Kakšna lastnost laserskega sevanja omogoča. Kaj je lasersko sevanje? Lasersko sevanje: njegovi viri in zaščita pred njim

Moč... Pri prvih laserjih z aktivno snovjo iz rubina je bila energija svetlobnega impulza približno 0,1 J. Trenutno energija sevanja nekaterih polprevodniških laserjev doseže tisoče joulov. S kratkim časom delovanja svetlobnega impulza je mogoče pridobiti ogromne moči. Tako neodimov laser generira impulze s trajanjem 3 · 10 –12 s, pri energiji impulza 75 J pa njegova moč doseže 2,5 · 10 13 W! (Za primerjavo, moč Krasnojarske hidroelektrarne je 6 × 10 9 W.) Moč plinskih laserjev je precej manjša (do 50 kW), njihova prednost pa je, da se oddajajo neprekinjeno, čeprav obstajajo tudi impulzni. laserji med plinskimi laserji.

Divergenčni kot laserski žarek je zelo majhen, zato se intenzivnost svetlobnega toka z razdaljo skoraj ne zmanjšuje. Impulzni laserji lahko proizvedejo svetlobo do 10 14 W / m 2. Zmogljivi laserski sistemi lahko zagotovijo intenzivnost do 10-20 W / m 2. Za primerjavo, upoštevajte, da je povprečna vrednost intenzivnosti sončne svetlobe blizu zemeljske površine le 10 3 W / m 2. Posledično je svetlost tudi relativno šibkih laserjev milijone krat večja od svetlosti Sonca.

Skladnost... Usklajen potek več valovnih procesov v času in prostoru, ki se kaže med njihovim seštevanjem. Oscilacije se imenujejo koherentne, če fazna razlika med njimi ostane skozi čas konstantna. Ko seštejemo dve harmonični nihanji z isto frekvenco, vendar z različnimi amplitudami A1 in A2 ter različnimi fazami, nastane harmonično nihanje enake frekvence, katerega amplituda se lahko glede na fazno razliko razlikuje od A 1 –A 2 do A 1 + A 2 in ta amplituda na dani točki prostora ostane konstantna. Svetlobni valovi, ki jih oddajajo segreta telesa ali med luminiscenco, nastanejo pri spontanih prehodih elektronov med različnimi nivoji energije v atomih, ki so neodvisni drug od drugega. Vsak atom oddaja elektromagnetno valovanje v času 10–8 s, kar imenujemo koherenčni čas. V tem času svetloba potuje na razdalji 3 m. To razdaljo imenujemo koherentna dolžina ali dolžina vlaka. Valovi zunaj dolžine vlaka bodo že neskladni. Sevanje, ki ga ustvarjajo številni neodvisni atomi, je sestavljeno iz številnih vlakov, katerih faze se naključno spreminjajo v območju od 0 do 2p. Za ločitev koherentnega dela od celotnega nekoherentnega svetlobnega toka naravne svetlobe se uporabljajo posebne naprave (Fresnelova ogledala, Fresnelove biprizme itd.), ki ustvarjajo svetlobne žarke zelo nizke jakosti, lasersko sevanje pa z vso svojo ogromno intenzivnostjo. popolnoma skladen.

Nekoherentnega svetlobnega žarka načeloma ni mogoče usmeriti v zelo majhno točko, saj to ovira razlika v fazah njegovih sestavnih vlakov. Koherentno lasersko sevanje lahko usmerimo v točko s premerom, ki je enak valovni dolžini tega sevanja, kar omogoča povečanje že tako visoke intenzivnosti laserskega svetlobnega žarka.

Monokromatičnost. Sevanje s strogo enako valovno dolžino se imenuje monokromatsko, vendar ga lahko ustvari le harmonična vibracija, ki se pojavlja s konstantno frekvenco in amplitudo neskončno dolgo. Pravo sevanje ne more biti monokromatsko samo zato, ker je sestavljeno iz številnih vlakov, sevanje z ozkim spektralnim intervalom, ki ga je mogoče približno označiti s povprečno valovno dolžino, pa velja za praktično monokromatsko. Pred pojavom laserjev je bilo mogoče pridobiti sevanje z določeno mero monokromatičnosti z uporabo prizmnih monokromatorjev, ki ločijo ozek pas valovne dolžine od neprekinjenega spektra, vendar je svetlobna moč v takem pasu zelo majhna. Lasersko sevanje ima visoka stopnja enobarvnost. Širina spektralnih črt, ki jih proizvajajo nekateri laserji, doseže 10–7 nm.

Polarizacija. Elektromagnetno sevanje znotraj enega vlaka je polarizirano, a ker so svetlobni žarki sestavljeni iz več vlakov, ki so neodvisni drug od drugega, je naravna svetloba nepolarizirana in za pridobivanje polarizirane svetlobe se uporabljajo posebne naprave - Nicolasove prizme, polaroidi itd. laserska svetloba je popolnoma polarizirana.

Usmerjenost sevanja. Pomembna lastnost laserskega sevanja je njegova stroga usmerjenost, za katero je značilna zelo majhna divergenca svetlobnega snopa, kar je posledica visoke stopnje koherence. Divergenčni kot za številne laserje je dosežen na približno 10 –3 rad, kar ustreza eni ločni minuti. Ta usmerjenost, ki je pri običajnih svetlobnih virih povsem nedosegljiva, omogoča prenos svetlobnih signalov na velike razdalje z zelo majhnim oslabljenjem njihove jakosti, kar je izjemno pomembno pri uporabi laserjev v sistemih za prenos informacij ali v vesolju.

Moč električnega polja. Druga lastnost, po kateri se lasersko sevanje razlikuje od navadne svetlobe, je visoka intenzivnost električnega polja v njem. Intenzivnost toka elektromagnetne energije Jaz - EH(Umov - Poyntingova formula), kjer E in N- intenzivnost električnega in magnetnega polj v elektromagnetnem valu. Zato je mogoče izračunati, da je jakost električnega polja v svetlobnem valu z intenzivnostjo 10 18 W / m 2 enaka 3-10 10 V / m, kar presega jakost polja znotraj atoma. Moč polja v svetlobnih valovih, ki jih ustvarjajo običajni svetlobni viri, ne presega 10 4 V / m.

Pri padcu na telo elektromagnetno valovanje izvaja mehanski pritisk na to telo, sorazmeren z intenzivnostjo pretoka energije valovanja. Svetlobni pritisk, ki ga na poletni dan ustvari svetloba sončna svetloba, je približno 4 10 –6 Pa (spomnimo se, da je atmosferski tlak 10 5 Pa). Za lasersko sevanje svetlobni tlak doseže 10 12 Pa. Ta pritisk vam omogoča obdelavo (prebijanje, izrezovanje lukenj itd.) najtrših materialov – diamantov in supertrdih zlitin.

Interakcija svetlobe s snovjo (odboj, absorpcija, disperzija) je posledica interakcije električnega polja svetlobnega vala z optičnimi elektroni snovi. Dielektrični atomi v električnem polju so polarizirani. Pri nizki intenzivnosti je dipolni moment enote prostornine snovi (ali polarizacijskega vektorja) sorazmeren z jakostjo polja. Vse optične značilnosti snovi, kot so lomni količnik, absorpcijski indeks in druge, so nekako povezane s stopnjo polarizacije, ki jo določa moč električnega polja svetlobnega vala. Ker je ta povezava linearna, t.j. velikost R sorazmerna E, kar daje razlog, da optiko, ki se ukvarja s sevanjem relativno nizke intenzivnosti, imenujemo linearna optika.

Pri laserskem sevanju je moč električnega polja valovanja primerljiva z jakostjo polja v atomih in molekulah in jih lahko spreminja v oprijemljivih mejah. To vodi do: dejstva, da dielektrična občutljivost preneha biti konstantna vrednost in postane določena funkcija jakosti polja . Posledično odvisnosti polarizacijskega vektorja od jakosti polja ne bo več linearna funkcija... Zato govorimo o nelinearni polarizaciji medija in s tem o nelinearni optiki, pri kateri dielektrična konstanta snovi, lomni količnik, absorpcijski indeks in druge optične količine ne bodo več konstantni, ampak so odvisni od intenzivnosti. vpadne svetlobe.

V primerjavi z drugimi svetlobnimi viri ima laser številne edinstvene lastnosti, povezane s koherentnostjo in visoko usmerjenostjo njegovega sevanja. Sevanje "nelaserskih" svetlobnih virov teh lastnosti nima. Moč, ki jo oddaja segreto telo, je določena z njegovo temperaturo T. Najvišja možna vrednost toka sevanja, ki je dosegljiva za popolnoma črno telo, W = 5,7 × 10-12xT 4 W / cm 2. Moč sevanja hitro raste s povečanjem T in doseže zelo visoke vrednosti za visok T. Torej vsak 1 cm 2 Sončeve površine (T = 5800 K) odda moč W = 6,4 × 10 3 vatov. Vendar se sevanje iz vira toplote širi v vse smeri od vira. Nastajanje usmerjenega žarka iz takšnega vira, ki se izvaja s pomočjo sistema membran ali optičnih sistemov, sestavljenih iz leč in ogledal, vedno spremlja izguba energije. Noben optični sistem ne omogoča, da bi na površini osvetljenega predmeta pridobili moč sevanja, ki je večja kot v samem viru svetlobe.

Če intenzivnost laserskega sevanja primerjamo z intenzivnostjo sevanja črnega telesa v enakih spektralnih in kotnih intervalih, dobimo fantastično visoke temperature, milijarde in večkrat višje od dejansko dosegljivih temperatur toplotnih svetlobnih virov. Poleg tega nizka divergenca sevanja omogoča uporabo običajnih optičnih sistemov za koncentracijo svetlobne energije v zanemarljivih količinah, kar ustvarja ogromne gostote energije. Koherentnost in usmerjenost sevanja odpirata bistveno nove možnosti uporabe svetlobnih žarkov tam, kjer nelaserski viri svetlobe niso uporabni.

Usmerjenost laserskega sevanja je v veliki meri odvisna od dejstva, da se v odprtem resonatorju lahko vzbujajo samo valovi, ki so usmerjeni vzdolž osi resonatorja ali pod zelo majhnimi koti nanjo. Z visoko stopnjo prostorske koherentnosti se lahko kot divergence laserskega žarka približa meji, ki jo določa difrakcija. Tipične vrednosti so: za plinske laserje (0,5-5) x10 -3 radiana, za polprevodniške (2-20) x10 -3 radiane, za polprevodniške laserje (5-50) x10 -2 radiana.

Poleg tega je sevanje toplotnega vira nemonokromatsko in zapolnjuje širok razpon valovnih dolžin. Sončev spekter sevanja na primer pokriva ultravijolično, vidno in infrardečo valovno dolžino. Za povečanje monokromatičnosti sevanja se uporabljajo monokromatorji, ki omogočajo izolacijo sorazmerno ozkega območja iz neprekinjenega spektra, ali pa se uporabljajo nizkotlačni svetlobni viri s plinskim razelektritvijo, ki dajejo diskretne atomske ali molekularne ozke spektralne črte. Intenzivnost sevanja v spektralnih linijah pa ne more presegati jakosti sevanja črnega telesa, katerega temperatura je enaka temperaturi vzbujanja atomov in molekul. Tako je v obeh primerih dosežena monokromatizacija sevanja za ceno enormnih energetskih izgub. Čim ožja je spektralna črta, tem manjša je sevana energija.

Temeljna razlika med laserji in vsemi drugimi svetlobnimi viri, ki so pravzaprav viri optičnega šuma, je visoka stopnja koherentnosti laserskega sevanja. Z ustvarjanjem laserjev v optičnem območju so se pojavili viri sevanja, podobni generatorjem koherentnih signalov, ki so običajni v radijskem območju, ki se lahko uspešno uporabljajo za komunikacijo in prenos informacij, in v mnogih svojih lastnostih - usmerjenost sevanja, frekvenčni pas prenosa. , nizka raven hrupa, koncentracija energije v času itd. - boljše od klasičnih radijskih naprav.

V primeru laserja, ki deluje v večmodnem načinu, je monokromatičnost povezana s številom ustvarjenih načinov in je lahko več gigahercev. Pri impulznem načinu delovanja je najmanjša širina črte omejena na recipročno širino impulza.

Visoka stopnja monokromatičnosti laserskega sevanja določa visoko gostoto spektralne energije – visoko stopnjo koncentracije svetlobne energije v zelo majhnem spektralnem območju. Visoka monokromatičnost olajša fokusiranje laserskega sevanja, saj kromatska aberacija leče postane nepomembna. Skladnost. Laserji imajo v primerjavi z drugimi svetlobnimi viri izjemno visoko stopnjo koherentnosti sevanja, tako časovne kot prostorske.

Trenutno laserji pokrivajo območje od ultravijoličnih do submilimetrskih valov, prvi uspehi so bili doseženi pri razvoju rentgenskih laserjev, ustvarjeni so bili frekvenčno nastavljivi laserji.

Laserski viri svetlobe so zaradi svoje visoke usmerjenosti zelo svetli, kar lahko povzroči zelo visoko intenzivnost svetlobe na tarči. Tako ima helij-neonski laser z močjo le 10 mW in sevalno divergenco 3 × 10 -4 radiana s površino žarka 0,1 cm 2 svetlost 106 W / (cm 2 * steradiani), kar je večkrat višja od svetlosti Sonca (130 W / (cm 2 steradiana)).

Zgoraj naštete lastnosti naredijo laserje edinstvene vire svetlobe in določajo možnost njihove številne uporabe.

UVOD

1.2 POLPREVODNIŠKI LASER

1.3 TEKOČI LASER

1.3.1 LASERJI ZA BARVILA

1.4 KEMIJSKI LASER IN DRUGI

1.5 MOČNI LASERJI

2. UPORABA LASERJEV

2.3 HOLOGRAFIJA

2.3.3 UPORABA HOLOGRAFIJE

ZAKLJUČEK

NAČELO DELOVANJA LASERJEV

Lasersko sevanje je sij predmetov pri normalnih temperaturah. Toda v normalnih pogojih je večina atomov v najnižjem energijskem stanju. Zato snovi pri nizkih temperaturah ne žarijo. Ko elektromagnetno valovanje prehaja skozi snov, se njegova energija absorbira. Zaradi absorbirane energije valovanja se nekateri atomi vzbudijo, torej preidejo v višje energijsko stanje. V tem primeru se svetlobnemu žarku odvzame nekaj energije:

kjer je hν vrednost, ki ustreza količini porabljene energije,

E2 - energija najvišje energetske ravni,

E1 - energija najnižje energetske ravni.

Vzbujeni atom lahko pri trku odda svojo energijo sosednjim atomom ali odda foton v katero koli smer. Zdaj pa si predstavljajmo, da smo na nek način vzbudili večino atomov medija. Potem, ko elektromagnetno valovanje prehaja skozi snov s frekvenco

kje v- frekvenca valovanja,

E2 - E1 - razlika med energijami višje in nižje ravni,

h- valovna dolžina,

ta val ne bo oslabljen, ampak se bo zaradi induciranega sevanja, nasprotno, okrepil. Pod njegovim vplivom atomi dosledno prehajajo v nižja energijska stanja in oddajajo valove, ki po frekvenci in fazi sovpadajo z vpadnim valom.

POLPREVODNIŠKI LASER

V 60. letih je bilo ugotovljeno, da so polprevodniki odličen material za laserje.

Če sta dve plošči polprevodnikov različnih vrst povezani skupaj, se na sredini oblikuje prehodno območje. Atomi snovi v njej se lahko vzbujajo, ko električni tok prehaja čez območje in ustvarja svetlobo. Zrcala, potrebna za pridobivanje laserskega sevanja, so lahko polirani in posrebreni robovi samega polprevodniškega kristala.

Med temi laserji se za najboljšega šteje laser na osnovi galijevega arzenida - kombinacije redkega elementa galija z arzenom. Njegovo infrardeče sevanje ima moč do deset vatov. Če se ta laser ohladi na temperaturo tekočega dušika (-200 °), se lahko njegova sevalna moč desetkrat poveča. To pomeni, da bi pri površini oddajne plasti 1 cm2 moč sevanja dosegla milijon vatov. Toda polprevodnika s prehodno plastjo te velikosti iz tehničnih razlogov še ni mogoče izdelati.

Polprevodniške atome lahko vzbudite z elektronskim žarkom (kot pri polprevodniških laserjih - z bliskavico). Elektroni prodrejo globoko v snov in vzbudijo več atomov; širina oddajne cone se izkaže za stokrat širšo kot pri vzbujanju z električnim tokom. Zato moč sevanja takšnih laserjev, ki jih črpa elektron, že doseže dva kilovata.

Majhna velikost polprevodniških laserjev jih naredi zelo priročne za aplikacije, kjer je potreben miniaturni vir svetlobe velike moči.

TEKOČI LASER

V trdnih snoveh lahko ustvarite veliko koncentracijo oddajnih atomov in tako iz enega dobite več energije kubični centimeter palica. Vendar jih je težko izdelati, so dragi in poleg tega lahko počijo zaradi pregrevanja med delovanjem.

Plini so optično zelo homogeni, razpršitev svetlobe v njih je majhna, zato je lahko velikost plinskega laserja precej impresivna: dolžina 10 metrov s premerom 10-20 centimetrov zanj ni meja. Toda takšno povečanje velikosti nikogar ne osrečuje. To je prisilni ukrep, potreben za kompenzacijo zanemarljive količine aktivnih atomov plina v laserski cevi pod tlakom v stotinkah atmosfere. Črpanje plina malo prihrani zadevo, kar vam omogoča, da zmanjšate velikost oddajnika.

Tekočine združujejo prednosti tako trdnih kot plinastih laserskih materialov: njihova gostota je le dva do trikrat nižja od gostote trdnih snovi (in ne sto tisočkrat kot gostota plinov). Zato je število njihovih atomov na enoto prostornine približno enako. To pomeni, da je tekoči laser enostavno narediti tako močan kot polprevodniški laser. Optična homogenost tekočin ni slabša od homogenosti plinov, kar pomeni, da se lahko uporablja v velikih količinah. Poleg tega lahko tekočino črpamo tudi skozi delovno prostornino, pri čemer nenehno vzdržujemo nizko temperaturo in visoko aktivnost njenih atomov.

LASERJI ZA BARVILA

Imenujejo se tako, ker je njihova delovna tekočina raztopina anilinskih barv v vodi, alkoholu, kislini in drugih topilih. Tekočina se vlije v ravno pladenj. Kiveta je nameščena med ogledali. Energija molekule barvila se črpa optično, vendar so namesto bliskavice najprej uporabili impulzne rubinske laserje, kasneje pa plinske laserje. Črpalni laser ni vgrajen v tekoči laser, ampak je postavljen izven laserja tako, da se njegov žarek vnese v kiveto skozi okno v ohišju. Zdaj je bilo mogoče doseči generiranje svetlobe z bliskavico, vendar ne z vsemi barvili. Raztopine lahko oddajajo svetlobne impulze različnih valovnih dolžin – od ultravijolične do infrardeče svetlobe – in moči od sto kilovatov do nekaj megavatov (milijonov vatov), ​​odvisno od tega, katero barvilo vlijemo v kiveto. Barvni laserji imajo eno lastnost. Vsi laserji oddajajo strogo na isti valovni dolžini. Ta njihova lastnost je v sami naravi stimulirane emisije atomov, na kateri temelji celoten laserski učinek. V velikih in težkih molekulah organskih barvil se stimulirana emisija pojavi takoj v širokem pasu valovnih dolžin. Za doseganje monokromatičnosti laserskega barvila je na pot žarka nameščen svetlobni filter. Ne gre samo za zatemnjena stekla. Gre za niz steklenih plošč, ki prepuščajo svetlobo le ene valovne dolžine. S spreminjanjem razdalje med ploščami lahko rahlo spremenite valovno dolžino laserskega sevanja. Tak laser se imenuje nastavljiv laser. In da lahko laser generira svetlobo v različnih delih spektra – preklopi recimo iz modre v rdečo ali iz ultravijolične v zeleno – je dovolj, da zamenjamo kiveto z delovno tekočino. Izkazali so se za najbolj obetavne za preučevanje strukture snovi. Z nastavitvijo frekvence sevanja lahko ugotovite, katera valovna dolžina svetlobe se absorbira ali razprši vzdolž poti žarka. Na ta način je mogoče določiti sestavo atmosfere in oblakov na razdalji do dvesto kilometrov, izmeriti onesnaženost vode ali zraka in naenkrat pokazati, kakšne velikosti delci jo onesnažujejo. To pomeni, da lahko zgradite napravo, ki samodejno in neprekinjeno nadzoruje čistost vode in zraka.

Toda poleg širokopasovnih tekočih laserjev obstajajo tudi tisti, pri katerih je, nasprotno, monokromatičnost veliko večja kot pri polprevodniških ali plinskih laserjih.

Valovna dolžina laserske svetlobe se lahko spreminja, skrajša in podaljša za približno eno stotinko (pri dobrih laserjih). Manjša kot je razdalja med ogledali, širši je ta trak. Pri polprevodniških laserjih je na primer že več valovnih dolžin, pri laserju na osnovi neodimovih soli pa je ta pas ena desettisočaka. Takšno konstantnost valovne dolžine lahko dosežemo le z velikimi plinskimi laserji in tudi takrat, če za to sprejmemo vse potrebne ukrepe: zagotovimo stabilnost temperature cevi, moč toka, ki jo napaja, in vključimo v lasersko vezje sistem za samodejno prilagajanje valovne dolžine sevanja. V tem primeru mora biti moč sevanja minimalna: z njenim povečanjem se pas razširi. Po drugi strani pa se v tekočem neodimovem laserju sam dobi ozek sevalni pas, ki se zadrži tudi pri opaznem povečanju moči sevanja, kar je izjemno pomembno za vse vrste natančnih meritev.

Zato je natančnost meritev odvisna od tega, kako natančno se vzdržuje valovna dolžina svetlobe, ki jo oddaja laser. 100-kratno zmanjšanje pasovne širine laserskega sevanja obljublja 100-kratno povečanje natančnosti merjenja dolžine.

KEMIJSKI LASER IN DRUGI

Iskanje novih laserjev, novih načinov za povečanje moči laserskega sevanja, poteka v različnih smereh. Med njimi je na primer kemično črpani kvantni generator, katerega prva različica je bila ustvarjena na Inštitutu za kemijsko fiziko Akademije znanosti ZSSR v laboratoriju dopisnega člana Akademije znanosti V. L. Talrozea. V takem laserju pri reakciji spojine fluora F z vodikom H2 ali devterijem D2 nastanejo molekule HF ali DF na visoko energijsko raven. Ko se spustijo s te ravni, ustvarjajo lasersko sevanje – HF molekule pri valovni dolžini 2700 nm, DF molekule pri valovni dolžini 3600 nm. Pri laserjih te vrste se dosežejo moči do 10 kW.

V enem od sorazmerno močnih ponavljajoče impulznih plinskih laserjev se kot delovna snov uporabljajo bakrovi hlapi pri temperaturi 1500 ° C ali, v enostavnejši različici, par bakrovih soli pri temperaturi 400 ° C. Črpanje se izvaja z energijo elektronov, ki se gibljejo v plinski razelektritvi. Lasersko sevanje nastane, ko atomi bakra preidejo iz vzbujenega stanja v eno od dveh metastabilnih stanj, v tem primeru pa je sevanje možno pri dveh valovnih dolžinah 510,6 nm in 578,2 nm, kar ustreza dvema odtenkoma zelene. V resonatorju, ki je intenzivno črpana cev s premerom 5 cm in dolžino 1 m, je bila dosežena impulzna moč 40 kW s trajanjem impulza 15-20 ns, frekvenca ponovitve 10-100 kHz, povprečna moč nekaj deset vatov in učinkovitost več kot 1% - V teku so dela za povečanje povprečne moči "bakrenega" laserja na 1 kW.

Poseben razred tvorijo visoko zmogljivi barvni laserji, katerih glavna prednost je sposobnost gladkega spreminjanja frekvence. Tekoči mediji, uporabljeni v njih, so "zameglili" ravni energije in omogočajo generiranje na številnih frekvencah. Izbira enega od njih je mogoče narediti s spreminjanjem parametrov resonatorja, na primer z obračanjem prizme v njem. Če se za črpanje uporabljajo viri sevanja velike moči, zlasti impulzni laserji in se izvaja intenzivno kroženje tekočega barvila, potem postane realno ustvariti laserje z nastavljivo frekvenco s povprečno močjo približno 100 W in ponavljanjem impulza. hitrost 10-50 kHz.

Ko gre za obete, se najpogosteje imenuje jodni laser, v resonatorju katerega spojina joda, fluora in ogljika CF3J ali bolj zapletene molekule pod delovanjem ultravijoličnega črpanja disociirajo in razpadejo. Ločeni atomi joda so v vzbujenem stanju in nato oddajajo infrardeče lasersko sevanje z valovno dolžino 1315 nm. Laserje, ki temeljijo na tako imenovanih ekscimernih molekulah, ki so na splošno lahko le v vzbujenem stanju, pogosto imenujemo laserji. V procesu črpanja se energija porabi za združitev razpršenih atomov v molekulo, hkrati pa se takoj izkaže, da je vzbujena, pripravljena na sevanje. In ko se je odrekel svojemu kvantu sevanja in prispeval k nastanku laserskega žarka, se ekscimerna molekula preprosto razpade, njeni atomi se skoraj takoj razpršijo. Prvi excimer laser je bil ustvarjen pred desetimi leti v laboratoriju akademika N. G. Basova, ultravijolično lasersko sevanje z valovno dolžino 176 nm je bilo tukaj pridobljeno z vzbujanjem tekočega ksenona Xe2 z močnim elektronskim žarkom. Pet let pozneje so v več ameriških laboratorijih pridobili lasersko sevanje na drugih ekscimernih molekulah, predvsem spojinah inertnih plinov s halogeni, na primer XeF, XeCl, XeBr, KrF in drugi. Excimer laserji delujejo tako v vidnem kot v ultravijoličnem območju in omogočajo nekaj frekvenčnih sprememb. Ustvarjeni so bili laserji z učinkovitostjo 10 % in energijo 200 J na impulz.

MOČNI LASERJI

Eden glavnih trendov v razvoju sodobne uporabne fizike je sprejemanje vedno višjih gostot energije in iskanje načinov za njeno sprostitev v vedno krajšem času. Hiter napredek kvantne elektronike je pripeljal do ustvarjanja velike družine močnih laserjev. Laserji velike moči so odprli bistveno nove možnosti tako za doseganje rekordno visokih koncentracij energije v prostoru in času kot za zelo priročno oddajanje svetlobne energije v snov. Preden se seznanite s konkretnimi rezultati o ustvarjanju laserjev velike moči, se je koristno spomniti, da jih lahko razdelimo v tri skupine - impulzne, ponavljajoče impulzne in neprekinjene. Prvi oddajajo svetlobo v posameznih impulzih, drugi v neprekinjenih serijah impulzov, in končno, tretji oddajajo neprekinjeno sevanje.

Moč je relativna lastnost, pove, kakšno delo je opravljeno, kakšna energija se porabi ali prejme na enoto časa. Enota moči, kot veste, je vat (W) - ustreza 1 J energije, ki se sprosti v 1 sekundi (s). Če se sproščanje te energije raztegne za 10 s, potem bo za vsako sekundo le 0,1 J in zato bo moč 0,1 W. No, če se 1 J energije sprosti v stotinki sekunde, bo moč že 100 vatov. Ker bi pri takšni intenzivnosti procesa na sekundo izdali 100 J. Na to "bi" ne bi smeli biti pozorni - pri določanju moči ni pomembno, da je proces trajal le stotinko in v tem času se je sprostilo malo energije. Moč ne govori o popolni, končni akciji, temveč o njeni intenzivnosti, o njeni koncentraciji v času. Če je delo potekalo dovolj dolgo, vsaj več kot sekundo, potem moč kaže, kaj je bilo dejansko opravljeno v eni sekundi.

V impulznem laserju sevanje traja zelo kratek čas, nekaj nepomembnih delčkov sekunde, in tudi z majhno sevano energijo se izkaže, da je proces zelo stisnjen, koncentriran v času, moč pa se izkaže za ogromno. . Na primer, kar se je zgodilo v prvem laserju, v prvem rubinastem laserju, ustvarjenem leta 1960: oddajal je svetlobni impulz z energijo približno 1 J in trajanjem 1 ms (milisekunda, tisočinka sekunde), da je je bila impulzna moč 1 kW. Čez nekaj časa so se pojavili laserji, ki so oddajali enak joul energije v veliko krajšem impulzu – do 10 ns (nanosekunda, milijardna sekunda). V tem primeru je moč impulza z energijo istega joula že dosegla 100 tisoč kW. To še ni HE Kuibyshevskaya, ki ima moč 2 milijona kW, je pa že elektrarna za majhno mesto. Seveda s to razliko, da laser to ogromno moč razvije v le bilijotinki sekunde, elektrarna pa neprekinjeno 24 ur na dan. Trenutni laserji dajejo impulze s trajanjem do 0,01 ns, z enako energijo 1 J njihova moč doseže 100 milijonov kW.

Laserski žarek je tok izjemno urejenega koherentnega sevanja, visoko usmerjenega, zgoščenega znotraj majhnega trdnega kota. Za vse te lastnosti plačamo tako visoko ceno - učinkovitost laserja je delce odstotka ali v najboljšem primeru nekaj odstotkov, torej deset ali celo sto joulov energije črpalke je treba porabiti za vsakega joula laserskega sevanja. A pogosto je tudi tako visoka pristojbina povsem upravičena – z izgubo količine pridobimo kakovost. Zlasti koherentnost, usmerjenost laserskega žarka v kombinaciji z naknadnim fokusiranjem v zelo majhnem volumnu, na primer na kroglo s premerom 0,1 mm, in stiskanje procesa v času, to je s sevanjem z zelo kratki impulzi, omogoča pridobivanje velikih gostot energije. To spominja na tabelo 1. Iz tabele je razvidno, da je koncentracija energije v fokusiranem laserskem žarku velike moči le tisočkrat manjša od nekakšne rekordne vrednosti za popolno anihilacijo snovi normalne gostote, popolno pretvorbo mase v energijo. Povečanje moči laserja je povezano z nekaterimi pogoste težave, najprej z lastnostmi delovne tekočine, torej same snovi, kjer se sevanje rodi. Obstajajo pa tudi težave, značilne za impulzne, ponavljajoče impulzne in neprekinjene laserje. Na primer, eden od pomembnih problemov za impulzne laserje je stabilnost optičnih elementov v močnem svetlobnem polju zelo kratkih impulzov. Pri neprekinjenih in ponavljajočih se impulzih je problem odvajanja toplote zelo pomemben, saj ti laserji razvijejo visoko povprečno moč. Pri laserju, ki deluje v načinu dolgega rafa, impulzna moč kaže, kako časovno koncentrirana je energija enega impulza in povprečje o delu, ki ga opravi serija impulzov, ki je trajalo sekundo. Torej, na primer, če laser na sekundo daje 20 impulzov s trajanjem 1 ms in energijo 1 J, potem bo moč impulza 1 kW, povprečna pa 20 W.

Vse vrste laserjev so se začele s precej skromnimi energijskimi indikatorji in so jih pogosto izboljševali na različne načine. Zlasti prvi impulzni laser je deloval v načinu prostega teka - v njem se je spontano pojavil plaz laserskega sevanja in se po koncu vzbujanja spet ustavil. Impulz je po današnjih standardih trajal dolgo, kar je določalo relativno nizko moč impulza.

Nekaj ​​let pozneje so se naučili krmiliti generacijo z metodo Q-preklopa, pri čemer so v resonator vnesli Kerrovo celico ali drug podoben element, ki spremeni njegovo optične lastnosti... V normalnem stanju je celica zaprta, neprozorna in v votlini se ne pojavi laserski plaz. Le pod delovanjem kratkega električnega impulza se celica odpre in v delovnem mediju se pojavi kratek laserski impulz. Njegovo trajanje je lahko le nekajkrat daljše od časa prehoda svetlobe med laserskimi ogledali, torej je lahko 10–20 ns.

Ta metoda je dala opazno povečanje impulzne moči zaradi zmanjšanja trajanja impulza. V sinhronizacijskem načinu ali drugače v načinu zaklepanja se sprejemajo zelo kratki impulzi, do pikosekundnih. Tu se v resonator vnese poseben nelinearni element, ki se obnaša drugače, je neenakomerno beljen za izbruhe sevanja različnih intenzitet in tako rekoč iz nanosekundnega svetlobnega impulza izreže zelo kratke pikosekundne izbruhe.

UPORABA LASEROV

UPORABA LASEROV V MEDICINI

V medicini so laserske naprave našle svojo uporabo v obliki laserskega skalpela. Njegovo uporabo za kirurške operacije določajo naslednje lastnosti:

1. Naredi razmeroma brezkrven rez, saj sočasno z disekcijo tkiv koagulira robove rane, "zavari" ne prevelike krvne žile;

2. Laserski skalpel ima dosledno rezalno zmogljivost. Če udarite v trden predmet (kot je kost), skalpel ne bo poškodoval. Za mehanski skalpel bi bilo to usodno;

3. Laserski žarek zaradi svoje preglednosti omogoča kirurgu, da vidi operirano območje. Rezilo navadnega skalpela, pa tudi rezilo električnega noža, kirurgu vedno do neke mere ovira delovno polje;

4. Laserski žarek razreže tkivo na daljavo, ne da bi imel mehanski učinek na tkivo;

5. Laserski skalpel zagotavlja absolutno sterilnost, saj s tkivom deluje le sevanje;

6. Laserski žarek deluje strogo lokalno, izhlapevanje tkiva se pojavi le na žarišču. Sosednje tkivo je veliko manj poškodovano kot pri uporabi mehanskega skalpela;

7. Klinična praksa je pokazala, da rana iz laserskega skalpela skoraj ne boli in se hitreje celi.

Praktična uporaba laserja v kirurgiji se je začela v ZSSR leta 1966 na Inštitutu A. V. Vishnevsky. Laserski skalpel je bil uporabljen pri operacijah na notranjih organov prsni koš in trebušni votlini. Trenutno se laserski žarek uporablja za plastično kirurgijo, operacije požiralnika, želodca, črevesja, ledvic, jeter, vranice in drugih organov. Zelo mamljivo je izvajati operacije z laserjem na organih, ki vsebujejo veliko število krvnih žil, na primer na srcu, jetrih.

Trenutno se v medicini intenzivno razvija nova smer - laserska mikrokirurgija očesa. Raziskave na tem področju potekajo na Inštitutu za očesne bolezni VP Filatov Odessa, na Moskovskem raziskovalnem inštitutu za mikrokirurgijo očesa in v mnogih drugih "očesnih centrih" držav Commonwealtha.Prva uporaba laserja v oftalmologiji je bila povezana z zdravljenjem. odmika mrežnice. Svetlobni impulzi iz rubinskega laserja se pošljejo v oko skozi zenico (energija impulza 0,01 - 0,1 J, trajanje reda 0,1 s). Prosto prodrejo skozi prozorno steklovino in jih absorbira mrežnica. Z osredotočanjem sevanja na odluščeno območje se slednje s koagulacijo "privari" na fundus. Operacija je hitra in popolnoma neboleča.

Na splošno ločimo pet najresnejših očesnih bolezni, ki vodijo do slepote. To so glavkom, katarakta, odmik mrežnice, diabetična retinopatija in maligni tumorji. Danes se vse te bolezni uspešno zdravijo z laserji, le za zdravljenje tumorjev pa so bile razvite in uporabljene tri metode:

1. Lasersko obsevanje - obsevanje tumorja z defokusiranim laserskim žarkom, ki vodi do smrti rakavih celic, njihove izgube sposobnosti razmnoževanja

2. Laserska koagulacija - uničenje tumorja z zmerno osredotočenim sevanjem.

3. Laserska kirurgija je najbolj radikalna metoda. Sestoji iz izrezovanja tumorja skupaj s sosednjimi tkivi s fokusiranim sevanjem.

HOLOGRAFIJA

VZPON HOLOGRAFIJE

Metoda fotografiranja, ki se uporablja za ohranjanje podobe predmetov, je poznana že dolgo časa in je zdaj najbolj dostopen način za pridobitev slike predmeta na katerem koli mediju (fotografski papir, film). Vendar so podatki na fotografiji zelo omejeni. Zlasti ni podatkov o razdaljah različni deli predmet s fotografske plošče in druge pomembne značilnosti. Z drugimi besedami, navadna fotografija vam ne omogoča popolne rekonstrukcije valovne fronte, ki je bila na njej registrirana. Fotografija vsebuje bolj ali manj natančne podatke o amplitudah posnetih valov, o fazah valov pa absolutno ni podatkov. Holografija omogoča odpraviti to pomanjkljivost običajne fotografije in na fotografsko ploščo zabeležiti podatke ne le o amplitudah valov, ki padajo nanjo, ampak tudi o fazah, torej popolne informacije. Val, rekonstruiran s pomočjo takšnega posnetka, je popolnoma identičen izvirnemu, vsebuje vse informacije, ki jih je prvotni val vseboval. Zato so metodo poimenovali holografija, torej metoda polnega snemanja valov. Za izvedbo te metode v svetlobnem območju je potrebno sevanje z dovolj visoko stopnjo koherentnosti. Takšno sevanje je mogoče dobiti z laserjem. Zato je bila holografija praktično realizirana šele po ustvarjanju laserjev, ki oddajajo sevanje z visoko stopnjo koherentnosti. Idejo o holografiji je leta 1920 predstavil poljski fizik M. Wolfke (1883-1947), vendar je bila pozabljena. Leta 1947 je neodvisno od Wolfkeja idejo holografije predlagal in utemeljil angleški fizik D. Gabor, ki je leta 1971 prejel Nobelovo nagrado.

HOLOGRAFSKI METODE

Ko govorimo o procesu ustvarjanja holografske slike, je treba izpostaviti faze holografije:

1. Registracija amplitudnih in faznih značilnosti valovnega polja, ki ga odbija predmet opazovanja. Ta registracija poteka na fotografskih ploščah, imenovanih hologrami.

2. Izvleček iz holograma informacije o objektu, ki je na njem registriran. Za to je hologram osvetljen s svetlobnim žarkom.

Obstaja več načinov za izvajanje teh korakov v praksi.

Najpogostejši med njimi sta metoda ravnih valov in metoda trkajočih žarkov.

Standardni interferenčni vzorec je posledica interference koherentnih svetlobnih valov. Tako je za registracijo faznih razmerij v valovnem polju, ki nastane kot posledica odboja valovanja s strani predmeta opazovanja, potrebno, da je objekt v prostoru osvetljen z monokromatskim in koherentnim sevanjem. Potem bo imelo te lastnosti polje, ki ga predmet razprši v prostoru.

Če preučenemu polju, ki ga ustvari predmet, dodamo pomožno polje enake frekvence, na primer ravni val (običajno se imenuje referenčni val), nato pa po celotnem prostoru, kjer se oba valova sekata, se oblikuje kompleksna, a stacionarna porazdelitev območij medsebojnega ojačanja in slabljenja valov, torej stacionarni interferenčni vzorec, ki ga lahko posnamemo že na fotografski plošči.

Za obnovitev holografske slike, ki je že posneta na hologramu, mora biti slednji osvetljen z enakim laserskim žarkom, ki je bil uporabljen za snemanje. Slika predmeta nastane kot posledica uklona svetlobe na nehomogeni črnili holograma.

Leta 1962 je sovjetski znanstvenik Yu. N. Denisyuk predlagal metodo za pridobivanje holografskih slik, ki je razvoj metode barvne holografije, ki se takrat praktično ni uporabljala. Lippmann... Objekt opazovanja je osvetljen preko fotografske plošče (tudi v nemanifestiranem stanju je popolnoma prozoren za svetlobo). Stekleni substrat fotografske plošče je prevlečen s fotografsko emulzijo z debelino plasti približno 15 - 20 mikronov. Valovno polje, ki se odbija od predmeta, se širi nazaj proti emulzijski plasti. Začetni svetlobni žarek laserja, ki gre proti temu valu, deluje kot referenčni val. Zato se ta metoda imenuje metoda trkajočih se žarkov. Interferenca valov, ki nastanejo v debelini fotografske emulzije, povzroči njeno večplastno črnitev, ki beleži porazdelitev tako amplitud kot faz valovnega polja, ki ga razprši predmet opazovanja. Barvna holografija temelji na holografiji po metodi trka svetlobnih žarkov. Da bi razumeli načelo delovanja barvne holografije, se je treba spomniti, v katerih primerih človeško oko zazna sliko v barvi in ​​ne črno-belo.

Poskusi v fiziologiji vida so pokazali, da človek vidi sliko v barvi ali vsaj blizu naravni obarvanosti predmeta, če je reproducirana v vsaj treh barvah, na primer v modri, rdeči in zeleni. Kombinacija teh barv se izvaja z najbolj primitivno barvno reprodukcijo, ki jo izvaja metoda litografije(za visoko umetniške reprodukcije se uporablja 10-15 barvni tisk)

Ob upoštevanju posebnosti človeške percepcije je za obnovitev barvne podobe predmeta potrebno osvetliti sam predmet pri snemanju holograma hkrati ali zaporedoma z laserskim sevanjem treh spektralnih črt, ki so v valovnih dolžinah dovolj oddaljene ena od druge. . Nato se v debelini emulzije oblikujejo trije sistemi stoječih valov in s tem trije sistemi prostorskih rešetk z različno porazdelitvijo črnitve. Vsak od teh sistemov bo oblikoval sliko predmeta v svojem spektralnem območju bele barve, ki se uporablja pri rekonstrukciji slike. Zaradi tega bo v razhajajočem se snopu bele svetlobe, ki se odbije od obdelanega holograma, pridobljena barvna slika predmeta kot rezultat superpozicije treh delov spektra, ki ustreza minimalnim fiziološkim zahtevam človeškega vida. Holografija Denisyuk se pogosto uporablja za pridobivanje visokokakovostnih volumetričnih kopij različnih predmetov, na primer edinstvenih umetniških del.

UPORABA HOLOGRAFIJE

Kot je bilo že navedeno, je bila začetna naloga holografije pridobiti tridimenzionalno sliko. Z razvojem holografije na debeloslojnih ploščah je postalo mogoče ustvariti volumetrične barvne fotografije. Na tej podlagi se preučujejo načini realizacije holografskega filma, televizije itd. Zelo razširjena je ena od metod uporabne holografije, imenovana holografska interferometrija. Bistvo metode je naslednje. Na eni fotografski plošči sta zaporedno posneta dva interferenčna vzorca, ki ustrezata dvema različnima, a nekoliko različnima stanjima predmeta, na primer med deformacijo. Ko je tak "dvojni" hologram prosojen, nastaneta dve sliki predmeta, ki se med seboj spreminjata v enaki meri kot predmet v svojih dveh stanjih.

Rekonstruirani valovi, ki tvorijo ti dve sliki, so koherentni, interferirajo, na novi sliki pa so opazni interferenčni robovi, ki označujejo spremembo stanja predmeta. V drugi različici je hologram izdelan za določeno stanje predmeta. Ko je prosojen, se njegov predmet ne odstrani in se ponovno osvetli, kot v prvi fazi holografije. Nato ponovno dobimo dva vala, eden tvori holografsko sliko, drugi pa se širi od samega predmeta. Če je zdaj nekaj sprememb v stanju predmeta (v dveh zaporednih valovih je razlika v primerjavi s tistim, kar je bilo med osvetlitvijo holograma), potem med označenimi potmi in slika je prekrita z interferenčnimi robovi.

Opisana metoda se uporablja za preučevanje deformacij predmetov, njihovih tresljajev, translacijskega gibanja in rotacije, heterogenosti prosojnih predmetov itd. Interferenčni vzorec jasno kaže na razliko v deformacijah, napetostih v telesu, torzijskih momentih, porazdelitvi temperature itd. Za zagotavljanje natančnosti obdelave delov se lahko uporablja holografija.

ZAKLJUČEK

Laser je danes eno najmočnejših orodij v znanosti. Vseh področij njegove uporabe ni mogoče našteti, saj se za laser vsak dan najdejo nove naloge.

V tem delu smo obravnavali glavne vrste laserjev in njihovo načelo delovanja. Zajeta so bila tudi glavna področja uporabe, in sicer: industrija, medicina, Informacijska tehnologija, znanost.

Tako raznovrstne naloge lahko zaradi svojih lastnosti izvajamo z laserjem. Skladnost, monokromatičnost, visoka energijska gostota omogočajo reševanje zapletenih tehnoloških operacij.

Laser je instrument prihodnosti, ki je že trdno vstopil v naše življenje.

UVOD

1. NAČELO DELOVANJA IN VRSTE LASERJEV

1.1 OSNOVNE LASTNOSTI LASERSKEGA ŽARKA

1.2 POLPREVODNIŠKI LASER

1.3 TEKOČI LASER

1.3.1 LASERJI ZA BARVILA

1.4 KEMIJSKI LASER IN DRUGI

1.5 MOČNI LASERJI

1.5.1 VEČSTOPENJSKI IN VEČKANALNI SISTEMI

2. UPORABA LASERJEV

2.1 UPORABA LASERSKOG ŽARKA V INDUSTRIJI IN TEHNOLOGIJI

2.2 UPORABA LASEROV V MEDICINI

2.3 HOLOGRAFIJA

2.3.1 VIDEZ HOLOGRAFIJE

2.3.2 METODE HOLOGRAFIRANJA

2.3.3 UPORABA HOLOGRAFIJE

2.4 LASERSKE TEHNOLOGIJE - SREDSTVA ZA SNIMANJE IN OBDELAVA INFORMACIJ

ZAKLJUČEK

BIBLIOGRAFIJA

NAČELO DELOVANJA LASERJEV

Laserji temeljijo na pojavu stimuliranega sevanja, katerega obstoj je leta 1917 napovedal Einstein. Po Einsteinu poleg procesov običajnega sevanja in resonančne absorpcije obstaja še tretji proces - stimulirano (inducirano) sevanje. Svetloba resonančne frekvence, to je frekvenca, ki jo atomi lahko absorbirajo, pri prehodu na višje energijske nivoje, bi morala povzročiti sijaj atomov že na teh nivojih, če sploh obstajajo, v mediju. Pomembna lastnost To sevanje je v tem, da se oddana svetloba ne razlikuje od stimulativne svetlobe, torej sovpada s slednjo po frekvenci, fazi, polarizaciji in smeri širjenja. To pomeni, da stimulirana emisija doda svetlobnemu žarku natanko enake kvante svetlobe, ki jih resonančna absorpcija odstrani iz njega.

Atomi medija lahko absorbirajo svetlobo, saj so na nižji energijski ravni, medtem ko oddajajo na zgornjih ravneh. Iz tega sledi, da bo pri velikem številu atomov na spodnjih ravneh (vsaj večjem od števila atomov na zgornjih ravneh) svetloba, ki prehaja skozi medij, oslabljena. Nasprotno, če je število atomov na zgornjih ravneh več številk nenavdušeno, se bo svetloba, ki je prešla skozi to okolje, okrepila. To pomeni, da v tem okolju prevladuje stimulirano sevanje. Prostor med ogledali je napolnjen z aktivnim medijem, to je medijem, ki vsebuje večje število vzbujenih atomov (atomov, ki se nahajajo na zgornjih energijskih ravneh) kot nevzbujenih. Medij zaradi induciranega sevanja, ki se sproži s spontano emisijo enega od atomov, ojača svetlobo, ki prehaja skozenj.

Lasersko sevanje je sij predmetov pri normalnih temperaturah. Toda v normalnih pogojih je večina atomov v najnižjem energijskem stanju. Zato pri nizkih temperaturah

ZVEZNA ŽELEZNIŠKA AGENCIJA

ZVEZNI DRŽAVNI PRORAČUN

IZOBRAŽEVALNI ZAVOD VISOKE STROKOVNE IZOBRAŽEVANJA

"MOSKVSKA DRŽAVNA UNIVERZA ZA NAČINE KOMUNIKACIJE"

Inštitut za prometno tehnologijo in sisteme vodenja

Oddelek "Tehnologija transportnega inženiringa in popravila tirnih vozil"

povzetek

v disciplini: "Elektrofizikalne in elektrokemijske metode obdelave"

Tema: "Vrste in značilnosti laserjev"

Uvod

Izum laserja se uvršča med najbolj izjemne dosežke znanosti in tehnologije 20. stoletja. Prvi laser se je pojavil leta 1960 in takoj se je začel hiter razvoj laserske tehnologije. V kratkem času so bile ustvarjene različne vrste laserjev in laserskih naprav, namenjenih reševanju specifičnih znanstvenih in tehničnih problemov. Laserji so že osvojili trdne položaje v številnih sektorjih nacionalnega gospodarstva. Kot je povedal akademik A.P. Aleksandrov, zdaj vsak fant pozna besedo laser ... Pa vendar, kaj je laser, kako je zanimiv in uporaben? Eden od ustanoviteljev znanosti o laserjih - kvantne elektronike - akademik N.G. Basov na to vprašanje odgovarja takole: Laser je naprava, v kateri se energija, kot je toplotna, kemična, električna, pretvarja v električno energijo. magnetno polje- laserski žarek. S takšno pretvorbo se del energije neizogibno izgubi, vendar je pomembno, da ima nastala laserska energija neprimerljivo več visoka kvaliteta... Kakovost laserske energije je odvisna od njene visoke koncentracije in možnosti prenosa na precejšnjo razdaljo. Laserski žarek je mogoče usmeriti v drobno piko s premerom v vrstnem redu valovne dolžine svetlobe in pridobiti energijsko gostoto, ki presega energijsko gostoto jedrske eksplozije danes.

S pomočjo laserskega sevanja je bilo že mogoče doseči največ visoke vrednosti temperatura, tlak, jakost magnetnega polja. Končno je laserski žarek najbolj zmogljiv nosilec informacij in je v tej vlogi bistveno novo sredstvo za njegov prenos in obdelavo. ... Široka uporaba laserja v moderna znanost in tehniko pojasnjujejo posebne lastnosti laserskega sevanja. Laser je generator koherentne svetlobe. Za razliko od drugih svetlobnih virov (na primer žarnice z žarilno nitko ali fluorescenčne sijalke) laser proizvaja optično sevanje, za katerega je značilna visoka stopnja urejenosti svetlobnega polja ali, kot pravijo, visoka stopnja koherentnosti. Takšno sevanje je zelo monokromatsko in usmerjeno. Danes laserji uspešno delujejo v sodobni proizvodnji in se spopadajo z najrazličnejšimi nalogami. Laserski žarek se uporablja za rezanje tkanin in jeklene pločevine, varjenje karoserij avtomobilov in varjenje najmanjših delov v elektronski opremi, luknjanje v lomljivih in supertrdih materialih. Poleg tega laserska obdelava materialov omogoča povečanje učinkovitosti in konkurenčnosti v primerjavi z drugimi vrstami obdelave. Področje uporabe laserjev v znanstvena raziskava- fizikalni, kemični, biološki.

Izjemne lastnosti laserjev - izjemno visoka koherentnost in usmerjenost sevanja, možnost generiranja visoko intenzivnih koherentnih valov v vidnem, infrardečem in ultravijoličnem območju spektra, pridobivanje visoke gostote energije v neprekinjenem in impulznem načinu - že ob zori kvantne elektronike je pokazala možnost njihove široke uporabe v praktične namene. Od svojega začetka se je laserska tehnologija zelo hitro razvijala. Pojavljajo se nove vrste laserjev, hkrati pa se izboljšujejo stari: nastajajo laserske instalacije z nizom lastnosti, potrebnih za različne specifične namene, pa tudi različne vrste naprav za nadzor žarka, izboljšuje se merilna tehnologija. več in več. To je bil razlog za globok prodor laserjev v številne panoge nacionalnega gospodarstva, zlasti v strojno in instrumentalno izdelavo.

Posebej je treba poudariti, da razvoj laserskih metod ali, z drugimi besedami, laserskih tehnologij, bistveno povečuje učinkovitost sodobne proizvodnje. Laserske tehnologije omogočajo najbolj popolno avtomatizacijo proizvodnih procesov.

Današnji napredek laserske tehnologije je ogromen in impresiven. Jutri se obeta še več veličastnih dosežkov. Veliko upanja se polaga na laserje, od ustvarjanja tridimenzionalnega filma do rešitve tovrstnih globalne težave, kot vzpostavitev ultra dolgih zemeljskih in podvodnih optičnih komunikacij, reševanje skrivnosti fotosinteze, izvajanje nadzorovane termonuklearne reakcije, nastanek sistemov z veliko količino pomnilnika in hitrih vhodno-izhodnih naprav.

1. Klasifikacija laserjev

Običajno je razlikovati med dvema vrstama laserjev: ojačevalniki in generatorji. Na izhodu ojačevalnika se lasersko sevanje pojavi, ko na njegov vhod prispe nepomemben signal na prehodni frekvenci (in sam je že v vzbujenem stanju). Prav ta signal spodbudi vzbujene delce, da sprostijo energijo. Pojavi se plazovito povečanje. Tako je na vhodu šibko sevanje, na izhodu pa ojačano. To ne velja za generator. Na vhodu se sevanje na prehodni frekvenci ne dovaja več, temveč vzbuja in poleg tega prekomerno vzbuja aktivno snov. Poleg tega, če je aktivna snov v prekomerno vzbujenem stanju, se verjetnost spontanega prehoda enega ali več delcev z zgornje ravni na spodnjo znatno poveča. To vodi do generiranja stimulirane emisije.

Drugi pristop k klasifikaciji laserjev je povezan s fizikalnim stanjem učinkovine. S tega vidika so laserji v trdnem stanju (na primer rubin, steklo ali safir), plinski (na primer helij-neon, argon itd.), Tekoči, če se kot aktivna snov uporablja polprevodniški prehod, potem se laser imenuje polprevodnik.

Tretji pristop k razvrščanju je povezan z načinom vzbujanja učinkovine. Obstajajo naslednji laserji: z vzbujanjem zaradi optičnega sevanja, z vzbujanjem s tokom elektronov, z vzbujanjem s sončno energijo, z vzbujanjem zaradi energij eksplodirajočih žic, z vzbujanjem s kemično energijo, z vzbujanjem z jedrskim sevanjem. Laserje odlikuje tudi narava oddane energije in njena spektralna sestava. Če se energija oddaja v impulzih, potem govorijo o impulznih laserjih, če neprekinjeno, potem laser imenujemo laser z neprekinjenim sevanjem. Obstajajo laserji z mešanim načinom delovanja, na primer polprevodniški. Če je lasersko sevanje koncentrirano v ozkem območju valovnih dolžin, se laser imenuje monokromatski, če je v širokem območju, se imenuje širokopasovni laser.

Druga vrsta klasifikacije temelji na uporabi koncepta izhodne moči. Laserji z neprekinjeno (povprečno) izhodno močjo več kot 106 W se imenujejo laserji velike moči. Z izhodno močjo v območju 105 ... 103 W imamo laserje srednje moči. Če je izhodna moč manjša od 10-3 W, potem govorimo o laserjih z nizko močjo.

Glede na zasnovo odprtega zrcalnega resonatorja ločimo laserje s konstantnimi Q-stikali in laserje z moduliranimi Q-stikali - pri takem laserju je eno od ogledal mogoče postaviti zlasti na os električni motor, ki vrti to ogledalo. V v tem primeru Q-faktor resonatorja se občasno spreminja od nič do največje vrednosti. Tak laser se imenuje Q-moduliran laser.

2. Značilnosti laserjev

Ena od značilnosti laserjev je valovna dolžina oddane energije. Obseg valovnih dolžin laserskega sevanja sega od rentgenskega do daljnega infrardečega, t.j. od 10-3 do 102 mikronov. Za območjem 100 mikronov se skriva, figurativno rečeno, deviško zemljo ... A sega le do milimetrskega odseka, ki ga obvladajo radijci. To nerazvito območje se nenehno zožuje in upamo, da bo njegov razvoj v bližnji prihodnosti končan. Delež različnih vrst generatorjev ni enak. Najširši razpon za plinske kvantne generatorje.

Energija impulza je še ena pomembna lastnost laserjev. Meri se v džulih in dosega najvišjo vrednost za polprevodniške generatorje – približno 103 J. Tretja značilnost je moč. Plinski generatorji, ki oddajajo neprekinjeno, imajo nazivno moč od 10-3 do 102 vata. Generatorji, ki uporabljajo mešanico helija in neona kot aktivni medij, imajo milivatno moč. Generatorji CO2 imajo moč približno 100 vatov. Pri polprevodniških generatorjih je govor o moči zelo smiseln. Na primer, če vzamemo sevano energijo 1 J, koncentrirano v intervalu ene sekunde, bo moč 1 W. Toda trajanje sevanja rubinskega generatorja je 10-4 s, zato je moč 10.000 W, t.j. 10 kW. Če se trajanje impulza s pomočjo optičnega zaklopa zmanjša na 10-6 s, je moč 106 W, t.j. megavat. To ni meja! Energijo impulza lahko povečate na 103 J in zmanjšate njeno trajanje na 10-9 s, nato pa bo moč dosegla 1012 W. In to je zelo velika moč. Znano je, da ko ima kovina jakost žarka, ki doseže 105 W / cm2, se kovina začne taliti, pri intenzivnosti 107 W / cm2 kovina zavre, pri 109 W / cm2 pa lasersko sevanje začne močno ionizirati hlape. snovi in ​​jih pretvori v plazmo.

Druga pomembna značilnost laserja je razhajanje laserskega žarka. Plinski laserji imajo najožji žarek. To je nekaj ločnih minut. Divergenca žarka polprevodniških laserjev je približno 1 ... 3 kotne stopinje. Polprevodniški laserji imajo režno odprtino sevanja: v eni ravnini približno eno stopinjo, v drugi - približno 10 ... 15 kotnih stopinj.

Druga pomembna značilnost laserja je območje valovnih dolžin, v katerem je sevanje koncentrirano, t.j. enobarvnost. Plinski laserji imajo zelo visoko monokromatičnost, je 10-10, t.j. bistveno višje kot pri plinskih sijalkah, ki so bile prej uporabljene kot frekvenčni standardi. Polprevodniški laserji, zlasti polprevodniški laserji, imajo pomembno frekvenčno območje sevanja, torej niso zelo monokromatski.

Zelo pomembna lastnost laserjev je učinkovitost. V trdnem stanju je od 1 do 3,5%, v plinu 1 ... 15%, v polprevodniku 40 ... 60%. Hkrati se sprejmejo vsi možni ukrepi za povečanje učinkovitosti laserjev, saj nizka učinkovitost vodi v potrebo po hlajenju laserjev na temperaturo 4 ... 77 K, kar takoj zaplete zasnovo opreme.

2.1 Polprevodniški laserji

Polprevodniški laserji so razdeljeni na impulzne in neprekinjene. Med impulznimi laserji so pogostejše naprave na osnovi rubinskega in neodimovega stekla. Valovna dolžina neodimskega laserja je l = 1,06 μm. Te naprave so razmeroma velike palice, katerih dolžina doseže 100 cm, premer pa 4-5 cm.Energija impulza generiranja takšne palice je 1000 J za 10-3 sekunde.

Rubinski laser odlikuje tudi visoka impulzna moč, ki traja 10-3 sekunde, njegova energija znaša na stotine joulov. Hitrost ponovitve impulza lahko doseže nekaj kHz.

Najbolj znani cw laserji so izdelani na kalcijevem fluoritu s primesjo disprozija in laserji na itrijevo-aluminijevem granatu, v katerem so nečistoče atomov redkih zemelj. Valovne dolžine teh laserjev so v območju od 1 do 3 mikronov. Moč impulza je približno 1 W ali njen delež. Laserji za itrij-aluminij granat so načini za zagotavljanje impulzne moči do nekaj deset vatov.

Polprevodniški laserji praviloma uporabljajo večmodno laserje. Enomodno lasersko tvorbo lahko dosežemo z vnosom selektivnih elementov v resonator. To odločitev je povzročilo zmanjšanje ustvarjene moči sevanja.

Kompleksnost proizvodnje polprevodniških laserjev je v potrebi po gojenju velikih monokristalov ali taljenju velikih vzorcev prozornega stekla. Te težave smo premagali z izdelavo tekočih laserjev, kjer je aktivni medij tekočina, v katero se vnašajo redkozemeljski elementi. Kljub temu imajo tekoči laserji številne pomanjkljivosti, ki omejujejo njihovo področje uporabe.

2.2 Tekoči laserji

Tekoči laserji so laserji s tekočim aktivnim medijem. Glavna prednost te vrste naprave je možnost kroženja tekočine in s tem njeno hlajenje. Posledično je mogoče pridobiti več energije tako v impulznem kot v neprekinjenem načinu.

Prvi tekoči laserji so bili izdelani na osnovi kelatov redkih zemelj. Pomanjkljivosti teh laserjev so nizka raven dosegljive energije in kemična nestabilnost kelatov. Posledično ti laserji niso bili uporabljeni. Sovjetski znanstveniki so predlagali uporabo anorganskih aktivnih tekočin v laserskem mediju. Laserje, ki temeljijo na njih, odlikujejo visoke impulzne energije in zagotavljajo povprečne kazalnike moči. Tekoči laserji, ki temeljijo na takem aktivnem mediju, so sposobni generirati sevanje z ozkim frekvenčnim spektrom.

Druga vrsta tekočih laserjev so naprave, ki delujejo na raztopinah organskih barvil, za katere so značilne široke spektralne luminiscenčne črte. Tak laser je sposoben zagotoviti neprekinjeno uravnavanje valovnih dolžin oddane svetlobe v širokem razponu. Pri zamenjavi barvil je zagotovljeno prekrivanje celotnega vidnega spektra in dela infrardečega. Vir črpanja v takšnih napravah so praviloma polprevodniški laserji, možna pa je uporaba plinskih žarnic, ki zagotavljajo kratke utripe bele svetlobe (manj kot 50 μsec).

2.3 Plinski laserji

Obstaja veliko sort. Eden od njih je fotodisociacijski laser. Uporablja plin, katerega molekule se pod vplivom optičnega črpanja disociirajo (razpadejo) na dva dela, od katerih se eden izkaže v vzbujenem stanju in se uporablja za lasersko sevanje.

Veliko skupino plinskih laserjev sestavljajo laserji z razelektritvijo v plinu, pri katerih je aktivni medij redčen plin (tlak 1-10 mm Hg), črpanje pa poteka z električnim razelektritvijo, ki je lahko žareča ali obločna in je ustvari enosmerni ali izmenični tok visoke frekvence (10 -50 MHz).

Obstaja več vrst plinskih laserjev. V ionskih laserjih se sevanje pridobi zaradi prehodov elektronov med energijskimi nivoji ionov. Primer je argonski laser, ki uporablja DC obločno razelektritev.

Atomski prehodni laserji nastajajo zaradi prehodov elektronov med energijskimi nivoji atomov. Ti laserji oddajajo sevanje z valovno dolžino 0,4-100 mikronov. Primer je helij-neonski laser, ki deluje na mešanico helija in neona pod tlakom približno 1 mm Hg. Umetnost. Za črpanje služi žareča razelektritev, ki jo ustvari konstantna napetost približno 1000 V.

Med laserje z razelektritvijo v plinu sodijo tudi molekularni laserji, pri katerih sevanje nastane zaradi prehodov elektronov med energijskimi nivoji molekul. Ti laserji imajo široko frekvenčno območje, ki ustreza valovnim dolžinam od 0,2 do 50 µm.

Najpogostejši laser z molekularnim ogljikovim dioksidom (CO2). Lahko zagotovi moč do 10 kW in ima precej visoko učinkovitost - približno 40%. Glavnemu ogljikovemu dioksidu se običajno dodajo nečistoče dušika, helija in drugih plinov. Za črpanje se uporablja enosmerni tok ali visokofrekvenčna sijalka. Laser z ogljikovim dioksidom proizvaja sevanje z valovno dolžino približno 10 mikronov. Shematično je prikazano na sl. 1.

riž. 1 - Princip CO2 laserja

Različni CO2 laserji so plinskodinamični. V njih je inverzna populacija, potrebna za lasersko sevanje, dosežena zaradi dejstva, da plin, predgret na 1500 K pri tlaku 20-30 atm, vstopi v delovno komoro, kjer se razširi, njegova temperatura in tlak pa močno padeta. Takšni laserji lahko oddajajo neprekinjeno sevanje do 100 kW.

Med molekularne laserje spadajo tako imenovani ekscimerni laserji, pri katerih je delovni medij inerten plin (argon, ksenon, kripton itd.) ali njegova kombinacija s klorom ali fluorom. V takšnih laserjih črpanje ne poteka z električnim razelektritvijo, temveč s pretokom tako imenovanih hitrih elektronov (z energijo več sto keV). Najkrajši je oddani val, na primer pri argonskem laserju 0,126 μm.

Večje moči sevanja je mogoče doseči, če povečamo tlak plina in uporabimo črpanje z ionizirajočim sevanjem v kombinaciji z zunanjim električnim poljem. Ionizirajoče sevanje služi kot tok hitrih elektronov ali ultravijoličnega sevanja. Takšni laserji se imenujejo EI ali laserji na stisnjen plin. Laserji te vrste so shematično prikazani na sl. 2.

riž. 2 - Elektroionizacijsko črpanje

Vzbujene molekule plina zaradi energije kemične reakcije se pridobivajo s kemičnimi laserji. Uporablja mešanico nekaterih kemično aktivnih plinov (fluor, klor, vodik, vodikov klorid itd.). Kemične reakcije v takšnih laserjih morajo potekati zelo hitro. Za pospeševanje se uporabljajo posebna kemična sredstva, ki nastanejo pri disociaciji molekul plina pod delovanjem optičnega sevanja, električnega razelektritve ali elektronskega žarka. Primer kemičnega laserja je laser, ki temelji na mešanici fluora, vodika in ogljikovega dioksida.

Posebna vrsta laserja je plazma laser. Aktivni medij v njem je visoko ionizirana parna plazma zemeljskoalkalijske kovine(magnezij, barij, stroncij, kalcij). Za ionizacijo se uporabljajo tokovni impulzi z močjo do 300 A pri napetosti do 20 kV. Trajanje impulza je 0,1-1,0 μs. Sevanje takšnega laserja ima valovno dolžino 0,41-0,43 mikronov, lahko pa je tudi v ultravijoličnem območju.

2.4 Polprevodniški laserji

Čeprav so polprevodniški laserji polprevodniški laserji, jih običajno uvrščamo v posebno skupino. Pri teh laserjih koherentno sevanje dobimo zaradi prehoda elektronov iz spodnjega roba prevodnega pasu na zgornji rob valenčnega pasu. Obstajata dve vrsti polprevodniških laserjev. Prva ima ploščo čistega polprevodnika, v kateri črpanje izvaja snop hitrih elektronov z energijo 50-100 keV. Možno je tudi optično črpanje. Kot polprevodniki se uporabljajo galijev arzenid GaAs, kadmijev sulfid CdS ali kadmijev selenid CdSe. Črpanje z elektronskim žarkom povzroči močno segrevanje polprevodnika, kar poslabša lasersko sevanje. Zato takšni laserji potrebujejo dobro hlajenje. Na primer, galijev arzenidni laser se običajno ohladi na temperaturo 80 K.

Črpanje elektronskega snopa je lahko prečno (slika 3) ali vzdolžno (slika 4). Pri prečnem črpanju sta dve nasprotni strani polprevodniškega kristala polirani in delujeta kot ogledala optičnega resonatorja. V primeru vzdolžnega črpanja se uporabljajo zunanja ogledala. Vzdolžno črpanje bistveno izboljša hlajenje polprevodnikov. Primer takega laserja je kadmijev sulfidni laser, ki ustvarja sevanje z valovno dolžino 0,49 μm in ima približno 25-odstotni izkoristek.

riž. 3 - Prečno črpanje z elektronskim žarkom

riž. 4 - Vzdolžno črpanje z elektronskim žarkom

Druga vrsta polprevodniškega laserja je tako imenovani injekcijski laser. Ima p-n-stičišče (slika 5), ​​ki ga tvorita dva degenerirana nečistoča polprevodnika, v katerem je koncentracija donorskih in akceptorskih nečistoč 1018-1019 cm-3. Robovi, pravokotni na ravnino p-n-stičišča, so polirani in služijo kot ogledala optičnega resonatorja. Na tak laser se dovaja enosmerna napetost, pod vplivom katere se potencialna pregrada v pn spoju zniža in pride do vbrizgavanja elektronov in lukenj. V prehodnem območju se začne intenzivna rekombinacija nosilcev naboja, pri kateri elektroni prehajajo iz prevodnega pasu v valenčni pas in se pojavi lasersko sevanje. Galijev arzenid se uporablja predvsem za injekcijske laserje. Sevanje ima valovno dolžino 0,8-0,9 mikronov, učinkovitost je precej visoka - 50-60%.

riž. 5 - Načelo injekcijskega laserja

ojačevalnik generator žarkov val

Miniaturni injekcijski laserji s polprevodniškimi linearnimi dimenzijami približno 1 mm zagotavljajo neprekinjeno moč sevanja do 10 mW, v impulznem načinu pa imajo lahko moč do 100 W. Za doseganje visokih zmogljivosti je potrebno močno hlajenje.

Treba je opozoriti, da imajo laserji veliko različnih funkcij. Optična votlina je le v najpreprostejšem primeru sestavljena iz dveh ravno vzporednih ogledal. Uporabljajo se tudi bolj zapleteni dizajni resonatorjev z drugačno obliko ogledal.

Številni laserji vključujejo dodatne naprave za nadzor sevanja, ki se nahajajo znotraj votline ali zunaj nje. S pomočjo teh naprav se laserski žarek odkloni in fokusira, spreminjajo se različni parametri sevanja. Valovna dolžina različnih laserjev je lahko 0,1-100 mikronov. Pri impulznem sevanju se trajanje impulzov giblje od 10-3 do 10-12 s. Impulzi so lahko enojni ali sledijo s hitrostjo ponovitve do nekaj gigahercev. Dosegljiva moč je 109 W za nanosekundne impulze in 1012 W za ultrakratke pikosekundne impulze.

2.5 Barvni laserji

Laserji, ki uporabljajo organska barvila kot laserski material, običajno v obliki tekoče raztopine. Revolucionirali so lasersko spektroskopijo in uvedli novo vrsto laserjev s trajanjem impulza manj kot pikosekundo (ultrakratki impulzni laserji).

Kot črpanje se danes običajno uporablja drug laser, na primer Nd:YAG s črpanjem diode ali argonski laser. Zelo redko je najti barvni laser, ki ga črpa svetilka. Glavna značilnost laserjev z barvilom je njihova zelo velika širina ojačitvene zanke. Spodaj je tabela parametrov nekaterih barvnih laserjev.

Obstajata dve možnosti za uporabo tako velikega laserskega delovnega območja:

nastavitev valovne dolžine, pri kateri pride do generiranja -> laserska spektroskopija,

generiranje naenkrat v širokem razponu -> generiranje ultra kratkih impulzov.

V skladu s tema dvema možnostma se razlikujejo tudi dizajni laserjev. Če se za uravnavanje valovne dolžine uporablja običajna shema, se dodajo samo dodatni bloki za toplotno stabilizacijo in oddajanje sevanja s strogo določeno valovno dolžino (običajno prizma, difrakcijska rešetka ali bolj zapletene sheme), potem je veliko bolj zapletena nastavitev potrebni za ustvarjanje ultra kratkih impulzov. Zasnova kivete z aktivnim medijem je spremenjena. Zaradi dejstva, da je trajanje laserskega impulza na koncu 100 ÷ 30 10 ? 15 (svetloba v vakuumu uspe preiti le 30 ÷ 10 μm v tem času), mora biti inverzija populacije največja, to je mogoče doseči le z zelo hitrim črpanjem raztopine barvila. Da bi to dosegli, se uporablja posebna zasnova kivete s prostim tokom barvila (barvilo se črpa iz posebne šobe s hitrostjo približno 10 m / s). Najkrajše impulze dobimo z obročnim resonatorjem.

2.6 Laser z brezplačnimi elektronskimi napravami

Vrsta laserja, pri katerem sevanje generira monoenergetski elektronski žarek, ki se širi v undulatorju, je periodični sistem odklonska (električna ali magnetna) polja. Elektroni, ki delajo periodična nihanja, oddajajo fotone, katerih energija je odvisna od energije elektronov in parametrov undulatorja.

Za razliko od plinskih, tekočih ali trdnih laserjev, kjer se elektroni vzbujajo v vezanih atomskih ali molekularnih stanjih – pri FEL je vir sevanja snop elektronov v vakuumu, ki poteka skozi vrsto posebej razporejenih magnetov – undulator (wiggler) , zaradi česar se žarek premika po sinusni poti, pri čemer izgubi energijo, ki se pretvori v tok fotonov. Posledično nastane mehko rentgensko sevanje, ki se uporablja na primer za preučevanje kristalov in drugih nanostruktur.

S spreminjanjem energije elektronskega žarka in parametrov undulatorja (moč magnetnega polja in razdalja med magneti) je možno spreminjati frekvenco laserskega sevanja, ki ga ustvarja FEL, znotraj širokega dosega, kar je glavna razlika med FEL in drugimi laserji. Sevanje, ki ga generira FEL, se uporablja za preučevanje struktur v nanoskali - obstajajo izkušnje s slikanjem delcev velikosti 100 nanometrov (ta rezultat je bil dosežen z rentgensko mikroskopijo z ločljivostjo približno 5 nm). Zasnovo prvega laserja na prostih elektronih je leta 1971 objavil John M.J. Maidy kot del svojega doktorskega projekta na univerzi Stanford. Leta 1976 so Madie in sodelavci prikazali prve poskuse s FEL, pri čemer so uporabili 24 MeV elektrone in 5-metrski wiggler za ojačanje sevanja.

Moč laserja je bila 300 mW, učinkovitost pa je bila le 0,01 %, vendar se je pokazala učinkovitost tega razreda naprav, kar je privedlo do velikega zanimanja in strmega povečanja števila razvoja na področju FEL.

Tutorstvo

Potrebujete pomoč pri raziskovanju teme?

Naši strokovnjaki vam bodo svetovali ali nudili tutorske storitve o temah, ki vas zanimajo.
Pošljite povpraševanje z navedbo teme zdaj, da se pozanimate o možnosti pridobitve posveta.

Vsebina članka

LASER(optični kvantni generator) - naprava, ki generira koherentna in monokromatska elektromagnetna valovanja v vidnem območju zaradi stimulirane emisije ali sipanja svetlobe z atomi (ioni, molekule) aktivnega medija. Beseda "laser" je okrajšava angleškega izraza "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - ojačanje svetlobe s stimuliranim sevanjem. Oglejmo si te koncepte podrobneje.

Osnove teorije sevanja.

Iz zakonov kvantne mehanike ( cm... KVANTNA MEHANIKA) iz tega sledi, da lahko energija atoma zavzame le povsem določene vrednosti E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., ki jim pravimo energijske ravni. Najnižja raven E 0, pri kateri je energija atoma minimalna, se imenuje glavna. Preostale stopnje se začnejo od E 1 se imenujejo vzbujeni in ustrezajo višji energiji atoma. Atom preide z ene od nižjih ravni na višjo z absorpcijo energije, na primer pri interakciji s fotonom - kvantom elektromagnetnega sevanja. In ko gremo iz visoka stopnja nizkemu atomu odda energijo v obliki fotona. V obeh primerih je energija fotona E = h n je enak razliki med začetno in končno ravnjo:

h n mn = E m - E n (1)

kje h= 6,626176 · 10 –34 J · s je Planckova konstanta, n je frekvenca sevanja.

Atom v vzbujenem stanju je nestabilen. Prej ali slej (v povprečju v 10-8 sekundah) se bo v naključnem trenutku samostojno (spontano) vrnil v osnovno stanje in oddajal elektromagnetno valovanje - foton. Naključna narava prehodov vodi v dejstvo, da vsi atomi snovi oddajajo nehkratno in neodvisno, faze in smer gibanja elektromagnetnih valov, ki jih oddajajo, niso usklajeni. Tako delujejo običajni svetlobni viri - žarnice z žarilno nitko, elektronke za razelektritev v plinu, isti vir svetlobe je sonce itd. Njihova spontana emisija je nekoherentna.

Toda atom lahko oddaja foton tudi ne spontano, ampak pod delovanjem elektromagnetnega valovanja, katerega frekvenca je blizu prehodni frekvenci atoma, določeni s formulo (1):

n 21 = (E 2 – E 1)/h. (2)

Tako resonančni val tako rekoč »pretrese« atom in ga »pretrese« z zgornje energetske ravni na nižjo. Pojavi se prisilni prehod, pri katerem ima val, ki ga oddaja atom, enako frekvenco, fazo in smer širjenja kot primarni val. Ti valovi so koherentni; ko jih dodamo, se intenzivnost celotnega sevanja ali število fotonov poveča.

Uveden je bil pojem stimuliranega sevanja, njegovo posebno lastnost - koherenco - je teoretično napovedal A. Einstein leta 1916, P. Dirac pa ga je v letih 1927–1930 strogo utemeljil z vidika kvantne mehanike.

Običajno je število atomov v osnovnem stanju v snovi veliko večje od števila vzbujenih atomov. Zato svetlobni val pri prehodu skozi snov porabi svojo energijo za vzbujanje atomov. V tem primeru se intenzivnost sevanja zmanjša po Bouguerjevem zakonu:

jaz l = jaz 0 e - kl , (3)

kje jaz 0 - začetna intenzivnost, jaz l je intenzivnost sevanja, ki je prešla razdaljo l v snovi z absorpcijskim koeficientom k... Iz enačbe je razvidno, da medij zelo močno absorbira svetlobo – po eksponentnem zakonu.

Snov, v kateri je veliko več vzbujenih atomov kot atomov v osnovnem stanju, se imenuje aktivna. Število atomov na določeni ravni E n se imenuje populacija te ravni in situacija, ko E 2 > E 1 - inverzna populacija. Pustimo, da skozi aktivno snov prehaja elektromagnetno valovanje, katerega frekvenca je n = n 21. Nato zaradi sevanja med prisilnimi prehodi E 2 ® E 1 (kar je veliko več kot dejanja prevzema E 1 ® E 2) prišlo bo do njegove krepitve. In z vidika kvantne mehanike to pomeni, da vsak foton, ki leti skozi snov, povzroči pojav popolnoma enakega fotona. Skupaj ustvarita še dva fotona, ti štiri – osem in tako naprej – v učinkovini se pojavi fotonski plaz. Ta pojav vodi do eksponentnega zakona rasti intenzivnosti sevanja, ki je zapisan podobno kot Bouguerjev zakon (3), vendar s kvantnim dobičkom a namesto - k:

jaz l = jaz 0 e a l(4)

V praksi pa do tako hitrega povečanja števila fotonov ne pride. V resničnih snoveh je vedno veliko dejavnikov, ki povzročajo izgubo energije elektromagnetnega valovanja (razprševanje zaradi nehomogenosti medija, absorpcija z nečistočami itd.). Posledično je mogoče doseči vsaj desetkratno ojačanje vala, le s povečanjem njegove dolžine poti v aktivnem mediju na nekaj metrov, kar pa ni enostavno izvesti. Obstaja pa še en način: namestiti aktivno snov med dve vzporedni ogledali (v resonatorju). Val, ki se v njih večkrat odbije, bo potoval razdaljo, zadostno za veliko ojačanje, če seveda ostane število vzbujenih atomov veliko, t.j. obrnjena populacija bo ostala.

Inverzno populacijo je mogoče izvajati in vzdrževati s pomočjo ločenega vira energije, ki tako rekoč s seboj »načrpa« učinkovino. Tak vir je lahko močna svetilka, električna razelektritev, kemična reakcija itd. Poleg tega je potrebno, da atomi na eni od zgornjih energijskih ravni ostanejo dovolj dolgo (seveda na lestvici kvantnih procesov), da se tam nabere okoli 50 % celotnega števila atomov v snovi. In za to je potrebno imeti vsaj tri energijske ravni delovnih delcev (atomov ali ionov).

Tristopenjska shema za ustvarjanje sevanja deluje na naslednji način. Črpanje prenaša atome z nižje energetske ravni E 0 na vrh E 3. Od tam se spustijo na nivo E 2, kjer lahko ostanejo dlje časa brez spontane emisije fotonov (ta raven se imenuje metastabilna). In šele pod vplivom prehodnega elektromagnetnega vala se atom vrne na glavno raven E 0, ki oddaja stimulirano sevanje s frekvenco n = (E 2 – E 0)/h skladno s prvotnim valom.

Pogoje za ustvarjanje obrnjene populacije in eksperimentalno detekcijo stimulirane emisije sta leta 1928 oblikovala nemški fizik R. Landenburg, leta 1939 pa neodvisno ruski fizik V. A. Fabrikant. Prvič je bil opažen stimulirano oddajanje v obliki kratkih radijskih impulzov. ameriški fiziki E. Parsell in R. Pound leta 1950. Leta 1951 so VA Fabrikant in njegovi sodelavci vložili avtorsko vlogo za "metodo za ojačanje elektromagnetnega sevanja (ultravijoličnega, vidnega, infrardečega, radijskega valovanja) s prehajanjem ojačanega sevanja skozi medij z obrnjena populacija." Vendar je bila ta aplikacija objavljena šele leta 1959 in ni mogla vplivati ​​na napredek dela pri ustvarjanju kvantnih generatorjev. Ker so o temeljni možnosti njihove gradnje začeli razpravljati že v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja neodvisno drug od drugega v ZSSR N. G. Basov in A. M. Prokhorov ter v ZDA C. Towns in J. Weber. In v letih 1954-1956 je bil razvit in izdelan prvi kvantni generator radijskega območja ( l= 1,25 cm), leta 1960 - rubin laser in plinski laser, dve leti pozneje pa polprevodniški laser.

Laserska naprava.

Kljub široki paleti vrst aktivnih medijev in metod za pridobivanje inverzne populacije imajo vsi laserji tri glavne dele: aktivni medij, črpalni sistem in votlino.

Aktivni medij - snov, v kateri se ustvari inverzna populacija - je lahko trdna (kristali rubinskega ali aluminijevo-itrijevega granata, steklo z primesjo neodima v obliki palic različnih velikosti in oblik), tekoča (raztopine anilinskih barvil ali raztopin neodimovih soli v kivetah) in plinastih (mešanica helija z neonom, argonom, ogljikovim dioksidom, nizkotlačna vodna para v steklenih ceveh). Polprevodniški materiali in hladna plazma, produkti kemičnih reakcij, proizvajajo tudi lasersko sevanje. Glede na vrsto aktivnega medija laserje imenujemo rubin, helij-neon, barvilo itd.

Resonator je par med seboj vzporednih ogledal, med katerimi je nameščen aktivni medij. Eno ogledalo ("dolgočasno") odbija vso svetlobo, ki pada nanj; drugi, poltransparentni, del sevanja se vrača v okolje za izvedbo stimuliranega sevanja, del pa oddaja zunaj v obliki laserskega žarka. Kot "gluho" ogledalo se pogosto uporablja prizma popolnega notranjega odboja ( cm... OPTIKA), kot prosojni - kup steklenih plošč. Poleg tega lahko z izbiro razdalje med ogledali resonator nastavite tako, da bo laser generiral sevanje samo enega, strogo določenega tipa (ti način).

Črpanje ustvari inverzno populacijo v aktivnih medijih in za vsak medij je najbolj priročno in učinkovita metodačrpanje. V trdnih in tekočih laserjih se uporabljajo bliskavice ali laserji, plinasti mediji se vzbujajo z električnim razelektritvijo, polprevodniki pa z električnim tokom.

Ko se v aktivnem elementu, ki je zaradi črpanja v notranjosti resonatorja, doseže inverzijsko stanje, se njegovi atomi občasno začnejo spontano spuščati na nivo tal in oddajati fotone. Fotoni, ki se oddajajo pod kotom na os resonatorja, povzročijo kratko verigo stimuliranih emisij v teh smereh in hitro zapustijo aktivni medij. In samo fotoni, ki potujejo vzdolž osi resonatorja in se večkrat odražajo v zrcalih, ustvarijo plaz koherentnega sevanja. V tem primeru so frekvence (načini sevanja) v ugodnem položaju, katerih celo število polvalov se prilega celemu številu krat na dolžino resonatorja.

Vrste laserjev.

Polprevodniški laserji. Prvi trdni aktivni medij je bil rubin - kristal korunda Al 2 O 3 z majhno primesjo kromovih ionov Cr +++. Zasnoval ga je T. Meiman (ZDA) leta 1960. Široko se uporabljajo tudi steklo s primesjo neodima Nd, itrij aluminijev granat Y 2 Al 5 O 12 s primesjo kroma, neodima in redkih zemeljskih elementov v obliki palic. . Polprevodniške laserje običajno črpa bliskavica, ki utripa približno 10-3 sekunde, laserski impulz pa se izkaže za polovico krajši. Del časa se porabi za ustvarjanje inverzne populacije, na koncu bliskavice pa postane intenzivnost svetlobe nezadostna za vzbujanje atomov in generacija se ustavi. Laserski impulz ima zapleteno strukturo, sestavljen je iz številnih ločenih vrhov s trajanjem približno 10-6 sekund, ločenih z intervali približno 10-5 sekund. V tem tako imenovanem načinu brezplačne generacije lahko impulzna moč doseže desetine kilovatov. Tehnično je nemogoče povečati moč preprosto z ojačanjem svetlobe črpalke in povečanjem velikosti laserske palice. Zato se moč laserskih impulzov poveča z zmanjšanjem njihovega trajanja. Za to je pred eno od ogledal resonatorja nameščen zaklop, ki preprečuje zagon laserja, dokler se skoraj vsi atomi aktivne snovi ne prenesejo na zgornji nivo. Nato se zaklop za kratek čas odpre in vsa nakopičena energija se prikaže v obliki tako imenovanega velikanskega impulza. Odvisno od rezerve energije in trajanja bliskavice se lahko moč impulza giblje od nekaj megavatov do deset teravatov (10 12 vatov).

Plinski laserji. Aktivni medij plinskih laserjev so nizkotlačni plini (od stotink do nekaj milimetrov živega srebra) ali njihove mešanice, ki napolnijo stekleno cev z spajkanimi elektrodami. Prvi plinski laser na osnovi mešanice helija in neona so kmalu po rubinastem laserju leta 1960 ustvarili A. Javan, W. Bennett in D. Erriot (ZDA). Plinski laserji se črpajo z električno razelektritvijo, ki jo napaja visokofrekvenčni generator. Ustvarjajo sevanje na enak način kot pri polprevodniških laserjih, vendar plinski laserji dajejo praviloma neprekinjeno sevanje. Ker je gostota plinov zelo majhna, mora biti dolžina cevi z aktivnim medijem dovolj velika, da masa aktivne snovi zadostuje za visoko intenzivnost sevanja.

Plinski laserji vključujejo tudi plinskodinamične, kemične in ekscimerne laserje (laserje, ki delujejo na elektronskih prehodih molekul, ki obstajajo samo v vzbujenem stanju).

Plinskodinamični laser je podoben reaktivnemu motorju, pri katerem se gorivo zgoreva z dodatkom molekul plinov aktivnega medija. V zgorevalni komori se molekule plina vzbujajo in, ko se ohladijo v nadzvočnem toku, oddajajo energijo v obliki koherentnega sevanja velike moči v infrardečem območju, ki izhaja čez tok plina.

Pri kemičnih laserjih (različica plinskodinamičnega laserja) se populacijska inverzija oblikuje zaradi kemičnih reakcij. Najvišjo moč razvijejo laserji, ki temeljijo na reakciji atomskega fluora z vodikom:

Tekoči laserji. Aktivni mediji teh laserjev (imenovanih tudi laserji z barvili) so različni organske spojine v obliki rešitev. Prvi barvni laserji so se pojavili v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Gostota njihove delovne snovi zavzema vmesno mesto trdno telo in plina, zato ustvarjajo dokaj močno sevanje (do 20 W) z majhno velikostjo celice z aktivno snovjo. Delujejo v impulznem in neprekinjenem načinu, črpajo jih pulzne sijalke in laserji. Vzbujene ravni molekul barvila so široke, zato tekoči laserji oddajajo več frekvenc hkrati. In z zamenjavo kivet z raztopinami barvil lahko lasersko sevanje uglasimo v zelo širokem razponu. Gladko uglaševanje frekvence sevanja se izvede z nastavitvijo resonatorja.

Polprevodniški laserji. To vrsto optičnih kvantnih generatorjev je leta 1962 hkrati ustvarilo več skupin ameriških raziskovalcev (R. Hall, MI Neuthen, T. Kvist in drugi), čeprav so teoretično utemeljitev svojega dela leta 1958 naredili NG Basov in njegovi sodelavci. Najpogostejši laserski polprevodniški material - galijev arzenid GaAr.

Po zakonih kvantne mehanike elektroni v trdni snovi zasedajo široke energijske pasove, sestavljene iz številnih neprekinjeno lociranih nivojev. Spodnji pas, imenovan valenčni pas, je od zgornjega (prevodnega pasu) ločen s tako imenovanim prepovedanim pasom, v katerem ni energijskih nivojev. V polprevodniku je prevodnih elektronov malo, njihova mobilnost je omejena, toda pod vplivom toplotnega gibanja lahko posamezni elektroni preskočijo iz valenčnega pasu v prevodni pas in v njem pustijo prazen prostor – »luknjo«. In če elektron z energijo E e se spontano vrne nazaj v prevodni pas, "rekombinira" z luknjo, ki ima energijo E d, ki ga spremlja sevanje iz prepovedanega območja fotona s frekvenco n = E NS - E e. Polprevodniški laser se črpa s konstantnim električnim tokom (v tem primeru se od 50 do skoraj 100 % njegove energije pretvori v sevanje); Resonator je običajno polirana ploskev polprevodniškega kristala.

Laserji v naravi. V vesolju so odkrili laserje naravnega izvora. Populacijska inverzija se pojavi v ogromnih medzvezdnih oblakih kondenziranih plinov. Črpajo se kozmično sevanje, svetloba bližnjih zvezd itd. Zaradi velikanske dolžine aktivnega medija (plinskih oblakov) – stotine milijonov kilometrov – takšni astrofizični laserji ne potrebujejo resonatorjev: elektromagnetno sevanje v območju valovnih dolžin od nekaj centimetrov (Rakova meglica) do mikronov (bližina zvezde Eta Karina) se v njih pojavi z enim samim prehodom vala.

Lastnosti laserskega sevanja.

Za razliko od običajnih virov toplotnega sevanja laser proizvaja svetlobo, ki ima številne posebne in zelo dragocene lastnosti.

1. Lasersko sevanje je koherentno in praktično monokromatsko. Pred pojavom laserjev so imeli to lastnost le radijski valovi, ki jih oddaja dobro stabiliziran oddajnik. In to je omogočilo obvladovanje obsega vidne svetlobe za izvajanje prenosa informacij in komunikacije, s čimer se je znatno povečala količina prenesenih informacij na enoto časa.

Zaradi dejstva, da se stimulirano sevanje širi strogo vzdolž osi resonatorja, se laserski žarek širi šibko: njegova divergenca je nekaj ločnih sekund.

Vse te lastnosti omogočajo fokusiranje laserskega žarka v izjemno majhno točko, pri čemer dobimo ogromno gostoto energije na žarišču.

2. Lasersko sevanje velike moči ima ogromno temperaturo.

Razmerje med energijo ravnotežnega sevanja E to frekvenco n in njeno temperaturo T definira Planckov zakon sevanja. Razmerje med temi količinami ima obliko družine krivulj v koordinatah frekvenca (abscisa) - energija (ordinata). Vsaka krivulja podaja porazdelitev energije v emisijskem spektru pri določeni temperaturi. Lasersko sevanje ni ravnovesno, vendar kljub temu nadomesti vrednosti svoje energije v Planckovo formulo E na enoto prostornine in frekvence n(ali izris njihovih vrednosti na graf), dobimo temperaturo sevanja. Ker je lasersko sevanje praktično monokromatsko, gostota energije (njena količina na enoto prostornine) pa je lahko izjemno visoka, lahko temperatura sevanja doseže enormne vrednosti. Na primer, impulzni laser z močjo reda petavata (10 15 W) ima temperaturo sevanja približno 100 milijonov stopinj.

Uporaba laserjev.

Edinstvene lastnosti laserskega sevanja so kvantne generatorje naredile nepogrešljivo orodje na različnih področjih znanosti in tehnologije.

1. Tehnološki laserji. Zmogljivi kontinuirani laserji se uporabljajo za rezanje, varjenje in spajkanje delov iz različnih materialov. Visoka temperatura sevanja omogoča varjenje materialov, ki jih ni mogoče povezati z drugimi metodami (na primer kovina s keramiko). Visoka monokromatičnost sevanja omogoča fokusiranje žarka na točko s premerom reda mikrona (zaradi odsotnosti disperzije, cm... VIBRACIJE IN VALOVI) in ga uporabite za izdelavo mikrovezij (tako imenovana metoda laserskega scribinga - odstranjevanje tanke plasti). Za obdelavo delov v vakuumu ali v atmosferi inertnega plina se lahko laserski žarek vnese v procesno komoro skozi prozorno okno.

Popolnoma raven laserski žarek služi kot priročno "ravnalo". V geodeziji in gradbeništvu se pulzni laserji uporabljajo za merjenje razdalj na tleh, ki jih izračunajo do trenutka, ko se svetlobni impulz premika med dvema točkama. Natančne meritve v industriji se izvajajo z interferenco laserskih žarkov, ki se odbijajo od končnih površin izdelka.

2. Laserska komunikacija Pojav laserjev je revolucioniral komunikacijsko tehnologijo in zapisovanje informacij. Obstaja preprost vzorec: višja kot je nosilna frekvenca (krajša valovna dolžina) komunikacijskega kanala, večja je njegova pasovna širina. Zato je radijska komunikacija, ki je sprva obvladovala območje dolgih valov, postopoma prešla na vse krajše valovne dolžine. Toda svetloba je enako elektromagnetno valovanje kot radijski valovi, le deset tisočkrat krajša, zato lahko laserski žarek odda več deset tisočkrat več informacij kot visokofrekvenčni radijski kanal. Laserska komunikacija se izvaja preko optičnih vlaken - tankih steklenih filamentov, v katerih se svetloba zaradi popolnega notranjega odboja skoraj brez izgub širi več sto kilometrov. Laserski žarek se uporablja za snemanje in reprodukcijo slik (vključno s premikajočimi se) in zvoka na CD-jih.

3. Laserji v medicini . Laserska tehnologija se pogosto uporablja tako v kirurgiji kot v terapiji. Odcepljeno mrežnico »zavarimo« z laserskim žarkom, ki ga uvedemo skozi očesno zenico in popravimo okvare fundusa. Kirurške operacije, ki se izvajajo z "laserskim skalpelom", so manj travmatične za živa tkiva. Lasersko sevanje z nizko močjo pospešuje celjenje ran in ima učinek, podoben akupunkturi, ki jo izvaja orientalska medicina (laserska akupunktura).

4. Laserji v znanstvenih raziskavah . Izjemno toplote sevanje in visoka gostota njegove energije omogočata preučevanje snovi v ekstremnem stanju, ki obstaja le v črevesju vročih zvezd. Termonuklearno reakcijo poskušajo izvesti s stiskanjem ampule z mešanico devterija in tritija s sistemom laserskih žarkov (t. i. inercialna termonuklearna fuzija). V genski inženiring in nanotehnologija (tehnologija, ki obravnava predmete z značilno velikostjo 10 -9 m) laserski žarki režejo, premikajo in povezujejo fragmente genov, bioloških molekul in dele reda milijoninke milimetra (10 -9 m). Za preučevanje atmosfere se uporabljajo laserski lokatorji (lidarji).

5. Vojaški laserji. Vojaške uporabe laserjev vključujejo njihovo uporabo za odkrivanje ciljev in komunikacijo ter njihovo uporabo kot orožje. Načrtuje se uničenje ali onemogočanje sovražnikovih bojnih satelitov in letal z žarki močnih kemičnih in ekscimernih laserjev, zemeljskih ali orbitalnih. Ustvarjeni vzorci laserskih pištol za oboroževanje posadk orbitalne postaje vojaška uporaba.

Brez pretiravanja lahko rečemo, da so laserji, ki so se pojavili sredi 20. stoletja, imeli enako vlogo v življenju človeštva kot elektrika in radio pol stoletja prej.

Sergej Trankovsky