Какво свойство на лазерното лъчение позволява. Какво е лазерно лъчение? Лазерно лъчение: неговите източници и защита от него

Мощност... При първите лазери с активно вещество, направено от рубин, енергията на светлинния импулс е била около 0,1 J. Понастоящем енергията на излъчване на някои твърдотелни лазери достига хиляди джаули. С кратко време на действие на светлинния импулс могат да се получат огромни мощности. Така неодимов лазер генерира импулси с продължителност 3 · 10 –12 s, а при енергия на импулса 75 J мощността му достига 2,5 · 10 13 W! (За сравнение мощността на водноелектрическата централа в Красноярск е 6 × 10 9 W.) Мощността на газовите лазери е много по-ниска (до 50 kW), но предимството им е, че те се излъчват непрекъснато, въпреки че има и импулсни лазери сред газовите лазери.

Ъгъл на дивергенциялазерният лъч е много малък и следователно интензитетът на светлинния поток почти не намалява с разстоянието. Импулсните лазери могат да произвеждат интензитет на светлината до 10 14 W / m 2. Мощните лазерни системи могат да доставят интензитет до 10-20 W / m 2. За сравнение, имайте предвид, че средната стойност на интензитета на слънчевата светлина близо до земната повърхност е само 10 3 W / m 2. Следователно, яркостта на дори относително слабите лазери е милиони пъти по-висока от яркостта на Слънцето.

Кохерентност... Координираният ход на няколко вълнови процеса във времето и пространството, което се проявява при тяхното добавяне. Трептенията се наричат ​​кохерентни, ако фазовата разлика между тях остава постоянна във времето. Когато се добавят две хармонични трептения с една и съща честота, но с различни амплитуди A1 и A2 и различни фази, се образува хармонично трептене със същата честота, чиято амплитуда в зависимост от фазовата разлика може да варира от A 1 –A 2 до A 1 + A 2 и тази амплитуда в дадена точка от пространството остава постоянна. Светлинните вълни, излъчвани от нагрети тела или по време на луминесценция, се създават при спонтанни преходи на електрони между различни енергийни нива в атоми, независими един от друг. Всеки атом излъчва електромагнитна вълна за време от 10 –8 s, което се нарича време на кохерентност. През това време светлината преминава на разстояние от 3 м. Това разстояние се нарича дължина на кохерентност или дължина на влака. Вълните извън дължината на влака вече ще са непоследователни. Излъчването, генерирано от много независими атоми, се състои от много влакове, фазите на които се променят произволно в диапазона от 0 до 2p. За отделяне на кохерентната част от общия некохерентен светлинен поток на естествената светлина се използват специални устройства (огледала на Френел, бипризми на Френел и др.), които създават светлинни лъчи с много нисък интензитет, докато лазерното лъчение с цялата си огромна интензивност е напълно съгласувано.

По принцип некохерентният светлинен лъч не може да бъде фокусиран в много малко петно, тъй като това е възпрепятствано от разликата във фазите на съставящите го влакове. Кохерентното лазерно лъчение може да бъде фокусирано в петно ​​с диаметър, равен на дължината на вълната на това излъчване, което прави възможно увеличаването на вече високия интензитет на лазерния светлинен лъч.

Монохроматичност.Излъчването със строго една и съща дължина на вълната се нарича монохроматично, но може да бъде създадено само от хармонична вибрация, която възниква с постоянна честота и амплитуда за безкрайно дълго време. Истинското излъчване не може да бъде монохроматично само защото се състои от много влакове, а излъчването с тесен спектрален интервал, което може да се характеризира приблизително със средна дължина на вълната, се счита за практически монохроматично. Преди появата на лазерите беше възможно да се получи излъчване с определена степен на монохроматичност, използвайки призмични монохроматори, които отделят тясна лента с дължина на вълната от непрекъснатия спектър, но светлинната мощност в такава лента е много ниска. Лазерното лъчение има висока степенмонохроматичност. Ширината на спектралните линии, произведени от някои лазери, достига 10–7 nm.

Поляризация.Електромагнитното излъчване в рамките на един влак е поляризирано, но тъй като светлинните лъчи се състоят от много влакове, независими един от друг, естествената светлина е неполяризирана и се използват специални устройства за получаване на поляризирана светлина - призми на Никола, поляроиди и др. За разлика от естествената светлина, лазерната светлина е напълно поляризирана.

Насоченост на излъчване.Важно свойство на лазерното лъчение е неговата строга насоченост, характеризираща се с много ниска дивергенция на светлинния лъч, което е следствие от високата степен на кохерентност. Ъгълът на дивергенция за много лазери се довежда до около 10 –3 rad, което съответства на една дъгова минута. Тази насоченост, напълно недостижима при конвенционалните източници на светлина, позволява предаването на светлинни сигнали на огромни разстояния с много ниско затихване на интензитета им, което е изключително важно при използване на лазери в системи за предаване на информация или в космоса.

Сила на електрическото поле.Друго свойство, което отличава лазерното лъчение от обикновената светлина, е високата интензивност на електрическото поле в него. Интензивността на потока от електромагнитна енергия Аз - ЕХ(формула Умов - Пойнтинг), където Еи н- съответно интензитета на електрическото и магнитното поле в електромагнитната вълна. Следователно може да се изчисли, че силата на електрическото поле в светлинна вълна с интензитет 10 18 W / m 2 е равна на 3-10 10 V / m, което надвишава силата на полето вътре в атома. Силата на полето в светлинните вълни, генерирани от конвенционалните източници на светлина, не надвишава 10 4 V / m.

При падане върху тялото електромагнитна вълнаупражнява механичен натиск върху това тяло, пропорционален на интензитета на вълновия енергиен поток. Светлинното налягане, създадено през летния ден от светло слънчева светлина, е приблизително 4 10 –6 Pa (припомнете си, че атмосферното налягане е 10 5 Pa). За лазерното лъчение светлинното налягане достига 10 12 Pa. Това налягане ви позволява да обработвате (пробивате, изрязвате дупки и т.н.) най-твърдите материали - диамант и свръхтвърди сплави.

Взаимодействието на светлината с материята (отражение, абсорбция, дисперсия) се дължи на взаимодействието на електрическото поле на светлинната вълна с оптичните електрони на веществото. Диелектричните атоми в електрическо поле са поляризирани. При нисък интензитет диполният момент на единица обем на веществото (или поляризационен вектор) е пропорционален на силата на полето. Всички оптични характеристики на дадено вещество, като показател на пречупване, индекс на абсорбция и други, по някакъв начин са свързани със степента на поляризация, която се определя от силата на електрическото поле на светлинната вълна. Тъй като тази връзка е линейна, т.е. величина Рпропорционална E,което дава основание оптиката, занимаваща се с излъчване с относително ниски интензитети, да се нарече линейна оптика.

При лазерното лъчение силата на електрическото поле на вълната е сравнима със силата на полето в атомите и молекулите и може да ги променя в осезаеми граници. Това води до: факта, че диелектричната чувствителност престава да бъде постоянна стойност и става определена функция от силата на полето . Следователно зависимостта на поляризационния вектор от силата на полето вече няма да бъде линейна функция... Следователно се говори за нелинейна поляризация на средата и съответно за нелинейна оптика, при която диелектричната константа на веществото, коефициентът на пречупване, индексът на абсорбция и други оптични величини вече няма да са постоянни, а зависят от интензитета. на падащата светлина.

В сравнение с други източници на светлина, лазерът има редица уникални свойства, свързани с кохерентността и високата насоченост на излъчването му. Излъчването на "нелазерните" източници на светлина няма тези характеристики. Мощността, излъчвана от нагрето тяло, се определя от неговата температура T. Най-високата възможна стойност на радиационния поток, постижима за абсолютно черно тяло, W = 5,7 × 10-12xT 4 W / cm 2. Силата на излъчване нараства бързо с увеличаване на T и достига много високи стойности за високо T. И така, всеки 1 cm 2 от повърхността на Слънцето (T = 5800 K) излъчва мощност W = 6,4 × 10 3 вата. Въпреки това, излъчването от източник на топлина се разпространява във всички посоки от източника. Образуването на насочен лъч от такъв източник, извършено с помощта на система от диафрагми или оптични системи, състоящи се от лещи и огледала, винаги е придружено от загуба на енергия. Никоя оптична система не позволява на повърхността на осветения обект да се получи по-голяма мощност на излъчване, отколкото в самия източник на светлина.

Ако интензитетът на лазерното излъчване се сравни с интензитета на излъчване на черно тяло в същите спектрални и ъглови интервали, тогава се получават фантастично високи температури, милиарди и повече пъти по-високи от действително постижимите температури на топлинните източници на светлина. В допълнение, ниската дивергенция на излъчването позволява използването на конвенционални оптични системи за концентриране на светлинната енергия в незначителни обеми, създавайки огромни енергийни плътности. Кохерентността и насочеността на излъчването разкриват принципно нови възможности за използване на светлинни лъчи там, където нелазерните източници на светлина са неприложими.

Насочеността на лазерното лъчение до голяма степен се определя от факта, че в отворен резонатор могат да се възбуждат само вълни, които са насочени по оста на резонатора или под много малки ъгли към нея. С висока степен на пространствена кохерентност ъгълът на дивергенция на лазерния лъч може да бъде близо до границата, определена чрез дифракция. Типичните стойности са: за газови лазери (0,5-5) x10 -3 радиана, за твърдо състояние (2-20) x10 -3 радиана, за полупроводникови лазери (5-50) x10 -2 радиана.

Освен това излъчването от източник на топлина е немонохроматично; то запълва широк диапазон от дължини на вълните. Например, слънчевият радиационен спектър обхваща ултравиолетовите, видимите и инфрачервените дължини на вълните. За увеличаване на монохроматичността на излъчването се използват монохроматори, които позволяват да се изолира сравнително тясна област от непрекъснатия спектър, или се използват газоразрядни източници на светлина с ниско налягане, които дават дискретни атомни или молекулярни тесни спектрални линии. Интензитетът на излъчване в спектралните линии обаче не може да надвишава интензитета на излъчване на черно тяло, чиято температура е равна на температурата на възбуждане на атоми и молекули. Така и в двата случая се постига монохроматизация на излъчването с цената на огромни енергийни загуби. Колкото по-тясна е спектралната линия, толкова по-малко е излъчваната енергия.

Основната разлика между лазерите и всички други източници на светлина, които всъщност са източници на оптичен шум, е високата степен на кохерентност на лазерното лъчение. Със създаването на лазери в оптичния обхват се появяват източници на лъчение, подобни на обичайните в радиообхвата генератори на кохерентни сигнали, които могат успешно да се използват за комуникация и предаване на информация, и в много от своите свойства - насоченост на излъчване, честотна лента на предаване , ниско ниво на шум, концентрация на енергия във времето и др. - по-добри от класическите устройства за радио обхват.

В случай на лазер, работещ в многомодов режим, монохроматичността е свързана с броя на генерираните режими и може да бъде няколко гигахерца. При импулсен режим на работа минималната ширина на линията е ограничена до реципрочната ширина на импулса.

Високата степен на монохроматичност на лазерното лъчение определя висока спектрална плътност на енергията - висока степен на концентрация на светлинна енергия в много малък спектрален диапазон. Високата монохроматичност улеснява фокусирането на лазерното лъчение, тъй като хроматичната аберация на лещата става незначителна. Кохерентност. Лазерите имат изключително висока степен на радиационна кохерентност, както времева, така и пространствена, в сравнение с други източници на светлина.

Понастоящем лазерите покриват диапазона от ултравиолетови до субмилиметрови вълни, постигнати са първите успехи в разработването на рентгенови лазери и са създадени честотно регулируеми лазери.

Поради високата си насоченост, лазерните източници на светлина са много ярки, което може да доведе до много висок интензитет на светлината върху целта. По този начин хелий-неонов лазер с мощност само 10 mW и радиационна дивергенция 3 × 10 -4 радиана с площ на лъча 0,1 cm 2 има яркост от 106 W / (cm 2 * стерадиани), което е многократно по-висока от яркостта на Слънцето (130 W / (cm 2 стерадиана)).

Изброените по-горе свойства правят лазерите уникални източници на светлина и определят възможността за многобройните им приложения.

ВЪВЕДЕНИЕ

1.2 ПОЛУПРАВОДНИК ЛАЗЕР

1.3 ТЕЧЕН ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРИ НА БОЯ

1.4 ХИМИЧЕСКИ ЛАЗЕР И ДРУГИ

1.5 МОЩНИ ЛАЗЕРИ

2. ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРИ

2.3 ХОЛОГРАФИЯ

2.3.3 ПРИЛОЖЕНИЕ НА ХОЛОГРАФИЯТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРИТЕ

Лазерното лъчение е светенето на обекти при нормални температури. Но при нормални условия повечето атоми са в най-ниско енергийно състояние. Следователно веществата не светят при ниски температури. Когато електромагнитна вълна преминава през вещество, енергията му се абсорбира. Поради погълнатата енергия на вълната някои от атомите се възбуждат, тоест преминават в по-високо енергийно състояние. В този случай част от енергията се отнема от светлинния лъч:

където hν е стойност, съответстваща на количеството изразходвана енергия,

E2 - енергия от най-високо енергийно ниво,

E1 - енергия от най-ниското енергийно ниво.

Възбуден атом може да предаде енергията си на съседни атоми при сблъсък или да излъчи фотон във всяка посока. Сега нека си представим, че по някакъв начин сме възбудили повечето от атомите на средата. След това, когато електромагнитна вълна преминава през веществото с честота

където v- честота на вълната,

E2 - E1 - разликата между енергиите на по-високите и по-ниските нива,

з- дължина на вълната,

тази вълна няма да бъде отслабена, а напротив, ще се усили поради индуцираното излъчване. Под негово влияние атомите последователно преминават в по-ниски енергийни състояния, излъчвайки вълни, които съвпадат по честота и фаза с падащата вълна.

ПОЛУПРОВОДНИК ЛАЗЕР

През 60-те години беше установено, че полупроводниците са отличен материал за лазери.

Ако две плочи от полупроводници от различен тип са свързани заедно, тогава в средата се образува преходна зона. Атомите на веществото в него са способни да се възбуждат, когато електрически ток преминава през зоната и генерира светлина. Огледалата, необходими за получаване на лазерно излъчване, могат да бъдат полирани и посребрени ръбове на самия полупроводников кристал.

Сред тези лазери най-добрият се счита за лазер на базата на галиев арсенид - комбинация от рядък елемент галий с арсен. Неговото инфрачервено излъчване е с мощност до десет вата. Ако този лазер се охлади до температурата на течен азот (-200 °), мощността му на излъчване може да се увеличи десетократно. Това означава, че при площ на излъчващия слой от 1 cm2 мощността на излъчване би достигнала милион вата. Но полупроводник с преходен слой от този размер все още не може да бъде произведен по технически причини.

Можете да възбуждате полупроводникови атоми с електронен лъч (както при твърдотелни лазери - с светкавица). Електроните проникват дълбоко в веществото, възбуждайки повече атоми; ширината на излъчващата зона се оказва стотици пъти по-широка, отколкото при възбуждане от електрически ток. Следователно мощността на излъчване на такива лазери с електронно изпомпване вече достига два киловата.

Малкият размер на полупроводниковите лазери ги прави много удобни за приложения, където е необходим миниатюрен източник на светлина с висока мощност.

ТЕЧЕН ЛАЗЕР

В твърдите тела можете да създадете голяма концентрация на излъчващи атоми и следователно да получите повече енергия от един кубичен сантиметърпръчка. Но те са трудни за изработка, скъпи са и освен това могат да се спукат поради прегряване по време на работа.

Газовете са много хомогенни оптически, разсейването на светлината в тях е малко, така че размерът на газовия лазер може да бъде доста впечатляващ: дължина от 10 метра с диаметър 10-20 сантиметра не е границата за него. Но такова увеличение на размера не прави никого щастлив. Това е принудителна мярка, необходима, за да се компенсира незначителното количество активни газови атоми в лазерната тръба под налягане в стотни от атмосферата. Изпомпването на газ малко спестява въпроса, което ви позволява да намалите размера на емитера.

Течностите съчетават предимствата както на твърдите, така и на газообразните лазерни материали: тяхната плътност е само два до три пъти по-ниска от плътността на твърдите вещества (а не стотици хиляди пъти като плътността на газовете). Следователно броят на техните атоми в единица обем е приблизително еднакъв. Това означава, че е лесно да се направи течен лазер толкова мощен, колкото и твърд лазер. Оптичната хомогенност на течностите не е по-ниска от хомогенността на газовете, което означава, че може да се използва в големи обеми. Освен това течността може да се изпомпва и през работния обем, като непрекъснато поддържа ниската си температура и високата активност на нейните атоми.

БОЙНИ ЛАЗЕРИ

Наричат ​​се така, защото тяхната работна течност е разтвор на анилинови бои във вода, алкохол, киселина и други разтворители. Течността се изсипва в плоска тава. Кюветата се монтира между огледалата. Енергията на молекулата на багрилото се изпомпва оптически, но вместо светкавица първо са използвани импулсни рубинени лазери, а по-късно - газови лазери. Изпомпващият лазер не е вграден в течния лазер, а се поставя извън лазера чрез въвеждане на лъча му в кюветата през прозорец в корпуса. Сега беше възможно да се постигне генериране на светлина с флаш лампа, но не с всички багрила. Разтворите могат да излъчват импулси от светлина с различни дължини на вълната - от ултравиолетова светлина до инфрачервена светлина - и мощност от стотици киловата до няколко мегавата (милиони вата), в зависимост от това кое багрило се излива в кюветата. Лазерите с багрила имат една особеност. Всички лазери излъчват строго при една и съща дължина на вълната. Това им свойство се крие в самата природа на стимулираното излъчване на атоми, на което се основава целият лазерен ефект. При големи и тежки молекули на органичните багрила, стимулираното излъчване се появява незабавно в широк диапазон на дължината на вълната. За постигане на монохроматичност от багрилния лазер, светлинен филтър се поставя по пътя на лъча. Не е само тонирано стъкло. Това е набор от стъклени плочи, които пропускат светлина само с една дължина на вълната. Променяйки разстоянието между плочите, можете леко да промените дължината на вълната на лазерното лъчение. Такъв лазер се нарича регулируем лазер. А за да може лазерът да генерира светлина в различни части на спектъра – да превключва, да речем, от синя към червена светлина или от ултравиолетова към зелена – е достатъчно да смените кюветата с работния флуид. Те се оказаха най-перспективните за изследване на структурата на материята. Чрез настройка на честотата на излъчване можете да разберете коя дължина на вълната на светлината се абсорбира или разпръсква по пътя на лъча. По този начин е възможно да се определи съставът на атмосферата и облаците на разстояние до двеста километра, да се измери замърсяването на водата или въздуха, като се посочи веднага с какъв размер частици го замърсяват. Тоест можете да изградите устройство, което автоматично и непрекъснато контролира чистотата на водата и въздуха.

Но наред с широколентовите течни лазери има и такива, при които, напротив, монохроматичността е много по-висока от тази на твърдотелни или газови лазери.

Дължината на вълната на лазерната светлина може да варира, като се скъсява и удължава с около една стотна (при добри лазери). Колкото по-малко е разстоянието между огледалата, толкова по-широка е тази лента. За полупроводниковите лазери, например, вече е няколко дължини на вълната, а за лазер, базиран на неодимови соли, тази лента е една десетхилядна. Такова постоянство на дължината на вълната може да се получи само с големи газови лазери и дори тогава, ако вземем всички необходими мерки за това: да осигурим стабилност на температурата на тръбата, силата на тока, който я доставя, и да включим в лазерна схема система за автоматично регулиране на дължината на вълната на излъчване. В този случай мощността на излъчване трябва да бъде минимална: с нейното увеличаване лентата се разширява. От друга страна, в течен неодимов лазер, тясна радиационна лента се получава сама по себе си и се запазва дори при забележимо увеличение на мощността на излъчване, а това е изключително важно за всички видове точни измервания.

Следователно, точността на измерванията зависи от това колко точно се поддържа дължината на вълната на светлината, излъчвана от лазера. 100-кратно намаляване на честотната лента на лазерното излъчване обещава 100-кратно увеличение на точността на измерване на дължината.

ХИМИЧЕН ЛАЗЕР И ДРУГИ

Търсенето на нови лазери, нови начини за увеличаване на мощността на лазерното лъчение, се извършва в различни посоки. Сред тях, например, химически изпомпван квантов генератор, първата версия на който е създадена в Института по химическа физика на Академията на науките на СССР в лабораторията на член-кореспондент на Академията на науките В. Л. Талроз. При такъв лазер, в хода на реакцията на съединението на флуор F с водород H2 или деутерий D2, образуваните HF или DF молекули преминават на високо енергийно ниво. Спускайки се от това ниво, те създават лазерно излъчване - HF молекули с дължина на вълната 2700 nm, DF молекули с дължина на вълната 3600 nm. При лазерите от този тип се постигат мощности до 10 kW.

В един от сравнително мощните повтарящи се импулсни газови лазери като работно вещество се използват медни пари при температура 1500 ° C или, в по-прост вариант, двойка медни соли при температура 400 ° C. Изпомпването се извършва от енергията на електроните, движещи се в газовия разряд. Лазерното лъчение възниква, когато медните атоми преминават от възбудено състояние в едно от двете метастабилни състояния и в този случай е възможно излъчване при две дължини на вълната от 510,6 nm и 578,2 nm, съответстващи на два нюанса на зелено. В резонатора, който представлява интензивно изпомпвана тръба с диаметър 5 cm и дължина 1 m, е постигната импулсна мощност от 40 kW с продължителност на импулса 15-20 ns, честота на повторение 10-100 kHz, средна мощност от няколко десетки вата и ефективност над 1% - Работи се за увеличаване на средната мощност на "медния" лазер до 1 kW.

Специален клас формират лазерите с багрила с висока мощност, основното предимство на които е възможността за плавна промяна на честотата. Течните среди, използвани в тях, са "размити" енергийни ниваи позволяват генериране на много честоти. Изборът на един от тях може да се направи чрез промяна на параметрите на резонатора, например чрез завъртане на призмата вътре в него. Ако за изпомпване се използват източници на лъчение с висока мощност, по-специално импулсни лазери и се извършва интензивна циркулация на течно багрило, тогава става реалистично да се създадат лазери с регулируема честота със средна мощност около 100 W и повторение на импулса скорост 10-50 kHz.

Когато става дума за перспективи, най-често се нарича йоден лазер, в чийто резонатор съединение от йод, флуор и въглерод CF3J или по-сложни молекули под действието на ултравиолетово изпомпване, се дисоциират и се разпадат. Отделените йодни атоми са във възбудено състояние и след това дават инфрачервено лазерно лъчение с дължина на вълната 1315 nm. Лазерите, базирани на така наречените ексимерни молекули, които по принцип могат да бъдат само във възбудено състояние, често се наричат ​​лазери. В процеса на изпомпване се изразходва енергия за обединяване на разпръснатите атоми в молекула, като в същото време тя веднага се оказва възбудена, готова за излъчване. И след като се е отказал от своя квант на излъчване, като е допринесъл за образуването на лазерен лъч, ексимерната молекула просто се разпада, атомите й се разпръскват почти мигновено. Първият ексимерен лазер е създаден преди десет години в лабораторията на акад. Н. Г. Басов, тук е получено ултравиолетово лазерно лъчение с дължина на вълната 176 nm чрез възбуждане на течен ксенон Xe2 с мощен електронен лъч. Пет години по-късно в няколко американски лаборатории е получено лазерно лъчение върху други ексимерни молекули, главно съединения на инертни газове с халогени, например XeF, XeCl, XeBr, KrF и др. Ексимерните лазери работят както във видимия, така и в ултравиолетовия обхват и позволяват известна вариация на честотата. Създадени са лазери с ефективност от 10% и енергия от 200 J на ​​импулс.

МОЩНИ ЛАЗЕРИ

Една от основните тенденции в развитието на съвременната приложна физика е получаването на все по-високи енергийни плътности и търсенето на начини за освобождаването й за все по-кратко време. Бързият напредък на квантовата електроника доведе до създаването на голямо семейство мощни лазери. Високомощните лазери откриха фундаментално нови възможности както за получаване на рекордно високи концентрации на енергия в пространството и времето, така и за много удобно доставяне на светлинна енергия към материята. Преди да се запознаете с конкретни резултати от създаването на високомощни лазери, е полезно да запомните, че те могат да бъдат разделени на три групи - импулсни, повтарящи се импулси и непрекъснати. Първите излъчват светлина в единични импулси, вторите в непрекъсната серия от импулси и накрая, третият, дават непрекъснато излъчване.

Мощността е относителна характеристика, тя казва каква работа се извършва, каква енергия се изразходва или получава за единица време. Единицата за мощност, както знаете, е ват (W) - тя съответства на 1 J енергия, освободена за 1 секунда (s). Ако освобождаването на тази енергия се разтегне за 10 s, тогава за всяка секунда ще има само 0,1 J и следователно мощността ще бъде 0,1 W. Е, ако 1 J енергия се освободи за стотна от секундата, тогава мощността вече ще бъде 100 вата. Тъй като при такава интензивност на процеса биха се отделили 100 J. в секунда. Не трябва да обръщате внимание на това „би“ - при определяне на мощността няма значение, че процесът е продължил само една стотна от секундата и през това време се отделя малко енергия. Силата говори не за пълното, крайно действие, а за неговата интензивност, за концентрацията му във времето. Ако работата продължи достатъчно дълго, поне повече от секунда, тогава мощността показва какво всъщност е направено за една секунда.

При импулсен лазер излъчването продължава много кратко време, някои незначителни части от секундата и дори при малка излъчена енергия процесът се оказва силно компресиран, концентриран във времето и мощността се оказва огромна . Например, това, което се случи в първия лазер, в първия рубинен лазер, създаден през 1960 г.: той излъчва светлинен импулс с енергия от около 1 J и продължителност 1 ms (милисекунда, хилядна от секундата), че е, мощността на импулса е 1 kW. След известно време се появиха лазери, които излъчваха същия джаул енергия в много по-кратък импулс - до 10 ns (наносекунда, милиардна част от секундата). В този случай мощността на импулс с енергия от същия джаул вече достигна 100 хиляди kW. Това все още не е Куйбишевската ВЕЦ, която има мощност от 2 милиона kW, но вече е електроцентрала за малък град. С тази разлика, разбира се, че лазерът развива тази огромна мощност само за милиардни от секундата, а електроцентралата - непрекъснато денонощно. Текущите лазери дават импулси с продължителност до 0,01 ns, със същата енергия от 1 J мощността им достига 100 милиона kW.

Лазерният лъч е поток от изключително подредено кохерентно лъчение, силно насочено, концентрирано в малък плътен ъгъл. Именно за всички тези качества плащаме толкова висока цена - ефективността на лазерите е части от процента или в най-добрия случай няколко процента, тоест десетки или дори стотици джаула енергия на помпата трябва да се изразходват за всеки джаул лазерно лъчение. Но често дори толкова висока такса е напълно оправдана - като губим количество, печелим качество. По-специално, кохерентността, насочеността на лазерния лъч в комбинация с последващо фокусиране в много малък обем, например към сфера с диаметър 0,1 mm, и компресирането на процеса във времето, тоест чрез излъчване с много кратки импулси, позволяват получаването на огромни енергийни плътности. Това напомня на таблица 1. От таблицата може да се види, че концентрацията на енергия в фокусиран високомощен лазерен лъч е само хиляда пъти по-малка от един вид рекордна стойност за пълно унищожаване на материята с нормална плътност, пълно преобразуване от масата в енергия. Увеличаването на мощността на лазера е свързано с някои често срещани проблеми, на първо място, със свойствата на работния флуид, тоест на самото вещество, където се ражда радиацията. Но има и проблеми, специфични за импулсните, повтарящи се импулсни и непрекъсващи лазери. Например, един от важните проблеми за импулсните лазери е стабилността на оптичните елементи в силно светлинно поле от много къси импулси. За непрекъснати и повтарящи се импулси проблемът с отвеждането на топлината е много важен, тъй като тези лазери развиват висока средна мощност. За лазер, работещ в режим на дълъг пакет, импулсната мощност показва колко е концентрирана във времето енергията на един импулс и средната стойност за работата, извършена от серия от импулси, продължили една секунда. Така например, ако един лазер в секунда дава 20 импулса с продължителност 1 ms и енергия от 1 J всеки, тогава мощността на импулса ще бъде 1 kW, а средната - 20 W.

Всички видове лазери започнаха с доста скромни енергийни показатели и често бяха подобрени по различни начини. По-специално, първият импулсен лазер работеше в режим на свободен ход - в него спонтанно се появи лавина от лазерно излъчване и отново спря от само себе си след края на възбуждането. По днешните стандарти импулсът продължи дълго време и това определи относително ниската импулсна мощност.

Няколко години по-късно те се научиха как да управляват генерирането чрез метода на Q-превключване, като въвеждат клетка на Кер или друг подобен елемент в резонатора, който променя неговия оптични свойства... В нормално състояние клетката е затворена, непрозрачна и в кухината не се появява лазерна лавина. Само под действието на кратък електрически импулс клетката се отваря и в работната среда се появява кратък лазерен импулс. Продължителността му може да бъде само няколко пъти по-дълга от времето на преминаване на светлината между лазерните огледала, тоест може да бъде 10–20 ns.

Този метод даде забележимо увеличение на импулсната мощност поради намаляване на продължителността на импулса. Много кратки импулси, до пикосекундни, се получават в режим на синхронизация или, в противен случай, в режим на заключване. Тук в резонатора се въвежда специален нелинеен елемент, той се държи различно, неравномерно е избелен за различни по интензитет изблици на излъчване и сякаш изрязва много къси пикосекундни изблици на интензитет от наносекунден светлинен импулс.

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРИ

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРИТЕ В МЕДИЦИНАТА

В медицината лазерните устройства са намерили своето приложение под формата на лазерен скалпел. Използването му за хирургични операции се определя от следните свойства:

1. Той прави относително безкръвен разрез, тъй като едновременно с дисекцията на тъканите коагулира ръбовете на раната, „заварявайки“ не твърде големи кръвоносни съдове;

2. Лазерният скалпел се отличава с постоянна производителност на рязане. Удрянето на твърд предмет (като кост) няма да повреди скалпела. За механичен скалпел това би било фатално;

3. Лазерният лъч, поради своята прозрачност, позволява на хирурга да види оперираната зона. Острието на обикновен скалпел, както и острието на електрически нож, винаги затрудняват до известна степен работното поле от хирурга;

4. Лазерният лъч разрязва тъканта на разстояние, без да оказва механично въздействие върху тъканта;

5. Лазерният скалпел осигурява абсолютна стерилност, защото само лъчението взаимодейства с тъканта;

6. Лазерният лъч действа строго локално, изпаряването на тъканите се случва само в фокусната точка. Съседната тъкан е много по-малко увредена, отколкото при използване на механичен скалпел;

7. Клиничната практика е показала, че раната от лазерен скалпел почти не боли и заздравява по-бързо.

Практическото приложение на лазерите в хирургията започва в СССР през 1966 г. в Института на А. В. Вишневски. Лазерният скалпел е използван при операции на вътрешни органигръдния кош и коремната кухина. В момента лазерният лъч се използва за пластична хирургия, операции на хранопровода, стомаха, червата, бъбреците, черния дроб, далака и други органи. Много е изкушаващо да се извършват операции с лазер върху органи, съдържащи голям брой кръвоносни съдове, например на сърцето, черния дроб.

В момента интензивно се развива ново направление в медицината - лазерна микрохирургия на окото. Изследвания в тази област се извършват в Одеския институт по очни болести им. В. П. Филатов, в Московския научноизследователски институт по очна микрохирургия и в много други „очни центрове” на страните от Британската общност. Първото приложение на лазерите в офталмологията е свързано с лечението на отлепване на ретината. Светлинните импулси от рубинен лазер се изпращат в окото през зеницата (енергия на импулса 0,01 - 0,1 J, продължителност от порядъка на 0,1 s). Те свободно проникват в прозрачното стъкловидно тяло и се абсорбират от ретината. Фокусирайки радиацията върху ексфолираната област, последната се „заварява“ към фундуса чрез коагулация. Операцията е бърза и напълно безболезнена.

Като цяло се разграничават пет от най-сериозните очни заболявания, водещи до слепота. Това са глаукома, катаракта, отлепване на ретината, диабетна ретинопатия и злокачествен тумор. Днес всички тези заболявания се лекуват успешно с лазери и само за лечение на тумори са разработени и използвани три метода:

1. Лазерно облъчване - облъчване на тумор с разфокусиран лазерен лъч, водещо до смъртта на раковите клетки, загубата им на способността за възпроизвеждане

2. Лазерна коагулация – разрушаване на тумора с умерено фокусирано лъчение.

3. Лазерната хирургия е най-радикалният метод. Състои се в изрязване на тумора заедно със съседните тъкани с фокусирана радиация.

ХОЛОГРАФИЯ

ВЪЗХОДЪТ НА ХОЛОГРАФИЯТА

Методът на фотографиране, използван за запазване на изображението на обекти, е познат от доста дълго време и сега е най-достъпният начин за получаване на изображение на обект на всякакъв носител (фотографска хартия, филм). Въпреки това, информацията, съдържаща се в снимката, е много ограничена. По-специално, няма информация за разстоянията различни частиобект от фотографска плоча и други важни характеристики. С други думи, обикновена снимка не ви позволява да реконструирате напълно вълновия фронт, който е регистриран върху нея. Снимката съдържа повече или по-малко точна информация за амплитудите на записаните вълни, но няма абсолютно никаква информация за фазите на вълните. Холографията позволява да се елиминира този недостатък на конвенционалната фотография и да се запише на фотографска плоча информация не само за амплитудите на вълните, падащи върху нея, но и за фазите, тоест пълна информация. Вълната, реконструирана с помощта на такъв запис, е напълно идентична с оригиналната, тя съдържа цялата информация, която е съдържала оригиналната вълна. Следователно методът се нарича холография, тоест методът за запис на пълна вълна. За да се приложи този метод в светлинния диапазон, е необходимо излъчване с достатъчно висока степен на кохерентност. Такова излъчване може да се получи с помощта на лазер. Следователно едва след създаването на лазери, които излъчват лъчение с висока степен на кохерентност, холографията е практически реализирана. Идеята за холографията е предложена през 1920 г. от полския физик М. Волфке (1883-1947), но е забравена. През 1947 г., независимо от Волфке, идеята за холографията е предложена и обоснована от английския физик Д. Габор, който е удостоен с Нобелова награда през 1971 г.

ХОЛОГРАФСКИ МЕТОДИ

Говорейки за процеса на създаване на холографско изображение, е необходимо да се подчертаят етапите на холографията:

1. Регистриране както на амплитудните, така и на фазовите характеристики на вълновото поле, отразено от обекта на наблюдение. Тази регистрация се извършва върху фотографски плочи, наречени холограми.

2. Извличане от холограмата на информация за обекта, която е регистрирана върху него. За това холограмата се осветява със светлинен лъч.

Има няколко начина за прилагане на тези стъпки на практика.

Най-често срещаните от тях са методът на плоските вълни и методът на сблъскващия се лъч.

Стандартен модел на интерференция е резултат от интерференцията на кохерентни светлинни вълни. По този начин, за да се регистрират фазовите отношения във вълновото поле, което се получава в резултат на отражението на вълната от обекта на наблюдение, е необходимо обектът да бъде осветен с монохроматично и кохерентно излъчване в пространството. Тогава полето, разпръснато от обекта в пространството, ще има тези свойства.

Ако добавим към изследваното поле, създадено от обекта, помощно поле със същата честота, например плоска вълна (обикновено се нарича референтна вълна), след което в цялото пространство, където двете вълни се пресичат, се образува сложно, но стационарно разпределение на областите на взаимно усилване и затихване на вълните, тоест стационарна интерференционна картина, която вече може да бъде записана на фотографска плоча.

За да се възстанови холографското изображение, което вече е записано върху холограмата, последната трябва да бъде осветена със същия лазерен лъч, който е използван за запис. Изображението на обекта се формира в резултат на дифракция на светлината върху нехомогенното почерняване на холограмата.

През 1962 г. съветският учен Ю. Н. Денисюк предлага метод за получаване на холографски изображения, който е развитие на метод за цветна холография, който практически не се използва по това време. Липман... Обектът на наблюдение се осветява чрез фотографска плака (той е напълно прозрачен за светлина дори в непроявено състояние). Стъклената подложка на фотографската плоча е покрита с фотографска емулсия с дебелина на слоя около 15 - 20 микрона. Вълновото поле, отразено от обекта, се разпространява обратно към емулсионния слой. Първоначалният светлинен лъч от лазера, отиващ към тази вълна, действа като референтна вълна. Ето защо този метод се нарича метод на сблъскващи се лъчи. Интерференцията на вълните, възникващи в дебелината на фотографската емулсия, предизвиква нейното слоесто почерняване, което регистрира разпределението както на амплитудите, така и на фазите на вълновото поле, разпръснато от обекта на наблюдение. Цветната холография се основава на холографията по метода на сблъсък на светлинни лъчи. За да разберем принципа на действие на цветната холография, е необходимо да си припомним в кои случаи човешкото око възприема изображение в цвят, а не в черно-бяло.

Експерименти във физиологията на зрението показват, че човек вижда изображение в цвят или поне близо до естественото оцветяване на обект, ако е възпроизведено в поне три цвята, например в синьо, червено и зелено. Комбинацията от тези цветове се извършва с най-примитивното възпроизвеждане на цветовете, извършено от метода литографии(за високохудожествени репродукции се използва 10 - 15 цветен печат)

Като се вземат предвид особеностите на човешкото възприятие, за да се възстанови цветното изображение на обект, е необходимо самият обект да се освети при запис на холограма едновременно или последователно с лазерно излъчване на три спектрални линии, разположени на достатъчно разстояние една от друга във дължини на вълната . След това в дебелината на емулсията се образуват три системи от стоящи вълни и съответно три системи от пространствени решетки с различно разпределение на почерняването. Всяка от тези системи ще формира изображение на обект в своя собствена спектрална област от бяло, което се използва при реконструкцията на изображението. Благодарение на това ще се получи цветно изображение на обекта в разминаващия се лъч бяла светлина, отразена от обработената холограма, в резултат на наслагването на три части от спектъра, което отговаря на минималните физиологични изисквания на човешкото зрение. Холографията на Денисюк се използва широко за получаване на висококачествени обемни копия на различни предмети, например уникални произведения на изкуството.

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ХОЛОГРАФИЯТА

Както вече беше посочено, първоначалната задача на холографията беше да се получи триизмерно изображение. С развитието на холографията върху плочи с дебел слой стана възможно създаването на обемни цветни снимки. На тази основа се изследват начини за реализиране на холографско кино, телевизия и др. Много разпространен е един от методите на приложната холография, наречен холографска интерферометрия. Същността на метода е следната. На една фотографска плоча се записват последователно две интерференционни модели, съответстващи на две различни, но малко различни състояния на обекта, например по време на деформация. Когато такава „двойна” холограма е полупрозрачна, се образуват две изображения на обекта, които се променят едно спрямо друго в същата степен, както обектът в двете му състояния.

Реконструираните вълни, които образуват тези две изображения, са кохерентни, интерферират и в новото изображение се наблюдават интерференционни ресни, които характеризират промяната в състоянието на обекта. В друга версия холограмата се прави за конкретно състояние на обекта. Когато е полупрозрачен, неговият обект не се отстранява и се осветява отново, както в първия етап на холографията. След това отново се получават две вълни, едната образува холографско изображение, а другата се разпространява от самия обект. Ако сега има някои промени в състоянието на обекта (в две последователни вълни има разлика в сравнение с това, което е било по време на експонирането на холограмата), тогава между посочените пътища и изображението е покрито с интерференционни ресни.

Описаният метод се използва за изследване на деформациите на обектите, техните вибрации, транслационно движение и въртене, нееднородност на прозрачните обекти и др. Интерференционната картина ясно показва разликата в деформациите, напреженията в тялото, моментите на усукване, разпределението на температурата и др. Холографията може да се използва за гарантиране на точността на обработката на детайлите.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазерът е един от най-мощните инструменти в науката днес. Не е възможно да се изброят всички области на неговото приложение, тъй като всеки ден се откриват нови задачи за лазера.

В тази работа разгледахме основните видове лазери и техния принцип на работа. Бяха обхванати и основните области на приложение, а именно: индустрия, медицина, информационни технологии, науката.

Такова разнообразие от задачи могат да се изпълняват с лазер поради неговите свойства. Кохерентността, монохроматичността, високата енергийна плътност позволяват решаването на сложни технологични операции.

Лазерът е инструмент на бъдещето, който вече здраво е навлязъл в живота ни.

ВЪВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ И ВИДОВЕ ЛАЗЕРИ

1.1 ОСНОВНИ СВОЙСТВА НА ЛАЗЕРЕН ЛЪЧ

1.2 ПОЛУПРАВОДНИК ЛАЗЕР

1.3 ТЕЧЕН ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРИ НА БОЯ

1.4 ХИМИЧЕСКИ ЛАЗЕР И ДРУГИ

1.5 МОЩНИ ЛАЗЕРИ

1.5.1 МНОГОЕТАПНИ И МНОГОКАНАЛНИ СИСТЕМИ

2. ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРИ

2.1 ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРНИЯ ЛЪЧ В ПРОМИШЛЕНОСТТА И ТЕХНОЛОГИЯТА

2.2 ПРИЛОЖЕНИЕ НА ЛАЗЕРИТЕ В МЕДИЦИНАТА

2.3 ХОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВИЖ НА ХОЛОГРАФИЯТА

2.3.2 МЕТОДИ ЗА ХОЛОГРАФИРАНЕ

2.3.3 ПРИЛОЖЕНИЕ НА ХОЛОГРАФИЯТА

2.4 ЛАЗЕРНИ ТЕХНОЛОГИИ - СРЕДСТВА ЗА ЗАПИСВАНЕ И ОБРАБОТКА НА ИНФОРМАЦИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЯ

ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРИТЕ

Лазерите се основават на явлението стимулирана радиация, чието съществуване е предсказано от Айнщайн през 1917 г. Според Айнщайн наред с процесите на обикновеното излъчване и резонансното поглъщане съществува и трети процес – стимулирано (индуцирано) лъчение. Светлината на резонансната честота, тоест честотата, която атомите могат да абсорбират, преминавайки към по-високи енергийни нива, трябва да предизвика сиянието на атомите, които вече са на тези нива, ако има такива, в средата. Отличителна чертаТова излъчване се състои в това, че излъчваната светлина е неразличима от стимулиращата светлина, тоест съвпада с последната по честота, фаза, поляризация и посока на разпространение. Това означава, че стимулираното излъчване добавя към светлинния лъч точно същите кванти светлина, които резонансното поглъщане отстранява от него.

Атомите на средата могат да абсорбират светлина, като са на по-ниско енергийно ниво, докато излъчват на горните нива. От това следва, че при голям брой атоми на по-ниските нива (поне по-голям от броя на атомите на горните нива), преминаващата през средата светлина ще бъде отслабена. Напротив, ако броят на атомите на горните нива повече числаневъзбудено, тогава светлината, преминавайки през тази среда, ще се засили. Това означава, че стимулираното лъчение доминира в тази среда. Пространството между огледалата е запълнено с активна среда, тоест среда, съдържаща по-голям брой възбудени атоми (атоми, разположени на горните енергийни нива), отколкото невъзбудените. Средата усилва преминаващата през нея светлина поради индуцираното излъчване, което се инициира от спонтанното излъчване на един от атомите.

Лазерното лъчение е светенето на обекти при нормални температури. Но при нормални условия повечето атоми са в най-ниско енергийно състояние. Следователно при ниски температури

ФЕДЕРАЛНА ЖЕЛЕЗОПЪТНА АГЕНЦИЯ

ФЕДЕРАЛЕН ДЪРЖАВЕН БЮДЖЕТ

УЧЕБНО ЗАВЕДЕНИЕ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

"МОСКОВСКИЯ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ ПО НАЧИНИ НА КОМУНИКАЦИЯ"

Институт по транспортни технологии и системи за управление

Катедра "Технология на транспортната техника и ремонт на подвижния състав"

абстрактно

по дисциплина: "Електрофизични и електрохимични методи на обработка"

Тема: "Видове и характеристики на лазерите"

Въведение

Изобретението на лазера се нарежда сред най-забележителните постижения на науката и технологиите на 20-ти век. Първият лазер се появява през 1960 г. и веднага започва бързото развитие на лазерната технология. За кратко време бяха създадени различни видове лазери и лазерни устройства, предназначени за решаване на конкретни научни и технически проблеми. Лазерите вече завоюват солидни позиции в много сектори на националната икономика. Както акад. А.П. Александров, всяко момче вече знае думата лазер ... И все пак, какво е лазер, как е интересен и полезен? Един от основателите на науката за лазерите - квантовата електроника - акад. Н.Г. Басов отговаря на този въпрос по следния начин: Лазерът е устройство, в което енергията, като топлинна, химическа, електрическа, се преобразува в електрическа енергия. магнитно поле- лазерен лъч. При такова преобразуване част от енергията неизбежно се губи, но е важно получената лазерна енергия да има несравнимо повече високо качество... Качеството на лазерната енергия се определя от нейната висока концентрация и възможността за предаване на значително разстояние. Лазерният лъч може да бъде фокусиран в малка частица с диаметър от порядъка на дължината на вълната на светлината и да се получи плътност на енергията, която надвишава енергийната плътност на ядрена експлозия днес.

С помощта на лазерното лъчение вече е възможно да се постигне най-много високи стойноститемпература, налягане, сила на магнитното поле. И накрая, лазерният лъч е най-обемният носител на информация и в тази си роля е принципно ново средство за неговото предаване и обработка. ... Широко използване на лазери в съвременната наукаи техниката се обяснява със специфичните свойства на лазерното лъчение. Лазерът е генератор на кохерентна светлина. За разлика от други източници на светлина (например лампи с нажежаема жичка или флуоресцентни лампи), лазерът произвежда оптично излъчване, характеризиращо се с висока степен на подреждане на светлинното поле или, както се казва, висока степен на кохерентност. Такова излъчване е силно монохроматично и насочено. В днешно време лазерите работят успешно в съвременното производство, справяйки се с голямо разнообразие от задачи. Лазерният лъч се използва за рязане на тъкани и рязане на стоманени листове, заваряване на каросерии на автомобили и заваряване на най-малките части в електронното оборудване, пробиване на отвори в крехки и свръхтвърди материали. Освен това лазерната обработка на материали позволява да се повиши ефективността и конкурентоспособността в сравнение с други видове обработка. Областта на приложение на лазерите в научно изследване- физични, химични, биологични.

Забележителните свойства на лазерите - изключително висока кохерентност и насоченост на лъчението, възможност за генериране на високоинтензивни кохерентни вълни във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област на спектъра, получаване на висока плътност на енергия както в непрекъснат, така и в импулсен режим - още в зората на квантовата електроника посочи възможността за широкото им приложение за практически цели. От самото си създаване лазерната технология се развива с изключително високи темпове. Появяват се нови видове лазери и в същото време се подобряват старите: създават се лазерни инсталации с набор от характеристики, необходими за различни специфични цели, както и различни видове устройства за управление на лъча, подобрява се измервателната технология все повече и повече. Това е причината за дълбокото навлизане на лазерите в много отрасли на националната икономика, и по-специално в машиностроенето и инструментостроенето.

Особено трябва да се отбележи, че развитието на лазерни методи или, с други думи, лазерни технологии, значително повишава ефективността на съвременното производство. Лазерните технологии позволяват най-пълна автоматизация на производствените процеси.

Напредъкът в лазерната технология днес е огромен и впечатляващ. Утрешният ден обещава още по-грандиозни постижения. Много надежди се възлагат на лазерите, от създаването на триизмерно кино до решаването на такива глобални проблеми, като установяване на свръхдълги наземни и подводни оптични комуникации, решаване на тайните на фотосинтезата, осъществяване на контролирана термоядрена реакция, появата на системи с голям обем памет и високоскоростни входно-изходни устройства.

1. Класификация на лазерите

Обичайно е да се прави разлика между два вида лазери: усилватели и генератори. На изхода на усилвателя лазерното излъчване се появява, когато на входа му постъпи незначителен сигнал с честота на прехода (а той самият вече е във възбудено състояние). Именно този сигнал стимулира възбудените частици да отделят енергия. Настъпва лавинообразно увеличение. По този начин има слабо излъчване на входа и усилено на изхода. Това не е така с генератора. На входа си излъчването на преходната честота вече не се подава, а по-скоро възбужда и освен това превъзбужда активното вещество. Освен това, ако активното вещество е в превъзбудено състояние, тогава вероятността за спонтанен преход на една или няколко частици от горното ниво към долното се увеличава значително. Това води до генериране на стимулирана емисия.

Вторият подход към класификацията на лазерите е свързан с физическото състояние на активното вещество. От тази гледна точка лазерите са в твърдо състояние (например рубин, стъкло или сапфир), газови (например хелий-неон, аргон и др.), Течни, ако се използва полупроводников преход като активно вещество, тогава лазерът се нарича полупроводников.

Третият подход за класификация е свързан с начина на възбуждане на активното вещество. Има следните лазери: с възбуждане от оптично излъчване, с възбуждане от електронен поток, с възбуждане от слънчева енергия, с възбуждане от енергиите на експлодиращи проводници, с възбуждане с химическа енергия, с възбуждане с ядрено лъчение. Лазерите се отличават и по естеството на излъчваната енергия и нейния спектрален състав. Ако енергията се излъчва в импулси, тогава те говорят за импулсни лазери, ако непрекъснато, тогава лазерът се нарича лазер с непрекъснато излъчване. Има лазери със смесен режим на работа, например полупроводникови. Ако лазерното лъчение е концентрирано в тесен диапазон от дължини на вълните, тогава лазерът се нарича монохроматичен, ако в широк диапазон, тогава се нарича широколентов лазер.

Друг тип класификация се основава на използването на концепцията за изходна мощност. Лазерите с непрекъсната (средна) изходна мощност над 106 W се наричат ​​високомощни лазери. С изходна мощност в диапазона от 105 ... 103 W имаме лазери със средна мощност. Ако изходната мощност е по-малка от 10-3 W, тогава се говори за лазери с ниска мощност.

В зависимост от конструкцията на отворен огледален резонатор се прави разлика между лазери с постоянни Q-превключватели и лазери с модулирани Q-превключватели - в такъв лазер едно от огледалата може да бъде поставено по-специално върху оста на електрически мотор, който върти това огледало. V в такъв случай Q-факторът на резонатора периодично се променя от нула до максимална стойност. Такъв лазер се нарича Q-модулиран лазер.

2. Характеристики на лазерите

Една от характеристиките на лазерите е дължината на вълната на излъчваната енергия. Обхватът на дължината на вълната на лазерното лъчение се простира от рентгеновата до далечната инфрачервена, т.е. от 10-3 до 102 микрона. Зад площта от 100 микрона се крие, образно казано, девствена земя ... Но тя се простира само до милиметров участък, който се овладява от радиооператорите. Тази незастроена зона непрекъснато се стеснява и се надяваме, че нейното развитие ще бъде завършено в близко бъдеще. Делът на различните видове генератори не е еднакъв. Най-широката гама за газови квантови генератори.

Импулсната енергия е друга важна характеристика на лазерите. Измерва се в джаули и достига най-високата стойност за твърдотелни генератори - около 103 J. Третата характеристика е мощността. Газовите генератори, които излъчват непрекъснато, имат мощност от 10-3 до 102 вата. Генераторите, които използват хелий-неонова смес като активна среда, имат миливатова мощност. CO2 генераторите имат мощност около 100 вата. При твърдотелни генератори да се говори за мощност има много смисъл. Например, ако вземем излъчената енергия от 1 J, концентрирана в интервал от една секунда, тогава мощността ще бъде 1 W. Но продължителността на излъчването на рубиновия генератор е 10-4 s, следователно мощността е 10 000 W, т.е. 10 kW. Ако продължителността на импулса се намали с помощта на оптичен затвор до 10-6 s, мощността е 106 W, т.е. мегават. Това не е границата! Можете да увеличите енергията на импулса до 103 J и да намалите продължителността му до 10-9 s, а след това мощността ще достигне 1012 W. И това е много висока мощност. Известно е, че когато един метал има интензитет на лъча, достигащ 105 W / cm2, металът започва да се топи, при интензитет от 107 W / cm2 металът кипи, а при 109 W / cm2 лазерното лъчение започва силно да йонизира парите от материята, превръщайки ги в плазма.

Друга важна характеристика на лазера е дивергенцията на лазерния лъч. Газовите лазери имат най-тесния лъч. Възлиза на няколко дъгови минути. Отклонението на лъча на твърдотелни лазери е около 1 ... 3 ъглови градуса. Полупроводниковите лазери имат апертура на радиация: в едната равнина около един градус, в другата - около 10 ... 15 ъглови градуса.

Друга важна характеристика на лазера е обхватът на дължината на вълната, в който е концентрирано излъчването, т.е. монохроматичност. Газовите лазери имат много висока монохроматичност, тя е 10-10, т.е. значително по-висока от тази на газоразрядните лампи, които преди са били използвани като честотни стандарти. Твърдотелните лазери, и особено полупроводниковите, имат значителен честотен диапазон в своето излъчване, т.е. те не са силно монохроматични.

Много важна характеристика на лазерите е ефективността. В твърдо състояние той е от 1 до 3,5%, в газ 1 ... 15%, в полупроводник 40 ... 60%. В същото време се предприемат всички възможни мерки за повишаване на ефективността на лазерите, тъй като ниската ефективност води до необходимостта от охлаждане на лазерите до температура от 4 ... 77 K, а това незабавно усложнява дизайна на оборудването.

2.1 Твърдотелни лазери

Твърдотелните лазери се делят на импулсни и непрекъснато-вълнови. Сред импулсните лазери по-често се срещат устройства, базирани на рубиново и неодимово стъкло. Дължината на вълната на неодимовия лазер е l = 1,06 μm. Тези устройства са относително големи пръти, чиято дължина достига 100 см, а диаметърът е 4-5 см. Импулсната енергия на генерирането на такъв прът е 1000 J за 10-3 сек.

Рубинският лазер също се отличава с висока импулсна мощност, с продължителност 10-3 секунди, енергията му възлиза на стотици джаули. Честотата на повторение на импулса може да достигне няколко kHz.

Най-известните непрерывни лазери са направени върху калциев флуорит с примес на диспрозий и лазери върху итриево-алуминиев гранат, в който има примеси от атоми на редкоземни метали. Дължините на вълната на тези лазери са в диапазона от 1 до 3 микрона. Мощността на импулса е приблизително 1 W или неговата част. Лазерите с итрий-алуминиев гранат са начини за осигуряване на импулсна мощност до няколко десетки вата.

По правило твърдотелните лазери използват многомодова генерация. Едномодова генерация може да се получи чрез въвеждане на селективни елементи в резонатора. Това решение е причинено от намаляване на генерираната радиационна мощност.

Сложността на производството на твърдотелни лазери се състои в необходимостта от отглеждане на големи единични кристали или топене на големи проби от прозрачно стъкло. Тези трудности бяха преодолени с производството на течни лазери, където активната среда е течност, в която се въвеждат редкоземни елементи. Въпреки това течните лазери имат редица недостатъци, които ограничават тяхното поле на приложение.

2.2 Течни лазери

Течните лазери са лазери с течна активна среда. Основното предимство на този тип устройство е възможността за циркулация на течността и съответно нейното охлаждане. В резултат на това може да се получи повече енергия както в импулсен, така и в непрекъснат режим.

Първите течни лазери са произведени на базата на редкоземни хелати. Недостатъците на тези лазери са ниското ниво на постижима енергия и химическата нестабилност на хелатите. В резултат на това тези лазери не са били използвани. Съветските учени предложиха да се използват неорганични активни течности в лазерна среда. Лазерите, базирани на тях, се отличават с висока импулсна енергия и осигуряват средни показатели за мощност. Течните лазери, базирани на такава активна среда, са способни да генерират лъчение с тесен честотен спектър.

Друг вид течни лазери са устройства, работещи върху разтвори на органични багрила, характеризиращи се с широки спектрални луминесцентни линии. Такъв лазер е в състояние да осигури непрекъсната настройка на дължините на излъчваната светлина в широк диапазон. При смяна на багрила се осигурява припокриването на целия видим спектър и част от инфрачервения. Източникът на изпомпване в такива устройства по правило са твърдотелни лазери, но е възможно да се използват газови лампи, които осигуряват кратки проблясъци на бяла светлина (по-малко от 50 μsec).

2.3 Газови лазери

Има много разновидности. Един от тях е фотодисоциационен лазер. При него се използва газ, чиито молекули под въздействието на оптично изпомпване се дисоциират (разпадат) на две части, едната от които се оказва във възбудено състояние и се използва за лазерно излъчване.

Голяма група газови лазери се състои от газоразрядни лазери, в които активната среда е разреден газ (налягане 1-10 mm Hg), а изпомпването се извършва чрез електрически разряд, който може да бъде светещ или дъгов и е създаден от постоянен или променлив ток с висока честота (10 -50 MHz).

Има няколко вида газоразрядни лазери. При йонните лазери излъчването се получава поради преходите на електрони между енергийните нива на йоните. Пример е аргонов лазер, който използва DC дъгов разряд.

Лазерите с атомен преход генерират поради преходи на електрони между енергийните нива на атомите. Тези лазери излъчват лъчение с дължина на вълната 0,4-100 микрона. Пример за това е хелий-неонов лазер, работещ върху смес от хелий и неон под налягане от около 1 mm Hg. Изкуство. За изпомпване служи светещ разряд, генериран от постоянно напрежение от около 1000 V.

Газоразрядните лазери включват и молекулярни лазери, при които излъчването възниква от преходите на електрони между енергийните нива на молекулите. Тези лазери имат широк честотен диапазон, съответстващ на дължини на вълната от 0,2 до 50 µm.

Най-разпространеният от молекулярния въглероден диоксид (CO2) лазер. Той може да осигури мощност до 10 kW и има доста висока ефективност - около 40%. Към основния въглероден диоксид обикновено се добавят примеси от азот, хелий и други газове. За изпомпване се използва постоянен ток или високочестотен светещ разряд. Лазерът с въглероден диоксид произвежда лъчение с дължина на вълната около 10 микрона. Тя е показана схематично на фиг. 1.

Ориз. 1 - Принцип на CO2 лазер

Разнообразие от CO2 лазери е газодинамично. При тях обратната населеност, необходима за лазерното излъчване, се постига поради факта, че газът, предварително загрят до 1500 К при налягане 20-30 атм, навлиза в работната камера, където се разширява, а температурата и налягането му рязко падат. Такива лазери могат да излъчват непрекъснато излъчване до 100 kW.

Молекулните лазери включват т. нар. ексимерни лазери, при които работната среда е инертен газ (аргон, ксенон, криптон и др.) или комбинацията му с хлор или флуор. В такива лазери изпомпването се извършва не от електрически разряд, а от поток от така наречените бързи електрони (с енергия от стотици keV). Излъчената вълна е най-къса, например с аргонов лазер 0,126 μm.

По-високи мощности на излъчване могат да бъдат получени, ако налягането на газа се увеличи и се прилага изпомпване с помощта на йонизиращо лъчение в комбинация с външно електрическо поле. Йонизиращо лъчениеслужи като поток от бързи електрони или ултравиолетово лъчение. Такива лазери се наричат ​​EI или лазери на компресиран газ. Лазерите от този тип са показани схематично на фиг. 2.

Ориз. 2 - Електройонизационно изпомпване

Възбудени газови молекули поради енергия химична реакциясе получават с химически лазери. Използва смес от някои химически активни газове (флуор, хлор, водород, хлороводород и др.). Химичните реакции в такива лазери трябва да протичат много бързо. За ускоряване се използват специални химични агенти, които се получават при дисоциацията на газовите молекули под действието на оптично излъчване, електрически разряд или електронен лъч. Пример за химически лазер е лазер, базиран на смес от флуор, водород и въглероден диоксид.

Специален вид лазер е плазменият лазер. Като активна среда в нея служи силно йонизирана парна плазма. алкалоземни метали(магнезий, барий, стронций, калций). За йонизация се използват токови импулси със сила до 300 A при напрежение до 20 kV. Продължителността на импулса е 0,1-1,0 μs. Излъчването на такъв лазер има дължина на вълната 0,41-0,43 микрона, но може да бъде и в ултравиолетовата област.

2.4 Полупроводникови лазери

Въпреки че полупроводниковите лазери са твърдотелни, те обикновено се класифицират в специална група. В тези лазери се получава кохерентно излъчване поради прехода на електрони от долния ръб на проводимата лента към горния край на валентната лента. Има два вида полупроводникови лазери. Първият има пластина от чист полупроводник, в която изпомпването се извършва от лъч бързи електрони с енергия 50-100 keV. Възможно е и оптично изпомпване. Като полупроводници се използват галиев арсенид GaAs, кадмиев сулфид CdS или кадмиев селенид CdSe. Изпомпването с електронен лъч предизвиква силно нагряване на полупроводника, което влошава лазерното лъчение. Следователно такива лазери се нуждаят от добро охлаждане. Например, лазер с галиев арсенид обикновено се охлажда до температура от 80 K.

Изпомпването на електронен лъч може да бъде напречно (фиг. 3) или надлъжно (фиг. 4). При напречно изпомпване две противоположни страни на полупроводниковия кристал се полират и действат като огледала на оптичния резонатор. При надлъжно изпомпване се използват външни огледала. Надлъжното изпомпване значително подобрява охлаждането на полупроводниците. Пример за такъв лазер е кадмиев сулфиден лазер, който генерира лъчение с дължина на вълната 0,49 μm и има ефективност от около 25%.

Ориз. 3 - Напречно изпомпване от електронен лъч

Ориз. 4 - Надлъжно изпомпване от електронен лъч

Вторият тип полупроводников лазер е така нареченият инжекционен лазер. Той има p-n-преход (фиг. 5), образуван от два полупроводника с изродени примеси, в който концентрацията на донорни и акцепторни примеси е 1018-1019 cm-3. Ръбовете, перпендикулярни на равнината на p-n-прехода, са полирани и служат като огледала на оптичния резонатор. Към такъв лазер се прилага директно напрежение, под действието на което потенциалната бариера в pn прехода се понижава и се получава инжектиране на електрони и дупки. В преходната област започва интензивна рекомбинация на носители на заряд, при която електроните преминават от лентата на проводимост към валентната лента и се появява лазерно излъчване. Галиевият арсенид се използва главно за инжекционни лазери. Излъчването е с дължина на вълната 0,8-0,9 микрона, ефективността е доста висока - 50-60%.

Ориз. 5 - Принцип на инжекционния лазер

усилвател генератор на лъч вълна

Миниатюрните инжекционни лазери с полупроводникови линейни размери около 1 mm осигуряват непрекъсната мощност на излъчване до 10 mW, а в импулсен режим могат да имат мощност до 100 W. Постигането на висок капацитет изисква силно охлаждане.

Трябва да се отбележи, че лазерите имат много различни функции. Оптичната кухина само в най-простия случай е съставена от две плоскопаралелни огледала. Използват се и по-сложни конструкции на резонатори, с различна форма на огледала.

Много лазери включват допълнителни устройства за контрол на излъчването, разположени или вътре в кухината, или извън нея. С помощта на тези устройства лазерният лъч се отклонява и фокусира, променят се различни параметри на излъчването. Дължината на вълната на различните лазери може да бъде 0,1-100 микрона. При импулсно излъчване продължителността на импулсите варира от 10-3 до 10-12 s. Импулсите могат да бъдат единични или следващи с честота на повторение до няколко гигахерца. Постижимата мощност е 109 W за наносекундни импулси и 1012 W за ултракъси пикосекундни импулси.

2.5 Лазери с багрила

Лазери, използващи органични багрила като лазерен материал, обикновено под формата на течен разтвор. Те направиха революция в лазерната спектроскопия и създадоха нов тип лазери с продължителност на импулса по-малка от пикосекунда (ултракъси импулсни лазери).

Като изпомпване днес обикновено се използва друг лазер, например Nd:YAG с диодно изпомпване или аргонов лазер. Много рядко е да се намери лазер с багрила с изпомпване на флаш лампа. Основната характеристика на лазерите с багрила е тяхната много голяма ширина на контура на усилване. По-долу е дадена таблица с параметрите на някои лазери с багрила.

Има две възможности за използване на такава голяма лазерна работна зона:

настройка на дължината на вълната, при която възниква генерирането -> лазерна спектроскопия,

генериране наведнъж в широк диапазон -> генериране на ултра къси импулси.

В съответствие с тези две възможности, дизайните на лазерите също се различават. Ако се използва конвенционална схема за настройка на дължината на вълната, се добавят само допълнителни блокове за термична стабилизация и излъчване на радиация със строго определена дължина на вълната (обикновено призма, дифракционна решетка или по-сложни схеми), тогава е много по-сложна настройка необходими за генериране на ултра къси импулси. Дизайнът на кюветата с активната среда се променя. Поради факта, че продължителността на лазерния импулс в крайна сметка е 100 ÷ 30 10 15 (светлината във вакуум успява да премине само 30 ÷ 10 μm през това време), инверсията на населението трябва да бъде максимална, това може да се постигне само чрез много бързо изпомпване на разтвора на багрилото. За да се постигне това, се използва специална конструкция на кювета със свободен поток от багрило (багрилото се изпомпва от специална дюза със скорост около 10 m / s). Най-кратките импулси се получават с помощта на пръстенен резонатор.

2.6 Безплатен електронен лазер

Типът лазер, при който излъчването се генерира от моноенергиен електронен лъч, разпространяващ се в ондулатор, е периодична системаотклоняващи (електрически или магнитни) полета. Електроните, извършвайки периодични трептения, излъчват фотони, чиято енергия зависи от енергията на електроните и параметрите на ондулатора.

За разлика от газовите, течните или твърдотелни лазери, при които електроните се възбуждат в свързани атомни или молекулярни състояния - при FEL източникът на излъчване е сноп от електрони във вакуум, преминаващ през серия от специално подредени магнити - ондулатор (wiggler) , което кара лъча да се движи по синусоидална траектория.загуба на енергия, която се превръща в поток от фотони. В резултат на това се генерира меко рентгеново лъчение, което се използва например за изследване на кристали и други наноструктури.

Чрез промяна на енергията на електронния лъч, както и на параметрите на ондулатора (силата на магнитното поле и разстоянието между магнитите), е възможно да се променя честотата на лазерното лъчение, генерирано от FEL в рамките на широк обхват, което е основната разлика между FEL и другите лазери. Радиацията, генерирана от FEL, се използва за изследване на наномащабни структури – има опит в изобразяването на частици с размери до 100 нанометра (този резултат е постигнат с помощта на рентгенова микроскопия с разделителна способност около 5 nm). Дизайнът на първия лазер със свободен електрон е публикуван през 1971 г. от Джон М. Дж. Мейди като част от неговия докторски проект в Станфордския университет. През 1976 г. Мади и колегите му демонстрират първите експерименти с FEL, използвайки 24 MeV електрони и 5-метров виглер за усилване на излъчването.

Мощността на лазера беше 300 mW, а ефективността беше само 0,01%, но беше показана ефективността на този клас устройства, което доведе до огромен интерес и рязко увеличаване на броя на разработките в областта на FEL.

Обучение

Нуждаете се от помощ за проучване на тема?

Нашите експерти ще съветват или предоставят уроци по теми, които ви интересуват.
Изпратете заявкас посочване на темата точно сега, за да разберете за възможността за получаване на консултация.

Съдържанието на статията

ЛАЗЕР(оптичен квантов генератор) е устройство, което генерира кохерентни и монохроматични електромагнитни вълни във видимия диапазон поради стимулирано излъчване или разсейване на светлина от атоми (йони, молекули) на активната среда. Думата "лазер" е съкращение от думите на английския израз "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - усилване на светлината чрез стимулирано излъчване. Нека разгледаме тези понятия по-подробно.

Основи на теорията на радиацията.

От законите на квантовата механика ( см... КВАНТОВА МЕХАНИКА) от това следва, че енергията на атома може да приема само съвсем определени стойности Е 0 , Е 1 , Е 2 ,...Е n ..., които се наричат ​​енергийни нива. Най-ниско ниво Е 0, при което енергията на атома е минимална, се нарича основна. Останалите нива започват от Е 1 се наричат ​​възбудени и съответстват на по-високата енергия на атома. Атомът преминава от едно от ниските нива към по-високо чрез поглъщане на енергия, например при взаимодействие с фотон - квант на електромагнитно излъчване. И когато тръгва от високо нивона нисък атом той отдава енергия под формата на фотон. И в двата случая енергията на фотоните Е = з n е равно на разликата между началното и крайното ниво:

з n mn = Ем - Е n (1)

където з= 6,626176 · 10 –34 J · s е константата на Планк, n е честотата на излъчване.

Атомът във възбудено състояние е нестабилен. Рано или късно (средно за 10-8 секунди), в произволен момент от време, той самостоятелно (спонтанно) ще се върне в основно състояние, излъчвайки електромагнитна вълна - фотон. Случайният характер на преходите води до факта, че всички атоми на веществото излъчват неедновременно и независимо, фазите и посоката на движение на излъчваните от тях електромагнитни вълни не са координирани. Така работят обикновените източници на светлина - лампи с нажежаема жичка, газоразрядни тръби, същият източник на светлина е Слънцето и т. н. Тяхното спонтанно излъчване е некохерентно.

Но атомът може също да излъчва фотон не спонтанно, а под действието на електромагнитна вълна, чиято честота е близка до честотата на прехода на атома, определена по формула (1):

н 21 = (Е 2 – Е 1)/з. (2)

Такава резонансна вълна сякаш "разклаща" атома и го "разклаща" от горното енергийно ниво към долното. Възниква принудителен преход, при който вълната, излъчвана от атома, има същата честота, фаза и посока на разпространение като първичната вълна. Тези вълни са кохерентни; когато се добавят, интензитетът на общата радиация или броят на фотоните се увеличава.

Въведена е концепцията за стимулирано излъчване, а специалното му свойство – кохерентност – е теоретично предсказано от А. Айнщайн през 1916 г. и строго обосновано от П. Дирак от гледна точка на квантовата механика през 1927–1930 г.

Обикновено броят на атомите в основно състояние във веществото е много по-голям от този на възбудените атоми. Ето защо светлинна вълнапреминавайки през веществото изразходва енергията си за възбуждане на атоми. В този случай интензитетът на радиация намалява, спазвайки закона на Бугер:

азл = аз 0 д - кл , (3)

където аз 0 - начален интензитет, аз l е интензитетът на радиацията, която е преминала разстоянието лв вещество с коефициент на поглъщане к... От уравнението се вижда, че средата поглъща светлината много силно – според експоненциалния закон.

Вещество, в което има много повече възбудени атоми, отколкото атоми в основно състояние, се нарича активно. Броят на атомите на определено ниво Е n се нарича население от това ниво, а ситуацията, когато Е 2 > Е 1 - обратна популация. Оставете електромагнитна вълна да премине през активното вещество, чиято честота е n = n 21. След това, поради излъчване по време на принудителни преходи Е 2® Е 1 (което е много повече от актове на поглъщане Е 1® Е 2) ще настъпи неговото укрепване. А от гледна точка на квантовата механика, това означава, че всеки фотон, летящ през материята, причинява появата на абсолютно същия фотон. Заедно те генерират още два фотона, тези четири - осем и така нататък - в активното вещество се появява фотонна лавина. Това явление води до експоненциален закон на нарастване на интензитета на излъчване, който се записва подобно на закона на Бугер (3), но с квантовото усилване авместо - к:

азл = аз 0 д а л(4)

На практика обаче такова бързо нарастване на броя на фотоните не се случва. В реалните вещества винаги има много фактори, които причиняват загуба на енергия на електромагнитна вълна (разсейване от нехомогенност на средата, поглъщане от примеси и др.). В резултат на това е възможно да се постигне усилване на вълна поне десетки пъти, само като се увеличи дължината на пътя в активна среда до няколко метра, което не е лесно за изпълнение. Но има и друг начин: да поставите активното вещество между две успоредни огледала (в резонатора). Вълната, многократно отразена в тях, ще измине разстояние, достатъчно за голямо усилване, ако, разбира се, броят на възбудените атоми остане голям, т.е. обърнатата популация ще остане.

Обратното заселване може да се извършва и поддържа с помощта на отделен енергиен източник, който сякаш "изпомпва" активното вещество с него. Такъв източник може да бъде мощна лампа, електрически разряд, химическа реакция и др. Освен това е необходимо атомите на едно от горните енергийни нива да останат достатъчно дълго (в мащаба на квантовите процеси, разбира се), за да натрупат там около 50% от общия брой атоми в веществото. А за това е необходимо да има поне три енергийни нива на работни частици (атоми или йони).

Тристепенна схема за генериране на радиация работи по следния начин. Изпомпването прехвърля атомите от по-ниското енергийно ниво Е 0 до върха Е 3. От там се спускат до нивото Е 2, където те могат да останат дълго време без спонтанно излъчване на фотони (това ниво се нарича метастабилно). И само под въздействието на преминаваща електромагнитна вълна, атомът се връща на основното ниво Е 0, излъчваща стимулирана радиация с честота н = (Е 2 – Е 0)/зкохерентна на оригиналната вълна.

Условията за създаване на обърната популация и експериментално откриване на стимулирано излъчване са формулирани от немския физик Р. Ланденбург през 1928 г. и независимо от руския физик В. А. Фабрикант през 1939 г. За първи път е наблюдавано стимулирано излъчване под формата на къси радиоимпулси американски физициЕ. Парсел и Р. Паунд през 1950 г. През 1951 г. В. А. Фабрикант и неговите сътрудници подават авторска заявка за „метод за усилване на електромагнитното излъчване (ултравиолетово, видимо, инфрачервено, радиовълни) чрез преминаване на усиленото лъчение през среда с обърнато население." Това приложение обаче е публикувано едва през 1959 г. и не може да окаже никакво влияние върху хода на работата по създаването на квантови генератори. Тъй като фундаменталната възможност за тяхното изграждане започва да се обсъжда още в началото на 50-те години на миналия век независимо един от друг в СССР Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а в САЩ C. Towns и J. Weber. И през 1954-1956 г. е разработен и конструиран първият квантов генератор на радиообхвата ( л= 1,25 см), през 1960 г. - рубинен лазер и газов лазер, а две години по-късно - полупроводников лазер.

Лазерно устройство.

Въпреки голямото разнообразие от видове активни среди и методи за получаване на обратна населеност, всички лазери имат три основни части: активна среда, помпена система и кухина.

Активната среда - вещество, в което се създава обратна популация - може да бъде твърда (кристали от рубин или алуминиево-итриев гранат, стъкло с примес от неодим под формата на пръчки с различни размери и форми), течна (разтвори на анилинови багрила или разтвори на неодимови соли в кювети) и газообразни (смес от хелий с неон, аргон, въглероден диоксид, водна пара под ниско налягане в стъклени тръби). Полупроводниковите материали и студената плазма, продуктите на химичната реакция, също произвеждат лазерно лъчение. В зависимост от вида на активната среда лазерите се наричат ​​рубинови, хелиево-неонови, багрилни и др.

Резонаторът е двойка успоредни едно на друго огледала, между които е поставена активна среда. Едно огледало ("тъп") отразява цялата светлина, падаща върху него; втората, полупрозрачна, част от лъчението се връща в околната среда за осъществяване на стимулирано лъчение, а част се извежда навън под формата на лазерен лъч. Като "глухо" огледало често се използва призмата на пълното вътрешно отражение ( см... ОПТИКА), като полупрозрачни - купчина стъклени плочи. Освен това, като се избере разстоянието между огледалата, резонаторът може да се регулира така, че лазерът да генерира излъчване само от един, строго определен тип (т.нар. режим).

Изпомпването създава обратна популация в активна среда и за всяка среда най-удобните и ефективен методизпомпване. В твърдотелни и течни лазери се използват светкавици или лазери, газообразните среди се възбуждат с електрически разряд, а полупроводниците - с електрически ток.

След достигане на състоянието на инверсия в активния елемент, поставен вътре в резонатора поради изпомпване, неговите атоми от време на време започват спонтанно да се спускат до нивото на земята, излъчвайки фотони. Фотоните, излъчвани под ъгъл спрямо оста на резонатора, предизвикват къса верига от стимулирани емисии в тези посоки и бързо напускат активната среда. И само фотоните, пътуващи по оста на резонатора, многократно отразяващи се в огледалата, генерират лавина от кохерентно излъчване. В този случай честотите (режимите на излъчване) са в изгодна позиция, цял брой полувълни от които се вписват цял ​​брой пъти по дължината на резонатора.

Видове лазери.

Твърдотелни лазери. Първата твърда активна среда беше рубин - корунд кристал Al 2 O 3 с малка примес на хромови йони Cr +++. Проектиран е от T. Meiman (САЩ) през 1960 г. Широко се използват и стъкло с примес на неодим Nd, итрий алуминиев гранат Y 2 Al 5 O 12 с примес на хром, неодим и редкоземни елементи под формата на пръчки . Твърдотелните лазери обикновено се изпомпват от светкавица, която мига за около 10-3 секунди, а лазерният импулс се оказва наполовина по-дълъг. Част от времето се изразходва за създаване на обратна популация и в края на светкавицата интензитетът на светлината става недостатъчен, за да възбуди атомите и генерирането спира. Лазерният импулс има сложна структура, състои се от множество отделни пикове с продължителност около 10 -6 секунди, разделени от интервали от около 10 -5 секунди. В този така наречен режим на свободно генериране мощността на импулса може да достигне десетки киловата. Технически е невъзможно да се увеличи мощността просто чрез усилване на светлината на помпата и увеличаване на размера на лазерния прът. Следователно силата на лазерните импулси се увеличава чрез намаляване на тяхната продължителност. За това пред едно от огледалата на резонатора се поставя затвор, който предотвратява стартирането на генерацията, докато почти всички атоми на активното вещество не бъдат прехвърлени на горното ниво. След това затворът се отваря за кратко и цялата натрупана енергия се показва под формата на така наречения гигантски импулс. В зависимост от енергийния резерв и продължителността на светкавицата, мощността на импулса може да варира от няколко мегавата до десетки теравата (10 12 вата).

Газови лазери. Активната среда на газовите лазери са газове с ниско налягане (от стотни до няколко милиметра живак) или техни смеси, запълващи стъклена тръба със споени електроди. Първият газов лазер, базиран на смес от хелий и неон, е създаден малко след рубиновия лазер през 1960 г. от A. Javan, W. Bennett и D. Erriot (САЩ). Газовите лазери се изпомпват от електрически разряд, захранван от високочестотен генератор. Те генерират излъчване по същия начин, както в твърдотелни лазери, но газовите лазери дават, като правило, непрекъснато излъчване. Тъй като плътността на газовете е много малка, дължината на тръбата с активната среда трябва да бъде достатъчно голяма, за да бъде масата на активното вещество достатъчна за получаване на висок интензитет на излъчване.

Газовите лазери включват също газодинамични, химически и ексимерни лазери (лазери, работещи върху електронни преходи на молекули, които съществуват само във възбудено състояние).

Газодинамичният лазер е подобен на реактивен двигател, в който горивото се изгаря с добавяне на молекули от газове от активната среда. В горивната камера газовите молекули се възбуждат и при охлаждане в свръхзвуков поток отделят енергия под формата на кохерентно лъчение с висока мощност в инфрачервената област, което излиза през газовия поток.

При химичните лазери (разновидност на газодинамичния лазер) инверсията на населението се образува поради химични реакции. Най-високата мощност се развива от лазери, базирани на реакцията на атомен флуор с водород:

Течни лазери. Активните среди на тези лазери (наричани още лазери с багрила) са различни органични съединенияпод формата на разтвори. Първите лазери с багрила се появяват в края на 60-те години. Плътността на тяхното работно вещество заема междинно място между твърдо тялои газ, така че генерират доста мощно излъчване (до 20 W) с малък размер на клетката с активното вещество. Те работят както в импулсен, така и в непрекъснат режим, изпомпват се от импулсни лампи и лазери. Възбудените нива на молекулите на багрилото са широки; следователно течните лазери излъчват няколко честоти наведнъж. И чрез смяна на кюветите с разтвори на багрила, лазерното лъчение може да бъде настроено в много широк диапазон. Плавната настройка на честотата на излъчване се извършва чрез настройка на резонатора.

Полупроводникови лазери. Този тип оптични квантови генератори са създадени през 1962 г. едновременно от няколко групи американски изследователи (R. Hall, MI Neuthen, T. Kvist и др.), въпреки че теоретичната обосновка на работата му е направена от Н. Г. Басов и неговите колеги през 1958 г. Най-разпространеният лазерен полупроводников материал - галиев арсенид GaAr.

Според законите на квантовата механика електроните в твърдо тяло заемат широки енергийни ленти, състоящи се от множество непрекъснато разположени нива. Долната лента, наречена валентна лента, е отделена от горната лента (зоната на проводимост) от така наречената забранена лента, в която няма енергийни нива. В полупроводника има малко електрони на проводимост, тяхната подвижност е ограничена, но под въздействието на топлинното движение отделни електрони могат да прескочат от валентната зона към зоната на проводимост, оставяйки в нея празно пространство - "дупка". И ако електрон с енергия Е e спонтанно се връща обратно в лентата на проводимост, той се "рекомбинира" с дупка с енергия Е d, което е придружено от излъчване от забранената зона на фотон с честота н = Е NS - Ед. Полупроводников лазер се изпомпва с постоянен електрически ток (в този случай от 50 до почти 100% от неговата енергия се преобразува в излъчване); Резонаторът обикновено е полирани лица на полупроводников кристал.

Лазери в природата. Във Вселената са открити лазери с естествен произход. Инверсията на населението се случва в огромни междузвездни облаци от кондензирани газове. Изпомпват се космически лъчения, светлина от близки звезди и пр. Поради гигантската дължина на активната среда (газовите облаци) – стотици милиони километри – такива астрофизични лазери не се нуждаят от резонатори: електромагнитно излъчванев диапазона на дължината на вълната от няколко сантиметра (Мъглявината Рак) до микрона (около на звездата Ета Карина) се появява в тях с еднократно преминаване на вълната.

Свойства на лазерното лъчение.

За разлика от конвенционалните източници на топлинно излъчване, лазерът произвежда светлина, която има редица специални и много ценни свойства.

1. Лазерното лъчение е кохерентно и практически монохроматично. Преди появата на лазерите, само радиовълните, излъчвани от добре стабилизиран предавател, притежаваха това свойство. И това даде възможност да се овладее обхватът на видимата светлина за осъществяване на пренос на информация и комуникация, като по този начин значително се увеличи количеството предавана информация за единица време.

Поради факта, че стимулираното лъчение се разпространява стриктно по оста на резонатора, лазерният лъч се разширява слабо: неговата дивергенция е няколко дъгови секунди.

Всички тези качества позволяват фокусиране на лазерния лъч в изключително малко място, като се получава огромна енергийна плътност във фокусната точка.

2. Високомощното лазерно лъчение има огромна температура.

Връзката между енергията на равновесното излъчване Етази честота ни неговата температура Tдефинира закона за радиацията на Планк. Връзката между тези величини има формата на семейство от криви в координатите честота (абсциса) - енергия (ордината). Всяка крива дава разпределението на енергията в спектъра на излъчване при определена температура. Лазерното лъчение е неравновесно, но въпреки това замества стойностите на неговата енергия във формулата на Планк Еза единица обем и честота н(или начертавайки техните стойности на графиката), получаваме температурата на радиация. Тъй като лазерното лъчение е практически монохроматично, а плътността на енергията (количеството й на единица обем) може да бъде изключително висока, температурата на излъчване може да достигне огромни стойности. Например, импулсен лазер с мощност от порядъка на петават (10 15 W) има температура на излъчване от около 100 милиона градуса.

Използването на лазери.

Уникалните свойства на лазерното лъчение направиха квантовите генератори незаменим инструмент в различни области на науката и технологиите.

1. Технологични лазери. Мощните непрекъснати лазери се използват за рязане, заваряване и спояване на части, изработени от различни материали. Високата радиационна температура прави възможно заваряването на материали, които не могат да бъдат съединени по други методи (например метал към керамика). Високата монохроматичност на излъчването прави възможно фокусирането на лъча до точка с диаметър от порядъка на микрон (поради липсата на дисперсия, см... ВИБРАЦИИ И ВЪЛНИ) и го използвайте за производството на микросхеми (т.нар. метод за лазерно изписване - премахване на тънък слой). За обработка на детайли във вакуум или в атмосфера на инертен газ, лазерният лъч може да бъде въведен в технологичната камера през прозрачен прозорец.

Идеално правият лазерен лъч служи като удобна "линийка". В геодезията и строителството импулсните лазери се използват за измерване на разстояния на земята, като ги изчисляват по времето, когато светлинният импулс се движи между две точки. Точните измервания в промишлеността се правят с помощта на интерференцията на лазерни лъчи, отразени от крайните повърхности на продукта.

2. Лазерна комуникация Появата на лазерите революционизира комуникационната технология и записа на информация. Съществува прост модел: колкото по-висока е носещата честота (по-къса дължина на вълната) на комуникационния канал, толкова по-голяма е неговата честотна лента. Ето защо радиокомуникацията, която в началото овладяваше обхвата на дългите вълни, постепенно премина към все по-къси дължини на вълните. Но светлината е същата електромагнитна вълна като радиовълните, само десетки хиляди пъти по-къса, така че лазерният лъч може да предава десетки хиляди пъти повече информация от високочестотен радиоканал. Лазерната комуникация се осъществява чрез оптично влакно - тънки стъклени нишки, в които светлината, поради пълно вътрешно отражение, се разпространява практически без загуба в продължение на много стотици километри. Лазерният лъч се използва за запис и възпроизвеждане на изображения (включително движещи се) и звук на компактдискове.

3. Лазери в медицината . Лазерната технология се използва широко както в хирургията, така и в терапията. Отлепената ретина се „заварява“ с лазерен лъч, въведен през очната зеница и се коригират дефектите на очното дъно. Хирургическите операции, извършени с "лазерен скалпел", са по-малко травматични за живите тъкани. А лазерното лъчение с ниска мощност ускорява заздравяването на рани и има ефект, подобен на акупунктурата, практикувана от източната медицина (лазерна акупунктура).

4. Лазери в научните изследвания . Изключително топлинарадиацията и високата плътност на нейната енергия правят възможно изследването на материята в екстремно състояние, което съществува само в недрата на горещите звезди. Правят се опити за провеждане на термоядрена реакция чрез изстискване на ампула със смес от деутерий и тритий със система от лазерни лъчи (т. нар. инерционен термоядрен синтез). V генното инженерствои нанотехнология (технология, занимаваща се с обекти с характерен размер 10 -9 m) лазерни лъчи режат, преместват и свързват фрагменти от гени, биологични молекули и части от порядъка на една милионна част от милиметъра (10 -9 m). За изследване на атмосферата се използват лазерни локатори (лидари).

5. Военни лазери. Военните приложения на лазерите включват както използването им за откриване на цели и комуникация, така и използването им като оръжие. Предвижда се унищожаване или деактивиране на вражески бойни спътници и самолети с лъчи на мощни химически и ексимерни лазери, наземни или орбитални. Създадени образци на лазерни пистолети за въоръжаване на екипажи орбитални станциивоенна употреба.

Без преувеличение може да се каже, че лазерите, появили се в средата на 20-ти век, играха същата роля в живота на човечеството, както електричеството и радиото преди половин век.

Сергей Трънковски