Аргоновые лазеры

Аргон широко используется в качестве рабочего тела современных газовых ионных лазеров. В чем преимущества применения аргона в этой области? Какое место занимают аргоновые лазеры в технике, медицине и индустрии развлечений?

С чего все начиналось

Первые научные открытия, на основе которых создан лазер, были сделаны еще Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Однако потребовалось четыре десятилетия и множество дополнительных исследований, чтобы эти разработки были воплощены в жизнь. Первый лазер был сконструирован Теодором Мейманом, американским физиком, работавшим в то время на Hughes Aircraft — крупную авиастроительную корпорацию. В качестве рабочего тела для своего лазера Мейман использовал стержень из искусственного рубина. Такой лазер испускал не непрерывный луч света, а короткий импульс длиной в тысячную долю секунды.

Свойства испускаемого лазером света — очень маленькая расходимость пучка и когерентность — были уникальными, источников света с такими свойствами ранее не существовало в природе. Но, несмотря на это, практическое применение лазеру было найдено далеко не сразу. В 1960-е годы начались поиски возможности применения лазера в медицине, пока не слишком успешные. Параметры рубинового лазера плохо подходили к потребностям медицины и промышленного производства.

Ситуация изменилась с изобретением нового типа лазеров, в которых в качестве рабочего тела использовались различные газы, в том числе и аргон. Впервые разработан и испытан аргоновый ионный лазер был в 1964 году. Поскольку это был газовый лазер, он давал непрерывное излучение довольно высокой мощности. Контроль мощности также упрощался. Излучение газового лазера, использующего аргон, лежит в сине-зеленой области спектра, где человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность. Также свет с такой длиной волны хорошо поглощается гемоглобином крови, благодаря чему при хирургических операциях луч аргонового лазера не только режет, но и сразу запаивает разрезанные сосуды. Благодаря этим полезным свойствам аргоновый лазер сразу нашел свое применение в медицине, прежде всего в офтальмологии при операциях на сетчатке глаза.

Как аргон используется в лазерах сейчас

Аргоновый лазер по сравнению со своими предшественниками среди газовых лазеров имеет более высокий коэффициент усиления и заметно более высокую мощность, из-за чего требуется пропускать через аргон ток довольно большой силы и плотности. Обычно аргоновые лазеры имеют выходную мощность от 2 до 10 Ватт, но у самых мощных эта величина может достигать 150 Ватт.

Лазер, использующий в качестве рабочего тела чистый аргон, излучает свет сразу на нескольких длинах волн. Если требуется получить монохроматический свет, содержащий излучение только с одной длиной волны, в конструкции лазера используется призма, отклоняющая свет «лишних» длин волн, но ценой уменьшения мощности лазера.

Конструкция аргонового лазера обеспечивает возможность пропускать через аргон ток высокой плотности, составляющей несколько сотен ампер на квадратный сантиметр. Ток такой большой плотности необходим для ионизации изначально нейтральных атомов аргона. Газовый разряд создают, пропуская ток через тонкий капилляр с аргоном. Снаружи капилляры охлаждаются жидкостью для отвода большого количества тепла, выделяющегося при работе мощного лазера. Чтобы повысить плотность аргона в капилляре, его помещают в магнитное поле, под действием которого газ сжимается и не касается стенок. В первых лазерах ионного типа использовались капилляры из кварца, очень недолговечные, они работали не более 100 часов. В современных аргоновых лазерах используются капилляры из окисей бериллия, со сроком службы около 1000 часов.

Аргоновый лазер питается от очень мощного выпрямителя, который обеспечивает напряжение постоянного тока до 400 вольт при мощности до 10 киловатт. Повысить долговечность капилляра можно, использовав вместо постоянного тока переменный ток высокой частоты, но такие блоки питания сложнее и значительно дороже.

Область применения аргоновых лазеров довольно широка. Они применяются в качестве вспомогательных для накачки мощных лазеров с активным телом на красителях, в медицине, лазерных принтерах и лазерных шоу.

В современной медицине лазеры применяются во многих областях — хирургии, стоматологии, косметологии, кардиологии. Начиналось использование лазеров в медицине с их применения в качестве скальпеля, но в настоящее время с его помощью проводят намного более сложные процедуры — лечение и раннюю диагностику рака, сложные и высокоточные операции, микрохирургию глаза. В современной медицине разрабатывается множество комбинированных методов лечения, где совместно с физиотерапией, лечением при помощи медикаментов используется лазер, что еще больше расширяет область его применения.

В офтальмологии аргоновые лазеры наиболее полно раскрыли свои преимущества. Сине-зеленый лазерный луч практически свободно проникает через роговицу внутрь глаза, позволяя проводить лечение заболеваний сетчатки и глаукомы не в больнице, а прямо в кабинете врача. Помимо этого аргоновый лазер часто используется для удаления лишних кровеносных сосудов на сетчатке.

Преимущества использования аргона в лазерах

Основное преимущество аргонового лазера в том, что он способен излучать свет сразу нескольких длин волн. На этом его замечательные характеристики не заканчиваются:
– аргоновый лазер имеет высокий коэффициент усиления
– аргоновый лазер имеет очень высокую мощность по сравнению с газовыми лазерами других типов
– луч аргонового лазера имеет очень низкую расходимость, обычно около 1 миллирадиана
– благодаря своему спектральному составу аргоновый лазер хорошо подходит для применения в медицине.

Интересные факты

Поскольку в тонком лазерном луче концентрируется большая световая энергия, излучение лазера очень опасно для глаз, а луч мощного аргонового лазера может оставить ожоги и на коже. Когерентное излучение может давать очень сильные и непредсказуемые блики, что еще больше усиливает опасность. Для защиты глаз от излучения аргонового лазера можно применять защитные очки из пластмассы или плексигласа, с линзами янтарного или рубинового цвета.

Газоразрядные трубки неоновой рекламы на самом деле зачастую заполнены аргоном, который светится в них голубым светом под действием электрического разряда. Свет аргоновой газоразрядной трубки близок по спектру к сине-зеленому излучению аргонового лазера.

Зеленый луч аргонового лазера многим знаком по лазерным шоу, где он рисует огромные фигуры и сетки в пространстве.

Для применения в лазерах требуется аргон высокой чистоты. Немаловажным является низкое содержание влаги. Аргон высокого качества на территории Украины поставляет компания «DP Air Gas». Также компания занимается обслуживанием газового оборудования и доставкой газов по всей территории Украины. С ассортиментом продукции можно ознакомиться — здесь.