Lazer radyasyonunun hangi özelliği izin verir. Lazer radyasyonu nedir? Lazer radyasyonu: kaynakları ve ondan korunma

Güç... Yakuttan yapılmış aktif bir maddeye sahip ilk lazerlerde, bir ışık darbesinin enerjisi yaklaşık 0.1 J idi. Şu anda, bazı katı hal lazerlerinin radyasyon enerjisi binlerce joule ulaşıyor. Bir ışık darbesinin kısa bir etki süresi ile muazzam güçler elde edilebilir. Böylece, neodimyum lazer 3 · 10-12 s süreli darbeler üretir ve 75 J darbe enerjisinde gücü 2,5 · 10 13 W'a ulaşır! (Karşılaştırma için, Krasnoyarsk hidroelektrik santralinin gücü 6 · 10 9 W'dir.) Gaz lazerlerinin gücü çok daha düşüktür (50 kW'a kadar), ancak avantajları, darbeli olmasına rağmen sürekli olarak yayılmalarıdır. gaz lazerleri arasında lazerler.

Iraksama açısı lazer ışını çok küçüktür ve bu nedenle ışık akısının yoğunluğu mesafe ile neredeyse azalmaz. Darbeli lazerler 10 14 W/m2'ye kadar ışık yoğunlukları üretebilir. Güçlü lazer sistemleri, 10-20 W/m2'ye kadar yoğunluklar sağlayabilir. Karşılaştırma için, dünya yüzeyine yakın güneş ışığı yoğunluğunun ortalama değerinin sadece 10 3 W / m 2 olduğuna dikkat edin. Sonuç olarak, nispeten zayıf lazerlerin bile parlaklığı, Güneş'in parlaklığından milyonlarca kat daha fazladır.

tutarlılık... Eklenmeleri sırasında kendini gösteren, zaman ve uzaydaki çeşitli dalga süreçlerinin koordineli seyri. Aralarındaki faz farkı zamanla sabit kalırsa salınımlara tutarlı denir. Aynı frekansta, ancak farklı genlikler A1 ve A2 ve farklı fazlarda iki harmonik salınım eklendiğinde, genliği faz farkına bağlı olarak A 1 -A arasında değişebilen aynı frekansta harmonik bir salınım oluşur. 2'den A 1 + A 2'ye ve uzayda belirli bir noktada bu genlik sabit kalır. Isıtılmış cisimler tarafından veya lüminesans sırasında yayılan ışık dalgaları, elektronların birbirinden bağımsız atomlarda farklı enerji seviyeleri arasında kendiliğinden geçişleri sırasında oluşur. Her atom, koherens süresi olarak adlandırılan 10-8 s'lik bir süre için bir elektromanyetik dalga yayar. Bu süre boyunca ışık 3 m'lik bir mesafe kateder ve bu mesafeye tutarlılık uzunluğu veya trenin uzunluğu denir. Trenin uzunluğunun dışındaki dalgalar zaten tutarsız olacaktır. Birçok bağımsız atom tarafından üretilen radyasyon, fazları 0 ila 2p aralığında rastgele değişen birçok trenden oluşur. Tutarlı kısmı, doğal ışığın toplam tutarsız ışık akısından ayırmak için, çok düşük yoğunluklu ışık ışınları oluşturan özel cihazlar (Fresnel aynaları, Fresnel biprizmaları, vb.) kullanılırken, tüm muazzam yoğunluğuyla lazer radyasyonu kullanılır. tamamen tutarlı.

Prensipte, tutarsız bir ışık huzmesi çok küçük bir noktaya odaklanamaz, çünkü bu, kendisini oluşturan trenlerin fazlarındaki farklılık tarafından engellenir. Tutarlı lazer radyasyonu, bu radyasyonun dalga boyuna eşit bir çapa sahip bir noktaya odaklanabilir, bu da lazer ışık demetinin zaten yüksek yoğunluğunu arttırmayı mümkün kılar.

Tek renklilik. Kesinlikle aynı dalga boyuna sahip radyasyona monokromatik denir, ancak yalnızca sonsuz uzun bir süre boyunca sabit bir frekans ve genlik ile oluşan harmonik bir titreşim ile oluşturulabilir. Gerçek radyasyon, birçok trenden oluştuğu için tek renkli olamaz ve yaklaşık olarak ortalama bir dalga boyu ile karakterize edilebilen dar bir spektral aralığa sahip radyasyon, pratik olarak tek renkli olarak kabul edilir. Lazerlerin ortaya çıkmasından önce, dar bir dalga boyu bandını sürekli spektrumdan ayıran prizma monokromatörleri kullanılarak belirli bir derecede monokromatikliğe sahip radyasyon elde etmek mümkündü, ancak böyle bir banttaki ışık gücü çok düşük. Lazer radyasyonu vardır yüksek derece tek renklilik. Bazı lazerler tarafından üretilen spektral çizgilerin genişliği 10-7 nm'ye ulaşır.

Polarizasyon. Bir tren içindeki elektromanyetik radyasyon polarizedir, ancak ışık demetleri birbirinden bağımsız birçok trenden oluştuğu için, doğal ışık polarize değildir ve polarize ışık elde etmek için özel cihazlar kullanılır - Nicolas prizmaları, polaroidler, vb. Doğal ışığın aksine, lazer ışığı tamamen polarizedir.

Radyasyonun yönlülüğü. Lazer radyasyonunun önemli bir özelliği, yüksek derecede tutarlılığın bir sonucu olarak ışık huzmesinin çok düşük sapmasıyla karakterize edilen katı yönlülüğüdür. Birçok lazer için sapma açısı, bir ark dakikasına karşılık gelen yaklaşık 10 – 3 rad'ye getirilir. Geleneksel ışık kaynaklarında tamamen elde edilemeyen bu yönlendirme, ışık sinyallerinin yoğunluklarında çok düşük zayıflama ile büyük mesafeler boyunca iletilmesine izin verir; bu, lazerleri bilgi iletim sistemlerinde veya uzayda kullanırken son derece önemlidir.

Elektrik alan şiddeti. Lazer radyasyonunu sıradan ışıktan ayıran bir diğer özellik, içindeki elektrik alanının yüksek yoğunluğudur. Elektromanyetik enerji akışının yoğunluğu ben - EH(Umov - Poynting formülü), nerede E ve n- sırasıyla, elektromanyetik dalgadaki elektrik ve manyetik alanların yoğunluğu. Dolayısıyla yoğunluğu 10 18 W/m2 olan bir ışık dalgasındaki elektrik alan kuvvetinin, atom içindeki alan kuvvetini aşan 3-10 10 V/m'ye eşit olduğu hesaplanabilir. Konvansiyonel ışık kaynakları tarafından üretilen ışık dalgalarındaki alan şiddeti 10 4 V/m'yi geçmez.

Vücudun üzerine düştüğünde elektromanyetik dalga dalga enerjisi akışının yoğunluğu ile orantılı olarak bu gövdeye mekanik basınç uygular. Bir yaz gününde parlak bir ışık tarafından oluşturulan hafif basınç Güneş ışığı, yaklaşık 4 10 –6 Pa'dır (atmosferik basıncın 10 5 Pa olduğunu hatırlayın). Lazer radyasyonu için ışık basıncı 10 12 Pa'ya ulaşır. Bu basınç, elmas ve süper sert alaşımlar gibi en sert malzemeleri işlemenize (zımbalama, delik kesme vb.) olanak tanır.

Işığın madde ile etkileşimi (yansıma, soğurma, dağılım), ışık dalgasının elektrik alanının maddenin optik elektronları ile etkileşiminden kaynaklanır. Bir elektrik alanındaki dielektrik atomları polarizedir. Düşük yoğunlukta, bir maddenin birim hacminin (veya polarizasyon vektörünün) dipol momenti alan kuvvetiyle orantılıdır. Bir maddenin kırılma indeksi, absorpsiyon indeksi ve diğerleri gibi tüm optik özellikleri bir şekilde ışık dalgasının elektrik alanının gücü ile belirlenen polarizasyon derecesi ile ilgilidir. Bu bağlantı lineer olduğundan, yani. büyüklük r orantılı E, bu da nispeten düşük yoğunluklu radyasyonla uğraşan optikleri doğrusal optik olarak adlandırmak için sebep verir.

Lazer radyasyonunda, dalganın elektrik alanının gücü, atomlar ve moleküllerdeki alanın gücü ile karşılaştırılabilir ve bunları somut sınırlar içinde değiştirebilir. Bu şuna yol açar: dielektrik duyarlılığın sabit bir değer olmaktan çıkması ve alan gücünün belirli bir fonksiyonu haline gelmesi. . Sonuç olarak, polarizasyon vektörünün alan kuvvetine bağımlılığı artık olmayacaktır. doğrusal fonksiyon... Bu nedenle, ortamın doğrusal olmayan polarizasyonundan ve buna bağlı olarak, maddenin dielektrik sabitinin, kırılma indisinin, absorpsiyon indisinin ve diğer optik niceliklerin artık sabit olmayacağı, ancak yoğunluğa bağlı olduğu doğrusal olmayan optikten söz edilir. olay ışığından.

Diğer ışık kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, lazer, radyasyonunun tutarlılığı ve yüksek yönlülüğü ile ilişkili bir dizi benzersiz özelliğe sahiptir. "Lazer olmayan" ışık kaynaklarının radyasyonu bu özelliklere sahip değildir. Isıtılmış bir cisim tarafından yayılan güç, sıcaklığı T ile belirlenir. Kesinlikle siyah bir cisim için ulaşılabilen radyasyon akısının mümkün olan en yüksek değeri, W = 5,7 × 10-12xT 4 W / cm2. Radyasyon gücü artan T ile hızla büyür ve yüksek T için çok yüksek değerlere ulaşır. Böylece, Güneş'in yüzeyinin (T = 5800 K) her 1 cm2'si, W = 6.4 × 103 watt'lık bir güç yayar. Bununla birlikte, bir ısı kaynağından gelen radyasyon, kaynaktan her yöne yayılır. Lensler ve aynalardan oluşan bir diyafram sistemi veya optik sistemler kullanılarak gerçekleştirilen böyle bir kaynaktan yönlendirilmiş bir ışın oluşumuna her zaman bir enerji kaybı eşlik eder. Hiçbir optik sistem, aydınlatılan nesnenin yüzeyinde, ışık kaynağının kendisinden daha büyük bir radyasyon gücü elde etmeyi mümkün kılmaz.

Lazer radyasyon yoğunluğu, aynı spektral ve açısal aralıklarda bir siyah cismin radyasyon yoğunluğu ile karşılaştırılırsa, termal ışık kaynaklarının fiilen erişilebilen sıcaklıklarından milyarlarca kat daha yüksek, fevkalade yüksek sıcaklıklar elde edilir. Ek olarak, radyasyonun düşük sapması, ışık enerjisini ihmal edilebilir hacimlerde yoğunlaştırmak için geleneksel optik sistemlerin kullanılmasına izin vererek muazzam enerji yoğunlukları yaratır. Radyasyonun tutarlılığı ve yönlülüğü, lazer olmayan ışık kaynaklarının uygulanamadığı yerlerde ışık huzmelerini kullanma konusunda temelde yeni olanaklar açar.

Lazer radyasyonunun yönlülüğü, büyük ölçüde, açık bir rezonatörde sadece rezonatör ekseni boyunca veya ona çok küçük açılarda yönlendirilen dalgaların uyarılabileceği gerçeğiyle belirlenir. Yüksek derecede uzaysal tutarlılık ile lazer ışınının sapma açısı, kırınım tarafından belirlenen sınıra yakın yapılabilir. Tipik değerler şunlardır: gaz lazerleri için (0.5-5) x10 -3 radyan, katı hal (2-20) için x10 -3 radyan, yarı iletken lazerler için (5-50) x10 -2 radyan.

Ayrıca bir ısı kaynağından gelen radyasyon monokromatik değildir; çok çeşitli dalga boylarını doldurur. Örneğin, güneşin radyasyon spektrumu ultraviyole, görünür ve kızılötesi dalga boyu aralıklarını kapsar. Radyasyonun monokromatikliğini arttırmak için, sürekli spektrumdan nispeten dar bir bölgeyi izole etmeyi mümkün kılan monokromatörler kullanılır veya ayrı atomik veya moleküler dar spektral çizgiler veren düşük basınçlı gaz deşarjlı ışık kaynakları kullanılır. Bununla birlikte, spektral çizgilerdeki radyasyonun yoğunluğu, sıcaklığı atomların ve moleküllerin uyarılma sıcaklığına eşit olan siyah bir cismin radyasyon yoğunluğunu aşamaz. Böylece, her iki durumda da, radyasyonun monokromatizasyonu, muazzam enerji kayıpları pahasına elde edilir. Spektral çizgi ne kadar dar olursa, yayılan enerji o kadar az olur.

Lazerler ve aslında optik gürültü kaynakları olan diğer tüm ışık kaynakları arasındaki temel fark, lazer radyasyonunun yüksek derecede tutarlı olmasıdır. Optik aralıkta lazerlerin oluşturulmasıyla, iletişim ve bilgi iletimi için başarıyla kullanılabilen, radyo aralığında alışılmış tutarlı sinyal jeneratörlerine benzer radyasyon kaynakları ortaya çıktı ve bunların birçok özelliğinde - radyasyon yönlülük, iletim frekans bandı , düşük gürültü seviyesi, zaman içindeki enerji konsantrasyonu vb. - klasik radyo menzilli cihazlardan üstün.

Çok modlu modda çalışan bir lazer durumunda, monokromatiklik, oluşturulan modların sayısı ile ilgilidir ve birkaç gigahertz olabilir. Darbeli çalışma modunda, minimum çizgi genişliği darbe genişliğinin tersi ile sınırlıdır.

Lazer radyasyonunun yüksek derecede monokromatikliği, yüksek bir spektral enerji yoğunluğunu belirler - çok küçük bir spektral aralıkta yüksek derecede ışık enerjisi konsantrasyonu. Yüksek tek renklilik, merceğin renk sapması önemsiz hale geldiğinden lazer radyasyonunun odaklanmasını kolaylaştırır. tutarlılık Lazerler, diğer ışık kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, hem zamansal hem de uzaysal olarak son derece yüksek derecede radyasyon tutarlılığına sahiptir.

Şu anda, lazerler ultraviyole dalgalarından milimetre altı dalgalara kadar olan aralığı kapsamaktadır, X-ışını lazerlerinin geliştirilmesinde ilk başarılar elde edilmiştir ve frekans ayarlı lazerler yaratılmıştır.

Yüksek yönlülükleri nedeniyle lazer ışık kaynakları çok parlaktır ve bu da hedef üzerinde çok yüksek ışık yoğunluklarına neden olabilir. Bu nedenle, yalnızca 10 mW gücünde ve 0,1 cm2 ışın alanına sahip 3 × 10-4 radyan radyasyon sapması olan bir helyum-neon lazer, 106 W / (cm 2 * steradyan) parlaklığa sahiptir. Güneş'in parlaklığından birçok kat daha yüksektir (130 W / (cm 2 steradyan)).

Yukarıda listelenen özellikler, lazerleri benzersiz ışık kaynakları yapar ve birçok uygulama olasılığını belirler.

GİRİŞ

1.2 YARI İLETKEN LAZER

1.3 SIVI LAZER

1.3.1 BOYA LAZERLERİ

1.4 KİMYASAL LAZER VE DİĞERLERİ

1.5 GÜÇLÜ LAZERLER

2. LAZER UYGULAMASI

2.3 HOLOGRAFİ

2.3.3 HOLOGRAFİ UYGULAMASI

ÇÖZÜM

LAZERLERİN ÇALIŞMA İLKESİ

Lazer radyasyonu, normal sıcaklıklarda nesnelerin parlamasıdır. Ancak normal koşullar altında, çoğu atom en düşük enerji durumundadır. Bu nedenle maddeler düşük sıcaklıklarda parlamazlar. Elektromanyetik dalga bir maddeden geçtiğinde enerjisi emilir. Dalganın soğurulan enerjisi nedeniyle bazı atomlar uyarılır, yani daha yüksek bir enerji durumuna geçerler. Bu durumda, ışık demetinden bir miktar enerji alınır:

hν, harcanan enerji miktarına karşılık gelen bir değer olduğunda,

E2 - en yüksek enerji seviyesinin enerjisi,

E1 - en düşük enerji seviyesinin enerjisi.

Uyarılmış bir atom, bir çarpışmada enerjisini komşu atomlara verebilir veya herhangi bir yönde bir foton yayabilir. Şimdi bir şekilde ortamın atomlarının çoğunu heyecanlandırdığımızı hayal edelim. Daha sonra, bir elektromanyetik dalga maddeden frekansla geçtiğinde

nerede v- dalga frekansı,

E2 - E1 - daha yüksek ve daha düşük seviyelerin enerjileri arasındaki fark,

H- dalga boyu,

bu dalga zayıflamayacak, aksine indüklenen radyasyon nedeniyle güçlendirilecektir. Etkisi altında, atomlar sürekli olarak daha düşük enerji durumlarına geçerek, gelen dalga ile frekans ve fazda çakışan dalgalar yayar.

YARI İLETKEN LAZER

60'larda yarı iletkenlerin lazerler için mükemmel bir malzeme olduğu bulundu.

Farklı tipte iki yarı iletken levha birbirine bağlanırsa, ortada bir geçiş bölgesi oluşur. İçindeki maddenin atomları, bölgeden bir elektrik akımı geçtiğinde ve ışık ürettiğinde uyarılabilir. Lazer radyasyonu elde etmek için gereken aynalar, yarı iletken kristalin kendisinin cilalı ve gümüş kaplı kenarları olabilir.

Bu lazerler arasında en iyisi, galyum arsenik ile nadir bir element olan galyumun bir kombinasyonu olan galyum arsenit bazlı bir lazer olarak kabul edilir. Kızılötesi radyasyonu on watt'a kadar bir güce sahiptir. Bu lazer sıvı nitrojen (-200 °) sıcaklığına soğutulursa, radyasyon gücü on kat arttırılabilir. Bu, 1 cm2'lik yayan katman alanı ile radyasyon gücünün bir milyon watt'a ulaşacağı anlamına gelir. Ancak bu boyutta bir geçiş katmanına sahip bir yarı iletken, teknik nedenlerle henüz üretilemez.

Yarı iletken atomları bir elektron ışını ile uyarabilirsiniz (katı hal lazerlerinde olduğu gibi - bir flaş lambasıyla). Elektronlar maddenin derinliklerine nüfuz ederek daha fazla atomu heyecanlandırır; yayan bölgenin genişliği, bir elektrik akımı tarafından uyarıldığından yüzlerce kat daha geniştir. Bu nedenle, bu tür elektron pompalı lazerlerin radyasyon gücü zaten iki kilowatt'a ulaşıyor.

Küçük boyutlu yarı iletken lazerler, onları minyatür yüksek güçlü ışık kaynağına ihtiyaç duyulan uygulamalar için çok uygun hale getirir.

SIVI LAZER

Katılarda, büyük miktarda yayan atomlar oluşturabilir ve bu nedenle birinden daha fazla enerji elde edebilirsiniz. santimetre küp kamış. Ancak bunları yapmak zordur, pahalıdır ve ayrıca çalışma sırasında aşırı ısınma nedeniyle patlayabilirler.

Gazlar optik olarak çok homojendir, içlerindeki ışık saçılımı küçüktür, bu nedenle bir gaz lazerinin boyutu oldukça etkileyici olabilir: 10-20 santimetre çapında 10 metrelik bir uzunluk bunun için sınır değildir. Ancak boyuttaki böyle bir artış kimseyi mutlu etmiyor. Bu, yüzlerce atmosferde basınç altında lazer tüpündeki ihmal edilebilir miktarda aktif gaz atomunu telafi etmek için gerekli zorunlu bir önlemdir. Gaz pompalama işi biraz kurtararak emitörün boyutunu küçültmenize olanak tanır.

Sıvılar, hem katı hem de gaz halindeki lazer malzemelerinin avantajlarını birleştirir: yoğunlukları, katıların yoğunluğundan sadece iki ila üç kat daha düşüktür (gazların yoğunluğu gibi yüz binlerce kat değil). Bu nedenle, birim hacim başına atomlarının sayısı yaklaşık olarak aynıdır. Bu, katı hal lazeri kadar güçlü bir sıvı lazer yapmanın kolay olduğu anlamına gelir. Sıvıların optik homojenliği, gazların homojenliğinden daha düşük değildir, bu da büyük hacimlerde kullanılabileceği anlamına gelir. Ek olarak, sıvı, düşük sıcaklığını ve atomlarının yüksek aktivitesini sürekli olarak koruyarak çalışma hacminden pompalanabilir.

BOYA LAZERLERİ

Çalışma sıvılarının su, alkol, asit ve diğer çözücülerdeki bir anilin boya çözeltisi olduğu için böyle adlandırılırlar. Sıvı düz bir tepsiye dökülür. Küvet aynalar arasına yerleştirilmiştir. Boya molekülünün enerjisi optik olarak pompalanır, ancak bir flaş lambası yerine ilk önce darbeli yakut lazerler ve daha sonra gaz lazerleri kullanıldı. Pompalama lazeri sıvı lazerin içine yerleştirilmemiştir, ancak ışını muhafazadaki bir pencereden küvete sokularak lazerin dışına yerleştirilir. Artık tüm boyalarla değil, bir flaş lambasıyla ışık üretimi mümkün olmuştur. Çözümler, küvete hangi boyanın döküldüğüne bağlı olarak, morötesi ışıktan kızılötesi ışığa kadar çeşitli dalga boylarında ışık darbeleri ve yüzlerce kilovattan birkaç megavat'a (milyon watt) kadar güçler yayabilir. Boya lazerlerinin bir özelliği vardır. Tüm lazerler kesinlikle aynı dalga boyunda yayar. Bunların bu özelliği, tüm lazer etkisinin dayandığı uyarılmış atom emisyonunun doğasında yatmaktadır. Organik boyaların büyük ve ağır moleküllerinde, uyarılmış emisyon hemen geniş bir dalga boyu bandında meydana gelir. Boya lazerinden tek renklilik elde etmek için ışın yoluna bir ışık filtresi yerleştirilir. Sadece renkli cam değil. Sadece bir dalga boyundaki ışığın geçmesine izin veren bir dizi cam plakadır. Plakalar arasındaki mesafeyi değiştirerek lazer radyasyonunun dalga boyunu biraz değiştirebilirsiniz. Böyle bir lazere ayarlanabilir lazer denir. Ve lazerin spektrumun farklı bölümlerinde ışık üretebilmesi için - örneğin maviden kırmızı ışığa veya ultraviyoleden yeşile geçmek için - küveti çalışma sıvısı ile değiştirmek yeterlidir. Maddenin yapısını incelemek için en umut verici oldukları ortaya çıktı. Radyasyon frekansını ayarlayarak, ışığın hangi dalga boyunun ışın yolu boyunca emildiğini veya saçıldığını öğrenebilirsiniz. Bu şekilde, iki yüz kilometreye kadar mesafedeki atmosferin ve bulutların bileşimini belirlemek, su veya hava kirliliğini ölçmek, bir kerede hangi boyuttaki parçacıkların onu kirlettiğini belirtmek mümkündür. Yani, su ve havanın saflığını otomatik ve sürekli olarak kontrol eden bir cihaz oluşturabilirsiniz.

Ancak geniş bantlı sıvı lazerlerin yanı sıra, tam tersine monokromatikliğin katı hal veya gaz lazerlerinden çok daha yüksek olduğu lazerler de vardır.

Lazer ışığının dalga boyu değişebilir, kısalabilir ve yaklaşık yüzde bir oranında uzayabilir (iyi lazerlerle). Aynalar arasındaki mesafe ne kadar küçük olursa, bu şerit o kadar geniş olur. Örneğin, yarı iletken lazerler için, zaten birkaç dalga boyu vardır ve neodim tuzlarına dayalı bir lazer için bu bant on binde biridir. Dalga boyunun böyle bir sabitliği ancak büyük gaz lazerleriyle elde edilebilir ve o zaman bile bunun için gerekli tüm önlemleri alırsak: tüpün sıcaklığının stabilitesini, onu besleyen akımın gücünü sağlayın ve buna dahil edin. lazer devresi, radyasyon dalga boyunun otomatik olarak ayarlanması için bir sistem. Bu durumda, radyasyon gücü minimum olmalıdır: artmasıyla bant genişler. Öte yandan sıvı neodim lazerde dar bir radyasyon bandı kendi kendine elde edilir ve radyasyon gücünde gözle görülür bir artış olsa bile korunur ve bu her türlü doğru ölçüm için son derece önemlidir.

Bu nedenle, ölçümlerin doğruluğu, lazer tarafından yayılan ışığın dalga boyunun ne kadar doğru tutulduğuna bağlıdır. Lazer radyasyon bant genişliğindeki 100 kat azalma, uzunluk ölçüm doğruluğunda 100 kat artış vaat ediyor.

KİMYASAL LAZER VE DİĞERLERİ

Lazer radyasyonunun gücünü artırmanın yeni yolları olan yeni lazer arayışları farklı yönlerde yürütülmektedir. Bunlar arasında, örneğin, ilk versiyonu SSCB Bilimler Akademisi Kimyasal Fizik Enstitüsü'nde Bilimler Akademisi Sorumlu Üyesi V. L. Talroze'nin laboratuvarında oluşturulan kimyasal olarak pompalanan bir kuantum jeneratörü. Böyle bir lazerde, flor F bileşiğinin hidrojen H2 veya döteryum D2 ile reaksiyonu sırasında oluşan HF veya DF molekülleri yüksek bir enerji seviyesine gider. Bu seviyeden aşağı inerek lazer radyasyonu oluştururlar - 2700 nm dalga boyunda HF molekülleri, 3600 nm dalga boyunda DF molekülleri. Bu tip lazerlerde 10 kW'a kadar güçler elde edilir.

Nispeten güçlü tekrarlayan darbeli gaz lazerlerinden birinde, çalışma maddesi olarak 1500 ° C sıcaklıkta bakır buharları veya daha basit bir versiyonda 400 ° C sıcaklıkta bir çift bakır tuzu kullanılır. Pompalama, gaz deşarjında ​​hareket eden elektronların enerjisi ile gerçekleştirilir. Lazer radyasyonu, bakır atomları uyarılmış bir durumdan iki yarı kararlı durumdan birine geçtiğinde meydana gelir ve bu durumda, iki yeşil tonuna karşılık gelen 510,6 nm ve 578.2 nm'lik iki dalga boyunda radyasyon mümkündür. 5 cm çapında ve 1 m uzunluğunda yoğun pompalanan bir tüp olan rezonatörde 15-20 ns darbe süresi, 10-100 kHz tekrarlama hızı, ortalama güç ile 40 kW darbe gücü elde edilmiştir. onlarca watt ve %1'den fazla verimlilik - "Bakır" lazerin ortalama gücünü 1 kW'a çıkarmak için çalışmalar devam ediyor.

Ana avantajı frekansı sorunsuz bir şekilde değiştirme yeteneği olan yüksek güçlü boya lazerleri tarafından özel bir sınıf oluşturulur. İçlerinde kullanılan sıvı ortam "bulanıklaştı" enerji seviyeleri ve birçok frekansta üretime izin verir. Bunlardan birinin seçimi, rezonatörün parametrelerini değiştirerek, örneğin içindeki prizmayı çevirerek yapılabilir. Pompalama için yüksek güçlü radyasyon kaynakları kullanılıyorsa, özellikle darbeli lazerler ve yoğun bir sıvı boya sirkülasyonu gerçekleştirilirse, ortalama 100 W güce ve darbe tekrarına sahip ayarlanabilir bir frekansa sahip lazerler oluşturmak gerçekçi hale gelir. 10-50 kHz hızı.

Beklentilere gelince, en yaygın olarak adlandırılan iyot lazeri, rezonatöründe bir iyot, flor ve karbon CF3J bileşiği veya ultraviyole pompalama etkisi altında daha karmaşık moleküller, ayrışır ve parçalanır. Ayrılan iyot atomları uyarılmış haldedir ve daha sonra 1315 nm dalga boyunda kızılötesi lazer radyasyonu verir. Genelde sadece uyarılmış durumda olabilen, eksimer molekülleri olarak adlandırılan lazerlere genellikle lazerler denir. Pompalama işleminde, saçılan atomları bir molekülde birleştirmek için enerji harcanır ve aynı zamanda hemen uyarılır, radyasyona hazır hale gelir. Ve radyasyon kuantumundan vazgeçerek, bir lazer ışını oluşumuna katkıda bulunduktan sonra, excimer molekülü basitçe parçalanır, atomları neredeyse anında dağılır. İlk excimer lazer on yıl önce Akademisyen N. G. Basov'un laboratuvarında yaratıldı, burada güçlü bir elektron ışını ile heyecan verici sıvı ksenon Xe2 ile 176 nm dalga boyunda ultraviyole lazer radyasyonu elde edildi. Beş yıl sonra, birkaç Amerikan laboratuvarında, diğer eksimer molekülleri, esas olarak halojenli inert gazların bileşikleri, örneğin XeF, XeCl, XeBr, KrF ve diğerleri üzerinde lazer radyasyonu elde edildi. Excimer lazerler hem görünür hem de ultraviyole aralığında çalışır ve bazı frekans değişimlerine izin verir. Lazerler %10 verim ve darbe başına 200 J enerji ile oluşturulmuştur.

GÜÇLÜ LAZERLER

Modern uygulamalı fiziğin gelişimindeki ana eğilimlerden biri, her zamankinden daha yüksek enerji yoğunluklarının alınması ve onu daha kısa sürede serbest bırakmanın yollarını aramaktır. Kuantum elektroniğinin hızlı ilerlemesi, geniş bir güçlü lazer ailesinin yaratılmasına yol açtı. Yüksek güçlü lazerler, hem uzayda ve zamanda rekor düzeyde yüksek enerji konsantrasyonları elde etmek hem de ışık enerjisinin maddeye çok uygun bir şekilde iletilmesi için temelde yeni olanaklar açtı. Yüksek güçlü lazerlerin yaratılmasıyla ilgili belirli sonuçlarla tanışmadan önce, darbeli, tekrarlayan darbeli ve sürekli olmak üzere üç gruba ayrılabileceklerini hatırlamakta fayda var. İlki tek darbede ışık yayar, ikincisi sürekli darbe serisinde ve son olarak üçüncüsü sürekli radyasyon verir.

Güç göreceli bir özelliktir, ne tür bir iş yapıldığını, birim zamanda hangi enerjinin harcandığını veya alındığını söyler. Güç birimi, bildiğiniz gibi, bir watt'tır (W) - 1 saniye (s) içinde salınan 1 J enerjiye karşılık gelir. Bu enerjinin serbest bırakılması 10 saniye sürerse, her saniye için yalnızca 0,1 J olacaktır ve bu nedenle güç 0,1 W olacaktır. Peki, saniyenin yüzde biri içinde 1 J enerji serbest bırakılırsa, güç zaten 100 watt olacaktır. Çünkü sürecin böyle bir yoğunluğu ile saniyede 100 J. verilecekti.Bu “olur” a dikkat etmemelisiniz - gücü belirlerken, sürecin sadece saniyenin yüzde biri sürmesi önemli değil ve bu süre zarfında çok az enerji açığa çıktı. Güç, tam, nihai eylem hakkında değil, yoğunluğu hakkında, zaman içindeki konsantrasyonu hakkında konuşur. İş yeterince uzun sürdüyse, en az bir saniyeden fazla sürdüyse, güç, gerçekte bir saniyede ne yapıldığını gösterir.

Darbeli bir lazerde, radyasyon çok kısa bir süre sürer, saniyenin bazı önemsiz kesirleri ve hatta küçük bir yayılan enerjiyle bile, süreç yüksek oranda sıkıştırılır, zaman içinde yoğunlaşır ve güç muazzam olur. . Örneğin, 1960'ta yaratılan ilk lazerde, ilk yakut lazerde ne oldu: yaklaşık 1 J enerjili ve 1 ms süreli (milisaniye, saniyenin binde biri) bir ışık darbesi yaydı, ki yani darbe gücü 1 kW idi. Bir süre sonra, aynı joule enerjiyi çok daha kısa bir darbeyle yayan lazerler ortaya çıktı - 10 ns'ye kadar (nanosaniye, saniyenin milyarda biri). Bu durumda, aynı joule enerjiye sahip bir darbenin gücü zaten 100 bin kW'a ulaştı. Bu henüz 2 milyon kW kapasiteli Kuibyshevskaya HES değil, ancak zaten küçük bir kasaba için bir elektrik santrali. Elbette, lazerin bu muazzam gücü saniyenin sadece milyarda biri kadar bir sürede geliştirmesi ve elektrik santralinin - sürekli olarak - günün her saatinde geliştirmesi farkıyla. Mevcut lazerler 0,01 ns'ye kadar darbeler verir, aynı enerji 1 J ile güçleri 100 milyon kW'a ulaşır.

Bir lazer ışını, küçük bir katı açı içinde yoğunlaşan, çok yönlü, son derece düzenli tutarlı radyasyon akışıdır. Tüm bu nitelikler için bu kadar yüksek bir bedel ödüyoruz - lazerlerin verimliliği yüzde birin kesirleri veya en iyi ihtimalle yüzde birkaç, yani her biri için onlarca, hatta yüzlerce joule pompa enerjisi harcanmalıdır. joule lazer radyasyonu. Ancak çoğu zaman bu kadar yüksek bir ücret bile tamamen haklıdır - niceliği kaybederek kalite kazanırız. Özellikle, lazer ışınının daha sonra çok küçük bir hacimde, örneğin 0,1 mm çapında bir küreye odaklanma ile birlikte tutarlılığı, yönlülüğü ve işlemin zamanla, yani radyasyonla sıkıştırılması. çok kısa darbeler, büyük enerji yoğunlukları elde etmeyi mümkün kılar. Bu, Tablo 1'i andırıyor. Odaklanmış yüksek güçlü bir lazer ışınındaki enerji konsantrasyonunun, normal yoğunluklu maddenin tamamen yok edilmesi, tam dönüşüm için bir tür kayıt değerinden sadece bin kat daha az olduğu tablodan görülebilir. kütlenin enerjiye dönüşmesi. Lazer gücündeki artış, bazı ortak sorunlar, her şeyden önce, çalışma sıvısının özellikleriyle, yani radyasyonun doğduğu maddenin kendisi ile. Ancak darbeli, tekrarlayan darbeli ve cw lazerlere özgü sorunlar da vardır. Örneğin, darbeli lazerler için önemli sorunlardan biri, çok kısa darbelerden oluşan güçlü bir ışık alanında optik elemanların kararlılığıdır. cw ve tekrarlayan darbeli için, bu lazerler yüksek bir ortalama güç geliştirdiğinden, ısı giderme sorunu çok önemlidir. Uzun patlama modunda çalışan bir lazer için, darbeli güç, bir darbenin enerjisinin zaman içinde ne kadar yoğunlaştığını ve bir saniye süren bir dizi darbe tarafından gerçekleştirilen iş hakkında ortalamayı gösterir. Bu nedenle, örneğin, saniyede bir lazer, 1 ms süreli ve her biri 1 J enerjili 20 darbe verirse, darbe gücü 1 kW ve ortalama - 20 W olacaktır.

Her tür lazer, oldukça mütevazı enerji göstergeleriyle başladı ve genellikle farklı şekillerde geliştirildi. Özellikle, serbest çalışma modunda çalıştırılan ilk darbeli lazer - içinde kendiliğinden bir lazer radyasyonu çığı belirdi ve uyarmanın sona ermesinden sonra tekrar kendi kendine durdu. Darbe, günümüz standartlarına göre uzun süre devam etti ve bu, nispeten düşük darbe gücünü belirledi.

Birkaç yıl sonra, rezonatöre bir Kerr hücresi veya başka bir benzer öğe ekleyerek Q-anahtarlama yöntemiyle üretimi nasıl kontrol edeceklerini öğrendiler. optik özellikler... Normal durumda hücre kapalıdır, opaktır ve boşlukta lazer çığı oluşmaz. Sadece kısa bir elektrik darbesinin etkisi altında hücre açılır ve çalışma ortamında kısa bir lazer darbesi belirir. Süresi lazer aynaları arasındaki ışığın geçiş süresinden sadece birkaç kat daha uzun olabilir, yani 10-20 ns olabilir.

Bu yöntem, darbe süresindeki azalmaya bağlı olarak darbe gücünde gözle görülür bir artış sağladı. Pikosaniyeye kadar çok kısa darbeler, senkronizasyon modunda veya aksi takdirde mod kilitleme modunda alınır. Burada, rezonatöre özel bir doğrusal olmayan eleman eklenir, farklı davranır, farklı yoğunluktaki radyasyon patlamaları için düzgün olmayan şekilde ağartılır ve bir nanosaniye ışık darbesinden çok kısa pikosaniye yoğunluk patlamalarını keser.

LAZER UYGULAMASI

LAZERLERİN TIPTA UYGULAMASI

Tıpta, lazer cihazları, uygulamalarını bir lazer neşter şeklinde bulmuşlardır. Cerrahi operasyonlar için kullanımı aşağıdaki özelliklere göre belirlenir:

1. Nispeten kansız bir kesi yapar, çünkü dokuların diseksiyonu ile aynı anda yaranın kenarlarını pıhtılaştırır, çok büyük kan damarlarını “kaynak yapmaz”;

2. Lazer neşter, tutarlı kesme performansına sahiptir. Sert bir cisme (kemik gibi) vurmak neştere zarar vermez. Mekanik bir neşter için bu ölümcül olurdu;

3. Lazer ışını şeffaflığı nedeniyle cerrahın ameliyat edilen alanı görmesini sağlar. Sıradan bir neşterin bıçağı ve ayrıca bir elektrikli bıçağın bıçağı, cerrahın çalışma alanını her zaman bir dereceye kadar engeller;

4. Lazer ışını dokuya herhangi bir mekanik etki yapmadan dokuyu belli bir mesafeden keser;

5. Lazer neşter doku ile yalnızca radyasyon etkileşime girdiği için mutlak sterilite sağlar;

6. Lazer ışını kesinlikle lokal olarak hareket eder, doku buharlaşması sadece odak noktasında gerçekleşir. Bitişik doku, mekanik bir neşter kullanıldığında olduğundan çok daha az hasar görür;

7. Klinik uygulama, bir lazer neşterinden gelen yaranın neredeyse hiç acımadığını ve daha hızlı iyileştiğini göstermiştir.

Lazerlerin cerrahide pratik uygulaması, 1966'da A.V. Vishnevsky Enstitüsü'nde SSCB'de başladı. Lazer neşter operasyonlarda kullanıldı iç organlar göğüs ve karın boşlukları. Günümüzde lazer ışını plastik cerrahi, yemek borusu, mide, bağırsak, böbrek, karaciğer, dalak ve diğer organların ameliyatları için kullanılmaktadır. Çok sayıda kan damarı içeren organlarda, örneğin kalpte, karaciğerde lazer kullanarak operasyonlar yapmak çok caziptir.

Şu anda, tıpta yeni bir yön yoğun bir şekilde gelişiyor - gözün lazer mikrocerrahisi. Bu alandaki araştırmalar VP Filatov Odessa Göz Hastalıkları Enstitüsü'nde, Moskova Göz Mikrocerrahi Araştırma Enstitüsü'nde ve Commonwealth ülkelerinin diğer birçok “göz merkezinde” yürütülmektedir.Lazerlerin oftalmolojide ilk uygulaması tedavi ile ilişkilendirilmiştir. retina dekolmanı. Bir yakut lazerden gelen ışık darbeleri, gözbebeği aracılığıyla göze gönderilir (darbe enerjisi 0,01 - 0,1 J, 0,1 s mertebesinde süre). Şeffaf vitreus mizahına serbestçe nüfuz ederler ve retina tarafından emilirler. Radyasyonu pul pul dökülmüş alana odaklayarak, ikincisi pıhtılaşma ile fundusa “kaynaklanır”. Operasyon hızlı ve tamamen ağrısızdır.

Genel olarak, körlüğe yol açan en ciddi göz hastalıklarından beşi ayırt edilir. Bunlar glokom, katarakt, retina dekolmanı, diyabetik retinopati ve malign tümördür. Günümüzde tüm bu hastalıklar lazerlerle başarılı bir şekilde tedavi edilmekte ve sadece tümörlerin tedavisi için üç yöntem geliştirilmiş ve kullanılmıştır:

1. Lazer ışınlaması - bir tümörün odaklanmamış bir lazer ışını ile ışınlanması, kanser hücrelerinin ölümüne, üreme yeteneklerinin kaybolmasına neden olur

2. Lazer pıhtılaşması - tümörün orta derecede odaklanmış radyasyonla yok edilmesi.

3. Lazer cerrahisi en radikal yöntemdir. Odaklanmış radyasyon ile tümörün bitişik dokularla birlikte çıkarılmasından oluşur.

HOLOGRAFİ

HOLOGRAFİNİN YÜKSELİŞİ

Nesnelerin görüntüsünü korumak için kullanılan fotoğraflama yöntemi oldukça uzun zamandır bilinmektedir ve artık herhangi bir ortamda (fotoğraf kağıdı, film) bir nesnenin görüntüsünü elde etmenin en uygun yoludur. Ancak, fotoğrafta yer alan bilgiler çok sınırlıdır. Özellikle, mesafeler hakkında bilgi yoktur. farklı parçalar fotoğraf plakasından nesne ve diğer önemli özellikler. Başka bir deyişle, sıradan bir fotoğraf, üzerinde kayıtlı olan dalga cephesini tamamen yeniden oluşturmanıza izin vermez. Fotoğraf, kaydedilen dalgaların genlikleri hakkında aşağı yukarı doğru bilgiler içeriyor, ancak dalgaların evreleri hakkında kesinlikle hiçbir bilgi yok. Holografi, geleneksel fotoğrafçılığın bu dezavantajını ortadan kaldırmayı ve bir fotoğraf plakasına sadece üzerine gelen dalgaların genlikleri hakkında değil, aynı zamanda fazlar hakkında da bilgi, yani tam bilgi kaydetmeyi mümkün kılar. Böyle bir kayıt yardımıyla yeniden oluşturulan dalga, orijinaliyle tamamen aynıdır, orijinal dalganın içerdiği tüm bilgileri içerir. Bu nedenle yönteme holografi yani tam dalga kayıt yöntemi adı verildi. Bu yöntemi ışık aralığında uygulayabilmek için yeterince yüksek derecede tutarlılığa sahip radyasyona sahip olmak gerekir. Bu tür radyasyon bir lazer kullanılarak elde edilebilir. Bu nedenle, ancak yüksek derecede tutarlılıkla radyasyon yayan lazerlerin yaratılmasından sonra, holografinin pratik olarak gerçekleşmesi mümkün oldu. Holografi fikri 1920'de Polonyalı fizikçi M. Wolfke (1883-1947) tarafından ortaya atıldı, ancak unutuldu. 1947'de Wolfke'den bağımsız olarak, holografi fikri, 1971'de Nobel Ödülü'ne layık görülen İngiliz fizikçi D. Gabor tarafından önerildi ve doğrulandı.

HOLOGRAFİ YÖNTEMLERİ

Holografik bir görüntü oluşturma sürecinden bahsetmişken, holografinin aşamalarını vurgulamak gerekir:

1. Gözlem nesnesi tarafından yansıtılan dalga alanının hem genlik hem de faz özelliklerinin kaydı. Bu kayıt, hologram adı verilen fotoğraf plakalarında gerçekleşir.

2. Üzerinde kayıtlı olan nesne hakkındaki bilgilerin hologramından çıkarılması. Bunun için hologram bir ışık huzmesi ile aydınlatılır.

Bu adımları pratikte uygulamanın birkaç yolu vardır.

Bunlardan en yaygın olanları düzlem dalga yöntemi ve çarpışan ışın yöntemidir.

Standart bir girişim deseni, tutarlı ışık dalgalarının girişiminden kaynaklanır. Bu nedenle, gözlem nesnesi tarafından dalganın yansıması sonucu elde edilen dalga alanındaki faz ilişkilerini kaydetmek için nesnenin uzayda monokromatik ve tutarlı radyasyon ile aydınlatılması gerekir. Daha sonra uzayda nesne tarafından saçılan alan bu özelliklere sahip olacaktır.

Nesne tarafından oluşturulan incelenen alana, aynı frekansta bir yardımcı alan, örneğin bir düzlem dalgası eklersek (genellikle denir referans dalgası), daha sonra her iki dalganın kesiştiği tüm alan üzerinde, dalgaların karşılıklı amplifikasyon ve zayıflama bölgelerinin karmaşık ama sabit bir dağılımı, yani zaten bir fotoğraf plakasına kaydedilebilen sabit bir girişim deseni oluşur.

Holograma önceden kaydedilmiş holografik görüntüyü geri yüklemek için, hologramın kayıt için kullanılan lazer ışını ile aydınlatılması gerekir. Nesnenin görüntüsü, hologramın homojen olmayan kararması üzerindeki ışık kırınımının bir sonucu olarak oluşur.

1962'de Sovyet bilim adamı Yu.N. Denisyuk, o zamanlar pratik olarak kullanılmayan bir renkli holografi yönteminin geliştirilmesi olan holografik görüntüler elde etmek için bir yöntem önerdi. Lippmann... Gözlem nesnesi bir fotoğraf plakası aracılığıyla aydınlatılır (görüntülenmemiş bir durumda bile ışığa tamamen şeffaftır). Fotoğraf plakasının cam alt-tabakası, yaklaşık 15 - 20 mikron tabaka kalınlığına sahip bir fotoğraf emülsiyonu ile kaplanmıştır. Nesneden yansıyan dalga alanı, emülsiyon katmanına doğru geri yayılır. Bu dalgaya doğru giden lazerden gelen ilk ışık demeti, bir referans dalgası gibi davranır. Bu nedenle bu yönteme çarpışan ışınlar yöntemi denir. Fotoğrafik emülsiyonun kalınlığında ortaya çıkan dalgaların girişimi, gözlem nesnesi tarafından saçılan dalga alanının hem genliklerinin hem de fazlarının dağılımını kaydeden katmanlı kararmasına neden olur. Renkli holografi, ışık ışınlarının çarpışması yöntemiyle holografiye dayanır. Renkli holografinin çalışma prensibini anlamak için, insan gözünün hangi durumlarda bir görüntüyü siyah beyaz değil, renkli olarak algıladığını hatırlamak gerekir.

Görme fizyolojisindeki deneyler, bir kişinin bir görüntüyü, örneğin mavi, kırmızı ve yeşil olmak üzere en az üç renkte yeniden üretilmişse, bir nesnenin renkli veya en azından doğal rengine yakın gördüğünü göstermiştir. Bu renklerin kombinasyonu, yöntemle gerçekleştirilen en ilkel renk reprodüksiyonu ile gerçekleştirilir. litograflar(Son derece sanatsal reprodüksiyonlar için 10 - 15 renkli baskı kullanılır)

İnsan algısının özelliklerini dikkate alarak, bir nesnenin renkli görüntüsünü geri yüklemek için, bir hologramı aynı anda veya sırayla, dalga boylarında birbirinden yeterince aralıklı üç spektral çizginin lazer radyasyonu ile kaydederken nesnenin kendisini aydınlatmak gerekir. . Daha sonra, emülsiyon kalınlığında üç duran dalga sistemi ve buna bağlı olarak, farklı karartma dağılımına sahip üç uzaysal ızgara sistemi oluşturulur. Bu sistemlerin her biri, görüntünün yeniden yapılandırılmasında kullanılan kendi beyaz spektral bölgesinde bir nesnenin görüntüsünü oluşturacaktır. Bu nedenle, insan görüşünün minimum fizyolojik gereksinimlerine tekabül eden spektrumun üç bölümünün üst üste binmesinin bir sonucu olarak, işlenmiş hologramdan yansıyan beyaz ışık huzmesinde nesnenin renkli bir görüntüsü elde edilecektir. Denisyuk holografisi, örneğin benzersiz sanat eserleri gibi çeşitli nesnelerin yüksek kaliteli hacimsel kopyalarını elde etmek için yaygın olarak kullanılır.

HOLOGRAFİ UYGULAMASI

Daha önce belirtildiği gibi, holografinin ilk görevi üç boyutlu bir görüntü elde etmekti. Kalın katmanlı plakalar üzerinde holografinin gelişmesiyle, hacimsel renkli fotoğraflar oluşturmak mümkün hale geldi. Bu temelde, holografik sinema, televizyon vb. gerçekleştirme yolları araştırılmaktadır.Holografik interferometri adı verilen uygulamalı holografi yöntemlerinden biri çok yaygındır. Yöntemin özü aşağıdaki gibidir. Bir fotoğraf plakasında, örneğin deformasyon sırasında nesnenin iki farklı, ancak biraz farklı durumuna karşılık gelen iki girişim deseni sırayla kaydedilir. Böyle bir "çift" hologram yarı saydam olduğunda, nesnenin iki durumundaki nesneyle aynı ölçüde birbirine göre değişen iki görüntüsü oluşur.

Bu iki görüntüyü oluşturan yeniden yapılandırılmış dalgalar tutarlıdır, girişim yapar ve yeni görüntüde nesnenin durumundaki değişikliği karakterize eden girişim saçakları gözlenir. Başka bir versiyonda, hologram, nesnenin belirli bir durumu için yapılır. Yarı saydam olduğunda, nesnesi kaldırılmaz ve holografinin ilk aşamasında olduğu gibi yeniden aydınlatılır. Sonra yine iki dalga elde edilir, biri holografik bir görüntü oluşturur ve diğeri nesnenin kendisinden yayılır. Şimdi nesnenin durumunda bazı değişiklikler varsa (iki ardışık dalgada, hologramın maruz kalması sırasında olanla karşılaştırıldığında bir fark vardır), o zaman belirtilen yollar arasında ve görüntü girişim saçaklarıyla kaplanır.

Tanımlanan yöntem, nesnelerin deformasyonlarını, titreşimlerini, öteleme hareketini ve dönüşünü, şeffaf nesnelerin homojenliğini vb. incelemek için kullanılır. Girişim deseni, deformasyonlardaki farkı, vücuttaki stresleri, burulma momentlerini, sıcaklık dağılımını vb. açıkça gösterir. işleme parçalarının doğruluğunu sağlamak.

ÇÖZÜM

Lazer, günümüzde bilimdeki en güçlü araçlardan biridir. Lazer için her gün yeni görevler bulunduğundan, uygulamasının tüm alanlarını listelemek mümkün değildir.

Bu çalışmada, ana lazer türlerini ve çalışma prensiplerini ele aldık. Ana uygulama alanları da ele alındı: sanayi, tıp, bilgi Teknolojisi, Bilim.

Bu tür çeşitli görevler, özellikleri nedeniyle bir lazerle gerçekleştirilebilir. Tutarlılık, tek renklilik, yüksek enerji yoğunluğu, karmaşık teknolojik işlemlerin çözülmesine izin verir.

Lazer, hayatımıza sıkı sıkıya girmiş olan geleceğin bir aracıdır.

GİRİŞ

1. ÇALIŞMA PRENSİBİ VE LAZER ÇEŞİTLERİ

1.1 LAZER IŞINININ TEMEL ÖZELLİKLERİ

1.2 YARI İLETKEN LAZER

1.3 SIVI LAZER

1.3.1 BOYA LAZERLERİ

1.4 KİMYASAL LAZER VE DİĞERLERİ

1.5 GÜÇLÜ LAZERLER

1.5.1 ÇOK AŞAMALI VE ÇOK KANALLI SİSTEMLER

2. LAZER UYGULAMASI

2.1 LAZER IŞININ SANAYİ VE TEKNOLOJİDE UYGULAMASI

2.2 LAZERLERİN TIPTA UYGULAMASI

2.3 HOLOGRAFİ

2.3.1 HOLOGRAFİ GÖRÜNÜMÜ

2.3.2 HOLOGRAFLAMA YÖNTEMLERİ

2.3.3 HOLOGRAFİ UYGULAMASI

2.4 LAZER TEKNOLOJİLERİ - BİLGİ KAYIT VE İŞLEME ARAÇLARI

ÇÖZÜM

KAYNAKÇA

LAZERLERİN ÇALIŞMA İLKESİ

Lazerler, varlığı 1917'de Einstein tarafından tahmin edilen uyarılmış radyasyon olgusuna dayanmaktadır. Einstein'a göre, sıradan radyasyon ve rezonans absorpsiyon süreçleriyle birlikte üçüncü bir süreç vardır - uyarılmış (indüklenmiş) radyasyon. Rezonans frekansının yani atomların daha yüksek enerji seviyelerine geçerek absorbe edebildiği frekansın ışığı, zaten varsa bu seviyelerdeki atomların ortamda parlamasına neden olmalıdır. göze çarpan özellik Bu radyasyon, yayılan ışığın uyarıcı ışıktan ayırt edilemez olması, yani ikincisiyle frekans, faz, polarizasyon ve yayılma yönünde çakışmasından oluşur. Bu, uyarılmış emisyonun, ışık huzmesine, rezonans absorpsiyonunun ondan uzaklaştırdığı aynı ışık kuantumunu eklediği anlamına gelir.

Ortamın atomları, daha düşük enerji seviyesinde olan ışığı emebilirken, üst seviyelerde yayarlar. Bundan, alt seviyelerde çok sayıda atom olduğunda (en azından üst seviyelerdeki atom sayısından daha fazla), ortamdan geçen ışığın zayıflayacağı sonucu çıkar. Aksine, üst seviyelerdeki atom sayısı daha fazla sayı heyecansız, o zaman bu ortamdan geçen ışık yoğunlaşacaktır. Bu, uyarılmış radyasyonun bu ortamda baskın olduğu anlamına gelir. Aynalar arasındaki boşluk aktif bir ortamla, yani uyarılmamış olanlardan daha fazla sayıda uyarılmış atom (üst enerji seviyelerinde bulunan atomlar) içeren bir ortamla doldurulur. Ortam, atomlardan birinin kendiliğinden emisyonuyla başlatılan indüklenen radyasyon nedeniyle içinden geçen ışığı yükseltir.

Lazer radyasyonu, normal sıcaklıklarda nesnelerin parlamasıdır. Ancak normal koşullar altında, çoğu atom en düşük enerji durumundadır. Bu nedenle düşük sıcaklıklarda

FEDERAL DEMİRYOLU AJANSI

FEDERAL DEVLET BÜTÇESİ

YÜKSEK MESLEKİ EĞİTİM EĞİTİM ENSTİTÜSÜ

"MOSKOVA DEVLET İLETİŞİM YOLLARI ÜNİVERSİTESİ"

Ulaştırma Teknolojisi ve Kontrol Sistemleri Enstitüsü

"Ulaştırma mühendisliği teknolojisi ve vagon onarımı" bölümü

Öz

disiplinde: "Elektrofiziksel ve elektrokimyasal işleme yöntemleri"

Konu: "Lazer çeşitleri ve özellikleri"

Tanıtım

Lazerin icadı, 20. yüzyılın bilim ve teknolojisinin en olağanüstü başarıları arasında yer almaktadır. İlk lazer 1960 yılında ortaya çıktı ve lazer teknolojisinin hızlı gelişimi hemen başladı. Kısa sürede, belirli bilimsel ve teknik sorunları çözmek için tasarlanmış çeşitli lazer türleri ve lazer cihazları oluşturuldu. Lazerler, ulusal ekonominin birçok sektöründe şimdiden sağlam pozisyonlar kazandı. Akademisyen A.P. Aleksandrov, artık her erkek lazer kelimesini biliyor ... Yine de lazer nedir, nasıl ilginç ve kullanışlıdır? Lazer biliminin kurucularından biri - kuantum elektroniği - Akademisyen N.G. Basov bu soruyu şöyle yanıtlıyor: Lazer, termal, kimyasal, elektrik gibi enerjinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü bir cihazdır. manyetik alan- lazer ışını. Böyle bir dönüşümle, enerjinin bir kısmı kaçınılmaz olarak kaybolur, ancak ortaya çıkan lazer enerjisinin kıyaslanamayacak kadar fazla olması önemlidir. yüksek kalite... Lazer enerjisinin kalitesi, yüksek konsantrasyonu ve önemli bir mesafe üzerinden iletilme olasılığı ile belirlenir. Bir lazer ışını, ışığın dalga boyu sırasına göre küçük bir çapa odaklanabilir ve bugün bir nükleer patlamanın enerji yoğunluğunu aşan bir enerji yoğunluğu elde edebilir.

Lazer radyasyonunun yardımıyla, en fazlasını elde etmek zaten mümkün olmuştur. yüksek değerler sıcaklık, basınç, manyetik alan kuvveti. Son olarak, lazer ışını en geniş bilgi taşıyıcısıdır ve bu rolde, iletimi ve işlenmesi için temelde yeni bir araçtır. ... Lazerlerin yaygın kullanımı modern bilim ve teknik, lazer radyasyonunun spesifik özellikleri ile açıklanmaktadır. Lazer, tutarlı bir ışık üretecidir. Diğer ışık kaynaklarından farklı olarak (örneğin, akkor lambalar veya flüoresan lambalar), lazer, ışık alanının yüksek derecede düzenlenmesi veya dedikleri gibi yüksek derecede tutarlılık ile karakterize edilen optik radyasyon üretir. Bu tür radyasyon oldukça monokromatik ve yönlüdür. Günümüzde lazerler, modern üretimde başarılı bir şekilde çalışmakta ve çok çeşitli görevlerle başa çıkmaktadır. Lazer ışını ile kumaşları keser ve çelik sacları keserler, araba gövdelerini kaynaklar ve elektronik ekipmandaki en küçük parçaları kaynatırlar, kırılgan ve süper sert malzemelerde delikler açarlar. Ayrıca, malzemelerin lazerle işlenmesi, diğer işleme türlerine kıyasla verimliliği ve rekabet gücünü artırmayı mümkün kılar. Lazerlerin uygulama alanı bilimsel araştırma- fiziksel, kimyasal, biyolojik.

Lazerlerin olağanüstü özellikleri - radyasyonun son derece yüksek tutarlılığı ve yönlülüğü, spektrumun görünür, kızılötesi ve ultraviyole bölgelerinde yüksek yoğunluklu tutarlı dalgalar üretme olasılığı, hem sürekli hem de darbeli modlarda yüksek enerji yoğunlukları elde etme olasılığı - zaten şafakta kuantum elektroniği, pratik amaçlar için geniş uygulama olasılığını gösterdi. Başlangıcından bu yana, lazer teknolojisi son derece yüksek bir oranda gelişmektedir. Yeni lazer türleri ortaya çıkıyor ve aynı zamanda eskileri iyileştiriliyor: çeşitli özel amaçlar için gerekli bir dizi özelliğe sahip lazer kurulumları ve ayrıca çeşitli ışın kontrol cihazları oluşturuluyor, ölçüm teknolojisi giderek daha fazla geliştiriliyor. . Bu, lazerlerin ulusal ekonominin birçok dalına ve özellikle makine ve alet yapımına derinlemesine nüfuz etmesinin nedeniydi.

Özellikle lazer yöntemlerinin veya diğer bir deyişle lazer teknolojilerinin geliştirilmesinin modern üretimin verimliliğini önemli ölçüde artırdığını belirtmek gerekir. Lazer teknolojileri, üretim süreçlerinin en eksiksiz otomasyonunu sağlar.

Günümüzde lazer teknolojisindeki gelişmeler muazzam ve etkileyici. Yarın daha da görkemli başarılar vaat ediyor. Üç boyutlu sinemanın yaratılmasından bu tür sinemanın çözümüne kadar pek çok umut lazerlere bağlanıyor. küresel sorunlar, ultra uzun kara ve su altı optik iletişiminin kurulması, fotosentezin sırlarının çözülmesi, kontrollü bir termonükleer reaksiyonun uygulanması, büyük miktarda belleğe ve yüksek hızlı bilgi giriş-çıkış cihazlarına sahip sistemlerin ortaya çıkması gibi.

1. Lazerlerin sınıflandırılması

İki tür lazer arasında ayrım yapmak gelenekseldir: amplifikatörler ve jeneratörler. Amplifikatörün çıkışında, girişine geçiş frekansında önemsiz bir sinyal geldiğinde (ve kendisi zaten uyarılmış bir durumdayken) lazer radyasyonu ortaya çıkar. Uyarılmış parçacıkları enerjiyi serbest bırakmaya teşvik eden bu sinyaldir. Çığ benzeri bir artış meydana gelir. Bu nedenle, girişte zayıf radyasyon ve çıkışta güçlendirilmiş radyasyon vardır. Jeneratörde durum böyle değil. Girişinde, geçiş frekansındaki radyasyon artık sağlanmaz, aksine aktif maddeyi uyarır ve dahası aşırı uyarır. Ayrıca, aktif madde aşırı uyarılmış durumdaysa, bir veya birkaç parçacığın üst seviyeden alt seviyeye kendiliğinden geçiş olasılığı önemli ölçüde artar. Bu, uyarılmış emisyon oluşumuna yol açar.

Lazerlerin sınıflandırılmasına yönelik ikinci yaklaşım, aktif maddenin fiziksel durumu ile ilgilidir. Bu açıdan bakıldığında, lazerler katı hal (örneğin, yakut, cam veya safir), gaz (örneğin, helyum-neon, argon, vb.), Sıvı, aktif madde olarak bir yarı iletken geçiş kullanılıyorsa, o zaman lazere yarı iletken denir.

Sınıflandırmaya yönelik üçüncü yaklaşım, aktif maddenin uyarılma şekli ile ilgilidir. Aşağıdaki lazerler vardır: optik radyasyon nedeniyle uyarma ile, bir elektron akışı ile uyarma ile, güneş enerjisi ile uyarma ile, patlayan tellerin enerjileri nedeniyle uyarma ile, kimyasal enerji ile uyarma ile, nükleer radyasyon ile uyarma ile. Lazerler ayrıca yayılan enerjinin doğası ve spektral bileşimi ile ayırt edilir. Enerji darbeler halinde yayılıyorsa darbeli lazerlerden bahsederler, sürekli ise lazere sürekli radyasyonlu lazer denir. Yarı iletken gibi karışık bir çalışma moduna sahip lazerler vardır. Lazer radyasyonu dar bir dalga boyu aralığında yoğunlaşıyorsa, lazer monokromatik, geniş bir aralıktaysa geniş bant lazer olarak adlandırılır.

Başka bir sınıflandırma türü, çıkış gücü kavramının kullanımına dayanmaktadır. Sürekli (ortalama) çıkış gücü 106 W'tan fazla olan lazerlere yüksek güçlü lazerler denir. 105 ... 103 W aralığında bir çıkış gücü ile orta güçlü lazerlere sahibiz. Çıkış gücü 10-3 W'tan azsa, düşük güçlü lazerlerden söz edilir.

Açık ayna rezonatörünün tasarımına bağlı olarak, sabit Q-anahtarlı lazerler ile modüle edilmiş Q-anahtarlı lazerler arasında bir ayrım yapılır - böyle bir lazerde aynalardan biri, özellikle ekseni üzerine yerleştirilebilir. bu aynayı döndüren elektrik motoru. V bu durumda rezonatörün Q faktörü periyodik olarak sıfırdan maksimum değere değişir. Böyle bir lazere Q modülasyonlu lazer denir.

2. Lazerlerin özellikleri

Lazerlerin özelliklerinden biri, yayılan enerjinin dalga boyudur. Lazer radyasyonunun dalga boyu aralığı, X-ışınlarından uzak kızılötesine, yani. 10-3 ila 102 mikron arası. 100 mikronluk alanın arkasında mecazi olarak konuşursak, bakir toprak ... Ancak, yalnızca radyo operatörleri tarafından yönetilen bir milimetre bölümüne kadar uzanır. Bu gelişmemiş alan sürekli daralmakta ve gelişiminin yakın gelecekte tamamlanması umulmaktadır. Farklı türdeki üreticilerin hesapladığı pay aynı değildir. Gaz kuantum jeneratörleri için en geniş aralık.

Darbe enerjisi, lazerlerin bir diğer önemli özelliğidir. Joule cinsinden ölçülür ve katı hal jeneratörleri için en yüksek değere ulaşır - yaklaşık 103 J. Üçüncü karakteristik güçtür. Sürekli yayan gaz jeneratörlerinin gücü 10-3 ila 102 watt arasındadır. Aktif ortam olarak helyum-neon karışımı kullanan jeneratörler miliwatt güce sahiptir. CO2 jeneratörlerinin gücü yaklaşık 100 watt'tır. Katı hal jeneratörleri ile güç hakkında konuşmak çok mantıklı. Örneğin, 1 J'lik yayılan enerjiyi alırsak, bir saniyelik aralıklarla konsantre olursak, güç 1 W olacaktır. Ancak yakut jeneratörünün radyasyon süresi 10-4 s'dir, bu nedenle güç 10.000 W, yani. 10kW. Darbe süresi optik bir deklanşör vasıtasıyla 10-6 s'ye düşürülürse, güç 106 W'tır, yani. megavat. Bu sınır değil! Darbe enerjisini 103 J'ye yükseltebilir ve süresini 10-9 s'ye düşürebilirsiniz, ardından güç 1012 W'a ulaşacaktır. Ve bu çok yüksek bir güç. Bir metal 105 W / cm2'ye ulaşan bir ışın yoğunluğuna sahip olduğunda, metalin erimeye başladığı, 107 W / cm2 yoğunluğunda metalin kaynadığı ve 109 W / cm2'de lazer radyasyonunun buharları güçlü bir şekilde iyonize etmeye başladığı bilinmektedir. maddeyi plazmaya dönüştürür.

Bir lazerin bir diğer önemli özelliği, lazer ışınının sapmasıdır. Gaz lazerleri en dar ışına sahiptir. Birkaç ark dakikaya tekabül eder. Katı hal lazerlerinin ışın sapması yaklaşık 1 ... 3 açısal derecedir. Yarı iletken lazerler lob radyasyon açıklığına sahiptir: bir düzlemde yaklaşık bir derece, diğerinde - yaklaşık 10 ... 15 açısal derece.

Bir lazerin bir diğer önemli özelliği, radyasyonun yoğunlaştığı dalga boyu aralığıdır, yani. tek renklilik. Gaz lazerleri çok yüksek monokromatikliğe sahiptir, 10-10'dur, yani. daha önce frekans standartları olarak kullanılan gaz deşarj lambalarından önemli ölçüde daha yüksek. Katı hal lazerleri ve özellikle yarı iletken lazerler, radyasyonlarında önemli bir frekans aralığına sahiptir, yani yüksek düzeyde monokromatik değildirler.

Lazerlerin çok önemli bir özelliği verimliliktir. Katı halde %1 ila 3.5, gazda %1 ... %15, yarı iletkende %40 ... %60'dır. Aynı zamanda, lazerlerin verimliliğini artırmak için tüm olası önlemler alınır, çünkü düşük verimlilik, lazerleri 4 ... 77 K sıcaklığa soğutma ihtiyacına yol açar ve bu, ekipmanın tasarımını hemen karmaşıklaştırır.

2.1 Katı hal lazerleri

Katı hal lazerleri darbeli ve sürekli dalga olarak ikiye ayrılır. Darbeli lazerler arasında yakut ve neodim cama dayalı cihazlar daha yaygındır. Neodim lazerin dalga boyu l = 1.06 μm'dir. Bu cihazlar, uzunluğu 100 cm'ye ulaşan ve çapı 4-5 cm olan nispeten büyük çubuklardır.Böyle bir çubuğun üretiminin darbe enerjisi, 10-3 saniye boyunca 1000 J'dir.

Bir yakut lazer ayrıca 10-3 saniyelik yüksek bir darbe gücü ile ayırt edilir, enerjisi yüzlerce joule kadardır. Darbe tekrarlama hızı birkaç kHz'e ulaşabilir.

En ünlü sürekli dalga lazerleri, içinde nadir toprak metal atomlarının safsızlıklarının bulunduğu itriyum-alüminyum garnet üzerindeki disprosyum ve lazerlerin bir karışımı ile kalsiyum florit üzerinde yapılır. Bu lazerlerin dalga boyları 1 ila 3 mikron aralığındadır. Darbe gücü yaklaşık 1 W veya onun kesridir. İtriyum-alüminyum garnet lazerleri, onlarca watt'a kadar bir darbe gücü sağlamanın yollarıdır.

Kural olarak, katı hal lazerleri çok modlu lazer kullanır. Seçici elemanlar rezonatöre dahil edilerek tek modlu lazer elde edilebilir. Bu karar, üretilen radyasyon gücündeki bir azalmadan kaynaklandı.

Katı hal lazerlerinin üretiminin karmaşıklığı, büyük tek kristalleri büyütme veya büyük şeffaf cam numunelerini eritme ihtiyacında yatmaktadır. Bu zorluklar, aktif ortamın sıvı olduğu ve içine nadir toprak elementlerinin dahil edildiği sıvı lazerlerin üretimi ile aşılmıştır. Bununla birlikte, sıvı lazerlerin kullanım alanlarını sınırlayan bir takım dezavantajları vardır.

2.2 Sıvı lazerler

Sıvı lazerler, sıvı aktif ortama sahip lazerlerdir. Bu tip cihazın ana avantajı, sıvı sirkülasyonu ve buna bağlı olarak soğutulması olasılığıdır. Sonuç olarak, hem darbeli hem de sürekli modlarda daha fazla enerji elde edilebilir.

İlk sıvı lazerler, nadir toprak şelatları temelinde üretildi. Bu lazerlerin dezavantajları, elde edilebilir enerjinin düşük seviyesi ve şelatların kimyasal kararsızlığıdır. Sonuç olarak, bu lazerler kullanılmamıştır. Sovyet bilim adamları, bir lazer ortamında inorganik aktif sıvıların kullanılmasını önerdiler. Onlara dayanan lazerler, yüksek darbeli enerjilerle ayırt edilir ve ortalama güç göstergeleri sağlar. Böyle bir aktif ortama dayalı sıvı lazerler, dar bir frekans spektrumuyla radyasyon üretebilir.

Sıvı lazerlerin başka bir türü, geniş spektral lüminesans çizgileri ile karakterize edilen, organik boya çözeltileri üzerinde çalışan cihazlardır. Böyle bir lazer, yayılan ışık dalga boylarının geniş bir aralıkta sürekli olarak ayarlanmasını sağlayabilir. Boyaları değiştirirken, tüm görünür spektrumun ve kızılötesinin bir kısmının örtüşmesi sağlanır. Bu tür cihazlarda pompalama kaynağı, kural olarak, katı hal lazerleridir, ancak kısa beyaz ışık yanıp sönmeleri (50 μsn'den az) sağlayan gazla yanan lambaların kullanılması mümkündür.

2.3 Gaz lazerleri

Birçok çeşidi vardır. Bunlardan biri fotodisosiasyon lazeridir. Molekülleri, optik pompalamanın etkisi altında, biri uyarılmış durumda olduğu ve lazer radyasyonu için kullanılan iki parçaya ayrışan (parçalanan) bir gaz kullanır.

Büyük bir gaz lazeri grubu, aktif ortamın nadir bir gaz olduğu (1-10 mm Hg basınç) gaz deşarjlı lazerlerden oluşur ve pompalama, ışıma veya ark olabilen bir elektrik deşarjı ile gerçekleştirilir ve doğru akım veya yüksek frekanslı (10 -50 MHz) alternatif akım tarafından oluşturulur.

Birkaç çeşit gaz deşarj lazeri vardır. İyon lazerlerde iyonların enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişlerinden dolayı radyasyon elde edilir. Bir örnek, DC ark deşarjı kullanan bir argon lazeridir.

Atomik geçiş lazerleri, atomların enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişlerinden dolayı üretilir. Bu lazerler 0.4-100 mikron dalga boyunda radyasyon yayar. Bir örnek, yaklaşık 1 mm Hg'lik bir basınç altında bir helyum ve neon karışımı üzerinde çalışan bir helyum-neon lazeridir. Sanat. Yaklaşık 1000 V'luk sabit bir voltaj tarafından üretilen bir kızdırma deşarjı, pompalamaya hizmet eder.

Gaz deşarjlı lazerler, radyasyonun moleküllerin enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişlerinden kaynaklandığı moleküler lazerleri de içerir. Bu lazerler, 0,2 ila 50 µm arasındaki dalga boylarına karşılık gelen geniş bir frekans aralığına sahiptir.

Moleküler karbondioksit (CO2) lazerin en yaygın olanıdır. 10 kW'a kadar güç sağlayabilir ve oldukça yüksek bir verime sahiptir - yaklaşık %40. Azot, helyum ve diğer gazların safsızlıkları genellikle ana karbondioksite eklenir. Pompalama için doğru akım veya yüksek frekanslı kızdırma deşarjı kullanılır. Bir karbon dioksit lazeri, yaklaşık 10 mikron dalga boyunda radyasyon üretir. Şematik olarak Şek. 1.

Pirinç. 1 - CO2 lazer prensibi

Çeşitli CO2 lazerleri gaz dinamiktir. Onlarda, lazer radyasyonu için gereken ters popülasyon, 20-30 atm basınçta 1500 K'ye önceden ısıtılan gazın genişlediği çalışma odasına girmesi ve sıcaklığının ve basıncının keskin bir şekilde düşmesi nedeniyle elde edilir. Bu tür lazerler, 100 kW'a kadar sürekli radyasyon yayabilir.

Moleküler lazerler, çalışma ortamının inert bir gaz (argon, ksenon, kripton, vb.) veya bunun klor veya flor ile kombinasyonu olduğu excimer lazerleri içerir. Bu tür lazerlerde, pompalama elektrik boşalmasıyla değil, hızlı elektron akışıyla (yüzlerce keV enerjili) gerçekleştirilir. Yayılan dalga, örneğin 0.126 μm argon lazer ile en kısadır.

Gaz basıncı arttırılırsa ve harici bir elektrik alanı ile birlikte iyonlaştırıcı radyasyon kullanılarak pompalama uygulanırsa daha yüksek radyasyon güçleri elde edilebilir. İyonlaştırıcı radyasyon hızlı elektron akışı veya ultraviyole radyasyonu olarak hizmet eder. Bu tür lazerlere EI veya sıkıştırılmış gaz lazerleri denir. Bu tip lazerler şematik olarak Şek. 2.

Pirinç. 2 - Elektroiyonizasyon pompalama

Enerji nedeniyle heyecanlı gaz molekülleri kimyasal reaksiyonlar kimyasal lazerlerde elde edilir. Bazı kimyasal olarak aktif gazların (flor, klor, hidrojen, hidrojen klorür, vb.) bir karışımını kullanır. Bu tür lazerlerdeki kimyasal reaksiyonlar çok hızlı ilerlemelidir. Hızlanma için, gaz moleküllerinin optik radyasyon veya elektrik deşarjı veya elektron ışını etkisi altında ayrışması sırasında elde edilen özel kimyasal maddeler kullanılır. Kimyasal lazere bir örnek, flor, hidrojen ve karbon dioksit karışımına dayanan bir lazerdir.

Özel bir lazer türü, bir plazma lazeridir. İçindeki aktif ortam, oldukça iyonize bir buhar plazmasıdır. alkali toprak metalleri(magnezyum, baryum, stronsiyum, kalsiyum). İyonizasyon için, 20 kV'a kadar bir voltajda 300 A'ya kadar güce sahip akım darbeleri kullanılır. Darbe süresi 0.1-1.0 μs'dir. Böyle bir lazerin radyasyonu 0,41-0,43 mikron dalga boyuna sahiptir, ancak ultraviyole bölgesinde de olabilir.

2.4 Yarı iletken lazerler

Yarı iletken lazerler katı hal olmasına rağmen, genellikle özel bir grupta sınıflandırılırlar. Bu lazerlerde iletkenlik bandının alt kenarından değerlik bandının üst kenarına elektronların geçişi nedeniyle koherent radyasyon elde edilir. İki tür yarı iletken lazer vardır. İlki, pompalamanın 50-100 keV enerjili bir hızlı elektron demeti tarafından gerçekleştirildiği saf bir yarı iletken plakaya sahiptir. Optik pompalama da mümkündür. Yarı iletkenler olarak galyum arsenit GaAs, kadmiyum sülfür CdS veya kadmiyum selenit CdSe kullanılır. Elektron ışını ile pompalama, lazer radyasyonunu bozan yarı iletkende güçlü bir ısınmaya neden olur. Bu nedenle, bu tür lazerlerin iyi bir soğutmaya ihtiyacı vardır. Örneğin, bir galyum arsenit lazeri genellikle 80 K sıcaklığa soğutulur.

Elektron ışını pompalaması enine (Şekil 3) veya boyuna (Şekil 4) olabilir. Enine pompalama altında, yarı iletken kristalin iki zıt yüzü parlatılır ve optik rezonatörün aynaları gibi davranır. Boyuna pompalama durumunda dış aynalar kullanılır. Boyuna pompalama, yarı iletken soğutmayı önemli ölçüde iyileştirir. Böyle bir lazerin bir örneği, 0.49 µm dalga boyunda radyasyon üreten ve yaklaşık %25'lik bir verimliliğe sahip olan bir kadmiyum sülfür lazerdir.

Pirinç. 3 - Bir elektron ışını ile enine pompalama

Pirinç. 4 - Bir elektron ışını ile boyuna pompalama

İkinci tip yarı iletken lazer, sözde enjeksiyon lazeridir. Verici ve alıcı safsızlıkların konsantrasyonunun 1018-1019 cm-3 olduğu iki dejenere safsızlık yarı iletken tarafından oluşturulan bir p-n-bağlantısına sahiptir (Şekil 5). p-n-bağlantısının düzlemine dik olan kenarlar parlatılır ve optik rezonatörün aynaları olarak hizmet eder. Böyle bir lazere, etkisi altında pn bağlantısındaki potansiyel bariyerin düşürüldüğü ve elektronların ve deliklerin enjeksiyonunun meydana geldiği doğrudan bir voltaj uygulanır. Geçiş bölgesinde, elektronların iletim bandından değerlik bandına geçtiği ve lazer radyasyonunun göründüğü yük taşıyıcılarının yoğun rekombinasyonu başlar. Galyum arsenit esas olarak enjeksiyon lazerleri için kullanılır. Radyasyonun dalga boyu 0.8-0.9 mikrondur, verim oldukça yüksektir - %50-60.

Pirinç. 5 - Bir enjeksiyon lazerinin prensibi

amplifikatör üreteci ışın dalgası

Yaklaşık 1 mm yarı iletken doğrusal boyutlarına sahip minyatür enjeksiyon lazerleri, 10 mW'a kadar sürekli radyasyon gücü sağlar ve darbeli modda 100 W'a kadar güce sahip olabilirler. Yüksek kapasitelere ulaşmak, güçlü soğutma gerektirir.

Unutulmamalıdır ki lazerler birçok farklı özelliğe sahiptir. Bir optik boşluk, yalnızca iki düzlem paralel aynadan oluşan en basit durumda. Farklı bir ayna şekli ile daha karmaşık rezonatör tasarımları da kullanılır.

Birçok lazer, boşluğun içinde veya dışında bulunan radyasyonu kontrol etmek için ek cihazlar içerir. Bu cihazların yardımıyla lazer ışını saptırılır ve odaklanır, radyasyonun çeşitli parametreleri değiştirilir. Farklı lazerlerin dalga boyu 0.1-100 mikron olabilir. Darbeli radyasyon ile darbelerin süresi 10-3 ila 10-12 s arasında değişir. İmpulslar tek olabilir veya birkaç gigahertz'e kadar tekrarlama oranıyla takip edilebilir. Ulaşılabilir güç, nanosaniye darbeleri için 109 W ve ultra kısa pikosaniye darbeleri için 1012 W'dir.

2.5 Boya lazerleri

Lazer malzemesi olarak organik boyalar kullanan lazerler, genellikle sıvı bir çözelti şeklinde. Lazer spektroskopisinde devrim yarattılar ve darbe süresi bir pikosaniyeden daha kısa olan yeni bir lazer tipine öncülük ettiler (Ultra Kısa Darbeli Lazerler).

Günümüzde pompalama olarak, genellikle diyot pompalı Nd: YAG veya bir Argon lazer gibi başka bir lazer kullanılmaktadır. Flaşla pompalanan bir boya lazeri bulmak çok nadirdir. Boya lazerlerinin ana özelliği, çok büyük kazanç döngüsü genişlikleridir. Aşağıda bazı boya lazerlerinin parametrelerinin bir tablosu bulunmaktadır.

Bu kadar büyük bir lazer çalışma alanını kullanmanın iki yolu vardır:

oluşumun gerçekleştiği dalga boyunun ayarlanması -> lazer spektroskopisi,

geniş bir aralıkta aynı anda nesil -> ultra kısa darbeler nesil.

Bu iki ihtimal doğrultusunda lazerlerin tasarımları da farklılık göstermektedir. Dalga boyunu ayarlamak için geleneksel bir şema kullanılıyorsa, termal stabilizasyon ve kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyuna (genellikle bir prizma, bir kırınım ızgarası veya daha karmaşık şemalar) sahip radyasyon emisyonu için yalnızca ek bloklar eklenir, o zaman çok daha karmaşık bir kurulum olur. ultra kısa darbeler üretmek için gereklidir. Aktif ortam içeren küvetin tasarımı değiştirilir. Lazer darbe süresinin nihayetinde 100 olması nedeniyle ÷ 30 10 15 (vakumdaki ışık sadece 30'u geçmeyi başarır) ÷ 10 μm), popülasyon ters çevrilmesi maksimum olmalıdır, bu sadece boya çözeltisinin çok hızlı pompalanmasıyla sağlanabilir. Bunu gerçekleştirmek için, serbest boya akışına sahip özel bir küvet tasarımı kullanılır (boya, özel bir memeden yaklaşık 10 m/s hızla pompalanır). En kısa darbeler bir halka rezonatör kullanılarak elde edilir.

2.6 Serbest Elektron Lazeri

Bir dalgalayıcıda yayılan monoenerjetik bir elektron ışını tarafından radyasyonun üretildiği lazer tipidir. periyodik sistem saptırma (elektrik veya manyetik) alanlar. Periyodik salınımlar yapan elektronlar, enerjisi elektronların enerjisine ve dalgalayıcının parametrelerine bağlı olan fotonlar yayar.

Elektronların bağlı atomik veya moleküler hallerde uyarıldığı gaz, sıvı veya katı hal lazerlerinden farklı olarak - FEL'de radyasyon kaynağı, bir vakumda özel olarak düzenlenmiş bir dizi mıknatıstan geçen bir elektron ışınıdır - bir dalgalayıcı (wiggler) ışını sinüzoidal bir yörünge boyunca hareket ettiren enerjiyi kaybederek bir foton akışına dönüştürülür. Sonuç olarak, örneğin kristalleri ve diğer nanoyapıları incelemek için kullanılan yumuşak X-ışını radyasyonu üretilir.

Elektron ışınının enerjisinin yanı sıra dalgalayıcının parametrelerinin (manyetik alanın gücü ve mıknatıslar arasındaki mesafe) değiştirilmesiyle, FEL tarafından üretilen lazer radyasyonunun frekansını geniş bir aralıkta değiştirmek mümkündür. FEL ve diğer lazerler arasındaki temel fark olan aralık. FEL tarafından üretilen radyasyon, nano ölçekli yapıları incelemek için kullanılır - 100 nanometre kadar küçük parçacıkların görüntülenmesinde deneyim vardır (bu sonuç, yaklaşık 5 nm çözünürlüğe sahip X-ışını mikroskobu kullanılarak elde edilmiştir). İlk serbest elektron lazerinin tasarımı, 1971'de John M.J. Maidy tarafından Stanford Üniversitesi'ndeki doktora projesinin bir parçası olarak yayınlandı. 1976'da Madie ve meslektaşları, radyasyonu yükseltmek için 24 MeV elektron ve 5 metrelik bir kıpırdatıcı kullanarak FEL ile ilk deneyleri gösterdiler.

Lazer gücü 300 mW idi ve verimlilik sadece %0.01 idi, ancak bu sınıf cihazların verimliliği gösterildi, bu da FEL alanındaki gelişmelerin sayısında büyük bir ilgi ve keskin bir artışa yol açtı.

özel ders

Bir konuyu keşfetmek için yardıma mı ihtiyacınız var?

Uzmanlarımız, ilginizi çeken konularda tavsiyelerde bulunacak veya özel ders hizmetleri sunacaktır.
İstek gönder Konunun belirtilmesi ile şu anda bir danışma alma olasılığını öğrenmek için.

makalenin içeriği

LAZER(optik kuantum jeneratörü) - aktif ortamın atomları (iyonlar, moleküller) tarafından ışığın uyarılmış emisyonu veya saçılması nedeniyle görünür aralıkta tutarlı ve monokromatik elektromanyetik dalgalar üreten bir cihaz. "Lazer" kelimesi, İngilizce "Işık Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - uyarılmış radyasyonla ışığın amplifikasyonu kelimelerinin kısaltmasıdır. Bu kavramları daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Radyasyon teorisinin temelleri.

Kuantum mekaniği yasalarından ( santimetre... KUANTUM MEKANİĞİ), bir atomun enerjisinin yalnızca oldukça belirli değerler alabileceğini takip eder. E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., buna enerji seviyeleri denir. En alt seviye E Atomun enerjisinin minimum olduğu 0, ana olarak adlandırılır. başlayarak seviyelerin geri kalanı E 1 uyarılmış olarak adlandırılır ve atomun daha yüksek enerjisine karşılık gelir. Bir atom, örneğin bir fotonla - bir kuantum elektromanyetik radyasyonla etkileşime girdiğinde, enerjiyi emerek düşük seviyelerden birinden daha yüksek olana gider. Ve giderken yüksek seviye düşük bir atoma foton şeklinde enerji verir. Her iki durumda da foton enerjisi E = H n, ilk ve son seviyeler arasındaki farka eşittir:

H n dakika = E m - E n (1)

nerede H= 6.626176 · 10 –34 J · s Planck sabitidir, n ışıma frekansıdır.

Uyarılmış durumdaki bir atom kararsızdır. Er ya da geç (ortalama olarak 10-8 saniyede), rastgele bir zamanda, bağımsız olarak (kendiliğinden) zemin durumuna dönerek bir elektromanyetik dalga - bir foton yayar. Geçişlerin rastgele doğası, bir maddenin tüm atomlarının eşzamanlı olmayan ve bağımsız olarak yayıldığı gerçeğine yol açar, bunlar tarafından yayılan elektromanyetik dalgaların fazları ve hareket yönü koordine edilmez. Sıradan ışık kaynakları böyle çalışır - akkor lambalar, gaz deşarj tüpleri, aynı ışık kaynağı Güneş'tir, vb. Kendiliğinden emisyonları tutarsızdır.

Ancak bir atom aynı zamanda kendiliğinden değil, frekansı atomun geçiş frekansına yakın olan bir elektromanyetik dalganın etkisi altında, formül (1) ile belirlenen bir foton yayabilir:

n 21 = (E 2 – E 1)/H. (2)

Böyle bir rezonans dalgası, olduğu gibi, atomu "sallar" ve onu üst enerji seviyesinden alt seviyeye "sallar". Atom tarafından yayılan dalganın birincil dalga ile aynı frekansa, faza ve yayılma yönüne sahip olduğu bir zorunlu geçiş meydana gelir. Bu dalgalar tutarlıdır; eklendiklerinde toplam radyasyonun yoğunluğu veya fotonların sayısı artar.

Uyarılmış radyasyon kavramı tanıtıldı ve özel özelliği - tutarlılık - 1916'da A. Einstein tarafından teorik olarak tahmin edildi ve 1927–1930'da kuantum mekaniği açısından P. Dirac tarafından titizlikle doğrulandı.

Genellikle bir maddedeki temel durumdaki atomların sayısı, uyarılmış atomların sayısından çok daha fazladır. Bu yüzden ışık dalgası maddeden geçen enerjisini atomların uyarılması için harcar. Bu durumda, Bouguer yasasına uyarak radyasyon yoğunluğu azalır:

ben ben = ben 0 e - kl , (3)

nerede ben 0 - ilk yoğunluk, ben l mesafeyi geçen radyasyonun yoğunluğu ben absorpsiyon katsayısı olan bir maddede k... Ortamın ışığı çok güçlü bir şekilde emdiği denklemden görülebilir - üstel yasaya göre.

Temel durumdaki atomlardan çok daha fazla uyarılmış atomun bulunduğu bir maddeye aktif denir. Belirli bir seviyedeki atom sayısı E n, bu düzeyin popülasyonu olarak adlandırılır ve E 2 > E 1 - ters popülasyon. Frekansı n = n 21 olan aktif maddeden bir elektromanyetik dalga geçsin. Ardından, zorunlu geçişler sırasında radyasyon nedeniyle E 2® E 1 (devralma eylemlerinden çok daha fazlasıdır) E 1® E 2) güçlenmesi gerçekleşecektir. Ve kuantum mekaniği açısından bu, maddenin içinden geçen her fotonun tamamen aynı fotonun ortaya çıkmasına neden olduğu anlamına gelir. Birlikte iki foton daha üretirler, bu dört - sekiz vb. - aktif maddede bir foton çığı belirir. Bu fenomen, Bouguer yasasına (3) benzer şekilde yazılan radyasyon yoğunluğunun üstel bir büyüme yasasına yol açar, ancak kuantum kazancı ile a onun yerine - k:

ben ben = ben 0 e bir l(4)

Ancak pratikte foton sayısında bu kadar hızlı bir artış olmaz. Gerçek maddelerde, bir elektromanyetik dalganın enerji kaybına neden olan birçok faktör her zaman vardır (ortamın homojen olmamalarıyla saçılma, safsızlıklar tarafından absorpsiyon vb.). Sonuç olarak, bir dalganın en az onlarca kez amplifikasyonunu, sadece aktif bir ortamdaki yol uzunluğunu birkaç metreye çıkararak gerçekleştirmek mümkündür, bu da uygulanması kolay değildir. Ancak başka bir yol daha var: aktif maddeyi iki paralel ayna arasına yerleştirmek (rezonatörde). Onlara tekrar tekrar yansıyan dalga, elbette, uyarılmış atomların sayısı büyük kalırsa, yani büyük büyütme için yeterli bir mesafe kat edecektir. tersine çevrilmiş nüfus kalacaktır.

Ters popülasyon, aktif maddeyi onunla "pompalayan" ayrı bir enerji kaynağının yardımıyla gerçekleştirilebilir ve korunabilir. Böyle bir kaynak güçlü bir lamba, elektrik deşarjı, kimyasal reaksiyon vb. Ek olarak, üst enerji düzeylerinden birindeki atomların, maddedeki toplam atom sayısının yaklaşık %50'sini orada biriktirecek kadar (elbette kuantum süreçleri ölçeğinde) yeterince uzun kalmaları gerekir. Ve bunun için en az üç enerji seviyesinde çalışan parçacıklara (atomlar veya iyonlar) sahip olmak gerekir.

Radyasyon üretmek için üç seviyeli bir şema aşağıdaki gibi çalışır. Pompalama, atomları alt enerji seviyesinden aktarır E 0 yukarı E 3. Oradan seviyeye inerler E 2, kendiliğinden foton emisyonu olmadan uzun süre kalabilecekleri yer (bu seviyeye yarı kararlı denir). Ve sadece geçen bir elektromanyetik dalganın etkisi altında, atom ana seviyeye geri döner. E 0, bir frekansla uyarılmış radyasyon yayan n = (E 2 – E 0)/H orijinal dalga ile uyumludur.

Tersine çevrilmiş bir popülasyon yaratma koşulları ve uyarılmış emisyonun deneysel tespiti, 1928'de Alman fizikçi R. Landenburg ve bağımsız olarak 1939'da Rus fizikçi V.A. Fabrikant tarafından formüle edildi. Kısa radyo darbeleri şeklinde uyarılmış emisyon ilk olarak gözlemlendi. Amerikalı fizikçiler 1950'de E. Parsell ve R. Pound. 1951'de VA Fabrikant ve çalışma arkadaşları, "güçlendirilmiş radyasyonu bir ortamdan geçirerek elektromanyetik radyasyonu (ultraviyole, görünür, kızılötesi, radyo dalgaları) büyütme yöntemi" için bir yazarın başvurusunu yaptılar. tersine çevrilmiş bir nüfus." Bununla birlikte, bu uygulama yalnızca 1959'da yayınlandı ve kuantum jeneratörlerinin yaratılması konusundaki çalışmaların ilerlemesi üzerinde herhangi bir etkisi olamazdı. Çünkü, 1950'lerin başında, SSCB'de, N.G. Basov ve A.M. Prokhorov'da ve ABD'de Charles Towns ile J. Weber'de birbirlerinden bağımsız olarak, yapılarının temel olasılığı tartışılmaya başlandı. Ve 1954-1956'da radyo aralığının ilk kuantum jeneratörü geliştirildi ve inşa edildi ( ben= 1.25 cm), 1960'da - yakut lazer ve gaz lazeri ve iki yıl sonra - yarı iletken lazer.

Lazer cihazı.

Çok çeşitli aktif ortam türleri ve ters popülasyon elde etme yöntemlerine rağmen, tüm lazerlerin üç ana bölümü vardır: aktif ortam, pompalama sistemi ve boşluk.

Aktif ortam - ters bir popülasyonun oluşturulduğu bir madde - katı (yakut veya alüminyum-itriyum granat kristalleri, çeşitli boyut ve şekillerde çubuklar şeklinde neodimyum safsızlığına sahip cam), sıvı (çözeltiler) olabilir. küvetlerde anilin boyaları veya neodimiyum tuzlarının çözeltileri) ve gazlı (cam tüplerde helyum, neon, argon, karbon dioksit, düşük basınçlı su buharı karışımı). Yarı iletken malzemeler ve soğuk plazma, kimyasal reaksiyon ürünleri de lazer radyasyonu üretir. Aktif ortamın türüne bağlı olarak lazerlere yakut, helyum-neon, boya vb.

Bir rezonatör, aralarına aktif bir ortamın yerleştirildiği birbirine paralel bir çift aynadır. Bir ayna ("donuk") üzerine düşen tüm ışığı yansıtır; ikinci, yarı saydam, radyasyonun bir kısmı, uyarılmış radyasyonun uygulanması için çevreye geri döner ve bir kısmı, bir lazer ışını şeklinde dışarıya verilir. "Sağır" bir ayna olarak, genellikle toplam iç yansıma prizması kullanılır ( santimetre... OPTİK), yarı saydam olarak - bir cam plaka yığını. Ek olarak, aynalar arasındaki mesafeyi seçerek, rezonatör, lazerin yalnızca bir, kesin olarak tanımlanmış tipte (mod olarak adlandırılan) radyasyon üreteceği şekilde ayarlanabilir.

Pompalama, aktif ortamda ters bir popülasyon oluşturur ve her ortam için en uygun ve en uygun olanı. etkili yöntem pompalama. Katı hal ve sıvı lazerlerde, flaş lambaları veya lazerler kullanılır, gazlı ortamlar elektrik deşarjı ile uyarılır ve yarı iletkenler - elektrik akımı ile.

Pompalama nedeniyle rezonatör içine yerleştirilen aktif elementte inversiyon durumuna ulaştıktan sonra, atomları zaman zaman kendiliğinden fotonlar yayarak yer seviyesine inmeye başlar. Rezonatörün eksenine açılı olarak yayılan fotonlar, bu yönlerde kısa bir uyarılmış emisyon zincirine neden olur ve hızla aktif ortamı terk eder. Ve yalnızca rezonatörün ekseni boyunca hareket eden, aynalara tekrar tekrar yansıyan fotonlar, tutarlı bir radyasyon çığı oluşturur. Bu durumda, frekanslar (radyasyon modları) avantajlı bir konumdadır, bir tam sayı yarım dalga, rezonatörün uzunluğunun bir tamsayı sayısına uyar.

Lazer türleri.

Katı hal lazerleri. İlk katı aktif ortam yakuttu - küçük bir krom iyonu Cr +++ karışımı olan bir korundum kristali Al203. 1960 yılında T. Meiman (ABD) tarafından tasarlanmıştır. Neodymium Nd, itriyum alüminyum garnet Y 2 Al 5 O 12 ile krom, neodimyum ve nadir toprak elementlerinin karışımı ile çubuk şeklinde cam da yaygın olarak kullanılmaktadır. . Katı hal lazerleri genellikle yaklaşık 10 – 3 saniye boyunca yanıp sönen bir flaş lambası ile pompalanır ve lazer darbesi bunun yarısı kadar uzun olur. Zamanın bir kısmı ters bir popülasyon oluşturmaya harcanır ve flaşın sonunda ışık yoğunluğu atomları uyarmak için yetersiz kalır ve üretim durur. Lazer darbesi karmaşık bir yapıya sahiptir, yaklaşık 10 -5 saniye aralıklarla ayrılmış, yaklaşık 10 -6 saniye süreli birçok ayrı tepe noktasından oluşur. Bu sözde serbest üretim modunda, darbe gücü onlarca kilowatt'a ulaşabilir. Gücü basitçe pompa ışığını yükselterek ve lazer çubuğunun boyutunu büyüterek artırmak teknik olarak imkansızdır. Bu nedenle, lazer darbelerinin gücü, süreleri azaltılarak arttırılır. Bunun için rezonatör aynalardan birinin önüne, aktif maddenin neredeyse tüm atomları üst seviyeye aktarılana kadar lazerin başlamasını engelleyen bir panjur yerleştirilir. Ardından obtüratör kısa bir süre için açılır ve birikmiş olan tüm enerji, sözde dev bir darbe şeklinde görüntülenir. Enerji rezervine ve flaşın süresine bağlı olarak, darbe gücü birkaç megavattan onlarca terawata (10 12 watt) kadar değişebilir.

Gaz lazerleri. Gaz lazerlerinin aktif ortamı, düşük basınçlı gazlardır (yüzde bir ila birkaç milimetre cıva) veya bunların karışımları, bir cam tüpü lehimli elektrotlarla doldurur. Helyum ve neon karışımına dayanan ilk gaz lazeri, 1960 yılında A. Javan, W. Bennett ve D. Erriot (ABD) tarafından yakut lazerden kısa bir süre sonra yaratıldı. Gaz lazerleri, yüksek frekanslı bir jeneratör tarafından sağlanan bir elektrik deşarjı ile pompalanır. Katı hal lazerlerinde olduğu gibi radyasyon üretirler, ancak gaz lazerleri kural olarak sürekli radyasyon verir. Gazların yoğunluğu çok küçük olduğundan, aktif madde ile tüpün uzunluğu, aktif maddenin kütlesinin yüksek bir radyasyon yoğunluğu elde etmek için yeterli olmasına yetecek kadar büyük olmalıdır.

Gaz lazerleri ayrıca gaz dinamik, kimyasal ve eksimer lazerleri (yalnızca uyarılmış halde bulunan moleküllerin elektronik geçişleri üzerinde çalışan lazerler) içerir.

Gaz dinamik lazer, aktif ortam gazlarının moleküllerinin eklenmesiyle yakıtın yakıldığı bir jet motoruna benzer. Yanma odasında gaz molekülleri uyarılır ve süpersonik bir akışta soğutulduğunda, gaz akışı boyunca ortaya çıkan kızılötesi bölgede yüksek güçlü uyumlu radyasyon şeklinde enerji yayar.

Kimyasal lazerlerde (bir gaz dinamik lazerin bir çeşidi), kimyasal reaksiyonlar nedeniyle popülasyon inversiyonu oluşur. En yüksek güç, atomik florin hidrojen ile reaksiyonuna dayanan lazerler tarafından geliştirilmiştir:

Sıvı lazerler. Bu lazerlerin (boya lazerleri de denir) aktif ortamları çeşitlidir. organik bileşiklerçözümler şeklinde. İlk boya lazerleri 1960'ların sonlarında ortaya çıktı. Çalışma maddelerinin yoğunluğu arasında bir ara yer alır. sağlam vücut ve gaz, bu nedenle aktif madde ile küçük bir hücre boyutu ile oldukça güçlü bir radyasyon (20 W'a kadar) üretirler. Hem darbeli hem de sürekli modlarda çalışırlar, darbeli lambalar ve lazerler tarafından pompalanırlar. Boya moleküllerinin uyarılmış seviyeleri geniştir; bu nedenle sıvı lazerler aynı anda birkaç frekans yayar. Küvetleri boya solüsyonları ile değiştirerek lazer radyasyonu çok geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Radyasyon frekansının düzgün ayarlanması, rezonatörün ayarlanmasıyla gerçekleştirilir.

Yarı iletken lazerler. Bu tür optik kuantum jeneratörleri, 1962'de birkaç Amerikalı araştırmacı grubu (R. Hall, MI Neuthen, T. Kvist ve diğerleri) tarafından eşzamanlı olarak oluşturuldu, ancak çalışmasının teorik olarak doğrulanması 1958'de NG Basov ve meslektaşları tarafından yapıldı. En yaygın lazer yarı iletken malzemesi - galyum arsenit GaAr.

Kuantum mekaniği yasalarına göre bir katıdaki elektronlar, sürekli olarak yerleştirilmiş birçok seviyeden oluşan geniş enerji bantlarını işgal eder. Değerlik bandı olarak adlandırılan alt bant, üst banttan (iletkenlik bandı) enerji seviyelerinin olmadığı sözde yasak bant ile ayrılır. Bir yarı iletkende az sayıda iletim elektronu vardır, hareketlilikleri sınırlıdır, ancak termal hareketin etkisi altında, bireysel elektronlar değerlik bandından iletim bandına atlayabilir ve içinde boş bir alan - bir "delik" bırakabilir. Ve eğer enerjili bir elektron E e kendiliğinden iletim bandına geri döner, enerjiye sahip bir delik ile "yeniden birleşir". E d, frekanslı bir fotonun yasak bölgesinden gelen radyasyonun eşlik ettiği n = E NS - E e. Yarı iletken bir lazer sabit bir elektrik akımıyla pompalanır (bu durumda enerjisinin %50 ila neredeyse %100'ü radyasyona dönüştürülür); Rezonatör genellikle bir yarı iletken kristalin cilalı yüzleridir.

Doğada lazerler. Evrende doğal kaynaklı lazerler keşfedildi. Nüfus ters çevrilmesi, yoğunlaştırılmış gazlardan oluşan devasa yıldızlararası bulutlarda meydana gelir. Kozmik radyasyon, yakındaki yıldızlardan gelen ışık, vb. Pompalanır.Aktif ortamın (gaz bulutları) devasa uzunluğu nedeniyle - yüz milyonlarca kilometre - bu tür astrofiziksel lazerlerin rezonatörlere ihtiyacı yoktur: Elektromanyetik radyasyon birkaç santimetre (Yengeç Bulutsusu) ile mikron (yıldız Eta Karina'nın çevresi) arasındaki dalga boyu aralığında, tek bir dalga geçişi ile içlerinde görünür.

Lazer radyasyonunun özellikleri.

Geleneksel termal radyasyon kaynaklarının aksine, bir lazer bir dizi özel ve çok değerli özelliklere sahip ışık üretir.

1. Lazer radyasyonu tutarlı ve pratik olarak tek renklidir. Lazerlerin ortaya çıkmasından önce, yalnızca iyi dengelenmiş bir verici tarafından yayılan radyo dalgaları bu özelliğe sahipti. Ve bu, bilgi aktarımı ve iletişimin uygulanması için görünür ışık aralığında ustalaşmayı mümkün kıldı, böylece birim zaman başına iletilen bilgi miktarını önemli ölçüde artırdı.

Uyarılan radyasyonun kesinlikle rezonatörün ekseni boyunca yayılması nedeniyle, lazer ışını zayıf bir şekilde genişler: sapması birkaç ark saniyedir.

Tüm bu nitelikler, lazer ışınını son derece küçük bir noktaya odaklayarak, odak noktasında muazzam bir enerji yoğunluğu elde edilmesini sağlar.

2. Yüksek güçlü lazer radyasyonu muazzam bir sıcaklığa sahiptir.

Denge radyasyonunun enerjisi arasındaki ilişki E bu frekans n ve sıcaklığı T Planck'ın radyasyon yasasını tanımlar. Bu miktarlar arasındaki ilişki, frekans (apsis) - enerji (ordinat) koordinatlarında bir eğri ailesi şeklindedir. Her eğri, belirli bir sıcaklıkta emisyon spektrumundaki enerji dağılımını verir. Lazer radyasyonu dengesizdir, ancak yine de enerjisinin değerlerini Planck formülüyle değiştirir. E birim hacim ve frekans başına n(veya değerlerini grafikte çizerek), radyasyon sıcaklığını elde ederiz. Lazer radyasyonu pratik olarak tek renkli olduğundan ve enerji yoğunluğu (birim hacimdeki miktarı) son derece yüksek olabileceğinden, radyasyon sıcaklığı çok büyük değerlere ulaşabilir. Örneğin, petawat (10 15 W) düzeyinde bir güce sahip darbeli bir lazer, yaklaşık 100 milyon derecelik bir radyasyon sıcaklığına sahiptir.

Lazerlerin kullanımı.

Lazer radyasyonunun benzersiz özellikleri, kuantum jeneratörlerini bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında vazgeçilmez bir araç haline getirmiştir.

1. Teknolojik lazerler. Çeşitli malzemelerden yapılmış parçaların kesilmesi, kaynaklanması ve lehimlenmesi için güçlü sürekli lazerler kullanılır. Yüksek radyasyon sıcaklığı, diğer yöntemlerle birleştirilemeyen malzemeleri (örneğin metalden seramiğe) kaynaklamayı mümkün kılar. Radyasyonun yüksek monokromatikliği, ışını bir mikron mertebesinde bir çapa sahip bir noktaya odaklamayı mümkün kılar (dağılma olmaması nedeniyle, santimetre... TİTREŞİMLER VE DALGALAR) ve mikro devrelerin üretimi için kullanın (sözde lazerle çizme yöntemi - ince bir tabakanın çıkarılması). Parçaları vakumda veya inert gaz atmosferinde işlemek için, lazer ışını şeffaf bir pencereden proses odasına verilebilir.

Mükemmel düz lazer ışını, kullanışlı bir "cetvel" görevi görür. Jeodezi ve inşaatta, darbeli lazerler, yerdeki mesafeleri ölçmek için kullanılır ve ışık darbesinin iki nokta arasında hareket ettiği zamanı hesaplar. Endüstride doğru ölçümler, ürünün uç yüzeylerinden yansıyan lazer ışınlarının girişimi kullanılarak yapılır.

2. Lazer iletişimi Lazerlerin ortaya çıkışı, iletişim teknolojisinde ve bilgi kaydında devrim yarattı. var basit desen: iletişim kanalının taşıyıcı frekansı (daha kısa dalga boyu) ne kadar yüksekse, bant genişliği o kadar büyük olur. Bu nedenle, ilk başta uzun dalgalar aralığında ustalaşan radyo iletişimi, giderek daha kısa dalga boylarına geçti. Ancak ışık, radyo dalgalarıyla aynı elektromanyetik dalgadır, yalnızca on binlerce kat daha kısadır, bu nedenle bir lazer ışını, yüksek frekanslı bir radyo kanalından on binlerce kat daha fazla bilgi iletebilir. Lazer iletişimi, toplam iç yansıma nedeniyle ışığın yüzlerce kilometre boyunca pratik olarak kayıpsız yayıldığı fiber optik - ince cam filamentler aracılığıyla gerçekleştirilir. CD'lerdeki görüntüleri (hareketli olanlar dahil) ve sesi kaydetmek ve çoğaltmak için bir lazer ışını kullanılır.

3. Tıpta lazerler . Lazer teknolojisi hem cerrahi hem de tedavide yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrılan retina, gözbebeği içinden verilen bir lazer ışını ile "kaynaklanır" ve fundustaki kusurlar düzeltilir. "Lazer neşter" ile yapılan cerrahi operasyonlar canlı dokular için daha az travmatiktir. Düşük güçlü lazer radyasyonu da yara iyileşmesini hızlandırır ve doğu tıbbında uygulanan akupunktura (lazer akupunktur) benzer bir etkiye sahiptir.

4. Bilimsel araştırmalarda lazerler . Aşırı boyutta sıcaklık radyasyon ve enerjisinin yüksek yoğunluğu, maddeyi yalnızca sıcak yıldızların bağırsaklarında var olan aşırı bir durumda incelemeyi mümkün kılar. Bir döteryum ve trityum karışımı olan bir ampulü bir lazer ışını sistemi (atalet termonükleer füzyonu olarak adlandırılır) ile sıkarak bir termonükleer reaksiyon gerçekleştirmeye çalışılmaktadır. V genetik mühendisliği ve nanoteknoloji (karakteristik boyutu 10-9 m olan nesnelerle ilgilenen teknoloji) lazer ışınları, gen parçalarını, biyolojik molekülleri ve milimetrenin milyonda biri (10 -9 m) düzeyindeki parçaları keser, hareket ettirir ve bağlar. Atmosferi incelemek için lazer konumlayıcılar (lidarlar) kullanılır.

5. Askeri lazerler. Lazerlerin askeri uygulamaları, hem hedef tespiti ve iletişim için kullanımlarını hem de silah olarak kullanımlarını içerir. Güçlü kimyasal ve excimer lazerler, yer tabanlı veya yörüngesel ışınlarla düşman savaş uydularını ve uçaklarını imha etmek veya devre dışı bırakmak planlanmaktadır. Silahlanma ekipleri için lazer tabanca örnekleri oluşturuldu yörünge istasyonları askeri kullanım.

20. yüzyılın ortalarında ortaya çıkan lazerlerin, yarım yüzyıl önce elektrik ve radyonun oynadığı rolün aynısını insanlığın hayatında oynadığını abartmadan söyleyebiliriz.

Sergey Trankovsky