Technologia laserowa

  I. WSTĘP

  Światło zawsze odgrywało kluczową rolę w badaniach fizyki, chemii i biologii. Światło jest kluczem do ewolucji wszechświata i do ewolucji życia na ziemi. W tym stuleciu na naszej małej planecie odkryto nową formę światła, światło laserowe, która ułatwia globalną transformację informacji, a także zapewnia ważny wkład w medycynę, przetwarzanie materiałów przemysłowych, przechowywanie danych, drukowanie i zwiększanie ciężaru. Przegląd ten prześledzi rozwój nauki i technologii, który doprowadził do wynalezienia lasera i poda kilka przykładów, w jaki sposób lasery przyczyniają się zarówno do zastosowań technologicznych, jak i postępu w podstawowej nauce. Istnieje wiele innych doskonałych źródeł, które obejmują różne aspekty laserów i technologii laserowej, w tym artykuły z 25-lecia lasera (Ausull i Langford, 1987) oraz podręczniki (np. Siegman, 1986, Agrawal and Dutta, 1993; Ready, 1997).

  Wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania (LASER) uzyskuje się przez wzbudzenie modów elektronowych, wibracyjnych, rotacyjnych lub kooperacyjnych materiału w stanie nierównowagi, tak że fotony propagujące przez układ są spójnie wzmacniane przez stymulowaną emisję. Wzbudzenie tego optycznego ośrodka wzmocnienia można osiągnąć za pomocą promieniowania optycznego, prądu elektrycznego i wyładowań lub reakcji chemicznych. Ośrodek wzmacniający umieszczony jest w strukturze rezonatora optycznego, na przykład między dwoma lustrzankami o wysokim współczynniku odbicia w konfiguracji interferometru Fabry'ego Perota. Kiedy wzmocnienie liczby fotonów dla trybu optycznego rezonatora wnękowego przekracza utratę wnęki, jak również utratę z procesów nieradiacyjnych i absorpcji, amplituda stanu koherentnego trybu wzrasta do poziomu, gdzie średnia liczba fotonów w trybie jest większa. niż jeden. Przy poziomach pomp powyżej tego stanu progowego układ jest lasingowany, a emisja stymulowana dominuje w emisji spontanicznej. Promień lasera jest zazwyczaj sprzężony z rezonatorem przez częściowo transmitujące zwierciadło. Wspaniale użyteczne właściwości promieniowania laserowego obejmują spójność przestrzenną, wąską emisję spektralną, wysoką moc i dobrze zdefiniowane tryby przestrzenne, dzięki czemu wiązkę można skupić na rozmiarze o ograniczonej dyfrakcji w celu uzyskania bardzo wysokiej intensywności. Wysoka wydajność generowania światła laserowego jest ważna w wielu zastosowaniach, które wymagają niskiego poboru mocy i minimalnego wytwarzania ciepła.

Kiedy wiązka lasera w stanie koherentnym jest wykrywana za pomocą technik zliczania fotonów, dystrybucja zliczeń fotonów w czasie jest poissona. Na przykład sygnał audio z fotopowielacza o wysokiej wydajności wykrywającego pole laserowe brzmi jak deszcz w ciągłej ulewie. Ten szum lasera może być modyfikowany w szczególnych przypadkach, np. Przez ciągłe pompowanie lasera diodowego w celu uzyskania ściśniętego stanu liczbowego, w którym wykryte fotony brzmią bardziej jak karabin maszynowy niż deszcz.

  Wzmacniacz optyczny zostaje osiągnięty, jeśli medium wzmocnienia nie znajduje się w wnęce rezonansowej. Wzmacniacze optyczne mogą osiągnąć bardzo wysokie wzmocnienie i niski poziom szumów. W rzeczywistości obecnie mają one wartości szumów w zakresie kilku dB granicy 3 kw. Kwantowego szumu dla liniowego wzmacniacza niewrażliwego na fazy, tj. Dodają niewiele więcej niż dwa razy do szumu sygnału wejściowego. Optyczne wzmacniacze parametryczne (OPA), w których wzmocnienie sygnału osiąga się przez nieliniowe sprzężenie pola pompy z trybami sygnału, mogą być skonfigurowane tak, aby dodać mniej niż 3 dB szumu do sygnału wejściowego. W OPA hałas dodany do sygnału wejściowego może być zdominowany przez szum pompy, a hałas wytwarzany przez wiązkę lasera może być pomijalnie mały w porównaniu do dużej amplitudy pola pompy.

  II.HISTORY

  Einstein (1917) dostarczył pierwszy zasadniczy pomysł na laser, stymulowaną emisję. Dlaczego laser nie wynaleziono wcześniej w tym stuleciu? Wiele wczesnych prac nad stymulowaną emisją koncentruje się na systemach w pobliżu równowagi, a laser jest systemem wysoce nierównowagowym. Patrząc z perspektywy czasu, laser mógł być łatwo wymyślony i zademonstrowany za pomocą wyładowania gazowego w okresie intensywnych badań spektroskopowych w latach 1925-1940. Jednak technologia mikrofalowa opracowana w czasie II wojny światowej stworzyła atmosferę dla koncepcji lasera. Charles Townes i jego grupa z Columbii opracowali koncepcję maser (wzmacnianie mikrofal poprzez stymulację emisji promieniowania), opartą na ich doświadczeniu w technologii mikrofalowej i zainteresowaniu spektroskopią mikrofalową o wysokiej rozdzielczości. Podobne pomysły maserowe rozwinęły się w Moskwie (Basov i Prochorow, 1954) oraz na Uniwersytecie w Maryland (Weber, 1953). Pierwsze eksperymentalnie zademonstrowane maser na Uniwersytecie Columbia (Gordon i wsp., 1954, 1955) opierało się na wiązce molekularnej amoniaku. Pomysły Bloemberga na zysk w systemach trójpoziomowych zaowocowały pierwszymi praktycznymi wzmacniaczami maserowymi w systemie ruby. Urządzenia te mają wartości szumu bardzo zbliżone do granicy kwantowej i zostały wykorzystane przez Penziasa i Wilsona w odkryciu kosmicznego promieniowania tła.

  Townes był przekonany, że koncepcja masera może zostać rozszerzona na region optyczny (Townes, 1995). Pomysł na laser narodził się (Schawlow i Townes, 1958), kiedy omawiał tę koncepcję z Arthurem Schawlowem, który rozumiał, że tryby rezonatora interferometru Fabry'ego-Perota mogą zmniejszyć liczbę trybów wchodzących w interakcje z materiałem wzmocnienia w celu aby uzyskać wysokie wzmocnienie dla trybu indywidualnego. Pierwszy laser został zademonstrowany w lampie błyskowej pompowanego kryształu ruby ​​przez Teda Maimana w Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960). Krótko po demonstracji pulsacyjnych laserów kryształowych, fala ciągła (CW) He: Ne laser wyładowczy gazowy był demonstrowany w Bell Laboratories (Javan i wsp., 1961), najpierw na 1,13 μm, a później na czerwonym 632,8 nm długość fali lasing przejście. Doskonały artykuł na temat powstania lasera został opublikowany w specjalnym wydaniu Physics Today (Bromberg, 1988).

Maser i laser zainicjowały dziedzinę elektroniki kwantowej, która obejmuje dziedziny fizyki i elektrotechniki. Dla fizyków, którzy myśleli przede wszystkim w kategoriach fotonów, niektóre koncepcje laserowe były trudne do zrozumienia bez spójnych koncepcji falowych znanych w społeczności inżynierów elektryków. Na przykład szerokość linii laserowej może być o wiele węższa niż granica, na jaką można przypuszczać, że zostanie narzucona przez spontaniczne życie związane z przejściem lasera. Charles Townes wygrał w tym momencie butelkę szkockiej od kolegi z Columbii. Laser i maser pięknie demonstrują wymianę pomysłów i impulsu między przemysłem, rządem i badaniami uniwersyteckimi.

  Początkowo w okresie od 1961 do 1975 roku niewiele było zastosowań dla lasera. To było rozwiązanie szukające problemu. Od połowy lat 1970. nastąpił gwałtowny rozwój technologii laserowej do zastosowań przemysłowych.

  W wyniku tego rozwoju technologii, nowa generacja laserów, w tym półprzewodnikowych laserów diodowych, laserów barwnikowych, ultraszybkiego trybu zamkniętego Ti: laserów szafirowych, oscylatorów parametrów optycznych i wzmacniaczy parametrycznych, obecnie ułatwia nowe odkrycia badawcze w dziedzinie fizyki, chemii i biologia.

  III.LASERY NA PRZEŁOMIE WIEKU

  "Prawo" Schawlowa mówi, że wszystko laseruje się, jeśli jest wystarczająco mocno napompowane. Rzeczywiście tysiące materiałów zostało zademonstrowanych jako lasery i wzmacniacze optyczne, co daje szeroki zakres rozmiarów laserów, długości fal, długości impulsów i mocy. Długość fal lasera sięga od dalekiej podczerwieni do obszaru promieniowania rentgenowskiego. Do badania dynamiki materiałów dostępne są impulsy światła laserowego o długości zaledwie kilku femtosekund. Moce szczytowe w zakresie petawatta są teraz osiągane przez wzmocnienie impulsów femtosekundowych. Kiedy te poziomy mocy są skupione na miejscu o ograniczonej dyfrakcji, intensywności zbliżają się do 1023 W / cm2. Elektrony w tych intensywnych polach są przyspieszane do zakresu relatywistycznego podczas jednego cyklu optycznego i można badać interesujące efekty elektrodynamiczne kwantowe. Fizyka ultrakrótkich impulsów laserowych jest poddana przeglądowi w tym stuleciu (Bloembergen, 1999).

  Niedawnym przykładem dużego, mocnego lasera jest laser chemiczny oparty na przejściu jodu o długości fali 1,3 μm, który jest przewidziany jako broń defensywna (Forden, 1997). Mógł być zamontowany w samolocie Boeing 747 i wytwarzałby średnią moc 3 megawatów, co odpowiada 30 latarkom acetylenowym. Nowe osiągnięcia w zakresie wysokojakościowych lusterek dielektrycznych i odkształcalnych zwierciadeł umożliwiają niezawodne skupienie tej wiązki na małym pocisku przenoszącym czynniki biologiczne lub chemiczne i niszczenie go z odległości do 100 km. Ten atak "gwiezdnych wojen" może zostać dokonany podczas fazy startu pocisku docelowego, tak że części zniszczonego pocisku spadną z powrotem na jego wyrzutnię, całkiem dobry środek odstraszający dla tych złych broni. Kapitan Kirk i statek kosmiczny Enterprise mogą używać tego na Klingonach!

Na przeciwległym końcu zakresu wielkości lasera znajdują się mikro-lasery tak małe, że tylko kilka trybów optycznych znajduje się w rezonatorze o objętości w zakresie femtolitrów. Te rezonatory mogą przyjmować postać pierścieni lub dysków o średnicy zaledwie kilku mikrometrów, które wykorzystują całkowite wewnętrzne odbicie zamiast konwencjonalnych lusterek stosu dielektrycznego w celu uzyskania wysokiego współczynnika odbicia. Wnęki Fabry'ego Perota o długości zaledwie ułamka mikrona stosuje się do VCSEL (laserów emitujących pionową powierzchnię jamy ustnej), które generują wysokiej jakości wiązki optyczne, które mogą być skutecznie sprzężone z włóknami optycznymi (Choquette i Hou, 1997). VCSEL mogą znaleźć szerokie zastosowanie w optycznych łączach danych.

  Światowa sprzedaż laserów na głównych rynkach komercyjnych w 1997 roku (Anderson, 1998, Steele, 1998) pokazano schematycznie na ryc. 1. Całkowita sprzedaż laserowa osiągnęła 3,2 miliarda dolarów, a przy rocznym tempie wzrostu wynoszącym prawie 27% przekroczy 5 miliardów dolarów do roku 2000. Globalna dystrybucja sprzedaży laserowej wynosi 60% w USA, 20% w Europie i 20% w rejonie Pacyfiku. Półprzewodnikowe lasery diodowe stanowią prawie 57% rynku laserowego w 1997 roku. Lasery diodowe w samej telekomunikacji stanowią 30% całego rynku.

  Przetwórstwo materiałów jest drugim co do wielkości rynkiem z zastosowaniami takimi jak spawanie, lutowanie, wzornictwo i cięcie tkanin. Lasery CO2 o średniej mocy w zakresie 100 W stanowią dużą część przychodów w tej kategorii. Lasery diodowe dużej mocy o mocy wyjściowej od 1 do 20 W i długości fali w zakresie od 750 do 980 nm znajdują obecnie szerokie zastosowanie w przetwarzaniu materiałów, a także w zastosowaniach okulistycznych i chirurgicznych, oprzyrządowaniu i czujnikach.

  Wzrost w medycznych zastosowaniach laserowych jest w dużej mierze spowodowany kosmetycznymi zabiegami laserowymi, takimi jak odnawianie skóry i usuwanie włosów. Duża część laserów medycznych jest nadal wykorzystywana w okulistycznych i ogólnych zastosowaniach chirurgicznych.

  Lasery Nd: YAG o podwójnej częstotliwości i systemy laserowe diodowe zastępują lasery argonowe w okulistyce. Nowe lasery, w tym laser YAG z erbem, są szeroko stosowane w dermatologii, stomatologii i okulistyce.

  Pamięć optyczna stanowi 10% rynku, na którym można znaleźć lasery używane w odtwarzaczach płyt kompaktowych (CD) zarówno na rynku rozrywki, jak i komputerów. Laser półprzewodnikowy GaAs o długości fali 800 nm jest obecnie produkowany tak wydajnie, że koszty lasera spadły do ​​prawie 1 $ za sztukę. Ponad 200 milionów laserów diodowych, o długości fali w zakresie od 750 do 980 nm i mocach kilku miliwatów, zostało sprzedanych do przechowywania optycznego w 1997 roku.

 Pojawienie się cyfrowych dysków wideo (DVD) o pojemności 4,7 GB i laserach z niebieskim diodami (DenBaars, 1997) doprowadzi do dalszego wzrostu w tej dziedzinie.

  Do aplikacji laserowych do zapisu obrazu należą drukarki komputerowe, faksy, kopiarki i drukowanie komercyjne (Gibbs, 1998). Lasery diodowe o małej mocy, jednomodowe emitujące fale o długości fali od 780 do 670 nm są wykorzystywane w rejestratorach obrazu wykorzystywanych do wytwarzania filmów z powłoką barwną o wysokiej czułości w tym zakresie długości fal. Ta technologia druku laserowego oparta jest na oprogramowaniu do publikowania na komputerach stacjonarnych, co pozwala uzyskać wysokiej jakości projekty stron. Technologia Computer to Plate jest kolejnym ważnym krokiem w druku. Powierzchnia płyty drukarskiej jest bezpośrednio obrazowana poprzez odsłonięcie jej za pomocą wiązki laserowej zamiast stosowania rozdzielania kolorów na podstawie folii. Na przykład płyty pokryte fotopolimerem można eksponować za pomocą laserów Nd: YAG z podwójną częstotliwością, poddanych pompowaniu diodami o długości fali 532 nm. Ostatnio opracowano płytki wrażliwe termicznie do użytku z laserem modelującym w podczerwieni.

Teledetekcyjne rynki laserowe obejmują unikanie kolizji samochodowych, detektory chemikaliów atmosferycznych i wykrywanie ruchu powietrza. Rozróżnianie laserowe zapewnia szczegółowe mapy wysokości Ziemi, w tym ruchy masy ziemi, biomasę, chmury i pokrycia zamglenia oraz ewolucję pokrywy lodowej. Lasery od satelitów mogą osiągnąć subcentymetrową rozdzielczość funkcji elewacji i ruchu masy ziemi na Ziemi. Księżyc, Mars i inne planety są również mapowane za pomocą lasera. Dla planet dokładność pomiaru mieści się w zakresie od metra do centymetra. Szczegółowe cechy czapki lodowej na Marsie oraz chmury w pobliżu krawędzi pokrywy lodowej zostały ostatnio zmapowane.

  Aplikacje laserowe w badaniach, skanowaniu kodów kreskowych, inspekcjach, sztuce i rozrywce są niewielkimi, ale znaczącymi rynkami. Lasery sprzedane na badania podstawowe w 1997 r. Stanowiły 132 miliony dolarów przychodów. Niskie zużycie energii, źródła diod o podwójnej częstotliwości emitujące w kolorze zielonym przy poziomach mocy bliskich 10 W są używane jako lasery pompujące do laserów z przestrajaniem częstotliwości, takich jak laser szafirowy Ti: i optyczne wzmacniacze parametryczne. Nawet lasery badawcze na blacie mogą osiągnąć szczytowy reżim mocy petawatta z dużymi wzmacniaczami optycznymi. Te bardzo przestrajalne, ultra krótkie impulsy prowadzą do postępów w wielu dziedzinach badań.

  IV.LASERY W KOMUNIKACJACH

  Źródła światła laserowego zrewolucjonizowały przemysł komunikacyjny. Komunikacja głosowa zwiększyła zapotrzebowanie na zdolność transmisji informacji w stałym tempie do połowy lat 70. ubiegłego wieku. Podwojenie zdolności przesyłowych w tym okresie wyniosło około 8 lat. Podstawowa szybkość transmisji danych mieściła się w zakresie od 10 do 80 kHz w oparciu o transmisje audio. W tym okresie pierwsze przewody miedziane, a następnie mikrofale były głównymi technologiami komunikacyjnymi. Następnie w latach 80. rozpoczął się gwałtowny wzrost cen informacji, a dane, faksy i obrazy zostały dodane do strumienia informacji. Nowa technologia komunikacji światłowodowej wykorzystująca laserowe źródła światła została opracowana, aby dotrzymać kroku temu nowemu zapotrzebowaniu. Pojawienie się globalnego Internetu spowodowało jeszcze bardziej zaskakującą eksplozję zapotrzebowania na moc. W źródle danych terminale komputerowe są używane do uzyskania dostępu do Internetu w domach i firmach na całym świecie, co powoduje, że szybkość transmisji danych rośnie wykładniczo. W miarę, jak liczba stacji roboczych zbliża się do 1000 MIPS, będą wymagane łącza światłowodowe do komputera o zasięgu 1000 Mb / s. Zwróć uwagę na koincydencję tych stawek i obie rosną wykładniczo. Oczywiste jest, że nadal będzie wzrastać wykładniczo zapotrzebowanie na zdolność transmisji informacji. W odpowiedzi na to zapotrzebowanie pojemność informacyjna pojedynczego światłowodu w ciągu ostatnich czterech lat w latach 1994-1998 wzrosła 160-krotnie w komercyjnych systemach z 2,5 Gb / s do 400 Gb / s.

  Ten niesamowity wzrost został osiągnięty poprzez użycie do 100 różnych długości fal lasera (gęstość zwielokrotnienia w zakresie długości fali, DWDM) na każdym włóknie. Szybkości transmisji danych przy jednej długości fali wzrosły obecnie z kilkudziesięciu Mb / s w latach 70. do 10 Gbit / s, a 40 Gb / s będzie prawdopodobnie używane przed końcem wieku.

Ta rewolucja informacyjna przekształca globalną społeczność tak samo mocno, jak rewolucja prasy drukarskiej i rewolucja przemysłowa przekształciły ich światy. Dwie podstawowe technologie wspierające rewolucję informacyjną to półprzewodnikowy laser diodowy i światłowodowy wzmacniacz optyczny z domieszkami erbowymi. Niskie szumy, wysoka intensywność i wąskie szerokości linii powiązane z oscylatorami i wzmacniaczami laserowymi są absolutnie niezbędne dla światłowodowych systemów komunikacyjnych. Szersze, niekoherentne źródła pasma, takie jak diody elektroluminescencyjne lub źródła termiczne, nie mają koniecznej intensywności i szerokości linii widmowych o wiele rzędów wielkości.

  Półprzewodnikowe diody laserowe zostały po raz pierwszy pokazane w 1962 r. W laboratoriach GE, IBM i Lincoln Laboratories jako urządzenia homodułowe oparte na materiałach III-V. Historię tych wczesnych laserów diodowych i odniesień można znaleźć w Agrawal i Dutta (1993). Kiedy pierwsza heterozłączowa temperatura pokojowa GaAs / AlGaAs, lasery diodowe z ciągłą falą działały w 1970 roku przez Hayashi i Panish (Hayashi i wsp., 1970). w Bell Labs i Alferov (Alferov et al., 1970) w Rosji, ich czas życia był mierzony w minutach. Niezawodność lasera diodowego wzrosła dramatycznie od tego czasu. Szacuje się, że czasy lasera diodowego wynoszą setki lat, a stabilność długości fali jest większa niż 0,1 nm w okresie 25 lat. Te zadziwiające stabilność są niezbędne w nowych systemach DWDM z ponad 100 kanałami długości fal o długości fal 100 nm. Ponieważ optymalna długość fali dla niskich strat w włóknie krzemionkowym wzrastała w długości fali od 800 nm do 1500 nm w latach 70., długości fal lasera diodowego, a następnie ewoluowały od GaAs do systemu InGaAsP. Pod koniec lat 80. i na początku lat 90. studnie kwantowe zastąpiły półprzewodnik masowy w aktywnym regionie optycznego wzmocnienia, aby poprawić charakterystykę działania lasera. Schemat ideowy współczesnego lasera diodowego telekomunikacyjnego zintegrowanego z modulatorem absorpcji elektryczności pokazano na rys. 2. Całkowite wymiary są mniejsze niż 1 mm. Podwyższony obszar współczynnika załamania i krata zakopywanej siatki sprzężonej (DFB), poniżej aktywnych studzienek kwantowych, odpowiednio określają optyczną wnękę laserową i długość fali lasera.

  Systemy komunikacji światłowodowej również mocno polegają na wzmacniaczu światłowodowym z domieszką erbu opracowanym pod koniec lat 80. (Urquhart, 1988). Te wzmacniacze mają wysoką

FIGA. 2. Schemat półprzewodnikowej diody laserowej z modulatorem pochłaniania elektryczności stosowanym w optycznych systemach komunikacyjnych. (Dzięki uprzejmości R. L. Hartman, Lucent Technologies) uzyskać, zwykle blisko 25 dB, i niski poziom hałasu w pobliżu limitu kwantowego 3 dB dla liniowego wzmacniacza niewrażliwego na fazy. Wzmocnienie tych wzmacniaczy można wyrównać na szerokości pasma do 100 nm, pokrywając prawie jedną czwartą okna o niskiej stratności włókna krzemionkowego o długości fal 1,2 i 1,6 μm. Systemy światłowodowe mogą być "przezroczyste" na przestrzeni tysięcy kilometrów przy użyciu wzmacniaczy z włóknami erbowymi rozmieszczonych w odległości około 80 km, gdzie straty światłowodu dochodzą do 20 dB.

Wraz z końcem stulecia gwałtownie zbliżamy się do podstawowych fizycznych ograniczeń dla laserów, wzmacniaczy optycznych i włókien krzemionkowych. Linie linii laserowej są w zakresie 10 MHz, ograniczone przez podstawowe spontaniczne fluktuacje emisji i sprzężenie indeksu wzmocnienia w materiałach półprzewodnikowych. Liczba fotonów w wykrytym fragmencie informacji zbliża się do podstawowego limitu około 60 fotonów potrzebnych, gdy wykorzystuje się spójne pola światła laserowego, aby utrzymać poziom błędu mniejszy niż 1 część na 109. Wydajność wykorzystania przepustowości 1 bit / sec / Hz zostało ostatnio wykazane. Szerokości pasma wzmacniacza optycznego jeszcze nie rozciągają się na szerokość 400 nm okna włókna o niskiej stracie, ale gwałtownie się rozszerzają. Podstawowe ograniczenia nałożone przez nieliniowe i dyspersyjne zniekształcenia we włóknach krzemionkowych sprawiają, że transmisja z szybkością transmisji ponad 40 Gb / s jest bardzo trudna na dużych odległościach. Optyczne solitony mogą być użyte do zrównoważenia tych zniekształceń, ale nawet w przypadku solitonów nadal obowiązują podstawowe ograniczenia dla systemów o dużej przepływności, o wielu długościach fal. Limity pojemności kanału narzucone przez teorię informacji są na horyzoncie. Jest oczywistym wyzwaniem dla następnych stuleci, aby znaleźć jeszcze więcej możliwości przekazywania informacji dla coraz większej chęci komunikowania się.

  V. PRZETWARZANIE MATERIAŁÓW I LITOGRAFIA

  Lasery o dużej mocy i lasery Nd: YAG są wykorzystywane do różnorodnych zastosowań do grawerowania, cięcia, spawania, lutowania i prototypowania 3D. rf-ekscytujące, zamknięte lasery CO2 są komercyjnie dostępne i mają moc wyjściową w zakresie od 10 do 600 W i mają żywotność ponad 10 000 godzin. Zastosowania cięcia laserem obejmują marynarki, spadochrony, tekstylia, poduszki powietrzne i koronki. Cięcie jest bardzo szybkie, dokładne, nie ma odbarwień krawędzi i uzyskuje się czystą, topioną krawędź, która eliminuje strzępienie się materiału. Skomplikowane projekty są wykonywane z drewna, szkła, akrylu, pieczątek, płyt drukarskich, pleksi, znaków, uszczelek i papieru. Trójwymiarowe modele są szybko wykonane z tworzywa sztucznego lub drewna przy użyciu pliku komputerowego CAD (komputerowego wspomagania projektowania).

  Lasery światłowodowe (Rossi, 1997) są ostatnim dodatkiem do dziedziny przetwarzania materiałów. Pierwsze lasery światłowodowe zostały zademonstrowane w Bell Laboratories, wykorzystując włókna krystaliczne w celu opracowania laserów do komunikacji podmorskiej fali światła. Wkrótce opracowano lasery z domieszkowanymi światłowodami topionymi. Pod koniec lat 80. XX wieku naukowcy z Polaroid Corp. i University of Southampton opracowali lasery z włókniną pompowaną płaszczem. Szkło otaczające rdzeń prowadzący w tych laserach służy zarówno do prowadzenia światła w rdzeniu jednomodowym, jak i jako wielomodowy przewód dla światła pompy, którego propagacja jest ograniczona do wewnętrznego pokrycia za pomocą zewnętrznego polimeru o niskim współczynniku załamania światła. Typowe schematy działania obecnie wykorzystują wielo-trybowy laser diodowy o mocy 20 W, który skutecznie łączy się z obszarem wewnętrznym o dużej średnicy i jest absorbowany przez domieszkowany obszar rdzenia na całej jego długości (zazwyczaj 50 m). Domieszki w rdzeniu włókna, które zapewniają wzmocnienie, mogą być erbami dla regionu o długości fali 1,5 μm lub iterbu dla obszaru 1,1 μm. Wysokiej jakości lustra wnękowe osadzone są bezpośrednio na końcach włókna. Te lasery światłowodowe są niezwykle wydajne, a ich całkowita sprawność wynosi aż 60%. Jakość wiązki i wydajność dostarczania jest doskonała, ponieważ wyjście jest utworzone jako jednomodowe wyjście światłowodu. Lasery te mają teraz moc wyjściową w zakresie od 10 do 40 W i żywotność prawie 5000 godzin. Obecne zastosowania tych laserów obejmują odprężanie elementów mikromechanicznych, cięcie elementów ze stali nierdzewnej o grubości od 25 do 50 μm, lutowanie selektywne i spawanie skomplikowanych części mechanicznych, znakowanie elementów plastikowych i metalowych oraz aplikacje drukarskie.

Lasery ekscymerowe zaczynają odgrywać kluczową rolę w fotolitografii stosowanej do wytwarzania układów VLSI (układy scalone o bardzo dużej skali). Ponieważ zasady projektowania IC (układ scalony) zmniejszają się z 0,35 μm (1995) do 0,13 μm (2002), długość fali źródła światła stosowanego do tworzenia wzorów fotolitograficznych musi odpowiednio zmniejszać się z 400 nm do poniżej 200 nm. We wczesnych latach 90-tych promieniowanie łuku rtęci wytwarzało wystarczającą moc przy wystarczająco krótkich długościach fali 436 nm i 365 nm dla wysokich szybkości wytwarzania urządzeń IC, o wzorach odpowiednio 0,5 μm i 0,35 μm. Wraz z upływem stulecia źródła ekscymerowe laserowe o średnich mocach wyjściowych w zakresie 200 W zastępują łuki rtęci. Linewidty lasera excimerowego są wystarczająco szerokie, aby zapobiec tworzeniu się plamek, ale wystarczająco wąskie, o długości fali mniejszej niż 2 nm, aby uniknąć poważnych problemów z dyspersją w obrazowaniu optycznym. Ekskimerowe promieniowanie lasera kryptonowego (KF) o długości fali 248 nm obsługuje zasady projektowania 0,25 μm, a przejście laserowe ArF przy 193 nm będzie prawdopodobnie stosowane począwszy od reguł projektowania 0,18 μm. Przy jeszcze mniejszych regułach konstrukcyjnych, do 0,1 μm w roku 2008, możliwym kandydatem jest długość fali ekscimera F2 przy długości fali 157 nm, chociaż obecnie nie opracowano żadnych fotorezystów dla tej długości fali. Wyższe harmoniczne laserów na ciele stałym są również możliwościami jako źródła promieniowania o wysokiej mocy. Przy nawet krótszych długościach fal bardzo trudno jest elementom optycznym i fotorezystom spełnić wymagania systemów litograficznych. Promienie elektronowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie synchrotronowe są wciąż brane pod uwagę przy projektowaniu reguł 70 nm przewidzianych na 2010 rok i później.

  VI.LASERY W MEDYCYNIE

  Lasery o długości fali od podczerwieni przez UV są używane w medycynie zarówno do zastosowań diagnostycznych, jak i terapeutycznych (Deutsch, 1997). Lasery oddziałują z niejednorodnymi tkankami poprzez absorpcję i rozpraszanie.

  Absorbery obejmują pigment skóry melaniny, hemoglobinę we krwi i białka. Przy długości fali większej niż 1 μm głównym absorberem jest woda. Barwniki można również wprowadzać do tkanek w celu selektywnej absorpcji. Na przykład, w terapii fotodynamicznej fotosensybilizatory barwnika hematoporfiryny, które absorbują w zakresie długości fal 630 nm do 650 nm, mogą być wprowadzane do układu i stosowane do leczenia nowotworów nowotworowych za pomocą miejscowego naświetlania laserem w układzie moczowym lub przełyku. Rozpraszanie w tkankach ogranicza przenikanie promieniowania; na przykład przy długości fali 1 μm rozpraszanie ogranicza głębokość penetracji do kilku milimetrów. Procesy rozpraszania są badane w nadziei na uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości dla badań przesiewowych w kierunku raka piersi. Interakcja laserowa z tkanką zależy od tego, czy laser jest pulsacyjny czy CW. Krótkie impulsy laserowe, w których nie występuje dyfuzja termiczna podczas impulsu, mogą być wykorzystane do ograniczenia głębi efektów laserowych. Zjawisko to wraz z selektywnym dostrajaniem długości fali lasera jest stosowane w dermatologii w leczeniu zmian skórnych oraz w usuwaniu pajączków, tatuaży i włosów. Interakcje nieliniowe również odgrywają ważną rolę. Na przykład, rozpad indukowany laserem jest stosowany do fragmentacji kamieni nerkowych i pęcherzyka żółciowego.

Ponieważ wnętrze oka jest łatwo dostępne za pomocą światła, aplikacje okulistyczne były pierwszymi powszechnymi zastosowaniami laserów w medycynie. Lasery argonowe są używane od wielu lat w leczeniu odwarstwienia siatkówki i krwawienia z naczyń siatkówki. Szeroko rozpowszechniona dostępność laserów CO2 i Nd: YAG, które przecinają tkankę, jednocześnie koagulując naczynia krwionośne, doprowadziła do ich wczesnego zastosowania w chirurgii ogólnej. Lasery Er: YAG zostały ostatnio wprowadzone do zastosowań dentystycznych z obietnicą dramatycznego zmniejszenia bólu, z pewnością mile widzianym wkładem technologii laserowej.

  Procedury diagnostyczne za pomocą lasera szybko się rozprzestrzeniają. Niektóre techniki są szeroko stosowane w praktyce klinicznej. Na przykład, cytometr przepływowy wykorzystuje dwie skupione wiązki laserowe do sekwencyjnego wzbudzania fluorescencji cząstek komórkowych lub cząsteczek przepływających w cieczy przez dyszę. Zmierzone sygnały fluorescencyjne można wykorzystać do sortowania lub analizy komórek. Do rutynowych zastosowań klinicznych cytometrii przepływowej należą immunofenotypowanie i pomiar zawartości DNA. Cytometry przepływowe są używane do fizycznego rozdzielania dużej liczby ludzkich chromosomów. Posortowane chromosomy zapewniają szablony DNA do budowy bibliotek rekombinowanych DNA dla każdego z ludzkich chromosomów. Biblioteki te są ważnym składnikiem inżynierii genetycznej.

  Nowa technika obrazowania medycznego oparta na laserze (Guillermo et al., 1997) oparta na technologii laserowej zwanej optyczną koherentną tomografią (OCT) osiąga przestrzenną rozdzielczość tkanek w zakresie 10 μm. Rezolucje USG i rezonansu magnetycznego (MRI) są ograniczone do zakresu od 100 μm do 1 mm. Nowa technika OCT o wysokiej rozdzielczości jest wystarczająco czuła, aby wykryć nieprawidłowości związane z rakiem i miażdżycą we wczesnych stadiach. Technika OCT jest podobna do ultradźwięków, ale wykorzystuje jasne, szerokie spektralne źródło światła w zakresie pasma o długości koherencji bliskiej 10 μm, co daje co najmniej o rząd wielkości poprawę rozdzielczości w stosunku do technik akustycznych i MRI. Źródłem może być super luminescencyjna dioda, laser Cr: forsterite lub zamknięty w trybie Ti: Sapphire laser. OCT wykonuje optyczne rozciąganie w tkance za pomocą światłowodowego interferometru Michelsona. Ponieważ interferencja jest obserwowana tylko wtedy, gdy długość ścieżki optycznej próbki i ramiona odniesienia interferometru pasują do długości koherentnej źródła, uzyskuje się pomiary odległości precyzyjnej. Amplitudę sygnału odbitego / rozproszonego w funkcji głębokości uzyskuje się przez zmianę długości ramienia odniesienia interferometru. Obraz przekrojowy jest wytwarzany, gdy rejestrowane są sekwencyjne profile osiowego odbicia / rozproszenia, podczas gdy położenie belki jest skanowane na próbce. Ostatnie badania wykazały, że OCT może obrazować morfologię architektury w wysoce rozpraszających tkankach, takich jak siatkówka, skóra, układ naczyniowy, przewód pokarmowy i rozwijające się zarodki. Obraz tchawicy królika uzyskany za pomocą tej techniki sprzężonej z kateterendoskopem przedstawiono na ryc. 3. OCT jest już stosowany klinicznie do diagnozowania szerokiego zakresu siatkówkowych chorób plamki.

Dostępna jest elegancka i nowatorska technika optyczna wykorzystująca spolaryzowane gazy (Mittleman i wsp., 1995) w celu wzmocnienia obrazów MRI płuc i mózgu. Przerwy jądrowe w gazach Xe i 3He są wyrównane za pomocą kołowo spolaryzowanego promieniowania laserowego. Te wyrównane jądra mają magnetyzacje prawie 105 razy większe niż protony normalnie używane do obrazowania MRI. Ksenon jest wykorzystywany jako sonda mózgowa, ponieważ jest rozpuszczalny w lipidach. W regionach takich jak płuca, które nie zawierają wystarczającej ilości wody dla uzyskania obrazów MRI o wysokim kontraście, 3He zapewnia obrazy o wysokim kontraście. Można nawet obserwować przepływ 3He w płucach w celu diagnostyki funkcjonalnej.

  VII.LASERY W BIOLOGII

  Zastosowania laserowe w biologii można zilustrować dwoma przykładami: pincetą laserową i mikrobiotem

FIGA. 3. Obrazy optycznej tomografii koherentnej tchawicy królika in vivo. (a) Ten obraz umożliwia wizualizację odrębnych warstw architektonicznych, w tym nabłonka (e), podścieliska śluzówki (m), chrząstki (c) i tkanki tłuszczowej (a).

  Mięsień tchawicy (tm) można łatwo zidentyfikować. (B) Odpowiednia histologia. Bar, 500 μm kopii. Kiedy skolimowane światło laserowe skupia się w pobliżu lub wewnątrz małego ciała dielektrycznego, jak komórka biologiczna, załamanie światła w komórce powoduje efekt soczewki. Siła jest przekazywana do komórki przez przeniesienie pędu ze zginanej wiązki światła. Arthur Ashkin w Bell Laboratories (Ashkin, 1997) odkrył, że zmieniając kształt i położenie ogniskowej w mikroskopijnym układzie, komórkę można łatwo przenieść lub uwięzić za pomocą tych "laserowych pęset" za pomocą natężenia światła w pobliżu 10 W / cm2. Na tych poziomach światła i długości fal w bliskiej podczerwieni nie ma znaczącego uszkodzenia lub ogrzewania składników komórkowych. Pęsety laserowe są obecnie używane do przemieszczania ciał subkomórkowych, takich jak mitochondria w komórce (Sheetz, 1998). Techniki pincet mogą być również używane do rozciągania nici DNA w liniowe konfiguracje w celu przeprowadzenia szczegółowych badań. Do stabilizowania komórki można zastosować dwie wiązki laserowe, a następnie trzecią wiązkę laserową o innej długości fali można wykorzystać do badań spektroskopowych lub dynamicznych. Lasery impulsowe są używane jako "nożyczki" do dokonywania określonych modyfikacji w strukturach komórkowych lub do wykonywania małych dziur w błonach komórkowych, tak aby molekuły lub materiały genetyczne mogły być selektywnie wprowadzane do komórki.

FIGA. 4. (Kolor) Dwufotonowy mikroskop fluorescencyjny żyjącej komórki Purkenji w plastrze mózgu. Wymiary komórki są rzędu 100 μm.

  Skanowanie konfokalna i mikroskopia optyczna z dwoma fotonami są doskonałymi przykładami wkładu technologii laserowej do biologii. Trójwymiarowe obrazowanie komórek nerwowych o wielkości prawie 200 μm w funkcjonujących mózgach i rozwijających się zarodkach jest teraz rzeczywistością. Praktyczne mikroskopy konfokalne znalazły szerokie zastosowanie pod koniec lat 80. ubiegłego wieku dzięki niezawodnym źródłom światła laserowego. Rozdzielczość soczewki w mikroskopie konfokalnym jest wykorzystywana zarówno do ogniskowania światła do miejsca o ograniczonej dyfrakcji, jak i do ponownego obrazowania głównie fotonów sygnałowych, tj. Tych, które nie są silnie rozproszone przez próbkę, na aperturę. Pomimo uzyskania obrazów trójwymiarowych o wysokiej rozdzielczości, ten schemat pojedynczego fotonu jest nieekonomicznym zastosowaniem światła oświetlającego, ponieważ główna frakcja jest rozproszona od otworu lub jest absorbowana przez próbkę. W mikroskopii fluorescencyjnej fotouszkodzenie fluoroforu jest szczególnie ograniczonym czynnikiem dla mikroskopii konfokalnej pojedynczego fotonu.

Multiproton skaningowa mikroskopia konfokalna została wprowadzona w 1990 roku i rozwiązuje wiele problemów związanych z technikami pojedynczego fotonu. Typowy mikroskop z dwoma fotonami wykorzystuje krótkie impulsy 100 fs z lasera zamkniętego w trybie Ti-szafir przy średnim poziomie mocy bliskim 10 mW. Wysoka intensywność w szczycie każdego impulsu powoduje silną absorpcję dwóch fotonów i fluorescencję tylko w małej ogniskowej, a całe promieniowanie fluorescencyjne może być zebrane dla wysokiej wydajności. Ekscytujące światło wybierane jest dla minimalnej absorpcji pojedynczego fotonu i uszkodzenia, dzięki czemu technika dwóch fotonów ma bardzo wysoką rozdzielczość, niskie uszkodzenia i głęboką penetrację.

  Piękny obraz fluorescencyjny dwóch fotonów żywej komórki Purkenji w przekroju mózgu pokazano na ryc. 4 (Denk i Svoboda 1997). Neurokratyczne neurony pirymidalne w warstwach 2 i 3 szczurzych kory somatosensorycznej zostały zobrazowane na głębokości 200 μm poniżej powierzchni mózgu. Jeszcze bardziej imponujące są filmy z rozwoju zarodka. Mikroskopia zarodków jest szczególnie wrażliwa na fotoodmabiałanie, a technika dwufotonowa otwiera nowe perspektywy w tej dziedzinie.

  VIII. LASERY W FIZYCE

  Technologia laserowa pobudziła renesans spektroskopii w całym spektrum elektromagnetycznym. Wąska szerokość linii lasera, duże moce, krótkie impulsy i szeroki zakres długości fal umożliwiły nowe badania dynamiczne i spektralne gazów, plazmy, szklanek, kryształów i cieczy. Na przykład badania nad rozpraszaniem Ramana fononów, magnonów, plazmonów, rotonów i wzbudzeń w ga- zach elektronów 2D rozwinęły się od czasu wynalezienia lasera. Nieliniowe spektroskopie laserowe spowodowały znaczny wzrost precyzji pomiaru, jak opisano w artykule w tym tomie (Ha¨ nsch i Walther 1999).

  Lasery barwnikowe stabilizowane częstotliwościowo i lasery diodowe precyzyjnie dostrojone do przejść atomowych dały ultrazimne atomy i kondensaty Bose Einsteina, również opisane w tym tomie (Wieman i wsp., 1999). Kontrola stanu atomowego i pomiary niepodzielności atomowej osiągnęły precyzję, która umożliwia testowanie standardowego modelu w fizyce cząstek elementarnych, a także kluczowe poszukiwania nowej fizyki poza standardowym modelem. W ostatnich eksperymentach niepodzielności parzystości (Wood i in., 1997) atomy Ce są przygotowywane w określonych stanach elektronicznych, gdy przechodzą one przez dwie wiązki laserowe z czerwoną diodą. Te przygotowane atomy następnie wchodzą do rezonatora jonizacji optycznej, w którym atomy są wzbudzane do wyższego poziomu energii przez intensywne zielone światło wstrzyknięte do wnęki ze stabilizowanego częstotliwościowo lasera dyge. Zastosowane pola elektryczne i magnetyczne w tym regionie wzbudzenia można odwrócić, aby stworzyć lustrzane środowisko dla atomów.

  Po tym, jak atom opuszcza obszar wzbudzenia, wskaźnik wzbudzenia atomów jest mierzony przez trzeci czerwony laser diodowy. Bardzo małe zmiany tego współczynnika wzbudzenia z lustrzanym odbiciem zastosowanych pól elektrycznych i magnetycznych wskazują na niekonsekwencję parzystości. Dokładność pomiaru niepodzielności parzystości ewoluowała przez kilka dziesięcioleci do poziomu 0,35%. Ta dokładność pomiaru odpowiada pierwszej definitywnej izolacji naruszeń atomowych zależnych od spinów jądrowych. Na tym poziomie dokładności jasne jest, że składnik oddziaływania elektron-jądro jest spowodowany momentem anapolowym jądra, momentem magnetycznym, który można zwizualizować jako wytwarzany przez toroidalne rozkłady prądu w jądrze.

Lasery również przyczyniają się do rozwoju astrofizyki. W pierwszych eksperymentach użyje się lasera Nd: YAG o długości 10,6 μm, aby spróbować wykryć fale grawitacyjne ze źródeł takich jak supernowych i orbitujące gwiazdy neutronowe.

  Te eksperymenty wykorzystują interferometry, które powinny być w stanie zmierzyć zmianę długości między dwoma ramionami interferometru z precyzją jednej części w 1022. Oczekiwana jest kosmiczna osnowa tej wielkości dla promieniowania grawitacyjnego ze źródeł astrofizycznych. Eksperymenty naziemne nazywane są LIGO (obserwatorium fal grawitacyjnych światła) w USA i GEO w Europie. Trwają również eksperymenty kosmiczne zwane LISA (Light Interferometer Space Antenna). Ramiona interferometru LIGO mają długość 4 km. Do źródła światła wymagany jest laser o stabilnej częstotliwości i niskim poziomie zakłóceń, o wysokiej jakości wiązki przestrzennej o mocy 10 W. Lustra wnękowe tworzą rezonatory w każdym ramieniu interferometru, które zwiększają moc w komorach do prawie 1 kW. Cztery pręty Nd: YAG, każda strona pompowana przez dwa druty diodowe o mocy 20 W, wzmacniają sygnał wyjściowy o pojedynczej częstotliwości nieplanarnego oscylatora pierścieniowego z 700 mW do co najmniej 10 W. Osiągnięcie wymaganej czułości do wykrywania fal grawitacyjnych oznacza rozdzielenie każdego prążka interferometru na jeden część w 1011, potężny, ale miejmy nadzieję, osiągalny cel.

  IX.FUTURE LASER TECHNOLOGIES

  Laser na swobodnych elektronach i akceleratory laserowe są przykładami rozwijających się technologii laserowych, które mogą mieć duży wpływ w następnym stuleciu. Laser swobodnego elektronu (FEL) opiera się na optycznym wzmocnieniu z relatywistycznego falowania wiązki elektronów w okresowym polu magnetycznym (Sessler i Vaugnan, 1987). W nowym centrum FEL w Jefferson Laboratories opracowuje się przyspieszacze wiązki elektronów oparte na nadprzewodzących wnękach mikrofalowych. Te przyspieszające wgłębienia wytwarzają wysokie pola w zakresie 10 do 20 MeV / m i pozwalają na bardzo wydajne generowanie światła FEL, które może być dostrojone z podczerwieni do głębokiego ultrafioletu z przeciętnymi poziomami mocy w zakresie kilowatogów (Kelley i wsp., 1996). . Obecnie bliskie ukończenie FEL na podczerwień o mocy średniej 1 kW jest bliskie ukończenia i planowana jest modernizacja do wydajnego, głębokiego FEL UV. Przy tych ogromnych mocach wiele nowych technologii może być interesujących pod względem komercyjnym. Krótkie, intensywne impulsy FEL umożliwiają szybkie wyżarzanie termiczne i czyszczenie powierzchni metalowych. Impulsowe wyżarzanie laserowe może spowodować wzrost grubości twardości prawie o rząd wielkości. Wysokie średnie moce FEL mogą być wystarczające, aby komercyjna produkcja ulepszonych narzędzi laserowych stała się rzeczywistością. Kolejnym dużym rynkiem, który wymaga dużych mocy do przetwarzania dużych objętości, są opakowania polimerowe i tkaniny. W tym przypadku intensywne impulsy FEL mogą indukować szeroki zakres zmodyfikowanych właściwości polimeru, w tym antybakteryjne powierzchnie polimerowe, które mogłyby być stosowane do pakowania żywności i odzieży z przyjemnymi teksturami i zwiększoną trwałością. Wysokie przeciętne moce i niestabilność długości fali są również ważne dla tworzenia wzorów dużych narzędzi do mikromikowania stosowanych do nadrukowywania wzorów w plastikowych arkuszach.

Lasery Petawattclass mogą stanowić podstawę dla nowej generacji akceleratorów cząstek. Częstotliwość wykorzystywanych obecnie akceleratorów mikrofalowych będzie prawdopodobnie ograniczona przez samoczynne budzenie do mniej niż 100 GHz, gdzie pola przyspieszające osiągają zakres 100 MeV / m. Intensywne wiązki laserowe są wykorzystywane do generowania znacznie wyższych pól w zakresie 100 GeV / m (Madena i wsp., 1995). Na przykład jedna technika wykorzystuje dwie wiązki laserowe, których częstotliwość różnicowa jest dostosowana do częstotliwości plazmy gazu zjonizowanego przez laser. Przyspieszenie pól o wartości 160 GeV / m może być generowane pomiędzy okresowymi obszarami ładunku przestrzennego fali plazmowej. Prędkości propagacji tych gigantycznych pól można zaprojektować tak, aby odpowiadały relatywistycznym prędkościom przyspieszonych cząstek. Pozostało wiele pracy, aby osiągnąć praktyczne akceleratory, ale udało się już osiągnąć dowód zasadności.

  Opracowywanie technologii laserowych i ich wkładu w naukę jest zbyt liczne, aby odpowiednio uwzględnić ten krótki przegląd. Komunikacja laserowa między sieciami satelitarnymi, statkami kosmicznymi napędzanymi laserem i fuzją laserową to dodatkowe przykłady rozwijających się technologii laserowych. W naukach podstawowych znajduje się wiele nowych eksperymentów, które są możliwe dzięki technologii laserowej, w tym korekcji zniekształceń atmosferycznych w astronomii za pomocą odbić laserowych od warstwy sodowej w górnej atmosferze oraz badań nad elektrodynamiką kwantową za pomocą bardzo intensywnych wiązek laserowych. Tak jak trudno było wyobrazić sobie potencjał technologii laserowej w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, wydaje się jasne, że nie możemy obecnie wyobrazić sobie wielu nowych osiągnięć w laserach i ich zastosowań w następnym stuleciu. Nasze nowe źródło światła laserowego z pewnością dotknie nas wszystkich, zarówno w naszym zwykłym życiu, jak iw świecie nauki.