюю
энергию движения в пределах данной молекулы, что в
свою очередь приводит к образованию прежде всего сво-
бодных радикалов или каких-либо других форм энергии
с индуцированием целой цепочки сложнейших измене-
ний в структурных элементах клетки. Указанное явле-
ние носит название эффекта светового давления.
Находясь в возбужденном состоянии, молекулы, об-
ладающие повышенной чувствительностью (сенсибилизи-
рованные молекулы), становятся активными и легко
претерпевают различные химические превращения, при-
водящие в конечном итоге к гибели отдельных клеток
и поражению ткани в целом.
Каждая отдельная молекула поглощает свет, в том
числе и лазерное излучение, только одной определенной
длины; поэтому для волн любой другой длины эта мо-
91
лекула является как бы прозрачной Этим объясняется
избирательное действие лазерного излучения определен-
ных длин волн на различные биологические ткани и ор-
ганы
Эффект воздействия сверхвысокочастотного поля
Во время работы современных мощных лазеров при
разряде ламп накачки возникает электромагнитное поле
сверхвысокочастотпого диапазона (СВЧ): дециметровые,
сантиметровые и миллиметровые волны.
Воздействие радиоволн этого диапазона на организм
крайне неблагоприятно. Совокупность нарушений, вы-
зываемых в организме действием электромагнитных волн
СВЧ диапазона, носит название радиоволновой болезни
Персонал радиолокационных станций, аппаратных за-
лов, радиопередающих центров знает по личному опыту
основные симптомы этого заболевания: неприятные ощу-
щения тупой, поющей, весьма стойкого характера го-
ловной боли, нарушение сна, повышенная раздражитель-
ность, нервозность, беспричинное беспокойство, необос
нованная вспыльчивость и резкость в обращении
с окружающими.
Эти симптомы наблюдаются у лиц, длительно рабо-
тающих с источниками СВЧ излучений. Естественно, что
радиоволновая болезнь возникает только в случае гру-
бого нарушения правил технической эксплуатации со-
ответствующих приборов или при превышении предель-
но допустимых уровней облучения электромагнитными
волнами СВЧ диапазона.
Действие ядовитых продуктов тканевого обмена
и нелинейные оптические эффекты
Немаловажную роль в механизме биологического
действия лазерного излучения играет воздействие на
клетки и ткани ряда веществ, обладающих выраженны-
ми ядовитыми свойствами, так называемых внутренних
ядов или эндотоксинов, возникающих в тканях после
облучения (аутоинтоксикация, или отравление организ-
ма собственными тканевыми ядами)
В силу когерентности лазерного излучения и значи-
тельной напряженности электрического поля в тканях
92
проявляются нелинейные оптические эффекты Одним из
нелинейных эффектов, возникающих при облучении ла-
зерным лучом биологической ткани, является процесс
интенсивного многофотонного поглощения излучения
молекулами ткани, при этом ткани перестают дей-
ствовать как линейный диэлектрик и в них наблюдается
образование гармоник проникающей радиации Этот эф-
фект особенно выражен в зоне действия остро сфокуси-
рованных лазерных лучей большой мощности
Аутоинтоксикация и нелинейные оптические эффек-
ты, возникающие в клетках биологической ткани под
влиянием лазерного излучения, усиливают отрицатель-
ное действие на организм теплового и ударного эффек-
тов, эффектов светового давления и электрострикции.
Режим работы лазера и характер
биологического действия излучения
Выше были рассмотрены обособленно друг от друга
следующие наиболее важные механизмы биологического
действия лазерного излучения на живую ткань: терми-
ческий, ударный, световое давление, эффект электро-
стрикции, образования внутритканевых ядов и нелиней-
ные оптические эффекты
Теперь рассмотрим влияние режима работы лазера
и создаваемого им излучения на характер биологическо-
го действия.
В зависимости от вида лазерного излучения на пер-
вый план могут выступать различные факторы и эффек
ты. Энергетические характеристики излучающих уст-
ройств квантовой электроники обусловливают конкрет-
ное проявление того или другого эффекта биологического
действия лазерного излучения.
Непрерывный режим. В механизме биологического
действия лазеров, работающих в непрерывном режиме,
основную роль играет термический эффект, а ударный
существенного значения не имеет
Импульсный режим. В механизме биологического
действия импульсных лазеров преобладает тот же тер-
мический эффект. В связи с тем что тепло лазерного из-
лучения выделяется за время 10“3—10 8 с, оно не успе-
вает быть отданным в соседние участки путем
конвекции или переноса при оттекании из очага тепло-
’ 93
образования крови. В результате возникает поражение
внутриклеточных структур взрывного характера с рез-
ким подъемом температуры выше 100° С, сопровождаю-
щееся кипением жидкой фазы клеточных элементов и
парообразованием.
Режим работы с модулированной добротностью. При
воздействии излучения лазеров с модулированной доб-
ротностью возрастает значение градиентов давления,
ударных эффектов взрывного типа и в некоторой степе-
ни влияние образующихся при 'этом электромагнитных
полей.
Очень часто при облучении биологических объектов
бывает трудно отделить один эффект от другого, и по-
тому можно говорить об одновременном действии не-
скольких факторов лазерного излучения, принимая во
внимание, что в каждом конкретном случае удельный
вес отдельных факторов различен. Таким образом, в
механизме взаимодействия лазерного излучения с био-
логическими объектами разграничиваются, хотя и весьма
относительно, две стороны: специфическая и неспе-
цифическая. Особенно сложными их взаимосвязи стано-
вятся при использовании в качестве источников лазер-
ного излучения ОКГ, излучающих волны в диапазоне
сине-зеленой части видимой и ультрафиолетовой области
оптического диапазона электромагнитного спектра.
3.2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАН ЗРЕНИЯ И КОЖНЫЕ ПОКРОВЫ
ЧЕЛОВЕКА
Краткие сведения по анатомии и физиологии глаза
Все разнообразие форм и красок внешнего мира че-
ловек воспринимает с помощью органов зрения. Почти
90% всей информации, получаемой человеком через ор-
ганы чувств, приходится на зрительные образы. Рас-
смотрим в общих чертах анатомическое строение зри-
тельного аппарата и основные данные, характеризую-
щие его функциональное состояние.
Зрительный аппарат человека в своем многовековом
развитии оказался идеально приспособленным к совер-
шенно беспрепятственному пропусканию через свои сре-
ды электромагнитных излучений в очень широком диа-
пазоне длин волн — от 0,45 до 0,82 мкм, воспринимае-
94
Мых человеком как различные цвета спектра ОТ
фиолетового до красного.
Глазное яблоко неправильной геометрической формы
(скорее оно эллипсовидное, чем сферическое) имеет три
оболочки, окружающие внутренние прозрачные среды
(рис. 3 1). Форму глазного яблока определяет непрозрач-
Рис. 3 1. Схематическое строение глаза:
/ — белочная оболочка — склера; 2 —роговая оболочка; 3—сосудис-
тый тракт — хориоидеа; 4 — ресничное тело; 5 — хрусталик; 6 — ра-
дужная оболочка; 7 —сетчатая оболочка; 8 —желтое пятно; 9 — зри-
тельный нерв; 10 — сосок зрительного нерва (слепое пятно); 11 — не-
рвдняя камера глаза; 12 — стекловидное тело
ная для световых лучей плотная наружная оболочка бе-
лого цвета — склера. Она защищает более нежные внут-
ренние оболочки и служит остовом для прикрепления на-
ружных мышц, обеспечивающих движение глазного
яблока. Подвижность глазного яблока, обусловливаю-
щая несколько скачков в секунду в пределах от несколь-
ких до 30 угловых минут, является необходимым усло-
вием восприятия зрительной информации.
95
В передней части глазного яблока склера переходит
в плотную, но прозрачную для световых лучей рогови-
цу, которая как бы вставлена в склеру наподобие часо-
вого стекла и обильно снабжена чувствительными нерв-
ными окончаниями.
Поверхность склеры покрыта очень тонкой прозрач-
ной пленкой — конъюнктивой, переходящей и на заднюю
поверхность век. Позади роговицы находится радужная
оболочка, или радужка, пронизанная огромным количе-
ством тончайших сосудов — капилляров и содержащая
в зависимости от цвета глаз то или иное количество кра-
сящего вещества — пигмента. При большем содержании
последнего глаза приобретают карий цвет, при мень-
шем — зеленоватый или голубой.
В центре радужки находится отверстие — зрачок,
имеющее важное значение для нормальной работы зри-
тельного аппарата. Благодаря мышечным волокнам, за-
ключенным в радужке, зрачок может расширяться в
темноте или сумерках, пропуская больше света, и на-
оборот — суживаться на ярком свету, тем самым регу-
лируя поступление света в глаз и предохраняя его от
ослепления в результате светового ожога. Поэтому со-
вершенно справедливо распространенное в технической
литературе сравнение радужки с диафрагмой фотоаппа-
рата.
Внутри глазного яблока расположены двояковыпук-
лая биологическая линза — хрусталик и прилегающее к
нему сзади так называемое стекловидное тело. У здо-
рового человека они абсолютно прозрачны для электро-
магнитных волн видимого диапазона. Хрусталик в свою
очередь примыкает непосредственно к задней стороне
радужки и представляет собой чечевицеобразное обра-
зование, волокна которого обладают большой упруго-
стью. Кривизна этой своеобразной биологической двояко
выпуклой оптической линзы меняется в зависимости от
удаленности рассматриваемого объекта. Хрусталик яв-
ляется главной частью сложной системы светопрелом-
ляющего аппарата глаза.
Процесс изменения кривизны хрусталика называется
аккомодацией. Аккомодация осуществляется путем со-
кращения мышцы, расположенной у корня радужки в
глубине глаза, которая так и именуется — аккомодаци-
онная мышца. При ее напряжении капсула хрусталика
96
расслабляется, он приобретает более выпуклую форму
и тем самым большую преломляющую способность, при-
чем аккомодация может) только увеличивать прелом-
ляющую способность хрусталика, но не уменьшать ее.
Внутренняя оболочка глаза — сетчатая оболочка, или
просто сетчатка (ретина), представляет собой собствен-
но воспринимающую часть (рецептор) зрительного ана-
лизатора, приспособленную для восприятия объектов
внешней среды. Сетчатка состоит главным образом из
нервных светочувствительных элементов, напоминающих
при рассматривании под микроскопом палочки и колбоч-
ки, которым принадлежит главная роль в зрительном
процессе. В них происходят сложные фотохимические
процессы, в результате которых световая энергия пре-
вращается в энергию нервного возбуждения. В основе
протекающих фотохимических реакций лежат превра-
щения зрительного окрашенного вещества — родопсина.
Вплотную к сетчатке примыкает тонкий слой, состоя-
щий из массы тончайших кровеносных сосудов — капил-
ляров, носящий название сосудистой оболочки Часто
сетчатку и сосудистый слой объединяют общим назва-
нием хориоретинальный слой, или просто хориоретина.
Соответственно с этим термином ниже будет говориться
о хориоретинальных ожогах.
Длина световоспринимающих образований (палочек
и колбочек) не превышает сотых долей миллиметра. Рас-
пределены они в сетчатке неравномерно и выполняют
различные функции.
Палочки гораздо восприимчивее к световым раздра-
жениям и обеспечивают работу аппарата сумеречного
зрения и зрения в темноте. Цвет предметов они не вос-
принимают. Располагаются палочки преимущественно
по периферии сетчатки. Функция же колбочек связана
с аппаратом цветного зрения. Наибольшее количество
колбочек находится в центральной части сетчатки —
желтом пятне. Середина его—центральная ямка, состо-
ит из одних только колбочек и является местом наилуч-
шего видения. С помощью этих колбочек глаз человека
способен различать не только самые мелкие предметы,
но и цвета
Палочки заключают в себе светочувствительный при-
емник с максимумом чувствительности в области спект-
ра с длиной волны 0,51 мкм. Колбочки заключают в се-
7 Зак. 213 97
бе трй светЬчувствитеЛьных приемника с максимумами
чувствительности в области спектра с длиной волны 0,44;
0,54 и 0,59 мкм.
Угловой размер желтого пятна составляет приблизи-
тельно 6—7°. Диаметр центральной ямки около 0,4 мм
(примерно 1,3°). Центральная ямка несколько смещена
относительно оптической оси глаза. Нервные волокна,
отходящие от нервных клеток сетчатки, при выходе из
глазного яблока образуют зрительный нерв
Пространство позади хрусталика вплоть до сетчатки,
т. е. почти вся внутренность глазного яблока, заполнено
прозрачной студенистой массой — стекловидным телом.
Оно составляет большую часть (до 65%) содержимого
глазного яблока. Сзади стекловидное тело соприкасается
с диском зрительного нерва Стекловидное тело обеспе-
чивает' глазу определенную форму глазного яблока и
постоянное соотношение частей оптического аппара-
та, а также тесное прилегание внутренних оболочек
глаза.
Как известно, световые лучи преломляются при пере-
ходе из одной среды в другую. В нашем глазу такими
средами являются роговая оболочка, хрусталик и стек-
ловидное тело. Причем наибольшее преломление проис-
ходит} на передней и задней поверхности роговицы. Хру-
сталик же, изменяя свою кривизну, может увеличивать
или уменьшать свой показатель преломления, а значит,
и фокусное расстояние оптической системы глаза. Этим
достигается возможность четкого видения (различения)
как далеких, так и близких предметов.
У человека с нормальным зрением лучи от* объекта
наблюдения, преломившись, собираются в фокусе точно
на сетчатке. При дальнозоркости и близорукости, двух
наиболее распространенных отклонениях от нормального
зрения, ясного изображения объекта наблюдения на сет-
чатке не получается. Из-за избыточного или, наоборот,
недостаточного преломления световых лучей, идущих от
удаленных ппедметов, изображение (проекция) их будет
находиться соответственно перед сетчаткой или за ней
на предполагаемом продолжении оптической оси.
Близорукие и дальнозоркие люди для изменения по-
казателя преломления глаз, т. е. для исправления врож-
денного или приобретенного дефекта зрения, применяют
очки.
98
Эти два вида нарушения работы зрительного аппа-
рата специально рассматривались для того, чтобы от-
четливо понять причину совершенно различных резуль-
татов биологического действия лазерного излучения на
глаза людей с различной остротой зрения. При этом оч-
ки, используемые ими, также влияют на результат дей-
ствия лазерного излучения, ослабляя или усиливая его.
Как уже отмечалось, лазеры вследствие высокой мо-
нохроматичности, когерентности электромагнитного из-
лучения и крайне малой угловой расходимости излуче-
ния позволяют создать световое пятно, диаметр которого
соизмерим с длиной волны излучения и в котором поэто-
му концентрируется огромная энергия на предельно ма-
лой площади. При этом, несмотря на уменьшение интен-
сивности по мере проникновения в оптически прозрачные
среды глаза, лазерное излучение опасно для зрения в
силу способности глаза фокусировать лучи на малой по-
верхности сетчатки.
Действие лазерного излучения на зрение
Клиницисты-офтальмологи (глазные врачи) имеют до-
статочный опыт по использованию лазерного излучения
с лечебной целью Они установили, что глаза человека
примерно в миллион раз более уязвимы от лазерного из-
лучения, чем кожа. Характер воздействия на зрительный
аппарат и степень поражающего действия лазерного из-
лучения зависят от ряда факторов.
Излучение лазера, работающего в видимой области
оптического диапазона электромагнитных излучений, сво-
бодно проходит через все оптически прозрачные среды
глаза (роговицу, хрусталик и стекловидное тело). При-
мыкающая к стекловидному телу наиболее нежная обо-
лочка глаза — сетчатка, с которой собственно и начи-
нается процесс зрительного восприятия, является как бы
экраном, на который проецируется сфокусированное ро-
говицей и хрусталиком изображение светового пятна
лазерного излучения
Результат воздействия лазерного излучения на глаза
и степень поражающего действия зависят главным обра-
зо.м от плотности энергии излучения, длины волны и ви-
да излучения (импульсное или непрерывное). В зависи-
мости от величины падающей энергии лазерное излуче-
7* 99
ние видимой области может вызвать как временное
вследствие обратимых химических изменений в сетчатке
ослепление, так и необратимую потерю зрения из-за силь-
ного ожога сетчатки или даже повреждения диска зри-
тельного нерва.
Лазерное излучение ближнего участка инфракрасной
области, так же как и световое излучение видимой обла-
сти оптического диапазона, свободно пропускается рого-
вицей, хрусталиком и стекловидным телом.
Лазерное излучение дальних участков инфракрасной
и ультрафиолетовой области поглощается роговой обо-
лочкой глаза и хрусталиком. Однако в этом случае даже
при небольших плотностях лазерной энергии поврежда-
ются роговица и хрусталик. Поглощая энергию этих
двух областей электромагнитного излучения, роговица и
хрусталик играют роль своеобразных светофильтров, не
допуская проникновения излучения дальше в глубь гла-
за. Оптическое изображение лазерного луча на сетчатке
при этом отсутствует, т. е. зрительный аппарат в этом
случае излучение как световой образ не воспринимает.
Однако это только разные механизмы возникновения
одного и того же тяжелейшего последствия облучения
монохроматическим, когерентным излучением — слепо-
ты, поскольку пораженные роговица и хрусталик (одно
или другое, или оба вместе) мешают проникновению че-
рез зрачок световой энергии, субъективно воспринимае-
мой в форме тех или иных зрительных образов Человек
или животное слепнед.
Зрительный аппарат достиг совершенства. Он авто-
матически регулирует поступление во внутренние среды
глаза световой энергии. Для исключения светового ожо-
га днем в яркий солнечный день зрительный аппарат
сокращает размер зрачка, по аналогии с диафрагмой
фотоаппарата, уменьшая поток световой энергии. Яр-
кость наблюдаемых зрительным аппаратом человека раз-
личных объектов колеблется в пределах 1—10 Мкд/м2.
Ночью зрачок предельно расширяется, соответственно
увеличивая пропускаемый поток световой энергии.
Этим и объясняется особая опасность лазерного из-
лучения в условиях низкой освещенности (сумерки, ночь
вне помещения или слабая освещенпосдь на рабочих
местах в цехах и лабораториях). Предельно допустимый
уровень лазерной энергии для глаза, адаптированного
100
(«приспособившегося») к темноте, в десять раз больше
аналогичного уровня энергии для глаза, адаптированно-
го к дневному, как наиболее яркому, свету.
Благодаря удивительной способности физиологиче-
ских линз фокусировать изображение любого по разме-
ру объекта внешней среды на крайне ограниченном
участке сетчатки в пределах областей наиболее ясного
видения возникают условия концентрации очень больших
количеств энергии на единице площади. При этом плот-
ность энергии, сконцентрированной на сетчатке, оказы-
вается в сотни и тысячи раз больше той, которая падает
па переднюю поверхность роговицы глаза.
Для иллюстрации фокусирующей силы физиологиче-
ских линз зрительного аппарата укажем, что плотность
падающего на внешнюю поверхность глаза (роговицу)
потока мощности солнечного, т. е. некогерентпого, поли-
хроматического света, составляет в яркий солнечный
день 0,13 Вт/см2; па сетчатке же плотность мощности
солнечного света достигает 25 Вт/см2, т. е. почти в
200 раз превышает первоначальную величину*.
Для зрительного аппарата опасно не только прямое,
но и отраженное излучение, особенно мощных лазеров,
находящихся на расстояниях до нескольких сот метров
от наблюдателя. При использовании оптических прибо-
ров эти расстояния возрастают в несколько раз. В ноч-
ное время излучение современных лазеров становится
особо опасным для незащищенного специальными све-
топоглощающими фильтрами человеческого глаза при
прямом попадании на расстоянии от двух до десяти ки-
лометров в зависимости от условий погоды [32]. Даже
при таких больших расстояниях возможно ухудшение
зрения как замечаемое самим человеком, подвергшимся
лазерному облучению, так и выявляемое врачом в про-
цессе обследования.
Критерии опасности лазерного излучения для зрения
Главным критерием опасности лазерного излучения
для зрительного аппарата является величина плотности
* Измерить плотность потока падающей световой энергии мож-
но только на роговице, а плотность потока мощности на сетчатке
находится расчетным путем.
101
энергии или мощности излучения, создаваемая на сет-
чатке. В свою очередь плотность энергии излучения на
сетчатке определяется плотностью энергии излучения на
роговице, а также анатомическим строением глаза, фи-
зиологической подвижностью глазного яблока и разме-
ром изображения источника излучения на сетчатке. Для
расчетов плотности энергии (мощности) на роговице
учитываются характеристики выходной оптики лазеров
и состояние атмосферы. Прежде всего принимается во
внимание мощность излучения лазеров, работающих в
непрерывном режиме, или энергия импульсных лазеров,
а также степень неоднородности распределения энергии
в сечении луча за счет так называемых «холодных и го-
рячих пятен» в активном веществе лазера.
Размер изображения источника излучения на сетчат-
ке, а следовательно, и площадь, на которой будет} рас-
пределена достигшая сетчатки энергия лазерного излуче-
ния, зависят от прозрачности хрусталика, которая в
старческом возрасте в связи с пожелтением хрусталика
сильно понижается, и места расположения изображе-
ния— до сетчатки (у близоруких людей) или за ней
(у дальнозорких).
Еще раз подчеркнем значение условий наблюдения
лазерного луча, иными словами, роль освещенности (без-
различно-естественной или искусственной), создаваемой
на роговице. Освещенность на роговице определяет раз-
мер зрачка, а следовательно, и количество световой
энергии, проникающей в глаз. Днем диаметр зрачка
составляет 0,2—0,3 см, в сумеречных условиях и в тем-
ноте— 0,7—0,8 см. Очевидно, что при неблагоприятном
сочетании всех этих факторов лазерное излучение, попа-
дая в глаз, создаст такую плотность энергии на сетчатке,
которая приведет к временной или постоянной потере
зрения.
Для понимания механизма действия лазерного излу-
чения на орган зрения следует особенно обратить вни-
мание на значение удаленности источника лазерного
излучения от органа зрения и истинных размеров наблю-
даемого выходного отверстия (окна) лазерного устрой-
ства. Эти два фактора в конечном счете определяют
угловые размеры излучающего устройства, в одних слу-
чаях воспринимаемого человеком, находящимся в диаг-
рамме направленности лазерного луча или его створе,
102
как точечный источник, в других — как нечто совершен-
но конкретное, имеющее заметные угловые размеры.
Экспериментально установленной пограничной чертой,
как бы разделяющей близкое и далекое расстояние от
глаза до лазера, является расстояние в 400 м. Имеется
прочная физиологическая основа необходимости деления
расстояния на значения меньше и больше 400 м [33].
При расстояниях больше 400 м выходное отверстие
(окно лазера) воспринимается как точечный источник,
и в этом случае при определении диаметра изображения
на сетчатке необходимо учитывать дифракцию, значи-
тельно ограничивающую разрешающую способность гла-
за в целом, и роговицы и хрусталика в частности. Для
этих расстояний при прочих равных условиях плотность
энергии (мощности) на сетчатке определяется главным
образом размером зрачка, а конкретнее — диаметром
зрачка в четвертой степени. Иными словами, при удале-
нии источника лазерного излучения от наблюдателя на
расстояние более 400 м действие лазерного излучения
главным образом зависит от светотехнических условий
окружающего пространства, и прежде всего от освещен-
ности на роговице.
Чем ниже освещенность окружающего пространст-
ва, тем больше размер зрачка и тем сильнее воздейст-
вие лазерного излучения. При эТОм плотность энергии на
сетчатке обратно пропорциональна квадрату расстоя-
ния, т. е, чем ближе источник излучения (но не ближе
400-м отметки), тем опаснее для глаза лазерное излуче-
ние, особенно в сумеречных и ночных условиях.
Таким образом, наблюдение лазерного излучения с
больших расстояний ночью иногда бывает гораздо опас-
нее, чем днем с меньших расстояний.
Площадь минимального изображения на сетчатке при
облучении глаза человека диаметром зрачка 3 мм лазер-
ным излучением с длиной волпы 0,69 мкм составляет
5-Ю-6 см2. Диаметр пятна излучения на сетчатке в этом
случае равен 25 мкм, а плотность энергии излучения на
сетчатке по сравнению с плотностью на зрачке больше
в 14 400 раз.
При расстояниях меньше 400 м, т. е. при заметных
угловых размерах источника лазерного излучения, плот-
ность энергии на сетчатке глаза, а следовательно, и дей-
ствие излучения в значительной мере определяются квад-
103
ратом отношения Диаметра зрачка к дйаметру луча ла-
зера.
При малых расстояниях и при одинаковых плотно-
стях энергии на роговице в зависимости от условий об-
лучения плотность энергии на сетчатке может быть раз-
личной, так как зрачок, от размеров которого зависит
величина поступающей во внутренние среды глаза лучи-
стой энергии, располагается позади роговицы.
Иными словами, на роговицу может падать большой
поток лазерной энергии, а через зрачок проходит толь-
ко его небольшая часть, поскольку остальная падает на
непрозрачную радужную оболочку, окружающую зрачок.
Естественно, что чем меньше освещенность, тем зрачок
шире и тем большая часть упавшего на роговицу пото-
ка лазерной энергии спроецируется без существенного
фокусирования на хрусталик.
Размер изображения источника лазерного излучения
на сетчатке приходится учитывать не только потому, что
он определяет площадь поражения сетчатки, но и пото-
му, что при больших размерах изображения величина
пороговой плотности энергии меньше, чем для точечных
изображений вследст|вие более медленного рассеяния
тепла с больших площадей сетчатки [34]. Часто вследст-
вие механических эффектов диаметр зоны поражения
несколько больше диаметра изображения
Конечный результат воздействия излучения ОКГ на
орган зрения определяется рядом факторов, среди кото-
рых немаловажную роль играют как площадь поражен-
ного участка, так и место его положения на сетчатой
оболочке. Потеря зрения заметнее выражена в случае
поражения центральной, наиболее чувствительной ча-
сти желтого пятна. Возникновению поражения сетчат-
ки (хориоретинальному ожогу), вызываемому высоко-
энергетическим сфокусированным пятном на сетчатке
(изображением источника излучения), в значительной
степени способствует рассеяние света внутри глазного
яблока, приводящее к многократному отражению наи-
более энергоемких длин волн.
При фокусировке изображения яркого источника
ОКГ па периферии поля зрения возникает сильная за-
светка центральной, наиболее чувствительной области.
Величины плотностей энергии в пятйе и в области за-
светки могут различаться па 4—5 порядков [35].
104
Повреждение желтого пятна и особенно центральной
ямки сильно ухудшает зрение, повреждение же перифе-
рийных участков сетчатки существенно не сказывается
на остроте зрения. Уже упоминалось, что уязвимость
глаза к световому облучению особенно возрастает но-
чью. Причина этого не только в расширении зрачка, но
и в резком (в сотни тысяч раз) повышении чувствитель-
ности глаза за счет накопления светочувствительных ве-
ществ в палочках.
Получение зрительной информации (световой и цве-
товой) оказывается возможным благодаря непрерывным
движениям глазных яблок, назначение которых не толь-
ко обеспечивать постоянство проекции объектов наблю-
дения в пределах центральной ямки сетчатки, обладаю-
щей наиболее высокой разрешающей способностью (око-
ло 1'). но и непрерывно перемещать изображение по
поверхности клеток. Дело в том, что необходимым усло-
вием восприятия информации глазом человека как раз
является смена возбужденных светом клеток.
Уязвимость зрительного аппарата видимым излуче-
нием, в частности и легкость возникновения поражения
центрального зрения, поэтому и объясняется тем, что
при рассматривании отдельных участков предмета глаз
совершает разнообразные движения скачки, саккады,
тремор (дрожание) различной угловой величины.
Под центральным зрением в отличие от перифериче-
ского понимают получение на сетчатке изображения на-
блюдаемых объектов при неподвижном (фиксирован-
ном) взгляде, при этом проекция наблюдаемых объектов
располагается в области желтого пятна. В естественных
условиях восприятия величина скачков обычно не пре-
вышает 20'. Скачки минимального размера составляют
2—5'. Продолжительность скачка меняется по мере из-
менения его величины. Для углов меньше 1° продолжи-
тельность скачков равна 0,01—0,02 с, для углов около
20° она уже дост|игает 0,06—0,07 с. Все эти движения
происходят на фойе более плавных прослеживающих
движений глазного яблока (сканирования).
Следовательно, вероятность поражения центрального
зрения, приводящего к ослеплению, значительно умень-
шается, а вероятность поражения периферического зре-
ния, наоборот, резко возрастает при осмотре окружаю-
щих предметов С очень большими угловыми размерами,
10?
при этом угол зрения глаза достигает 150°. В этом слу-
чае изображение объекта наблюдения (в частности, вы-
ходного окна лазера) на сетчатке будет иметь большие
угловые размеры. Соответственно на единицу площади
сетчатки будет приходиться большая энергетическая
плотность за счет увеличения светового потока от на-
блюдаемого источника.
Одним из важных факторов, определяющих величину
плотности энергии на сетчатке, а следовательно, и сте-
пень поражения зрения, является длина волны лазерно-
го излучения Оптические среды глаза лучше всего про-
пускают излучение в участке оптического диапазона от
0,35 до 1,35 мкм. При этом ультрафиолетовое и инфра-
красное излучения (за исключением небольшой части
близких к видимой области участков) сильно поглоща-
ются в основном роговицей и до сетчатки практически
не доходят
Возможные виды поражения зрительного аппарата
в зависимости от условий воздействия лазерного излу-
чения представлены на рис 3 2 (в зависимости от диа-
пазона излучения) и на рис 3.3 (в зависимости от режи-
ма работы лазера).
На рис. 3 4 показана взаимосвязь величины плотно-
сти энергии на сетчатке глаза с некоторыми физически-
ми и физиологическими факторами, определяющими сте-
пень возможного поражения зрения лазерным излучени-
ем. Кроме факторов, указанных на рисунке, при оценке
биологического действия лазерного излучения на орган
зрения необходимо учитывать и расстояние до наблю-
даемого источника излучения
Следует помнить что непосредственное воздействие
на незащищенные глаза даже отраженного от незер-
кальной поверхности лазерного излучения представляет
большую опасность не только для органа зрения, но и
для человеческого организма
При работе ламп накачки лазера часто образуется
озон, концентрация которого может возрастать. Озон яв-
ляется благоприятным фактором для организма только
в определенных концентрациях. Высокие концентрации
озона действуют раздражающе на слизистые оболочки
дыхательных путей, способствуя возникновению различ-
ных простудных заболеваний Кроме того, высокое со-
держание озона в окружающем воздухе вызывает раз
10§
Рис. 3 2. Зависимость механизма поражения глаза от диапазона лазерного излучения
107
Рис 3 3. Возможные механизмы поражения глаза лазерным излучением при различных режимах ра-
боты лазера
108
дражение слизистых оболочек глаза — конъюнктивит с
покраснением слизистой оболочки век, слезотечением, бо-
левыми ощущениями и светобоязнью.
В связи с использованием в ряде случаев в качестве
охлаждающего средства рабочего тела лазера жидкого
Функциональное состояние органа зрения
Ин^ивЛуальныс и впэ\Розл1Ер изоПрзжеЛКяиециниги.гпь на
расгпные сыпанное- пая на сетчатке прение,опреамян
"" и его уйпленноегт оиомстр зрачка
от центральной
ямки
ти
Рис. 3.4. Факторы, определяющие степень поражения зрения лазер-
ным излучением
азота в’тесных лабораторных помещениях и при недо-
статочной вентиляции возможно повышение концентра-
ции азота с последующим снижением количества кисло-
рода в воздухе, что отрицательно сказывается на зрении
человека.
Влияние лазерного излучения на кожные покровы
На характер повреждения кожных покровов влияет
не только величина энергии, приходящаяся па единицу
их поверхности, но и цвет кожи.
Пигментированная кожа значительно сильнее погло-
щает лазерное излучение, чем непигментнрованная. Свет-
лая кожа отражает 35—40% падающего на нее лазер-
ного излучения. Однако главное значение при этом име-
ют параметры излучения.
Рассмотрим вначале термическое действие лучей ла-
зера в зависимости от частоты генерируемой энергии.
109
_ При прочих равных условиях для инфракрасной об-
ласти порог поражения (минимальная плотность энер-
гии, вызывающая поражение) кожи в 1,5—2 раза ниже
порога для излучения видимой области оптического диа-
пазона. Для лазеров, работающих в непрерывном режи-
ме, определяющее значение имеет термическое дейст-
вие, при этом на коже при уровнях энергии, превышаю-
щих пороговые, образуются различной степени ожоги.
Следует иметь в виду, что лазерное излучение не-
большой интенсивности, нс вызывающее видимых изме-
нений кожи, может приводить к микроскопическим (ги-
стологическим и гистохимическим) изменениям, а в ряде
случаев понижает антимикробную сопротивляемость и
повышает чувствительность кожи к другим факторам:
внешним (метеорологическому, химическому — попада-
ние на кожу различных раздражающих масел, смазок,
топлив, агрессивных технических жидкостей и т. д.),
внутренним (нарушение питательной функции ко-
жи) и т. д В настоящее время еще мало данных о влия-
нии па кожу длительного воздействия лазерного излу-
чения, под которым понимается многомесячная работа
с лазерами.
Излучение лазеров в ультрафиолетовом диапазоне
вызывает в коже фотохимические реакции. Сфокусиро-
ванный луч, особенно при большой энергии, может по-
вредить не только поверхностные ткани, но и кровенос-
ные сосуды и внутренние органы. Эксперименты над жи-
вотными показали, что направленный на область головы
сфокусированный луч рубинового лазера (энергия в им-
пульсе 40 Дж) вызывал кровоизлияние в оболочках моз-
га мышей.
Лазеры с небольшой энергией излучения оказывают
незначительное воздействие даже на пигментированную
кожу. Однако по мере увеличения энергии лазера про-
исходят все более значительные изменения как в коже,
так и в поверхностных кровеносных сосудах.
Так, при лазерном облучении энергией, не превыша-
ющей 3 Дж, структурных изменений кожи животных не
наблюдалось, а имело место нарушение деятельности
ферментов, входящих в состав клеток сосудистых станок
капилляров. При больших уровнях энергии облучения
в коже возникали значительные структурные и функцио-
нальные (патоморфологические) изменения: пузырьки,
110
наполненные серозной жидкостью — результат наруше-
ния целости стенок капилляров, очаги ограниченного
омертвения ткани (некроза).
П и воздействии лучей лазера с энергией от> 3 до
100 Дж на коже животных возникали кровоизлияния
разной величины, начиная от мелких точечных до крово-
излияний диаметром 20 мм. При микроскопическом ис-
следовании в клетках кожи отмечались различной сте-
пени перерождения и очаги некроза.
Повторные облучения лазерным излучением приво-
дят в ряде случаев к повышению чувствительности кожи
к внешним факторам (температурным, радиационным,
барометрическим и др.). В результате может появиться
резкое покраснение кожи, болезненные ощущения, отек
и микроточечные кровоизлияния. Описанное явление но-
сит название сенсибилизации.
Следует подчеркнуть, что лазерное излучение, воз-
действуя на облучаемую ткань или на орган, вызывает
в организме ряд нежелательных изменений со стороны
органов дыхания, пищеварения, сердечно-сосудистой и
эндокринной систем. В ряде случаев эти общие клиниче-
ские симптомы могут носить довольно стойкий и выра-
женный характер, являясь результатом влияния на нерв-
ную и другие системы организма лазерного излучения.
При этом указанные изменения продолжают оставаться
у человека в течение нескольких часов по окончании
рабочего дня.
Глава 4
ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
НА МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНИКУ
4.1. ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАТЕРИАЛЫ
Вследствие многообразия физических процессов, оп-
ределяющих повреждение материалов лазерным излуче-
нием, не представляется возможным полностью и строго
проанализировать явления повреждения материалов.
Эксперименты позволили лишь выявить качественную
картину и некоторые количественные закономерности и
составить примерную картину протекания процесса по-
вреждения.
Физика происходящих процессов может быть сведена
к следующему. При воздействии лазерного излучения
происходит нагрев материала, плавление, вначале час-
тичное, а затем взрывное испарение и вымывание ма-
териала из зоны падения луча.
Поскольку воздействие лазерного излучения, как пра-
вило, сводится к воздействию большого числа следую-
щих друг за другом с некоторым интервалом импульсов,
то испаренный материал (при достаточной мощности из-
лучения) выбрасывается отдельными порциями. Плав-
ление и вымывание расплавленного материала — про-
цесс более инерционный и протекает непрерывно.
Повреждение материалов посредством частичного ис-
парения и плавления вымывания присуще металлам
и некоторым диэлектрикам. У значительной части ди-
электриков (в основном полупрозрачных) и у неодно-
родных материалов механизм повреждения существен-
но отличается: сначала возникают трещины, затем от
материала откалываются кусочки.
Объем материала, поврежденного испарением и
плавлением, как правило, значительно меньше, чем при
ш
хрупком повреждении, при этом именно механизм хруп-
кого повреждения определяет характер повреждений ма-
териала в целом.
Степень повреждения материалов существенно зави-
сит от соотношения процессов отражения и поглощения
лазерного излучения. Лазерное излучение отражается от
поверхностей многих материалов лишь в течение незна
чительной начальной части импульса излучения. Затем
коэффициент отражения уменьшается вследствие вза-
имодействия нагретой поверхности с окружающей атмо-
сферой.
Коэффициент отражения большинства материалов
увеличивается по мере увеличения длины волны излуче-
ния. В связи с этим потребные мощности излучения ла-
зеров, генерирующих колебания с большей длиной вол-
ны, возрастают. Так, например, при увеличении длины
волны от 0,69 до 1 мкм мощность излучения, необходи-
мая для плавления некоторых материалов, должна быть
больше в десять раз.
Поглощение лазерного излучения облучаемым мате-
риалом зависит от состояния его поверхности: если раз-
мер шероховатостей сравним с длиной волны излучения,
то поглощение увеличивается.
При падении лазерного излучения на поверхность
материала часть его энергии поглощается па глубине,
соответствующей средней длине пробега валентных элек-
тронов. Ослабление интенсивности излучения описыва-
ется соотношением
1х = 10е-кх>
где 1х — интенсивность пучка на глубине х материала;
1о — интенсивность падающего пучка;
к — коэффициент поглощения;
х — глубина проникновения пучка.
Очаг разрушения материала состоит из двух зон: зо-
ны расплавления в виде кратера и внешней зоны, пред-
ставляющей собой скопление отдельных микроскопиче-
ских углублений. Кроме того, над кратером образуется
расширяющееся облако газообразного вещества — фа-
кел. При высоких плотностях потоков излучения испа-
рившееся вещество сильно ионизировано.
Поглощение и рассеяние энергии в факеле над кра-
тером мало, так как плотность пара здесь значительно
» Зак- ИЗ
ниже, чем в кратере. Нижняя граница плотности потока,
начиная с которой теплопроводность не «успевает» рас-
сеивать поглощенную энергию и происходит поврежде-
ние материала, определяется равновесием между погло-
щением энергии и теплоотводом.
К характеристикам повреждения материала относят
текущие значения: глубины Z(t), диаметра d(r) кратера
и массы выбрасываемого материала т(т).
Характеристики повреждения определяются следую-
щими основными параметрами: временем т от начала
повреждения, энергией W(t), излученной лазером удель-
ной (на единицу массы) энергией превращения материа-
ла в жидкость q и пар Q; плотностью материала р, ко-
эффициентом поглощения лазерного излучения ц
Таким образом, в общем случае
ZW = f(T, W, р, q, Q, р).
Аналогично могут быть записаны зависимости для
диаметра d и массы m выбрасываемого материала.
При воздействии импульса излучения на материал в
течение первых нескольких десятков пичков наблюдает-
ся лишь испарение. Так как за это время кратер не ус-
певает сформироваться, фронт разлета продуктов испа-
рения близок к сферическому, при этом экранировка
материала продуктами разрушения незначительна. Глу-
бина кратера увеличивается медленно, только в период
действия пичков излучения, поэтому разрушение имеет
прерывистый характер.
По мере роста кратера фронт разлета все более отли-
чается от сферического, вследствие чего поглощение па-
рами (а затем и плазмой) увеличивается. Поток выле-
тающего пара все более нагревает и плавит стенки кра-
тера, выбрасывая вместе с паром капли расплава. За
счет роста температуры и давления пара количество ма-
териала, выбрасываемого в жидком состоянии, увели-
чивается. Процесс разрушения материала вследствие
инерционности вымывания расплава становится более
непрерывным.
В конце действия импульса излучения роль испаре-
ния уменьшается, определяющим процессом становится
плавление-вымывание [23].
Глубина кратера, полученного после воздействия
каждого отдельного пичка, оценивается в среднем ТЫ'
114
сячными долями микрометра, хотя в отдельных случая#
может достигать 6 мкм Такой разброс объясняется не-
равномерностью распределения излучения по сечению
луча, а также разной мощностью пичков. В отдельных
местах скорость увеличения глубины кратера может на
порядок превышать величину, полученную эмпирическим
путем и рассчитанную из условий простого поглощения
энергии лазерного излучения тем или иным материалом.
Одной из причин такого увеличения глубины могут быть
реактивные эффекты газовой струи при се истечении.
Размеры кратера — глубина и входной диаметр —
в течение импульса увеличиваются неравномерно. В на-
чале импульса наблюдается наибольшая скорость роста
глубины кратера, а затем она постепенно уменьшается
до нуля, что объясняется увеличением рассеяния излу-
чения в факеле и в кратере по мере его углубления.
Увеличение входного диаметра кратера в течение
импульса указывает на наличие размывающего дейст-
вия струи испаренного материала. Скорость роста объе-
ма удаляемого материала непостоянна и достигает наи-
большего значения примерно через 1 мс после начала
импульса, замедляясь в конце его. Характер изменения
скорости удаления примерно соответствует форме им-
пульса индуцированного излучения.
По мере углубления кратера и увеличения доли жид-
кой фазы в продуктах выброса начинают плавиться
слои, прилегающие к стенкам кратера Испаряющийся
со дна кратера материал вследствие больших давлений
достигает сверхзвуковой скорости и размывает стенки
кратера.
Более глубокие слои, движущиеся с меньшей ско-
ростью, вытекают из кратера и образуют вокруг него
кольцевой валик.
Ввиду кратковременности процесса истечения мате-
риала из кратера отвод тепла практически отсутствует.
На той стадии, когда из кратера начинает удаляться
материал в жидком состоянии вследствие сравнительно
малой скорости его движения, процессы теплоотдачи на-
чинают играть большую роль.
Способность лазерного излучения плавить материалы
используют в различных технологических операциях, в
частности при резании материалов. Глубина и скорость
резания, а также ширина реза для различных материа-
8* 115
Лой неодинаковы (табл. 4.1). Эти параметры зависят И
от мощности излучения лазера [40].
Таблица 4.1
Параметры резания материалов лучами лазеров
Материал Глубина резания» мм Скорость резання, мм/мии Ширина реза, мм Мощность излучения, кВт
Алюминий 12,7 2286 1,02 15
Углеродистая сталь 6,3 2286 1,02 15
Нержавеющая сталь 304 4,7 1270 2,04 20
Бороэпоксидный материал 8.1 1651 1,02 15
Эпоксидный материал со стекловолокно м 12,7 4572 0,63 20
Фанера 25,4 1524 1,52 8
Плексиглас 25,4 1524 1.52 8
Стекло 9,5 1524 1,02 20
Бетон 38,1 51 6,30 8
При исследовании воздействия лазерного излучения
па материалы, как правило, рассматривают отдельно
воздействие на металлы, прозрачные материалы, полу-
проводники и тонкие пленки. Это связано с тем, что ди-
намика процессов и характер повреждений, пороговые
значения удельпой энергии и интенсивности лазерных из-
лучений, вызывающих повреждения для каждой из ука-
занных групп материалов, существенно отличаются. По-
этому представляется целесообразным рассмотреть от-
дельно действие лазерного излучения па указанные ма-
териалы.
Действие лазерного излучения на металлы
При воздействии на металлы лазерного излучения
различных плотностей потока характер происходящих
при этом процессов существенно различен [23]. Если
плотность потока незначительна, то воздействие лазер-
ного излучения ограничивается лишь нагреванием по-
верхности металла.
Поглощение лазерного излучения металлом приво-
дит прежде всего к возрастанию энергии электронов.
Передача энергии решетке, образованной ионами, про-
116
Исходит сравнительно Медленно из-за большой разнйцЫ
масс электронов и ионов.
Температура металла, поглощающего лазерное излу-
чение, определяется законами теплопроводности для
электронов и решетки, представляющих собой отдельные
системы со своими температурами.
Начальный период времени характеризуется интен-
сивным повышением электронной температуры, которое
продолжается до тех пор, пока поток энергии к ионам
решетки не сравняется с поглощаемой энергией лазер-
ного потока. В дальнейшем электроны будут передавать
решетке практически всю поглощаемую энергию.
При кратковременном воздействии лазерного излуче-
ния разность между электронной и решеточной темпера-
турами практически равна электронной температуре и
изменяется по линейному закону во времени.
При полуширине импульса 10—8 с электронная темпе-
ратура Те в зависимости от плотности потока лазерного
излучения I принимает следующие значения (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Зависимость электронной температуры от плотности
потока излучения
I, Вт/см1 3-109 З-ЮЮ 3-10’1 3-10»
Те, К 175 1700 14000 80000
Высокие электронные температуры соответствуют та-
ким плотностям потока лазерного излучения, при кото-
рых происходит заметное повреждение материала.
Если плотность потока лазерного излучения меньше
некоторого критического значения If, зависящего от про-
должительности импульса и свойств металла, то наблю-
дается лишь плавление металла, которое может приве-
сти к образованию сквозных отверстий в относительно
тонких металлических пластинах. При этом запасенного
за время действия импульса тепла в наружном слое
-металла достаточно для расплавления всей толщи ме-
таллической пластины. Толщина проплавляемой пласти-
ны пропорциональна величинегде to — длитель-
ность импульса. При t)=10~3c можно получить отвер-
117
стие в пластинах толщиной в несколько десятых милли-
метра.
При плотности потока лазерного излучения, превы-
шающей критическое значение L, температура облучае-
мой поверхности может стать столь высокой, что начнет-
ся заметное испарение металла.
При плотностях потока лазерного излучения, незна-
чительно превышающих Ij, испарение начинается лишь
к концу импульса, и эффективная удельная энергия по-
вреждения оказывается очень большой С ростом плот-
ности потока уменьшается время, затрачиваемое на ра-
зогревание металла до температуры, соответствующей
интенсивному испарению. Эффективная энергия повреж-
дения уменьшается, достигая наименьшего значения при
некоторой плотности потока Ь, при этом время разогре-
ва металла от начальной температуры до значения, со-
ответствующего интенсивному испарению, составляет ма-
лую часть длительности t0 импульса излучения, при этом
потери на теплопроводность оказываются достаточно ма-
лыми.
В силу того что плотность потока лазерного излуче-
ния в течение импульса значительно изменяется, обыч-
но, если не конкретизируют форму импульса, то опери-
руют средними значениями Ь и I?.. Если продолжитель-
ность переходного периода значительно меньше, чем
время изменения плотности потока, весь процесс по-
вреждения протекает квазистациопарно и модулирован
с частотой пичковых пульсаций излучения. В этом режи-
ме скорость струи пара, температура металла и другие
величины обнаруживают пульсации, синхронные с пуль-
сациями лазерного излучения.
При плотностях потока I2, соответствующих интенсив-
ному испарению, на металл действует значительный им-
пульс отдачи струи пара. Это приводит к дополнитель-
ному повреждению Хотя такое повреждение для метал-
лов не является характерным, однако своеобразная
картина повреждения под действием импульса отдачи на-
блюдалась неоднократно.
При плотности потока 1>12 скорость возрастания
температуры поверхности значительно увеличивается.
Поверхность начинает перегреваться; все большая часть
подведенной энергии расходуется при этом на повыше-
ние внутренней энергии разлетающихся продуктов раз-
118
рушения. Измеренные значения удельной энергии разру-
шения некоторых металлов и сплавов приведены в
табл. 4.3.
Таблица 4.3
Значения удельной энергии разрушения металлов и сплавов
Металл Эффективная удельная энергия раз- рушения, кДж/г Металл Эффективная удельная энергия раз- рушения. кДж/г
Олово 0.9 Латунь 4,8
Висмут 1,2 Алюминий 5,1
Свинец 1.2 Дюралюминий 5,7
Кадмий 1,4 Никель 5,7
Цинк 2.0 Железо 6.8
Медь 4,2 Магний 7,4
Бронза 4,5 Молибден 8,4
Вольфрам 4,6 Сталь 10 8,6
При более высоких плотностях поглощенного потока
существенную роль в разрушении металлов начинают
играть газодинамические процессы.
Проанализировать количественно действие потоков
лазерного излучения на металлы в этом случае — значит
решить газодинамическую задачу о разлете плазмы.
Трудность решения этой задачи заключается в недостат-
ке сведений о коэффициенте поглощения плотной
плазмы.
Начиная с плотностей потока, которым соответствует
внутренняя энергия пара, превышающая теплоту испа-
рения, действие лазерного излучения существенно ме-
няется. Возрастание температуры приводит к ионизации
и быстрому росту коэффициента поглощения паров
В результате поверхность твердого тела экранируется и
внутренняя энергия образующейся плазмы еще более
возрастает, вследствие чего газодинамическое движение
плазмы начинает играть важную роль. При достаточно
высокой плотности потока излучения образование слоя
плазмы у поверхности металла занимает относительно
малое время, после чего весь ход процесса определяет-
ся взаимодействием лазерного излучения с плазмой. Ха-
рактер взаимодействия зависит от коэффициента погло-
119
щения лазерного излучения, который в свою очередь за-
висит от состояния плазмы.
Кроме поглощения в плазме с ростом плотности по-
тока возникает еще ряд качественных особенностей, не
характерных для потоков малой мощности. При доста-
точно крутом переднем фронте лазерного импульса элек-
тронная температура может значительно превысить ре-
шеточную. При плотности потока 1011 Вт/см2 разность
температур в 104 К может быть достигнута за время,
меньшее 1О“40 с. В этих условиях над поверхностью ме-
талла образуется облако отрицательного пространствен-
ного заряда, которое существенно влияет на эмиссию
ионов и их распределение по скоростям
При высоких плотностях потока наряду с электрон-
ной теплопроводностью существенную роль в передаче
энергии в металле начинает играть лучистая теплопро-
водность. В результате глубина нагретого лазерным им-
пульсом слоя поверхности металла может превысить глу-
бину проникновения лазерного излучения.
В дальнейшем перегретый слой действует на осталь-
ной металл подобно взрывчатому веществу: внутрь ме-
талла распространяется ударная волна, которая пере-
дает ему значительную энергию. Это приводит к испа-
рению, а затем по мере затухания ударной волны —к
плавлению и механическому повреждению.
При высоких плотностях потока лазерного излучения
температура продуктов разрушения металла повышает-
ся. Это означает, что затраты энергии на испарение од-
ного грамма металла также возрастают.
Процессы повреждения металлов протекают различ-
но при воздействии миллисекундных импульсов и при
воздействии импульсов лазеров с модулированной доб-
ротностью Поэтому целесообразно рассматривать осо-
бенности этих процессов раздельно [15].
Используемые в настоящее время лазеры концентри-
руют в миллисекундном импульсе энергию в 10 Дж.
При воздействии таких импульсов глубина разрушения
колеблется от десятых долей миллиметра до несколь-
ких миллиметров.
При увеличении энергии в миллисекундном импульсе
до нескольких сот джоулей кратер разрушения увели-
чивается в диаметре быстрее, чем по глубине. При глу-
бине разрушения в несколько миллиметров из кратера
120
Материала выбрасывается уже масса в несколько сот
миллиграммов.
Таблица 4.4
Время достижения температуры испар иия для различных
плотностей потока лаз риого излучения
Металл Время при различных плотностях потока, мкс
10 В м» 10- Вт/см» 10» Вт/см» 10 Вт/см*
Висмут 2460 24,6 0,246
Кадмий 8970 89,7 0,897
Свинец 11770 117,7 1,177
Цинк 12770 127,7 1,277
Марганец 245,1 2,451
Олово 599,8 5,998 0,060
Никель 1842 18,415 0,184
Железо 1855 18,550 0,186
Алюминий 2666 26,66 0,267
Молибден 5557 55,57 0,556
Медь 8*60 82,60 0,826
Вольфрам 10460 104,61 1,046
По данным иностранных специалистов, время до на-
чала испарения (табл. 4.4), как правило, существенно
меньше длительности миллисекундного импульса. Во
многих случаях оно короче и длительности одного пичка.
Действие миллисекундных лазерных импульсов с
плотностью потока до 106—107 Вт/см2 сводится к испаре-
нию материала, которое можно рассматривать как кипе-
ние при постоянном отводе испаренного вещества от по-
верхности. При увеличении плотности потока лазерного
излучения до 10®—1010 Вт/см2 характер повреждения ста-
новится иным, характерным для импульсов с модулиро-
ванной добротностью.
Лазеры с модулированной добротностью позволяют
получить излучение с плотностью потока более
10® Вт/см2 при той же величине энергии в 10 Дж. Такой
поток импульсов нагревает! лишь небольшое количество
испаренного вещества (миллиграммы), что объясняется
малой длительностью каждого импульса Испаренный ме-
талл поглощает падающее лазерное излучение. Вследст-
вие нагрева начинается процесс ионизации, а продукты
ионизации становятся непрозрачными для излучения.
121
Большая часть лазерного излучения поглощаетсй на-
рами над поверхностью, в результате чего поверхность
значительное время закрыта от падающего излучения.
К концу импульса испаренный металл переизлучает теп-
ловую энергию, что способствует дальнейшему незначи-
тельному испарению. Таким образом, при действии излу-
чения лазеров с модулированной добротностью испаре-
ние протекает менее интенсивно, чем при действии мил-
лисекундных импульсов.
Проведенное сравнение позволяет сделать вывод о
том, что лазерное излучение с некоторым значением энер-
гии (например, 10 Дж) при высокой мощности испаряет
меньшее количество материала, чем лазерное излучение
той же энергии с меньшей мощностью, но большей дли-
тельностью импульсов.
Воздействие лазерного излучения на металлы харак-
теризуется рядом особенностей, которые проявляются в
специфическом виде поверхности поврежденного ме-
талла.
При воздействии лазерного излучения на металлы во-
круг кратера образуется валик из мелких капель рас-
плавленного металла в виде расходящихся радиальных
лучей. Радиус разлета увеличивается с ростом энергии
импульса. У железа, сталей, свинца, висмута и некото-
рых других металлов кратер образуется с размытыми
кромками; у меди и легких металлов размыва кромок и
валика не наблюдается.
Геометрия кратера определяется формой сечения лу-
ча и характером распределения плотности энергии [39].
Луч круглого сечения с равномерным распределением
плотности образует ровный симметричный кратер.
При действии импульса излучения на набор тонких
пластин происходит затекание расплава между пласти-
нами. В связи с этим выброс жидкого металла прерыва-
ется в соответствии с числом пластин, образуя несколь-
ко перекрывающихся валиков застывшего на лицевой
поверхности расплава.
При воздействии лазерного излучения структурные
изменения металла наблюдаются в очень узкой зоне,
прилегающей к кратеру. Толщина слоя, в котором из-
меняется исходная структура, не превышает долей мил-
лиметра. Общая картина может быть представлена сле-
дующим образом под областью застывшего расплава
122
концентрически располагаются слои металла, подверг-
шиеся структурным изменениям.
У ряда металлов наблюдается только один слой с из-
мененной структурой: так, у свинца — только слой за-
кристаллизованного расплава. Весьма тонкий слой обра-
зуется на поверхности кратера в ниобии, молибдене, ти-
тане.
При воздействии лучей лазера на медь наблюдаются
своеобразные изменения на боковой поверхности крате-
ра, за исключением прерывистого внешнего слоя закрис-
таллизованного расплава. Число слоев, их общая толщи-
на увеличиваются от дна к наружной кромке кратера.
В алюминиевых сплавах структурные изменения на
поверхности кратера имеют четкие границы зон. На
стенке кратера появляются микротрещины, пронизываю-
щие поверхностные слои и частично проникающие в ос-
новную структуру металла.
Исследования показали, что дно кратера в металлах
почти не разрушается, оплавление и структурные пре-
вращения на дпе кратера либо совсем не наблюдаются,
либо обнаруживаются в тонком слое толщиной в не-
сколько микрометров.
Действие лазерного излучения на прозрачные материалы
Характер действия лазерного излучения на прозрач-
ные материалы зависит от интенсивности лазерного из-
лучения Если интенсивность не превысила некоторого
допустимого (порогового) значения, то лазерный луч
проходит через прозрачный материал, не повреждая, а
лишь нагревая его. При превышении порогового значе-
ния начинается выброс материала с поверхности, что со-
провождается плавлением, испарением и растрескива-
нием материала.
Повреждения прозрачных материалов могут быть
вызваны:
— образованием фононов (гиперзвуковых колеба-
ний) в процессе вынужденного рассеяния Мандельшта-
ма — Бриллюэна;
поглощением лазерного излучения дефектами в
материале;
явлениями, при которых свободные электроны
приобретают в электрическом поле энергию, соответст-
123
вующую ударной ионизации атомов вещества; в резуль-
тате возникает интенсивный нагрев.
Возникновению повреждений способствует также са-
мофокусировка лазерного излучения.
Анализ причин повреждений, возникающих при дей-
ствии лазерного излучения на прозрачные материалы,
свидетельствует о том, что во многих случаях поврежде-
ния вызываются несколькими одновременно действую-
щими причинами.
Так, например, процесс разрушения может начаться
с маленького откола, вызванного гиперзвуковой волной,
что приводит к увеличению поглощения лазерного излу-
чения.
Пороговые значения мощности лазерного излучения,
как отмечают иностранные специалисты, приводящие к
разрушению стекол некоторых типов, приведены в
табл. 4.5.
Таблица 4.5
Пороговые значения мощности лазерного излучения,
приводящие к разрушению различных стекол
Тип Порог разруше- ния, ГВт/см*
Кварцевое стекло Экспериментальное стекло с высоким модулем упругости Алюминосиликатное (закаленное) стекло с вы- сокой прочностью и высоким модулем упругости Ал оминосиликатное (обожженное) стекло с вы- сокой прочностью и высоким модулем упругости Боросиликатное стекло с низким модулем упругости Боросиликатное стекло (закаленное) 96°/<гное кварцевое стекло Кварцевое стекло высокой чистоты Белый оптический крон Сверхплотный флинт Боросиликатный крои Плотный бариевый крон Лантановое боратное стекло 2,4 10,0 6,0 15,4 45,0 6,0 490,0 470,0 500,0 5,6 710,0 710,0 2,0
В ряде экспериментов на стеклянный образец воз-
действовали излучением рубинового лазера с модулиро-
ванной добротностью. При этом на передней и задней
поверхностях образца возникала искра, однако повреж-
124
дения были отмечены только на задней поверхности. На
передней поверхности оставался лишь обожженный уча-
сток, а в объеме материала никаких изменений не на-
блюдалось.
Стеклянная призма повреждалась лишь в точках от-
ражения и выхода лучей из призмы. Поврежденные
участки отмечались т<акже в тех точках, где лазерное
излучение падало на грань призмы.
Если лазерное излучение входило в стеклянный об-
разец из воздушной среды, а выходило через поверх-
ность, контактирующую с жидкостью с тем же значе-
нием коэффициента преломления, повреждения отмеча-
лись как на входной, так и на выходной поверхности
Если образец погружали в жидкость, активную в отно-
шении комбинационного рассеяния (бензол, сероугле-
род), то повреждения отмечались только на задней по-
верхности. Такие опыты подтверждают, что одной из
причин повреждения прозрачных материалов являются
процессы вынужденного рассеяния Мандельштама —
Бриллюэна и когерентная генерация гиперзвуковых
волн.
Статистические исследования закономерностей рас-
пределения дефектов в прозрачных материалах позволи-
ли сделать вывод о связи разрушений с наличием де-
фектов структуры.
Начальная фаза повреждения вызывается поглоще-
нием лазерного излучения неоднородностями, которое
приводит к увеличению поглощения падающего излуче-
ния. Явление сопровождается гиперзвуковыми импульса-
ми, воздействиями давления и термических напряжений,
что приводит к расширению первоначальных трещин и
увеличению температуры материала.
Некоторые иностранные специалисты считают, что
повреждения в прозрачных материалах могут вызывать-
ся увеличением амплитуды упругих напряжений. Меха-
низм повреждения в этом случае объясняют следующим
образом.
При воздействии на материал небольшая часть ла-
зерного излучения поглощается. Время преобразования
поглощенной энергии существенно меньше времени ре-
лаксации упругих напряжений в материале, что приво-
дит к распространению волн разрежения. Волны разре-
жения, взаимодействуя между собой, создают большие
125
напряжения, которые являются причиной возникновения
расколов.
В ряде исследований [41] отмечается, что существует
различие в характере разрушения прозрачных материа-
лов при действии миллисекундных импульсов и импуль-
сов лазеров с модуляцией добротности.
В первом случае образуются плоские трещины, рас-
положенные примерно под углом 45° к оси лазерного лу-
ча. При энергии луча, значительно больше пороговой,
число трещин увеличивается и достигает нескольких де-
сятков. При этом трещины отделены друг от друга об-
ластями неразрушенного материала протяженностью до
нескольких миллиметров и более. Основная часть тре-
щин имеет, размеры около 1 мм, однако встречаются и
более крупные трещины шириной до 1 см. Часто наблю-
даются добавочные разрушения, вызванные отражением
лазерного луча от некоторых трещин.
Области разрушения, вызванные импульсами лазе-
ров с модуляцией добротности, имеют вид сильно вытя-
нутого конуса, состоящего из мелких (до 0,5 мм) тре-
щин. В некоторых зонах число трещин так велико, что
они образуют область сплошного разрушения. В отли-
чие от плоских трещин, возникающих от миллисекунд-
ного импульса, поврежденная область состоит из локаль-
ных разрушений неправильной формы, напоминающих
звездочки с хаотической ориентировкой. В целом карти-
на напоминает хвост кометы.
При повреждении лазерным излучением прозрачных
материалов имеют место различные асимметричные яв-
ления [42], к числу которых можно отнести следующие.
Во-первых, порог повреждения выходной поверхности
оказывается более низким, чем входной.
Во-вторых, характер повреждения обеих поверхно-
стей качественно различен. Выходная поверхность часто
приобретает вид кратера, тогда как повреждение на
входной поверхности обычно представляет собой сеть
крупных и мелких трещин с небольшим выносом мате-
риала пз зоны воздействия лазерного пучка.
На основе анализа опытных данных сделан вывод,
что при воздействии на прозрачные материалы потока ла-
зерного излучения интенсивностью 0,5 1кр, где 1кр — по-
роговая интенсивность потока, никаких изменений на по-
верхности материалов не наблюдалось.
126
При интенсивностях 0,8 1кр<1<1кр отмечались от*
дельные повреждения поверхности [43]. Эти поврежде-
ния представляли собой симметричные круглые пятна
диаметром несколько микрометров. Все повреждения ок-
ружены слабым ореолом.
При несколько большей интенсивности лазерного из-
лучения (но не достигающей порога искрового разряда
на поверхности) повреждение переходило в следующую
стадию — расширение поврежденных участков. Этот про-
цесс часто сопровождался взламыванием поверхности,
отмечались рябь и наплывы жидкого стекла. Дефекты
представляли собой сравнительно пологий бугор с кру-
тым столбообразным выступом в середине—как бы за-
стывший всплеск размягченного стекла, который при
увеличении интенсивности лазерного излучения выше по-
рога образования искры взрывается, образуя множество
мелких бугорков застывшего стекла.
Повреждения после воздействия светового разряда
весьма разнообразны. На большей части облученного
участка может наблюдаться почти сплошное расплав-
ление поверхности. Оплавленный слой толщиной около
0,2 мкм имеет очень ровную поверхность. Это свидетель-
ствует о том, что процессы разрушения материала про-
исходили в очень тонком поверхностном слое.
Так как деформация поверхности фиксируется преж-
де всего в отдельных точках, то значительное поглоще-
ние энергии начинается в локальных центрах, представ-
ляющих собой структурные дефекты или различные
включения Высокий коэффициент поглощения лазерного
излучения обусловлен поглощением энергии свободными
электронами, которые образуются в результате фото-
ионизации, облегченной наличием на поверхности струк-
турных дефектов. Численное значение коэффициента по-
глощения зависит от концентрации свободных носителей,
которая в свою очередь зависит от интенсивности лазер-
ного излучения.
В общем случае выделяют несколько стадий повреж-
дения поверхности прозрачных материалов лазерным из-
лучением. По мере увеличения интенсивности лазерного
излучения происходят следующие процессы:
1) интенсивное поглощение лазерного излучения на
поверхностных дефектах;
127
2) деформация Поверхностного слоя в отДельйых
участках;
3) образование на поверхности материала в процессе
разрушения твердого тела высокотемпературной плазмы;
4) оплавление поверхности плазмой и механическое
повреждение прозрачного материала ударной волной в
результате действия искрового разряда.
Многочисленные исследования, посвященные дейст-
вию лазерного излучения на прозрачные материалы, не
всегда однозначны, а зачастую противоречивы.
Действие лазерного излучения
на полупроводниковые материалы и тонкие пленки
По характеру восприимчивости лазерного излучения
полупроводники занимают промежуточное положение
между металлами и прозрачными материалами.
В результате поглощения лазерного излучения полу-
проводниками образуются электронно-дырочные пары,
которые, рекомбинируя, передают энергию излучения
кристаллической решетке. В конечном счете поврежде-
ние происходит в результате нагрева. Такой процесс по-
вреждения характерен, например, для слабо легирован-
ного кремния. В то же время повреждения в сильно ле-
гированном кремнии весьма сходны с повреждениями в
металлах.
Эксперименты показали, что при воздействии излуче-
ния лазера на германий, кремний, арсенид галлия, анти-
монид галлия, антимонид индия и селенид кадмия
характер повреждений зависит от плотности энергии излу-
чения, характеристик полупроводника (например, элек-
тропроводность, кристаллографическая ориентация) и
состояния его поверхности. При плотностях энергии
5—20 Дж/см2 (рубиновый лазер) возникают незначитель-
ные изменения поверхности, при 20—30 Дж/см2 — тре-
щины, при 30 Дж/см2 и более — глубокие кратеры.
При воздействии лазерного излучения на полупровод-
никовые материалы пороги повреждения для германия
и кремния составляют 10н Вт/см2 [44]. Четкой связи
между порогом разрушения и коэффициентом поглоще-
ния не обнаружено.
Качество обработки поверхности полупроводника ока-
зывает большое влияние на порог повреждений в мате-
128
риале. Травление полупроводникового кристалла увели-
чивает порог для грубо отшлифованных кристаллов бо-'
лее чем в три раза, а для изготовленных скалыванием
или химической шлифовкой па 10—15%. П верхност-
ные царапины, как правило, на пороги повреждения ока-
зывают незначительное влияние, хотя повреждения в об-
ласти царапин более заметны.
Устойчивость тонких пленок к лазерному излучению
определяется в значительной степени свойствами мате-
риалов, из которых пленки изготовлены [46]. Толщина
пленки, при которой происходят повреждения, называ-
ется толщиной разрыва. Толщина разрыва зависит от
технологии нанесения пленки. Следует отметить, что тол-
щина разрыва пленок, состоящих из нескольких слоев,
характеризующихся растяжением или сжатием, может
во много раз превышать толщину разрыва любой из
компонент. Наибольшей устойчивостью к воздействию
лазерного излучения обладают пленочные покрытия, для
которых результирующее напряжение имеет характер
сжатия.
Результаты измерений суммарных поверхностных на-
пряжений тонких пленок при воздействии потока лазер-
ного излучения плотностью 1 ГВт/см2 представлены
в табл. 4.6.
Таблица 4.6
Суммарные поверхностные напряжения пленок при
W5 - 1 I Вт/см2
Материалы (основы) тонких пленок Измеренное суммарное напря- жение, МПа
Соединения окислов магния и фто- ристого магния Соединения фтористого магния и силиката магния Соединения фтористого .магния и фтористого тория Фтористый магний 199,0 (растяжение) 7,2 (сжатие) 114,8 (растяжение) 285,0 (растяжение)
Покрытия, оптимальные с точки зрения устойчивости
к воздействию лазерного излучения и механической
прочности, не являются оптимальными в смысле обеспе-
чения минимальной величины коэффициента отражения,
в Зак. 213 129
Следовательно, решение об использовании того или Ино-
го типа покрытия следует принимать в каждом конкрет-
ном случае, в зависимости от того, какой из его пара-
метров (коэффициент отражения, механическая проч-
ность, устойчивость к воздействию лазерного излучения)
играет наибольшую роль.
Повреждение тонких пленок можно объяснить раз-
личными причинами [47]: разогревом пленки, наличием
локальных дефектов, возникновением искры или элек-
тронной лавины. Например,, повреждения за счет элек-
тронной лавины могут иметь место, если интенсивность
лазерного излучения достаточно высока, что обеспечи-
вает возникновение критического числа электронов про-
водимости в течение длительности импульса.
Значения интенсивности лазерного излучения, при ко-
торых начинают разрушаться вакуумно-напыленные ме-
таллические пленки па подложках из пирексового стек-
ла, приведены в табл. 4.7 [48].
Таблица 4.7
Наименьшие мощности лазерного излучения, приводящие
к разрушению напыленных металлических пленок
Материал пленки
Порог поврежден- я, МВт/см*
Марганец
Хром
Тантал
Свинец
Серебро
Алюминий
1,2
*,5
1,7
1,7
5,4
5,4
Действие лазерного излучения на материалы
в жидкости и в вакууме
В жидкости лазерное излучение при переходе из ат-
мосферы испытывает преломление и значительное погло-
щение. Поглощение лазерного излучения в жидкой сре-
де происходит за счет рассеяния излучения от имеющих-
ся в ней неоднородностей и молекулярного поглощения.
При этом длинноволновый спектр поглощается в боль-
шей степени, чем коротковолновый. Поглощение излуче-
ния сочетается с явлениями диссоциации жидкости, свя-
130
занной с образованием в ее объеме пузырьков. Пузырьки
в процессе интенсивного облучения могут достигать зна-
чительных размеров и вызывают значительное рассеяние
излучения.
Высокие интенсивности лазерного излучения приво-
дят к слиянию пузырьков и образованию парогазового
канала вдоль следования луча.
Неоднородности в жидкостях в виде примесей, обла-
дающих большим коэффициентом поглощения, приводят
к дополнительному значительному рассеянию лазерного
излучения. При этом неоднородности сильно нагревают-
ся, вызывая общий нагрев и вскипание жидкости. Вза-
имодействие лазерного излучения с жидкостями сопро-
вождается светогидравлическим эффектом, приводящим
к преобразованию энергии лазерного излучения в меха-
ническую энергию ударных волн.
При воздействии лазерного излучения на материалы
в воде в нач; чьиый момент образуется высокотемпера-
турная зона. По м рс развития процесса образуется га-
зовая полость, которая с большой скоростью отжимает
жидкость от материала. При этом возникает гидравли-
ческий удар, который распространяется по всем направ-
лениям. Резкое повышение температуры в зоне воздей-
ствия приводит к увеличению количества паров в газо-
вой полости и определяет скачок давления в ней. В свою
очередь давление жидкости на полость способствует еще
более резкому нарастанию давления газа. В результате
процесс приобретает характер взрыва.
Газовая полость, не отрываясь от поверхности мате-
риала, с возрастающей скоростью распространяется
внутри объема жидкости. Полость приобретает сфериче-
скую форму и характеризуется незначительной протя-
женностью. Средняя скорость перемещения газовой по-
лости зависит от характеристик жидкости и для воды
составляет 33 м/с. Высокая температура газов в полости
способствует интенсивному испарению слоев жидкости,
расположенных у поверхности образующегося факела.
Образующийся в этом случае пар в виде плотной паро-
вой рубашки окутывает факельную полость. Паровая
рубашка увеличивается с ростом газовой полости.
Если лазерное излучение воздействует на материалы
в открытом сосуде при слое жидкости, соизмеримом с
размерами газовой полости, то по достижении полостью
»* 131
поверхности жидкости происходит интенсивный ее вы-
брос. Высота столба жидкости в ряде случаев превы-
шает 2 м. При увеличении толщины слоя жидкости рас-
смотренный эффект проявлялся слабее.
Несколько иначе развивается парогазовая полость в
летучих жидкостях, например в бензоле. В начальный
момент под действием лазерного излучения па поверх
ности материала появляется зона прогрева. По мере
увеличения плотности потока излучения факел испаряю-
щегося материала увеличивается и в отличие от водной
среды приобретает грибовидную форму с сильно разви-
той верхней частью. С увеличением интенсивности излу-
чения наблюдается быстрый рост зоны, удаленной от
поверхности материала. Зона из небольшой светящейся
точки перерастает в газовый пузырь, который представ-
ляет собой полость, наполненную парами жидкости.
В связи с тем что газовая полость находится па
пути следования лазерного луча, значительное количе-
ство энергии излучения ею рассеивается и поглощается.
Поэтому с увеличением газовой полости факел испаряю-
щегося материала уменьшается и изменяет свою форму,
представляя собой как бы пирамиду, состоящую из от-
дельных элементов. В дальнейшем газовая полость уве-
личивается еще более интенсивно достигая стенок сосу-
да. При достаточной прочности сосуда факел испаряю-
щегося материала сжимается еще сильнее. По
достижении газовой полостью поверхности жидкости на-
блюдается взрывоподобный выброс жидкости.
Ввиду значительного поглощения лазерного излуче-
ния жидкостью в месте воздействия луча на материал
появляются лишь незначительные углубления. Анало-
гичные явления наблюдались при воздействии лазерного
излучения на материалы и в других жидкостях, в т.ом
числе и легко испаряющихся: спирт, бензин.
Характер повреждений материалов в общем случае
определяется особенностями воздействия лазерного из-
лучения на материалы в жидкой среде, толщиной слоя
жидкости на пути следования луча, светогидравличес
ким эффектом, теплофизическими свойствами жидкости.
От толщины слоя жидкости зависят величины рас-
сеяния и поглощения лазерного излучения: чем больше
слой жидкости, отделяющий поверхность материала от
места входа луча в жидкость, тем значительнее энерге-
132
тическис потери. С увеличением толщины слоя жидкости
уменьшается глубина образованного кратера и несколь-
ко увеличивается его диаметр.
Светогидравлический эффект приводит к появлению
ударных волн, вызывает нарушение равновесия между
силами отдачи вытекающих паров металла и гидроста-
тическим давлением. В результате изменяется действие
динамических сил, что приводит к образованию кратеров
конической формы. Теплофизическис свойства жидкостей
также влияют на форму кратеров, что объясняется раз-
личным поглощением энергии и образованием внутри
жидкостей полостей с разными давлениями газов.
В вакууме отличительной особенностью воздействия
является изменение характера истечения испаряющегося
вещества из зоны облучения с изменением разреже-
ния [49].
При воздействии лазерного излучения на керамику,
находящуюся в разреженной среде (вакууме), она в на-
чальный момент интенсивно нагревается. Затем образу-
ется чашеобразный факел и начинается процесс испа-
рения материала, сопровождающийся свечением газа. В
центре факела возникает конусообразная светящаяся зона.
Явление свечения объясняется ионизацией газов. Ча-
стицы материала, соударяясь с ионами газа, вызывают
свечение. В дальнейшем факел испаряющегося мате-
риала уменьшается, форма его становится цилиндриче-
ской, появляются первые выбросы расплавленного мате-
риала, траектории которых располагаются симметрично
относительно оси факела.
При воздействии лазерного излучения на сталь воз-
никает чашеобразный факел с развитой верхней частью
и сильно утонченной нижней. Создается впечатление, что
факел как бы зависает над объектом и не связан с зоной
облучения. Крупные частицы материала выбрасываются
на расстояние 40—50 мм.
Внешне процесс воздействия лазерного излучения на
материал выглядит следующим образом. В начальный
момент наблюдается взрыв перегретой фазы материала,
и пары распространяются в вакууме. После взрыва к
поверхности материала начинает распространяться вол-
на разрежения. Когда опа доходит до поверхности ма-
териала, движение охватывает всю массу паров в фа-
келе.
133
42 ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕХНИКУ
При определении эффективности использования ла-
верного излучения в военных целях за рубежом чрезвы-
чайно важное значение придают дальности действия ла-
зерного излучения, под которой понимают расстояние от
источника излучения, в пределах которого лазерное
устройство, воздействуя на различные участки объекта,
полностью или частично повреждает или разрушает
его. Поражающее действие лазерного излучения зависит
от плотности потока излучения, поглощенного поверхно-
стью объекта. Эта плотность потока определяется следу-
ющими факторами: мощностью лазера, характеристика-
ми оптических (фокусирующих) систем лазерных уста-
новок, ослаблением излучения при распространении в
атмосфере, расстоянием от источника до объекта, пара-
метрами объекта.
Лазеры различных типов характеризуются мощностя-
ми излучения, максимальные значения которых изменя-
ются в широких пределах. Так, например, в иностран-
ной печати сообщалось о химических, газоразрядных и
газодинамических лазерах, обладающих средней мощно-
стью в 10, 20, 200 кВт соответственно.
Определим дальность поражающего действия лазер-
ного излучения в зависимости от характеристик оптики
лазерных устройств, которая представляет собой систе-
му линз и зеркал. Если пропускать лазерное излучение
с длиной волны Л через отверстие диаметром D, то из-за
дифракции на краю диафрагмы поток излучения откло-
няется па угол
При установке перед диафрагмой липзы с фокусным
расстоянием f в фокальной плоскости линзы получают
кружок рассеяния диаметром
d = 2<?-f = 2ДХ—
D
В кружке рассеяния концентрируется почти вся энер-
гия лазера. Если диаметр лазерного пятна на объек-
те d', дальность передачи излучения L и диаметр выход-
ной апертуры оптической системы Da, то с учетом явле-
ния дифракции
d' = 2,4Х-^-.
Da
134
Это соотношение определяет взаимосвязь диаметра
выходной апертуры оптической системы с дальностью пе-
редачи излучения и длиной волпы лазерного излучения
Da = 2,4X^.
а
Следует отметить, что если оптика лазерной системы
имеет дефекты, то энергия, приходящаяся па кружок
рассеяния, быстро уменьшается от центра к периферии.
В связи с этим стремятся использовать зеркальные по-
верхности высшего качества.
При передаче лазерного излучения в атмосфере энер-
гия излучения уменьшается, поглощаясь воздухом. Од-
ной из причин ослабления излучения является рассеяние
его на молекулах газов, входящих в состав воздуха.
Численное значение рассеяния обратно пропорцио-
нально четвертой степени длины волны лазерного излу-
чения. В связи с этим атмосфера практически непрони-
цаема для коротковолновых излучений ультрафиолето-
вой области спектра. Кроме того, па волнах длиной около
1 мкм (инфракрасное излучение) существуют поло-
сы поглощения излучения, связанные с наличием в атмо-
сфере кислорода и водяных паров [37]. При этом оста-
ется несколько областей спектра с хорошей прозрачно-
стью (так называемые окна прозрачности) атмосферы.
Одна из областей прозрачности атмосферы, лежащая в
участке видимых волн, совпадает с пределами диапазо-
на чувствительности человеческого глаза. Затухание в
коротковолновой части этой области определяется рас-
сеянием на частицах, диаметр которых меньше длины
волны падающего излучения, а в длинноволновой ча-
сти — поглощением водяными парами.
В инфракрасной области спектра существуют следу-
ющие окна прозрачности: малое — для волн с длиной
около 1,25 мкм, среднее — для волн от 3,5 до 4 мкм и
большое —для волн от 8,5 до 12,5 мкм [37].
В связи с этим особое значение приобретают лазеры
на углекислом газе, которые излучают на длине волны,
попадающей в окно прозрачности атмосферы, и отлича-
ются большой мощностью в импульсном режиме.
В общем случае дальность поражающего действия
лазерного излучения R определяют из выражения
Pl - Poe“zR,
135
где Pl—мощность излучения, сконцентрированная в
пятне на цели;
Ро мощность излучения в выходном окне лазера;
z — коэффициент ослабления атмосферы.
Дальность поражающего действия может быть опре-
делена также и из выражения
R = 0.6S-G,
где G — lg (Ро PL ) — коэффициент передачи энергии,
S — дальность видимости (соответству-
ет наибольшему расстоянию, на
котором черный объект еще разли-
чим на светлом фоне).
Численное значение дальности видимости зависит от
числа аэрозольных слоев, их пространственной протя-
женности и структуры.
Использование лазерного излучения
для обработки металлов
В настоящее время лазеры широко применяют для
•бработки материалов, что объясняется следующими
факторами.
1. Обработка лазерным лучом может. вестись в лю-
бой прозрачной для лазерного излучения среде: па воз-
духе, в защитной или окислительной среде, в вакууме.
2. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно очень
малых размеров (порядка единиц микрометров).
3. Малые размеры зоны теплового воздействия излу-
чения сводят до минимума коробление и деформацию
материала.
Пробивка отверстий в металлических предметах
одно из первых экономически выгодных применений ла-
зеров. Однако еще больший экономический эффект мож-
но получить при сверлении лучом не металлов, а таких
материалов, как керамика, алмаз, стекло, твердые
сплавы.
Многочисленные испытания, проведенные в научно-
исследовательских лабораториях ряда стран, позволили
определить основные особенности сверления с помощью
лазерного излучения:
136
1) механические свойства материалов (твердость,
прочность) не влияют на процесс обработки материалов
лазерным излучением, но материалы с лучшей теплопро-
водностью и более высокой отражательной способно-
стью требуют применения более мощных лазеров;
2) глубокие отверстия получают с помощью ряда
следующих друг за другом импульсов, при этом фокаль-
ную плоскость непрерывно смещают в глубь металла;
3) нецелесообразно сверлить материалы с помощью
одного импульса большой мощности, так как кроме не-
избежной при этом конусности наблюдаются сколы или
расслоение материала;
4) скорость и качество сверления повышаются, если
во время сверления через отверстие пропускать газ,
смесь газов или пар под большим давлением и с боль-
шой скоростью;
5) целесообразно создавать лазерные устройства, спе-
циализированные для резки самых различных материа-
лов: металлов, стекла, пластиков, бумаги, картона, фа-
неры, ткани и Tf д. В этом случае можно получить зна-
чительный материальный эффект.
В настоящее время разработаны и широко исполь-
зуются два основных метода резки материалов: с под-
дувом в область резки активного газа, преимущественно
кислорода (применяется для металлов), и с поддувом
инертного газа (применяется для горючих материалов).
В опытах по разрушению лазерными лучами твердых
горных пород [57] на образцы воздействовали лазерным
излучением с длиной волны 10,6 мкм. Исследования по-
казали, что при облучении в течение 3—5 с в породе
образуются небольшие трещины. После облучения твер-
дые горные породы (гранит, мрамор, гнейс и сланцы)
без труда ломались рукой. Возможности про.мышленного
применения этого способа еще нс уточнены. Однако не
исключено, что проведенные исследования явятся осно-
вой для создания новых методов прокладки туннелей.
Исследуются возможности применения лазерной тех»
ники в проходческих комбайнах.
Глава 5
ЗАЩИТА ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
5.1. ПРИНЦИПЫ НОРМИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УРОВНЕЙ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
По мнению специалистов, область применения лазе-
ров будет постоянно расширяться. В производстве лазе-
ров и в контроле их работы будет участвовать большое
количество людей. Это выдвигает задачу по выработке
мер защиты от вредного действия лазерного излучения.
Организация защиты организма человека связана с ре-
шением ряда сложных вопросов биологического, техни-
ческого и даже юридического, т. е. организационно-зако-
нодательного характера.
Необходимо выработать нормы предельно допусти-
мых уровней облучения, безопасных для организма, ана-
логично нормам, разработанным для электромагнитных
СВЧ излучений радиодиапазопа. Целью выработки норм
является стремление предотвратить дисфункции различ-
ных органов человека и предельно снизить опасность
вредных последствий.
Одпако при выработке норм возникают большие труд-
ности. Санитарные нормы вырабатывают на основе эм-
пирических исследований. Нормы численно определяют
уровень внешнего воздействия па организм, при этом
предполагается, что уровень воздействия может быть
измерен. При этом одна из трудностей связана с необ-
ходимостью установления вредных последствий не толь-
ко на организм, подвергшийся воздействию лазерного
излучения, но и на потомство на протяжении, быть мо-
жет, нескольких поколений.
Если бы между дозой лазерного облучения и вызы-
ваемым ею нарушением здоровья существовала строгая
зависимость, задача установления санитарных норм ре-
138
шалась бы значительно проще. В действительности та-
кой зависимости нет. К т'ому же информация, необходи-
мая для принятия падежных решений о тех или иных
последствиях воздействия различных видов излучения
па организм, не всегда достоверна.
При выработке санитарных норм необходимо учиты-
вать перспективу развития квантовой электроники и объ-
ективно оценивать весь комплекс биомедицинских послед-
ствий воздействия лазерного излучения, с тем чтобы, с
одной стороны, не подвергать чрезмерному облучению
обслуживающий персонал, а с другой — неоправданно
завышенными нормами нс тормозить научно-исследова-
тельские и опытно-конструкторские работы ио созданию
новейших ОКГ, а также их промышленное производство.
При установлении санитарных норм необходимо оце-
нить не только возможную опасность источников лазер-
ного излучения, но и четко выделить биологические эф-
фекты, приводящие к опасным последствиям. При этом
зарубежные ученые в процессе санитарного нормирова-
ния исходят из порога повреждающего действия на оп-
ределенные критические органы.
Критическим органом называют такой орган, воздей-
ствие лазерного излучения на который сопряжено с наи-
большей опасностью для оптимального функционирова-
ния организма. ЭтЧ> определение учитывает следующие
факторы:
— вероятность попадания органа под излучение;
— устойчивость органа к воздействию лучистой энер-
гии когерентного характера;
— значение органа для нормального функционирова-
ния организма
К критическим органам, наиболее подверженным ла-
зерному облучению, в первую очередь относят орган
зрения и кожные покровы человека.
5.2. ОБОСНОВАНИЕ ОПАСНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Излучение, генерируемое современными лазерами,
занимает довольно широкий спектр электромагнитных
колебаний. Поэтому лазерное излучение удобнее нор-
мировать дифференцированно для различных диапазо-
нов электромагнитных волн.
139
Ультрафиолетовая область
Энергия квантов ультрафиолетового излучения в диа-
пазоне длин волн от 380 до 6 им меняется в пределах
от 3,26 до 123 эВ соответственно. Для более наглядного
представления о величине электронвольта приведем та-
кие примеры.
Тепловая энергия движения молекул при комнатной
температуре составляет около 0,03 эВ. Энергия химиче-
ской связи, удерживающая атомы в молекуле любого хи-
мического соединения, входящего в состав организма, не
превышает 4 эВ И только энергия ядерной связи, удер-
живающая нейтроны возле протонов, достигает миллио-
нов электронвольт.
Фотоны с энергией 12—15 эВ способны вызвать иони-
зацию воды и атомов кислорода, водорода, азота, угле-
рода. Исходя из того что вода и перечисленные атомы
составляют основу живой ткани, излучение с энергией
12 эВ можно рассматривать как нижний предел для вы-
сокоорганизованных биологических систем. Фотоны с
энергией ниже 12 эВ можно считать неионизирующими
При рассмотрении биологических явлений, связанных
с воздействием лазерного излучения в ультрафиолетовой
области, выделяют такие участки:
— дальний ультрафиолетовый участок (6—190 нм),
излучение в котором поглощается воздухом и водой;
— участок с длинами волн 190—300 нм, излучение
в котором сильно поглощается большинством биологиче-
ских молекул, в результате чего нарушается наследст-
венный аппарат клеток;
— ближний ультрафиолетовый участок (300—380 им),
излучение в котором хотя и поглощается некоторыми
биологическими молекулами, но на наследственность не
влияет.
Воздействие на кожу. Для характеристики биологиче-
ского действия ультрафиолетового излучения часто упот-
ребляют следующие определения.
Минимальная эритемная доза (МЭД) —наименьшая
энергетическая доза облучения, приводящая через 8 ч
(т. е. к концу рабочего дня) к покраснению кожного
покрова (эритеме), исчезающему па следующие сутки.
Минимально заметная эритема (МЗЭ) —едва ощути-
мое покраснение кожного покрова, пропадающее на сле-
140
дующие сутки. Вызывающая ее доза облучения практи-
чески не отличается от МЭД.
Эритемная единица — равномерное излучение с дли-
ной волны 296,7 нм и плотностью потока мощности
20 мВт/см2. Излучение силой в одну эритемную единицу
вызывает резко выраженное покраснение кожи, сопро-
вождаемое болевым ощущением (эритемная реакция).
Бактерицидная (микробоуничтожающая) единица
(БЕ) — излучение с длиной волны 253,7 нм и плотно-
стью потока мощности 100 мВт/см2.
Субвезикулярная величина энергии — величина энер-
гии излучения, вызывающая покраснение, не сопровож-
дающееся появлением па облучаемой коже пузырей.
Вредное действие ультрафиолетового излучения на
живой организм в целом и на биологические ткани в
частности связано с поглощением излучения нуклеино-
вой кислотой и свободными белками клеток и с проте-
канием в этих соединениях свстохимической реакции на
некоторых из рецепторов (свстовоспринимающих эле-
ментов клетки).
Степень поражения кожи ультрафиолетовым излуче-
нием (в отличие от поражения глаз) зависит от перво-
начально поглощенной энергии излучения. Для появ-
ления едва заметного покраснения кожи достаточен по-
ток энергии ультрафиолетового излучения 30 Дж/см2.
Величину плотности энергии 20 Дж/см2 называют
критической величиной возникновения эритемы (КДЭ).
Л4инимальная же эритемная величина для «средней» ко-
жи (кожа нсзагорелого человека) может приближаться
к 8 Дж/см2 [71].
Названные величины относятся к коже, не подвергав-
шейся непосредственно перед этим ультрафиолетовому
облучению.
Поражение ультрафиолетовым излучением возможно
в случае возникновения фотонов с энергией более 12 эВ
(при длине волны 250 нм), способных разлагать молеку-
лярный кислород с последующим образованием озона.
Фотоны с энергией более 6,5 и 9,5 эВ могут разрушать
соответственно связи N —О (азот — кислород) и N — N
(азот — азот). В последнем случае возможно образова-
ние окислов азота
Фотоны с энергией более 3,5 эВ способны разрушать
связи NO—С, С—С и Н—Н (окись азота — углерод,
141
углерод — углерод, водород — водород), которые типич-
ны для соединений, входящих в состав внутриклеточных
структур.
Через шкуру животного ультрафиолетовое излучение
не проходит. У человека волпы длиной менее 290 нм пол-
ностью поглощаются в поверхностном слое кожи — эпи-
дермисе. Более глубоко расположенной ткани достигает
только 10% энергии с длиной волны 290—320 нм и до
50% энергии с длиной волпы 320—380 нм.
Максимальный эритемный эффект приходится па из-
лучение длиной волны 260 нм. Несколько меньшее воз-
действие оказывают излучения с длинами волн 280 —
290 нм (60—70% максимального эффекта). Эритемная
реакция на излучение с длиной волпы более 320 нм срав-
нительно слаба, что связано с неспособностью фотонов
низкой энергии вызывать фотохимические реакции.
Волны длиной 280—320 нм способны провоцировать
появление новообразований (опухоли, рак), иными сло-
вами, обладают выраженным канцерогенным действием.
В практике, однако, не зарегистрировано ни одного
случая профессионального заболевания раком кожи или
кератозом у людей, занятых длительное время на рабо-
тах с электро- и газосваркой, а также с мощными квар-
цевыми лампами, являющимися источниками ультрафио-
летового излучения длиной волпы 320 нм. Возможно, что
это связано с повышенной болезненностью ожогов или
конъюнктивитов, что вынуждает принимать меры надеж-
ной защиты кожи от мощных ультрафиолетовых излуче-
ний, которые могли бы привести к появлению новообра-
зований.
Многократное, длящееся годами ультрафиолетовое
облучение ускоряет процесс старения кожи и увеличи-
вает вероятность развития некоторых видов рака кожи.
Интересно отметить, что существуют люди, обладаю-
щие исключительной чувствительностью к облучению в
определенных участках спектра. Такая необычайно по-
вышенная чувствительность кожи называется сенсибили-
зацией и выражается в том, что облучение даже энерги-
ей меньше минимальной эритемной дозы может привести
к неадекватной (несоизмеримой с воздействием) реак-
ции кожи.
Воздействие на орган зрения. Главными тканями гла-
за, поглощающими ультрафиолетовую энергию, являются
142
роговица и конъюнктива. При случайном попадании в
глаз человека ультрафиолетового излучения с энергией
около 10 мДж/см2 от бактерицидных ламп, излучающих
в основном энергию на волне 253,7 нм, возникает пора-
жение роговицы (фотокератоконъюнктивит).
У отдельных лиц кератоконъюнктивит развивается
даже под действием ультрафиолетового излучения, отра-
женного от снега, при длительном пребывании на сол-
нечном свете («снежная слепота»), так как снег обла-
дает высокой отражательной способностью в ультрафио-
летовой области спектра.
Почти полное поглощение энергии определенных длин
волн в роговице и в водянистой влаге передней камеры
глаза предотвращает протекание нежелательных хими-
ческих реакций в хрусталике. Фотоны с энергией око-
ло 3,5 эВ при длине волны 360 нм могут возбуждать
в хрусталике флуоресценцию, вызывая при этом диф-
фузное помутнение, способное понижать остроту зрения
и приводить к некоторому утомлению глаз. Однако при
достаточно ярком наружном освещении такое слабое
«внутреннее» свечение остается незамеченным.
Наибольшее поражение роговицы (фотоксратическое
действие) вызывают волны длиной 288 нм. В области
длин волн около 310 нм поражающее действие ультра-
фиолетового излучения отсутствует, а вблизи 280 нм
поражение минимально. Пороговая реакция роговой обо-
лочки на монохроматическое излучение с длиной волны
288 нм возникает при плотности энергии, измеряе-
мой миллионными долями джоуля па квадратный сан-
тиметр.
Большая часть ультрафиолетового излучения с дли-
нами волн вплоть до 320 нм поглощается в роговице,
тогда как в хрусталике поглощаются волны в интервале
320—390 нм [58]. По этой причине излучение с длинами
волн вплоть до 320 нм способно вызывать тяжелые по-
ражения роговой оболочки задолго до появления каких-
либо изменений в хрусталике. Исследования прозрачно-
сти и поглотительной способности тканей по отношению
к ультрафиолетовому излучению, в том числе и на вол-
нах длиннее 320 нм, показали, что минимальная вели-
чина энергии, необходимая для наступления ответной
реакции в хрусталике, в два-три раза превышает соот-
ветствующую величину для роговицы. Это значит, что
КЗ
сильный ожог роговой оболочки произойдет раньше, чем
возникнет поражение хрусталика.
Поэтому помутнение хрусталика (катаракта) под
влиянием ультрафиолетового излучения практически ни-
когда не наблюдается.
Следует иметь в виду, что прозрачность хрусталика
меняется с возрастом, а также при развитии склероза
ядра хрусталика. Коэффициент пропускания хрустали-
ком излучения с длиной волны 30 нм у маленьких де-
тей составляет около 8%- В возрасте 22 лет это излу-
чение пересдает проходить через хрусталик, а к 63 годам
хрусталик не пропускает ультрафиолетовые лучи вплоть
до 380—400 нм.
Оптические свойства глаза таковы, что плотность теп-
лового потока на небольшом участке сетчатки можеР на
5 порядков превышать его плотность на роговой оболоч-
ке. При плотности мощности потока светового излучения
1 Вт/см2 уже через секунду возникает ощущение слабой
боли, в результате чего человек сразу же закрывает
глаза.
Видимая область
На пути к сетчатке глаза световое излучение види-
мой области в отличие от ультрафиолетового не испы-
тывает заметного поглощения в тканях и веществах
глазной камеры. Энергия световых фотонов сравнитель-
но невелика (3,1—1,65 эВ). При обычном дневном осве-
щении видимое световое излучение вызывает цепную
фотохимическую реакцию в светочувствительном веще-
стве — родопсине, входящем в состав клеток сетчатки.
Конечным результатом этого процесса и является ощу-
щение световых зрительных образов.
С появлением световых источников ярче Солнца все
чаще возникает «вспышечная слепота» человека. Это яв-
ление обусловлено слепящим действием света, под котЬ-
рым понимается действие любого светового излучения с
уровнем плотности на сетчатке, превышающим величи-
ну, достаточную для отчетливой видимости предметов.
Иными словами, слепящим считается любое световое из-
лучение, которое вместо помощи зрению затрудняет его.
Явление необратимого теплового поражения сетчат-
ки глаза известно уже много лет. Например, в зарубеж-
ной печати неоднократно сообщалось о случаях пора-
144
жения сетчатки у персонала службы наблюдения за воз-
духом в системе ПВО Вспышечная слепота является
следствием отбеливания (выцветания) зрительных пиг-
ментов глаза. Наиболее опасным для глаза источником
света теперь стали лазеры.
Степень опасности лазерного излучения для глаз оп-
ределяется:
— яркостью лазерного излучения;
— продолжительностью действия лазерного излуче-
ния;
— диаметром зрачка в начале облучения.
Если названные параметры обеспечивают па сетчат-
ке плотность поглощенной энергии менее порога тепло-
вого ожога (минимальной плотности тепловой энергии,
вызывающей едва заметное микроскопическое пораже-
ние сетчатки), то такое лазерное излучение для глаз
совершенно безопасно [58J.
Уровень освещенности на участке роговицы глаза,
при котором возникает опасность ожога сетчатки, со-
ставляет 2,6-10й лк [60]. В качестве аналогичной вели-
чины зарубежными специалистами приводится также
плотность поглощенной энергии 2—6 Дж/см2 [35], при
этом проникающее в прозрачные для света среды глаза
лазерное излучение должно иметь плотность мощности
более 2,8 Вт/см2, иначе из-за рассеяния тепла в тканях
температура не сможет подняться до уровня, способ-
ного вызвать ожог. В этом случае пороговый уровень бу-
дет' зависеть от продолжительности облучения и разме-
ра облучаемой области сетчатки.
Ослепляющим действием обладает не только луч ла-
зера, но и световое излучение лампы накачки. Работа
импульсных ламп накачки твердотельных и жидкостных
лазеров сопровождается чрезвычайно высокой интенсив-
ностью вспышки видимого света, действующего на глаза
ослепляюще.
Слепящие световые эффекты можно разбить на не-
сколько разновидностей.
I. Вуалирующий эффект, при котором излучение рав-
номерно покрывает изображение, созданное на сетчатке,
и уменьшает его контрастность, а тем самым и види-
мость.
2. Маскирующий эффект, при котором дополнитель-
ное световое излучение рассеивается в глазном веществе,
10 Зак. 213 145
исключая возможность образования изображения на сет-
чатке.
3. Систематический, или собственно слепящий, эф-
фект (приводящий к вспышечной слепоте), при котором
яркость освещения такова, что под его действием пони-
жается чувствительность сетчатки.
При воздействии на глаз очень яркого источника све-
та проявляются сразу все три разновидности слепящего
действия. Однако первые две из них ощущаются глав-
ным образом лишь непосредственно во время освещения,
тогда как третий эффект вызывает появление последо-
вательных образов, сохраняющихся в течение длительно-
го времени после прекращения действия светового источ-
ника. Последовательный образ проявляется как резуль-
тат продления физиологических процессов, вызывающих
ощущения, сходные с первоначальными уже после пре-
кращения нервного раздражения. Источник света погас,
а глаз длительное время продолжает его «видеть».
Инфракрасная область
Данные, которые могли бы свидетельствовать о спо-
собности фотонов инфракрасного излучения (т. е. фото-
нов с энергией менее 1,5 эВ) вступать в биологических
тканях в фотохимические реакции, немногочисленны.
Это объясняется слишком низкой энергией фотонов ин-
фракрасного излучения, недостаточной для изменения
электронных энергетических уровней в атомах, входя-
щих в состав живой ткани. При поглощении инфракрас-
ного излучения ткань нагревается, что и является глав-
ным эффектом воздействия.
Ввиду того что вода почти полностью поглощает вол-
ны длиной от 1 до 15 мкм, большинство биологических
материалов для этих длин волн непрозрачно. Однако
энергия наиболее коротких волн (0,7—1,3 мкм) может
проникать на сравнительно большую глубину в кожу и
прозрачные среды глаза. Глубина проникновения зави-
сит от длины волны падающего излучения. Так, напри-
мер, существует участок высокой прозрачности па дли-
нах волн от 0,75 до 1,3 мкм при максимуме прозрачно-
сти в районе 1,1 мкм. На этой длине волны 20% энергии,
падающей на поверхностный слон кожи (роговой слой
эпидермиса), проникает в кожу на глубину до 5 мм При
146
этом в сильно йигментированной коже глубина проник-
новения может быть еще больше. И тем не менее кожа
человека достаточно хорошо противодействует инфра-
красному облучению, так как она способна рассеивать
тепло благодаря кровообращению и понижать темпера-
туру ткани вследствие испарения влаги с поверхности.
Значительно труднее от инфракрасного облучения за-
щитить глаза, в них тепло практически не рассеивает-
ся, и хрусталик, фокусирующий излучение на сетчатке,
усиливает эффект биологического воздействия. Все это
заставляет при работе с лазерами особое внимание об-
ращать па защиту глаз от инфракрасного облучения.
Роговая оболочка глаза прозрачна для излучения в
интервале волн 0,75—1,3 мкм и становится практически
непрозрачной только для волн длиннее 2 мкм. Степень
теплового поражения роговицы зависит от поглощенной
дозы облучения, причем травмируется главным образом
поверхностный, тонкий эпителиальный слой. Если в ин-
тервале волн 1,2—1,7 мкм величина энергии облучения
превышает минимальную дозу облучения, то может про-
изойти полное разрушение защитного эпителия с одно-
временным помутнением стромы (глубоко расположен-
ной структуры хрусталика) вследствие свертывания бел-
ка. Ясно, что подобное перерождение тканей в области,
расположенной непосредственно за зрачком, серьезно
сказывается на состоянии органа зрения.
Радужная оболочка, отличающаяся высокой степе-
нью пигментации, поглощает излучение практически все-
го инфракрасного диапазона. Особенно сильно подвер-
жена она действию излучения длиной волны 0,8—1,3 мкм,
поскольку излучение почти не задерживается рогови-
цей и водянистой жидкостью передней камеры глаза.
Скорость рассеяния тепла, накапливающегося в рого-
вице, в значительной степени определяется наличием у
нее контакта с воздухом и слезной жидкостью.
Радужная оболочка может рассеивать тепло только
в окружающие ее ткани и вещества, вследствие чего до-
за облучения радужной оболочки должна быть меньше,
чем соответствующая доза для самой роговицы.
Минимальной величиной плотности энергии облуче-
ния в интервале волн от 0,8 до 1,1 мкм, способной вы-
звать поражение радужной оболочки, считают 4,2 Дж/см2.
Одновременное поражение роговой и радужной оболо-
10*
147
чек всегда носит острый характер, а поэтому оно наи-
более опасно. Данных, свидетельствующих о возможно-
сти возникновения хронических осложнений при воз-
действии неощутимых человеком величин энергии
инфракрасного излучения (меньше минимальной дозы
облучения), пока нет.
Процессы, происходящие в водянистой жидкости пе-
редней камеры глаза (жидкости, занимающей простран-
ство между задней поверхностью роговицы и передней
поверхностью хрусталика) при воздействии лазерного
излучения, исследованы недостаточно полно.
Считается, что нагрев радужной оболочки глаза при
поглощении излучения видимой области и ближнего
участка инфракрасной области играет основную роль
в развитии катаракты, по крайней мере при непродол-
жительном облучении.
Для того чтобы при воздействии лазерного излуче-
ния произошли необратимые изменения хрусталика, до-
статочно создать на роговице плотность энергии, превы-
шающую 10 Дж/см2. Чувствительные нервные оконча-
ния как в роговице, так и в радужной оболочке очень
восприимчивы даже к небольшому повышению темпе-
ратуры. Локальное повышение температуры до 47° С,
соответствующее приблизительно плотности потока мощ-
ности 10 Вт/см2, поглощаемой в роговице, вызывает у
человека ощущение боли. Поэтому считается, что реф-
лекс прищуривания, возникающий при воздействии на
глаз небольших, но уже опасных уровней лазерного из-
лучения инфракрасного диапазона, обеспечивает защиту
от него.
Поглощение средами глаза энергии излучения в ин-
фракрасной области, падающей на роговую оболочку,
растет; с увеличением длины волны. При длинах волн
1,4—1,9 мкм роговица и передняя камера глаза погло-
щают практически все падающее излучение, а при дли-
нах волн выше 1,9 мкм роговица становится единствен-
ным поглотителем энергии лазерного излучения.
Максимум поглощения инфракрасного излучения в
сетчатке приходится на самые короткие волны инфра-
красной области, что позволяет воздействие излучения
этих волн сравнивать с воздействием волн видимого све-
та. Степень поражения сетчатки определяется соотно
шением между величиной поглощенной лазерной энер
148
гии в сильно пигментированном слое, отделяющем сет-
чатку от сосудистой оболочки, и скоростью отвода тепла
от этого слоя к соседним тканям.
Уменьшение поступающего па сетчатку энергетиче-
ского потока, обусловленное поглощением энергии в дру-
гих тканях глаза, перекрывается фокусирующим дейст-
вием хрусталика и роговой оболочки. Вследствие этого
определяющую роль в возникновении ожога наряду с
поглощенной дозой играет размер или площадь изобра-
жения на сетчатке.
Эксперименты на животных по искусственному вызы-
ванию катаракты инфракрасными лучами с интенсив-
ностью нагрева намного выше интенсивности теплового
воздействия на глаз человека в обычных условиях пока-
зали, что ткани повреждаются не из-за поглощения из-
лучения в волокнах хрусталика, а под действием мест-
ного теплового эффекта. После воздействия катаракто-
генной дозой инфракрасного излучения хрусталик у
животных повреждается вблизи обожженных участков
радужной оболочки.
Эти данные свидетельствуют о том, что изменения в
хрусталике носят вторичный характер по отношению к
явлению нагрева тканей, или, иными словами, инфра-
красное излучение поглощается пигментированным эпи-
телием радужной оболочки и, превращаясь в тепло, при-
водит к повреждению соседних участков эпителия хрус-
талика.
Организация защиты от лазерного излучения
Организация защиты от вредного биологического дей-
ствия лазерного излучения представляет собой важный
комплекс задач, включающий:
— организацию санитарного контроля за условиями
труда людей, эксплуатирующих различные устройства
квантовой электроники;
— создание методов измерения интенсивности прямо-
го и отраженного лазерных излучений;
— научное и экспериментальное обоснование пре-
дельно допустимых уровней воздействия излучений ла-
зеров на орган зрения, кожные покровы и другие ткани;
— разработку и проверку комплекса защитных меро-
приятий по улучшению условий труда персонала, обслу-
живающего устройства квантовой электроники.
149
До сих пор среди специалистов нет единого мнения
в отношении пороговых уровней облучения сетчатки,
В значительной степени это объясняется отсутствием
пространственно-энергетических характеристик лазерных
излучений на рабочих местах, а также недостаточной
гигиенической оценкой других вредных процессов, со-
провождающих работу оптических квантовых генерато-
ров.
При работе с лазерами, особенно в закрытых поме-
щениях, чаще всего приходится сталкиваться с отражен-
ным излучением. Все оптические элементы, служащие
для формирования выходного излучения лазера на ка-
кую-либо мишень, в той или иной степени отражают
или рассеивают лазерное излучение.
При отражении от зеркальной плоской поверхности
характеристики отраженного луча соответствуют харак-
теристикам прямого луча, а расстояние равно сумме
расстояний от источника лазерного излучения до отра-
жателя и от отражателя до глаз.
В том случае, когда отражающая поверхность не яв-
ляется плоской, интенсивность отраженного луча, дости-
гающего сетчатки глаза, может изменяться в очень ши-
роких пределах. В этом случае величина интенсивности
будет зависеть от взаимного положения наблюдателя и
отражателя, от того, вогнута или выпукла отражающая
поверхность. Небезопасно для глаз и диффузно рассеян-
ное отражение прямого лазерного луча от стен, поверх-
ностей, матовых стекол зданий и т. д. Интенсивность рас-
сеянного излучения зависит в первую очередь от выход-
ной энергии лазера, отражательной способности поверх-
ности и расстояния до нее.
Энергетическую освещенность диффузно отражающей
поверхности можно рассчитать умножением плотности
мощности луча, падающего на поверхность, на ее коэф-
фициент отражения.
Практика работы с источниками лазерного излучения
показала, что воздействие отраженного излучения на
глаза значительно ослабляется экранированием источ-
ников, рациональным расположением рабочих мест, а
также мерами личной безопасности. Тем не менее, не-
смотря на предпринимаемые меры, в производственных
условиях возможно поражение глаз обслуживающего
персонала лазерным излучением.
150
Поражение глаз излучением ламп накачки возможно
лишь при нарушении техники безопасности (отсутствие
защитных очков, преждевременная генерация разэкра-
нировапной лампы). Вместе с тем в процессе испыта-
ний не исключается возможность поражения глаз в ус-
ловиях слабой освещенности производственного поме-
щения за счет отражения от стен и оборудования даже
при соблюдении мер предосторожности.
5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ УРОВНЕЙ
ОБЛУЧЕНИЯ СЕТЧАТКИ ГЛАЗА
До изобретения лазера наибольшую опасность для
кожи и глаз представляло ультрафиолетовое излучение
с длинами волн 0,2—0,32 мкм. Для защиты от излучений
этого диапазона использовали стекло, пластик и другие
материалы, обладающие высокими поглощающими свой-
ствами в этой области. Развитие лазерной техники за-
ставило начать проведение исследований материалов, ко-
торые целесообразно использовать для защиты глаз и
кожи человека на более коротких волнах. Одновременно
предстоит провести еще большую работу по определе-
нию предельно допустимых для человека уровней лазер-
ного облучения
Как было сказано раньше, воздействие лазерного из-
лучения па кожу является в основном тепловым По дан-
ным зарубежных авторов, в качестве ориентировочной
безопасной дозы для кожи рекомендуется считать плот-
ность мощности 100 мВт/см2. Механизм теплового воз-
действия хорошо изучен. Подход к вопросу определения
предельно допустимых доз облучения кожи у большин-
ства специалистов одинаковый и каких-либо особых труд-
ностей не вызывает. Несколько сложнее установить пре-
дельно допустимые уровни лазерного облучения глаз
До создания источников лазерных излучений счита-
лось, что в промышленных условиях ожоги от облуче-
ния видимым светом не возникают. Глаза защищала
обычная реакция человека на источники очень яркого
света (прищуривание, зажмуривание глаз и мгновенное
рефлекторное отклонение головы от источника). Однако
широкое использование в последнее время лазеров с
выходными параметрами, значительно отличающимися
151
от параметров природных источников света, может со-
здать серьезную опасность для органа зрения человека.
При оценке допустимых уровней энергии лазерного
излучения необходимо учитывать суммарный эффект,
производимый им как на прозрачные среды глаза, так и
на сетчатку и сосудистую оболочку.
Оценим действие лазерного излучения на сетчатую
оболочку глаза.
Оптические свойства глаза играют большую роль при
определении повреждения сетчатки. При этом учитыва-
ются также качество изображения, размер зрачка (соот-
ветственно освещенность, создаваемая на сетчатке), спек-
тральное поглощение и рассеяние средами глаза, а так-
же спектральная отражательная способность глазного
дна и рассеяние в различных слоях сетчатки.
Размер зрачка в значительной мере определяет коли-
чество энергии излучения, попадающей в глаз и, следо-
вательно, достигающей сетчатки. Для глаза, адаптиро-
ванного к темноте, диаметр зрачка колеблется от 2 до
8 мм; при дневном свете обычно диаметр зрачка состав-
ляет 2—3 мм, при взгляде на Солнце зрачок сужается
до 1,6 мм в диаметре. Величина поступающей внутрь
глаза световой энергии пропорциональна площади зрач-
ка. Следовательно, суженный зрачок пропускает свето-
вой поток в 15—25 раз меньше, чем зрачок расширен-
ный.
Площадь изображения источника излучения па сет-
чатке зависит от его углового размера, определяемого
в основном расстоянием до источника. Для большинст-
ва неточечных источников размер изображения на сет-
чатке вычисляется по законам геометрической оптики.
Зная эффективное фокусное расстояние f нормального
расслабленного глаза (для аккомодированного на бес-
конечность глаза f=l,7 с.м), можно вычислить размер
Дг изображения источника лазерного излучения на сет-
чатке в том случае, если известны расстояние г до ис-
точника и размер JXi самого источника излучения
Дг=Д-у- (5.1)
Из этой формулы следует другая
Л[ Г2
а7 “ Р’
(5-2)
152
где А, — площадь источника излучения;
Аг — площадь изображения источника излучения на
сетчатке.
Данные формулы справедливы для источников с уг-
ловыми размерами до 20°. При угловых размерах, боль-
ших 20°, ошибка в определении Дг может составить бо-
лее 5%.
Интенсивность облучения Wc роговицы и энергети-
ческая яркость WH лазерного источника с небольшими
угловыми размерами пропорциональны и связаны вы-
ражением
W„=^= wo-4" = Wc- (5.3)
US Ai Ar
где Qs — телесный угол, под которым виден источник
излучения.
Полная энергия Wr, проникающая в глаз через зра-
чок площадью Ас и достигающая сетчатки, определяет-
ся из выражения
Ttd?
Wr-Ar = r-Wc-Ao = r-W • —!*, (5.4)
4
где dp — диаметр зрачка.
Поэтому для источников лазерного излучения с не-
большими угловыми размерами количественную зависи-
мость между полной энергией, проникающей в глаз, и
яркостью источника можно выразить следующим обра-
зом:
Wr = *dp Wg Г 0,27 • dp • WH • г, (5.5)
4f3
где f — фокусное расстояние глаза, равное 1,7 см.
Уравнение (5.5) имеет большое практическое значе-
ние, поскольку дает возможность вычислить допустимую
яркость лазерного источника исходя из допустимой ин-
тенсивности облучения или освещенности сетчатки, не
обращаясь к углу наблюдения.
Специалисты, исследующие влияние на сетчатку кол-
лимированного лазерного пучка, дающего минимальный
размер изображения на ней, при определении порогов
повреждения сетча-Аги обычно ограничиваются учетом
153
только общей энергии, поступающей в глаз. Однако на
самом деде абсолютное значение этой энергии может
значительно изменяться в зависимости от степени рас-
сеяния прозрачными средами глаза, в том числе и стек-
ловидным телом, примыкающим к хрусталику сзади.
Формула (5.5) теряет) силу, когда источник лазерного
излучения имеет угловой размер менее 10'. Это вызвано
тем, что в зрачке возникает нерезкость изображения
за счет дифракции света, аберрации вследствие прелом-
ления света на роговице и хрусталике глаза, а также
за счет рассеяния света в роговице и в остальных ча-
стях внутренней среды глазного яблока.
Поскольку эффекты аберрации увеличиваются по ме-
ре увеличения размеров зрачка, то при больших разме-
рах зрачка отмечается большая нерезкость изображе-
ния, а следовательно, и меньшая максимальная облучен-
ность сетчатки. Когда источник наблюдается нормальным
глазом (острота зрения 1,0) с большого расстояния (уг-
ловой размер меньше 1 мин), то площадь изображения
его на сетчатке будет фактически неизменной независи-
мо от угловых размеров источника. В этом случае при
определении возможной опасности лазерного излучения
учитывают в первую очередь характеристики роговицы,
а не энергетической яркости источника.
5.4 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОЖОГОВ ОРГАНА ЗРЕНИЯ
Для защиты организма человека от воздействия ла-
зерного излучения используют методы, позволяющие
исключить возможность облучения обслуживающего пер-
сонала прямым и отраженным светом, при этом суще-
ствуют трудности, которые заключаются в необходи-
мости дифференцированного подхода к использованию
различных типов лазеров.
Если меры защиты, разрабатываемые для мощных
лабораторных рубиновых лазеров, использовать приме-
нительно, например, к лазерам на гелий-неоновой сме-
си, то это приведет к ненужным ограничениям.
Анализируя возможную опасность излучения лазер-
ной установки, необходимо учитывать:
— тип лазера и опасность, которую могут представ-
лять его отдельные узлы (лампы накачки, система ох-
лаждения, блоки высокого напряжения и т. д.);
154
— атмосферные условия (количество водяных паров
в воздухе, степень его чистоты);
— наличие средств защиты, а также индивидуальные
особенности человека, который может подвергнуться об-
лучению.
Для определения максимально допустимого времени
облучения следует измерить интенсивность излучения и
сравнить ее с допустимой величиной. В зависимости от
максимальной энергетической яркости источника, ожи-
даемого размера изображения на сетчатке, а также от
спектра частот лазерного излучения можно с достаточ-
ной степенью вероятности прогнозировать возможность
возникновения и степень ожогов глаз человека.
Спектр частот лазерного излучения должен оцени-
ваться на основе экспериментальной кривой, зависящей
от спектральной лучепоглощающей способности сетчат-
ки и сосудистой оболочки глаза.
Поглощаемая сетчаткой энергия лазерного излуче-
ния
W}'=K-W?.R-D!, (5 6)
где К — численный коэффициент, определяемый оптиче-
скими свойствами глаза;
Wx — энергетическая яркость для данной волны;
R — относительный коэффициент безопасности
(R>1);
Dc — диаметр изображения лазерного источника на
сетчатке.
Точность расчетов пока еще ограничивается отсут-
ствием достаточно полной информации о биологическом
действии лазерного излучения. До тех пор пока биоло-
гическое действие не будет изучено в достаточной мере,
предельно допустимые нормы будут браться с учетом
значительных коэффициентов безопасности. Необходи-
мость использования коэффициента R обусловливается
неточностью экспериментальных данных, сложностью пе-
реноса их на человека, а также незначительностью ко-
личественных данных, полученных при случайных облу-
чениях людей.
Как уже отмечалось, величина безопасного расстоя-
ния при непродолжительных (мгновенных) наблюдениях
зависит от? яркости источника и от размера изображения
на сетчатке. По мере того как наблюдатель удаляется
155
от источника, он наблюдает все меньше отдстьных эле-
ментов источника. Относительное положение изображе-
ния па сетчатке каждого элемента приближается к со-
седним элементам, и опи сливаются.
Интенсивность облучения сетчатки Ег от любого эле-
мента можно вычислить по яркости элемента, Однако
такой расчет справедлив лишь для неточечных источни-
ков, характеризуемых углами зрения не более 3,1 мрад,
что соответствует изображению на сетчатке размером
около 50 мкм Для источников (их элементов), имею-
щих меньшие изображения на сетчатке, необходимо при-
нимать во внимание ограничивающее влияние дифрак-
ции.
Световой поток от двух соседних элементов одноро-
ден в том случае, когда края их изображений на сетчат-
ке глаза находятся- на расстояниях до 5 мкм друг от
друга для 7-мм зрачка. В случае когда края изображе-
ний находятся на расстоянии 100 мкм друг от друга,
возникает неравномерный нагрев отдельных элементов
сетчатки. Анализ разницы температур (температурный
профиль сетчатки) позволяет определить предельно до-
пустимые уровни облучения сетчатки.
5.5. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Для защиты глаз от лазерного излучения использу-
ются специальные защитные светофильтры (очки). За-
щитные светофильтры очень часто разрабатываются
лишь на основе опытных данных без использования тео-
ретических положений, при этом оптическая плотность
светофильтров характеризуется уровнем затемнения (ве-
личиной, обратной прозрачности материала) [61].
Для каждого диапазона излучения в соответствии с
уровнями затемнения максимальная прозрачность мате-
риала
7
S = 4-Dv+1, (5.7)
О
где Dv — 1g -rv оптическая плотность;
rv коэффициент пропускания лазерного
излучения прозрачными средами глаза.
Защитные фильтры должны отвечать ряду Требова-
ний Наиболее важно, чтобы при значительном ослабле-
156
нми лазерного излучения остальная часть видимого спек-
тра ослаблялась как можно меньше. Такому требованию
удовлетворяют фильтры трех типов.
1. Поглощающие стекла или пластмассы.
2. Диэлектрические тонкопленочные отражатели.
3. Комбинированные, состоящие из поглощающих сте-
кол и диэлектрических тонкопленочных отражателей.
Поглощающие стекла и пластмассы наиболее упот-
ребительны. Фильтры из поглощающего материала деше-
вы и на некоторой длине вотны поглощают до 90% па-
дающей на них световой энергии.
Так как поглощаемая световая энергия преобразует-
ся в тепловую, то очень высокие уровни излучения могут
привести к разрушению поглощающего фильтра. В этом
случае целесообразно установить дополнительно па на-
ружной (а иногда и на внутренней) стороне поглощаю-
щего фильтра топкопленочные отражатели.
Отражающие фильтры обладают, как правило, ярко
выраженной частотной избирательностью и изготовля-
ются чаще всего из диэлектрических пленок, при этом
на частотах, па которые фильтры рассчитываются, мо-
жет отражаться до 95% падающей световой энергии
Диэлектрические отражатели могут быть изготовлены из
пленок на основе окислов тит/ана или окислов крем-
ния.
Комбинированные многослойные светофильтры обла-
дают наилучшими свойствами и состоят из отражающих
зеркал и поглощающих материалов, при этом отража
тели и поглощающее цветное стекло соединяются в одно
целое с помощью специального цемента. В последнем
случае для уменьшения потерь па отражение в видимой
области спектра наружные поверхности стекла фильтра
покрываются просветляющими слоями.
Диэлектрический отражатель, изготовленный, напри-
мер, из 27 попеременно распочожепных слоев пленок
окиси титана и окиси кремния, имеет толщину 3,5—
4,0 мм.
Комбинированные защитные фильтры, в которых ди-
электрические отражательные пленки находятся внутри
защитного фильтра, имеют более низкий порог пробоя
по сравнению с фильтром, состоящим из стекла и двух
пленок, при этом в режиме воздейстшия «гигантских»
импульсов (1015 Вт/см2 и выше) повреждение за счет
157
облучения происходит раньше, чем в обычном импульс-
ном режиме.
Существуют различные точки зрения на механизм
пробоя. Одна из них объясняет его возникновение тем,
что под влиянием лазерного излучения поглощающие
свойства окисных покрытий резко увеличиваются, при
этом образуются отдельные центры поглощения, в ко-
торых возникает мгновенное термическое испарение ма-
териалов отражателей.
Многослойные защитные фильтры. Для защиты глаз
от лазерного излучения с низкой энергией за рубежом
предлагаются многослойные фильтры с пропусканием
световой энергии порядка 10 5 В-ц/см2 в зоне высокого
отражения и более 0,8 Вт/см2 в прозрачной зоне. Более
надежная защита достигается использованием комбини-
рованных и цементированных оптических систем.
Поскольку комбинированные фильтры, состоящие из
поглощающих стекол и диэлектрических тонкопленочных
отражателей (интерференционные системы), изменяют
свои оптические характеристики в зависимости от угла
падения излучения, то ослабление, производимое фильт-
ром, заметно уменьшается при углах падения в интерва-
ле от 0 до 30°. Использование подобных защитных фильт-
ров в оптических приборах лазерных дальномеров по-
зволяет достигать значительного ослабления энергии
излучения. Эти же фильтры можно с успехом использо-
вать в очках со специальной оправой для уменьшения
диаметра проходящего через светофильтр лазерного из-
лучения.
Определение опасных уровней излучения лазера яв-
ляется достаточно сложной задачей, поскольку оно за-
висит от очень многих факторов, при этом роль неко-
торых из них может быть определена лишь статисти-
чески.
Если определение требуемой оптической плотности и
коэффициента пропускания защитных устройств прово-
дится в условиях, когда адаптированный к темноте глаз
с широко открытым зрачком диаметром 8 мм находится
непосредственно перед выходным окном лазера с диа-
метром луча 8 мм и энергией излучения примерно в
200 Дж, то для обеспечения защиты необходима опти-
ческая плотность светофильтра около 16 единиц при ко-
эффициенте пропускания порядка 10~1П. Таким условиям
158
может удовлетворить стекло фильтра толщиной не ме-
нее 5 мм [60]. Тип стекла подбирается таким образом,
чтобы поглощать лазерное излучение определенной дли-
ны волны. Например, защитные очки АО-680, разрабо-
танные одной из американских фирм, защищают глаза
от излучения лазера на углекислом газе. Для работы
с рубиновым лазером, работающим в непрерывном ре-
жиме, и рубиновым лазером с модулированной доброт*-
ностью американские инженеры предлагают фильтры из
стекла Schott Bg-18 и Bg-38.
При работе с мощными импульсными источниками
лазерг , излучения стекла Schott Bg-18 трескаются;
разруш ющая величина плотности энергии составляет
60 Дж/см2.
Применяют два способа предотвращения растрески-
вания защитных стекол.
1. Перед светофильтром устанавливают стекло с той
же спектральной характеристикой, но с меньшей оптиче-
ской плотностью Таким образом лазерные светофильт-
ры предохраняются от разрушения.
2. Наносят на светофильтр отражающее* покрытие.
Защитные очки. В настоящее время за рубежом со-
зданы конструкции очков, поглощающих световое излу-
чение ОКГ в диапазонах 0,20—0,54 и 0,61—1,25 мкм.
Очки состоят из двух типов стеклянных поглощающих
фильтров, разделенных многослойными отражательными
покрытиями.
Созданы также защитные очки, представляющие со-
бой набор фильтров с различными значениями коэффи-
циентов поглощения При этом величина коэффициента
поглощения увеличивается для каждого последующего
фильтра. Величина коэффициента поглощения для дан-
ного фильтра выбирается с таким расчетом, чтобы не
происходило его разрушения и уровень прошедшего че-
рез него лазерного излучения оказывался таким, чтобы
последующий фильтр также не разрушался.
Однако даже при резком возрастании мощности ко-
герентного светового излучения, при котором может про-
изойти растрескивание первого фильтра, он продолжает
эффективно поглощать световое излучение. Для вывода
каждого фильтра из строя необходимо практически пол-
ное их разрушение. Фильтры достаточно узкополосны
для того, чтобы, поглощая излучение данного лазера,
159
пропускать лучи в остальной части видимого спектра.
В случае использования неодимового лазера многослой-
ные фильтры обеспечивают надежную защиту глаз при
энергии излучения 740 Дж в импульсе.
Комбинируя наборы различных фильтров, можно со-
здавать защитные очки для различных длин волн Эти
же наборы фильтров могут использоваться и в других
оптических устройствах.
В табл. 5.1 представлены характеристики стекол, ре-
комендуемых для защиты от» лазерных излучений раз-
личных длип волн.
По форме защитные очки могут иметь вид обычных
ичков или гибких масок и шлемов с вмонтированными
в них светофильтрами. Оптическую плотность светофиль-
тров следует выбирать такой, чтобы плотность мощно-
сти падающего излучения не вызывала повреждений в
материале светофильтра.
Таблица 5.1
Характеристики защитных стекол
Пропус Канне света, % Оптическая плотность стскол для лазеров
на аргоне (0.4880 мкм) на геЛ'лй — неоне (0.6328 мкм) на руб ше (0.6943 мкм) на арсе- ниде галлия (0.84 мкм) на нео- диме (1,06 Мкм) на дву- окиси углерода (10.6 мкм)
3 1,9 1,8 2,2 4,8 7,5 35,0
4,3 15,0 0,2 0 0 0 35,0
4,7 0,9 4,5 7,7 11,8 5,7 35,0
5 5,0 2,0 6,0 15,0 15,0 —
6,2 0,5 12,2 15,0 5,6 4,8 35,0
9,6 0,6 4,1 6,1 5,5 3,0 ——
19 0,3 2,8 6,0 0,5 0,2
19,5 0,4 5,0 2,4 0,8 0,5 —
22 — 5 0 12,0 30 0 30 0 —
23,7 13,5 0 0 0 — —
27,5 0,2 2,0 3,5 4,0 2,7 —
30 0,34 3,8 10,0 10,0 10,0 —
35 0 3 2,0 8,0 2J 0 17,1 —-
46 0 1,0 5,0 13 5 10,9 —-
57 4,0 0 0 0 0 1 35 0
59 15 0 0 0 0 0 —
60 1,2 1,2 3,8 10,0 14,0 —
92 0 0 0 0 0 50,0
160
Для защиты глаз от Лазеров, излучающих в диайа-
зоне длин волн 3 и 4 мкм (химические ОКГ на обычном
фтористом водороде и фтористом водороде, где вместо
водорода используется дейтерий), рекомендуются специ-
альные очки, изготовленные с применением так назы-
ваемых люситовых окон. Напомним, что излучения это-
го диапазона вызывают поражение глаз вследствие по-
глощения излучения в радужной оболочке.
Защитные очки с люситовыми окнами обеспечивают
надежную защиту в диапазоне длин волн 2—5 мкм, од-
нако листы люсита толщиной 3,2 мм пропускают около
30% излучения химического лазера на фтористом водо-
роде, работающего на волне 3—4 мм. На основе люсита
разработано специальное устройство для защиты глаз,
которое обеспечивает беспрепятственное и безопасное
наблюдение. Смотровое окно представляет собой камеру
из двух прозрачных люситовых пластин, между кото-
рыми зажата люситовая рамка; камера заполнена во-
дой. Люсит — оптически прозрачный материал — исполь-
зуется в основном в качестве стенок для камеры с силь-
ным поглотителем излучения — водой. Сам люсит по-
глощает лазерное излучение длиной волны около 5 мкм.
^Наряду с защитными очками (светофильтрами) в ла-
зерных лабораториях рекомендуется применять специ-
альные диффузные экраны, ворсистые драпировки и ди-
станционные телевизионные установки. Для стекол за-
щитных очков допустимой считается энергия (00 Дж/см2
[68]. При работе с оптическими квантовыми генератора-
ми необходимо оберегать не только глаза, но и исклю-
чить возможность попадания лазерного излучения на
открытые участки кожи. Уже при плотностях лазерной
энергии 50 Дж/см2 у человека наблюдаются значитель-
ные необратимые повреждения открытых участков кожи.
Двойные фетровые ткани обычно хорошо выдерживают
плотности лазерного излучения 100 Дж/см2 только при
X—0,6943 мкм. При длине волны 1,060 мкм тот же двой-
ной фетр задерживает только 90% лазерного излучения.
Для защиты рук от лазерного излучения рекомендуется
применять кожаные перчатки [69].
'J Большое значение имеет разработка автоматических
средств оповещения. Принцип работы таких приборов
основан на том, что пучок лазерного излучения, попа-
дая на установленное па оси вращающегося электро-
11 Зак. 213 161
двигателя зеркало и Отразившись от него, Поступает на
фотоприемник. При определенном уровне плотности по-
тока лазерного излучения срабатывает сигнальное уст-
ройство, выдавая сигнал тревоги
Для количественного определения опасного уровня
энергии разработаны индивидуальные лазерные дозимет-
ры. Принцип их работы состоит в том, что импульс из-
лучения через объектив дозиметра попадает на матовую
пластинку, помещенную перед фотоэлементом, который
присоединен к предварительно' заряженному нитяному
электроскопу. Разряд емкости электроскопа и соответ-
ствующее отклонение нити происходят под влиянием
фототока, возникающего при освещении фотоэлемента
С окончанием действия импульса фототок прекращает-
ся, а потерянный электроскопом заряд оказывается про-
порциональным полной энергии импульса излучения ла-
зера [70].
Следует иметь в виду, что мощность и энергия лазе-
ров непрерывно возрастают, а их рабочие частоты все
время смещаются как в сторону инфракрасного, так и в
сторону ультрафиолетового участка спектра. Поэтому
разработка и применение поглощающих светофильтров,
а также и других защитных мер должны производиться
для очень широкого спектра частот.
Глава 6
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ С ЛАЗЕРАМИ
6.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Изучение действия лазерного излучения представляет
собой важную задачу контроля здоровья людей, эксплу-
атирующих различные устройства квантовой электро-
ники
Действие излучения лазеров средней мощности уже
представляет опасность не только для органов зрения,
оно может проявиться и в нарушении ряда функций ор-
ганизма человека.
В настоящее время с ростом числа и мощности ла-
зеров возрастает и опасность воздействия лазерного из-
лучения. Кроме того, лазерное излучение становится все
более коротковолновым. Ведутся усиленные работы по
получению лазерного излучения в рентгеновской области
и области гамма-излучения Конструкция лазеров, кото-
рые будут генерировать излучение в рентгеновской об-
ласти и в области гамма-излучения, должна предусмат-
ривать гарантированную биологическую защиту, так как
лазерное излучение этого типа будет обладать исключи-
тельно высокой проникающей способностью и предста-
вит огромную опасность для окружающего персонала и
предметов.
Опасность поражения от лазерного излучения возра-
стает еще и потому, что лазеры все шире внедряются в
различные области человеческой деятельности: в про-
мышленность, в сельское хозяйство, медицину, в науч-
ные исследования. При этом прогресс в научно-исследова-
тельских работах вызывает соответствующий рост уров-
ней энергии излучения различных типов лазеров
и* 163
37. В e n d е г Н. Soldat und Technik, 1971, N 9.
38. G a g 1 i a n о F. P , e a IEEE Transactions, 1969, vol. 57, N 2.
39. Иерусалимская A H., Самойлов В И Уляков
П И Физика и химия обработки материалов, 1968 № 4
40. Laser Focus, 1971, vol. 7, N 8
41 Ашкинадзе Б М., Владимиров В И., Лихачев
В А., Рывкин С. М„ Салманов В. М., Ярошецкий И Д
ЖЭТФ, 1966, т. 50, выл. 5.
42. Boling N L., е. a Applied Physics Letters, 1972, vol 21,
N 10
43 Ф epc м а и И А Хазов Л. Д., Тихомиров Г. П.
Квантовая электроника, 1971, № 3.
44 Hann D. С., е. a. IEEE Journal of Quntum Electronics, 1972,
vol. 8. N 3
45. A s h k i n A. Applied Physics Letters, 1972, vol. 21, N 6.
46. R u s s e 1 A R. Applied Optics, 1972, vol. 11, N 3.
47. Bliss E. S., e. a. Applied Optics. 1973, vol. 12, N 4.
48. Nakayama Satoshi, e a Review of the Electrical Com-
munication Laboratory, Japan, 1973, vol. 21, N 1, 2.
49. Суми нов В M ПромысловЕ. В.Скворчевский
А. К. Кузин Б Г Обработка деталей лучом лазера. М. Изд-во
«Машиностроение». 1969.
50. Aviation Week, 1972, vol. 96, N 8; vol. 97, N 7; 1973, vol. 99,
N 2.
51 Laser Focus, 1968, Feb. 15; 1968, vol. 4, N 19; 1972, vol. 8 N 1.
52. K рилов В. А. и др. Защита от электромагнитных излуче-
ний М Изд-во «Советское радио», 1972.
53. С е 11 е г i е г, L Armee, 1970, N 99.
54. Охрана труда в научных учреждениях Академии наук СССР.
М Изд-во «Наука», 1972.
55. New Scientist, 1972, vol. 55, N 804
56. Билык E. Г. и Марков В В Зарубежная радиоэлек-
троника, 1968, N 7.
57. Umschau щ Wissenschaft und Technik, 1968, III N 7
58 USDHEW. Tech. Rep. BRH —ORD, 70—3, 1970. Apr
59. Michaelson S. Proceedings of the IEEE, 1972. vol. 60,
N 4
60. Roth E., e. a. Light environments in Compendium of Human
responses to the aerospace environment, 1968, vol. 1, sec 2. NASA Rep
CR—1205. H
61. Sliney D Applied Optics, 1973, vol. 12, N1
62. P u 1 k e r H Thin solid films, 1972, vol. 13, N 2.
63. H ubner H. e a. Messtechn, 1968, N3.
64 Sutter E. Lichttechn, 1970, N 22.
65. Annals New-York Academy of Sciencies, 1965.
66 H a m W Laser Focus, 1967, vol. 3, N 18.
67 Koch N. Microwaves, 1967, N 2.
68 Goldman L. Amer. Industr Hyg. Assoc. J 1965 vol. 26,
N 6.
69 S ch lickman A Electronics, 1965, vol. 38, N 8
70 Кузнецов А. Я и др. ЖТФ 1970, т. XL, вып 1.
7k Handbook of laboratory safety. Second edition. Safety and Fire
Protection Cleveland, Ohio, 1971.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение .................................................. 3
Глава 1. Лазеры и их излучение............................. 6
1.1. Классификация лазеров........................... —
1.2. Свойства лазерного излучения................... 30
1.3. О возможности генерации лазерного излучения
в рентгеновской области и в области гамма-излуче-
ния ................................................ 45
Глава 2. Взаимодействие лазерного излучения с вещест-
вом ................................................... 49
2.1. Основные эффекты взаимодействия..................—
2.2. Эффект давления лазерного излучения............ 56
2.3. Оптический пробой в газах...................... 62
2.4. Образование плазмы ............................ 64
2.5. Воздействие лазерного излучения на поглощающие
вещества ........................................... 67
2.6. Распространение лазерного излучения в воде и ат-
мосфере ............................................ 73
Глава 3. Биологическое действие лазерного излучения . . 81
3.1. Основные эффекты................................ —
3.2. Биологическое действие лазерного излучения на
орган зрения и кожные покровы человека....... 94
Глава 4. Действие лазерного излучения на материалы и
технику ................................112
4.1. Действие лазерного излучения на материалы .... —
4.2. Действие лазерного излучения на технику........134
Глава 5. Защита от лазерного излучения . . 138
5.1. Принципы нормирования безопасных уровней ла-
зерного излучения ................................... —
5.2. Обоснование опасности лазерного излучения . . 139
5.3. Определение предельно допустимых уровней облу-
чения сетчатки глаза................................151
5.4. Прогнозирование ожогов органа зрения...........154
5.5. Средства защиты от лазерного излучения.........156
191