Яка властивість лазерного випромінювання дозволяє. Що таке лазерне випромінювання? Лазерне випромінювання: його джерела та захист від нього
потужність. У перших лазерах з активною речовиною з рубіна енергія світлового імпульсу була приблизно 0,1 Дж. В даний час енергія випромінювання деяких твердотільних лазерів досягає тисяч джоулів. При малому часу дії світлового імпульсу можна отримувати величезні потужності. Так, неодимовий лазер генерує імпульси тривалістю 3 · 10 -12 с, і при енергії імпульсу 75 Дж потужність його досягає 2,5 · 10 13 Вт! (Для порівняння - потужність Красноярської ГЕС дорівнює 6 х 10 9 Вт.) Потужність газових лазерів значно нижче (до 50 кВт), проте їх перевага в тому, що їх випромінювання відбувається безперервно, хоча серед газових є і імпульсні лазери.
кут розходженнялазерного пучка дуже малий, і тому інтенсивність світлового потоку майже не зменшується з відстанню. Імпульсні лазери можуть створювати інтенсивності світла до 10 14 Вт / м 2. Потужні лазерні системи можуть давати інтенсивності до 10 20 Вт / м 2. Для порівняння зазначимо, що середнє значення інтенсивності сонячного світла поблизу земної поверхні всього лише 10 3 Вт / м 2. Отже, яскравість навіть відносно слабких лазерів в мільйони разів перевищує яскравість Сонця.
когерентність. Узгоджене перебіг у часі і в просторі кількох хвильових процесів, що виявляється при їх складанні. Коливання називають когерентним, якщо різниця фаз між ними залишається постійною в часі. При складанні двох гармонійних коливань з однаковою частотою, але з різними амплітудами А 1 і А 2 і різними фазами утворюється гармонійнеколивання тієї ж частоти, амплітуда якого в залежності від різниці фаз може змінюватися в межах від A 1 -А 2 до A 1 + A 2, причому ця амплітуда в даній точці простору залишається постійною. Світлові хвилі, що випускаються нагрітими тілами або при люмінесценції, створюються при спонтанних переходах електронів між різними енергетичними рівнями в незалежних одна від одної атомах. Кожен атом випускає електромагнітну хвилю протягом часу 10 -8 с, яке називається часом когерентності. За цей час світло поширюється на відстань 3 м. Це відстань називають довжиною когерентності, або довжиною цуга. Хвилі, що знаходяться за межами довжини цуга, будуть вже некогерентними. Випромінювання, що створюється великою кількістю незалежних один від одного атомів, складається з безлічі цугов, фази яких хаотично змінюються в межах від 0 до 2p. Для виділення когерентної частини із загального некогерентного світлового потоку природного світла застосовують спеціальні пристрої (дзеркала Френеля, біпрізми Френеля і ін.), Які створюють світлові пучки дуже малої інтенсивності, тоді як лазерне випромінювання при всій його величезної інтенсивності цілком когерентно.
Некогерентний світловий пучок в принципі не можна сфокусувати в пляму дуже малих розмірів, оскільки цьому перешкоджає відмінність в фазах складових його цугов. Когерентне лазерне випромінювання можна сфокусувати в пляму діаметром, рівним довжині хвилі, цього випромінювання, що дозволяє збільшувати і без того велику інтенсивність лазерного пучка світла.
Монохроматичність.Монохроматичним називають випромінювання зі строго однаковою довжиною хвилі, проте його може створити тільки гармонійнеколивання, що відбувається з незмінною частотою і амплітудою протягом нескінченно довгого часу. Реальне випромінювання не може бути монохроматичним хоча б тому, що воно складається з безлічі цугов, і практично монохроматичним вважають випромінювання з вузьким спектральним інтервалом, який можна наближено характеризувати середньою довжиною хвилі. До появи лазерів випромінювання з певним ступенем монохроматичности вдавалося отримувати за допомогою призматичних монохроматоров, що виділяють із суцільного спектра вузьку смугу довжин хвиль, однак потужність світла в такій смузі дуже мала. Лазерне випромінювання має високим ступенеммонохроматичности. Ширина спектральних ліній, створюваних деякими лазерами, досягає 10 -7 нм.
Поляризація.Електромагнітне випромінювання в межах одного цуга поляризоване, але оскільки світлові пучки складаються з безлічі цугов, незалежних один від одного, то природне світло неполяризована і для отримання поляризованого світла застосовують спеціальні пристрої - призми Ніколя, поляроїди і т. П .. На відміну від природного світла лазерне випромінювання повністю поляризоване.
Спрямованість випромінювання.Важливою властивістю лазерного випромінювання є його сувора спрямованість, яка характеризується дуже малою расходимостью світлового променя, що є наслідком високого ступеня когерентності. Кут розходження у багатьох лазерів доведений приблизно до 10 -3 рад, що відповідає одній кутовий хвилині. Така спрямованість, абсолютно недосяжна в звичайних джерелах світла, дозволяє передавати світлові сигнали на великі відстані при дуже малому ослабленні їх інтенсивності, що вкрай важливо при використанні лазерів в системах передачі інформації або вкосмос.
Напруженість електричного поля.Ще одна властивість, що відрізняє лазерне випромінювання від звичайного світла, - висока напруженість електричного поля в ньому. Інтенсивність потоку електромагнітної енергії I - EH(Формула Умова - Пойнтінга), де Еі Н- відповідно напруженості електричного і магнітного полів в електромагнітній хвилі. Звідси можна підрахувати, що напруженість електричного поля в світловій хвилі з інтенсивністю 10 18 Вт / м 2 дорівнює 3-10 10 В / м, що перевищує напруженість поля всередині атома. Напруженість поля в світлових хвилях, створюваних звичайними джерелами світла, не перевищує 10 4 В / м.
При падінні на тіло електромагнітна хвилянадає механічний тиск на це тіло, пропорційне інтенсивності потоку енергії хвилі. Світловий тиск, що створюється в літній день яскравим сонячним світлом, Так само приблизно 4 10 -6 Па (нагадаємо, що атмосферний тиск 10 5 Па). Для лазерного випромінювання величина світлового тиску досягає 10 12 Па. Такий тиск дозволяє обробляти (пробивати, різати отвори та ін.) Найтвердіші матеріали - алмаз і надтверді сплави.
Взаємодія світла з речовиною (відображення, поглинання, дисперсія) обумовлено взаємодією електричного поля світлової хвилі з оптичними електронами речовини. Атоми діелектриків в електричному полі поляризуються. При невеликій напруженості дипольний момент одиниці об'єму речовини (або вектор поляризації) пропорційний напруженості поля. Всі оптичні характеристики речовини, такі, як показник заломлення, показник поглинання і інші, так чи інакше пов'язані зі ступенем поляризації, яка визначається напруженістю електричного поля світлової хвилі. Оскільки цей зв'язок лінійна, тобто величина Рпропорційна Е,що дає підставу називати оптику, що має справу з випромінюванням порівняно невеликих інтенсивностей, лінійної оптикою.
У лазерному випромінюванні напруженість електричного поля хвилі порівнянна з напруженістю поля в атомах і молекулах і може змінювати їх в відчутних межах. Це призводить до: тому, що діелектрична сприйнятливість перестає бути постійною величиною і стає деякою функцією напруженості поля . Отже, залежність вектора поляризації від напруженості поля вже не буде лінійною функцією. Тому говорять про нелінійної поляризації середовища і відповідно про нелінійній оптиці, в якій діелектрична проникність речовини, показник заломлення, показник поглинання і інші оптичні величини будуть вже не постійними, а залежними від інтенсивності падаючого світла.
У порівнянні з іншими джерелами світла лазер володіє рядом унікальних властивостей, пов'язаних з когерентністю і високою спрямованістю його випромінювання. Випромінювання «нелазерних» джерел світла не має цих особливостей. Потужність, яку випромінює нагрітим тілом, визначається його температурою Т. Найбільше можливе значення потоку випромінювання, що досягається для абсолютно чорного тіла, W = 5,7 × 10-12xT 4 вт / см 2. Потужність випромінювання швидко зростає зі збільшенням Т і для високих Т досягає вельми великих величин. Так, кожен 1 см 2 поверхні Сонця (Т = 5800 К) випромінює потужність W = 6,4 × 10 3 Вт. Однак випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках від джерела. Формування спрямованого пучка від такого джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних систем, що складаються з лінз і дзеркал, завжди супроводжується втратою енергії. Ніяка оптична система не дозволяє отримати на поверхні, що освітлюється потужність випромінювання більшу, ніж в самому джерелі світла.
Якщо інтенсивність випромінювання лазера порівняти з інтенсивністю випромінювання абсолютно чорного тіла в тому ж спектральному і кутовому інтервалах, то виходять фантастично великі температури, в мільярди і більше разів перевищують реально досяжні температури теплових джерел світла. Крім того, мала розбіжність випромінювання дозволяє за допомогою звичайних оптичних систем концентрувати світлову енергію в мізерно малих обсягах, створюючи величезні щільності енергії. Когерентність і спрямованість випромінювання відкривають принципово нові можливості використання світлових пучків там, де нелазерні джерела світла незастосовні.
Спрямованість лазерного випромінювання багато в чому залежить від того, що у відкритому резонаторі можуть порушуватися лише такі хвилі, які спрямовані по осі резонатора або під дуже малими кутами до неї. При високому ступені просторової когерентності кут розходження лазерного променя може бути зроблений близьким до межі, що визначається дифракцією. Типові значення становлять: для газових лазерів (0,5-5) x10 -3 радіан, у твердотільних (2-20) x10 -3 радіан, у напівпровідникових (5-50) x10 -2 радіан.
Випромінювання теплового джерела, крім того, немонохроматичності, воно заповнює широкий інтервал довжин хвиль. Наприклад, спектр випромінювання Сонця захоплює ультрафіолетовий, видимий і інфрачервоний діапазони довжин хвиль. Для підвищення монохроматичности випромінювання застосовують монохроматори, що дозволяють виділити з суцільного спектра порівняно вузьку область, або використовують газорозрядні джерела світла низького тиску, що дають дискретні атомні або молекулярні вузькі спектральні лінії. Інтенсивність випромінювання в спектральних лініях, проте, не може перевищувати інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла, температура якого дорівнює температурі збудження атомів і молекул. Таким чином, в обох випадках монохроматизація випромінювання досягається ціною величезних втрат енергії. Чим вже спектральна лінія, тим менше випромінювана енергія.
Принциповою відмінністю лазерів від всіх інших джерел світла, які представляють собою по суті справи джерела оптичного шуму, є високий ступінь когерентності лазерного випромінювання. Зі створенням лазерів в оптичному діапазоні з'явилися джерела випромінювання, аналогічні звичним в радіодіапазоні генераторів когерентних сигналів, здатні успішно використовуватися для цілей зв'язку і передачі інформації, а за багатьма своїми властивостями - спрямованості випромінювання, смузі переданих частот, низького рівня шумів, концентрації енергії в часі і т.д. - перевершують класичні пристрої радіодіапазону.
У разі лазера, що працює в многомодовом режимі, монохроматичность пов'язана з числом генеруються мод і може становити кілька гігагерц. В імпульсному режимі роботи мінімальна ширина лінії обмежена величиною, зворотної тривалості імпульсу.
Високий ступінь монохроматичности лазерного випромінювання визначає високу спектральну щільність енергії - високий ступінь концентрації світлової енергії в дуже малому спектральному інтервалі. Висока монохроматичность полегшує фокусування лазерного випромінювання, оскільки при цьому хроматична аберація лінзи стає несуттєвою. Когерентність. Лазери мають надзвичайно високу в порівнянні з іншими джерелами світла ступенем когерентності випромінювання, часової і просторової.
В даний час лазери перекривають діапазон від ультрафіолету до субміліметрових хвиль, досягнуті перші успіхи в створенні рентгенівських лазерів, створені перебудовувані по частоті лазери.
Завдяки високій спрямованості лазерні джерела світла мають дуже високою яскравістю, через що на мішені можна отримати дуже велику інтенсивність світла. Так, гелій-неоновий лазер з потужністю всього 10 мВт і расходимостью випромінювання 3 × 10 -4 радіан при площі пучка 0,1 см 2 має яскравість 10 6 Вт / (см 2 * стерадіан), що у багато разів перевищує яскравість Сонця (130 Вт / (см 2 стерадіан)).
Перераховані вище властивості роблять лазери унікальними джерелами світла і визначають можливість їх численних застосувань.
ВСТУП
1.2 НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ЛАЗЕР
1.3 рідинних ЛАЗЕР
1.3.1 лазер на барвники
1.4 ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР І ІНШІ
1.5 ПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ
2. ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ
2.3 ГОЛОГРАФІЯ
2.3.3 ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЯ
ВИСНОВОК
ПРИНЦИП ДІЇ ЛАЗЕРОВ
Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться. При проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її енергія поглинається. За рахунок поглиненої енергії хвилі частина атомів порушується, тобто переходить в вищий енергетичний стан. При цьому від світлового пучка віднімається деяка енергія:
де hν - величина, що відповідає кількості витраченої енергії,
E2 - енергія вищого енергетичного рівня,
E1 - енергія нижчого енергетичного рівня.
Збуджений атом може віддати свою енергію сусіднім атомам при зіткненні або випустити фотон в будь-якому напрямку. Тепер уявімо, що будь-яким способом ми порушили більшу частину атомів середовища. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі з частотою
де v- частота хвилі,
Е2 - Е1 - різниця енергій вищого і нижчого рівнів,
h- довжина хвилі,
ця хвиля буде не послаблюватися, а навпаки, посилюватися за рахунок індукованого випромінювання. Під її впливом атоми узгоджено переходять у нижчі енергетичні стану, випромінюючи хвилі, що збігаються по частоті і фазі з падаючою хвилею.
НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ЛАЗЕР
У 60-х роках, було встановлено, що напівпровідники - чудовий матеріал для лазерів.
Якщо з'єднати разом дві пластини з напівпровідників різних типів, то посередині утворюється перехідна зона. Атоми речовини, що знаходяться в ній, здатні збуджуватися при проходженні електричного струму поперек зони і генерувати світло. Дзеркалами, необхідними для отримання лазерного випромінювання, можуть служити поліровані і посріблені грані самого кристала напівпровідника.
Серед цих лазерів найкращим вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його інфрачервоне випромінювання має потужність до десяти ват. Якщо цей лазер охолодити до температури рідкого азоту (-200 °), потужність його випромінювання можна збільшити в десять разів. Це означає, що при площі випромінюючого шару в 1 см2 потужність випромінювання досягла б мільйона ват. Але напівпровідник з перехідним шаром такого розміру виготовити поки неможливо з технічних причин.
Можна порушувати атоми напівпровідника пучком електронів (як в твердотільних лазерах - лампою-спалахом). Електрони проникають глибоко всередину речовини, збуджуючи більшу кількість атомів; ширина випромінюючої зони виявляється в сотні разів ширше, ніж при порушенні електричним струмом. Тому потужність випромінювання таких лазерів з електронним накачуванням досягає вже двох кіловат.
Малі розміри напівпровідникових лазерів роблять їх дуже зручними для застосування там, де потрібен мініатюрний джерело світла великої потужності.
рідинні ЛАЗЕР
У твердих речовинах можна створити велику концентрацію випромінюючих атомів і, отже, отримати велику енергію з одного кубічного сантиметрастрижня. Але їх важко робити, вони дороги і до того ж можуть лопатися через перегрів під час роботи.
Гази дуже однорідні оптично, розсіювання світла в них мало, тому розмір газового лазера може бути досить значним: довжина 10 метрів при діаметрі 10-20 сантиметрів для нього не межа. Але таке збільшення розміру нікого не радує. Це вимушений захід, необхідний для того, щоб компенсувати незначну кількість активних атомів газу, що знаходиться в трубці лазера під тиском в соті частки атмосфери. Прокачування газу дещо рятує справу, дозволяючи зменшити розмір випромінювача.
Рідини об'єднують в собі переваги і твердих і газоподібних лазерних матеріалів: щільність їх всього в два-три рази нижче щільності твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Тому кількість їх атомів в одиниці об'єму приблизно однаково. Значить, рідинний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотільний. Оптична однорідність рідин не поступається однорідності газів, а значить, дозволяє використовувати її великі обсяги. До того ж рідина теж можна прокачувати через робочий об'єм, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.
Лазер на барвники
Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових фарб у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідина налита в плоску ванночку-кювету. Кювету встановлена між дзеркалами. Енергія молекули барвника накачується оптично, тільки замість лампи-спалаху спочатку використовувалися імпульсні рубінові лазери, а пізніше - лазери газові. Лазер-накачування всередину рідинного лазера вбудовують, а поміщають поза лазера, вводячи його промінь в кювету через віконце в корпусі. Зараз вдалося домогтися генерації світла і з імпульсною лампою, але не на всіх барвниках. Розчини можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі - від ультрафіолету до інфрачервоного світла - і потужністю від сотень кіловат до декількох мегават (мільйонів ват), в залежності від того, який барвник налитий в кювету. Лазери на барвниках володіють однією особливістю. Всі лазери випромінюють строго на одній довжині хвилі. Це їх властивість лежить в самій природі вимушеного випромінювання атомів, на якому заснований весь лазерний ефект. У великих і важких молекулах органічних барвників вимушене випромінювання виникає відразу в широкій смузі довжин хвиль. Щоб домогтися від лазера на барвниках монохроматичности, на шляху променя стає світлофільтр. Це не просто забарвлене скло. Він являє собою набір скляних пластин, які пропускають тільки світло однієї довжини хвилі. Змінюючи відстань між пластинами, можна злегка змінити довжину хвилі лазерного випромінювання. Такий лазер називається перебудовуваним. А для того, щоб лазер міг генерувати світло в різних ділянках спектра - переходити, скажімо, від синього до червоного світла або від ультрафіолетового до зеленого, - досить змінити кювету з робочою рідиною. Найбільш перспективні вони виявилися для дослідження структури речовини. Перебудовуючи частоту випромінювання, можна дізнатися, світло якої довжини хвилі поглинається або розсіюється на шляху променя. Таким способом можна визначити склад атмосфери і хмар на відстані до двохсот кілометрів, виміряти забрудненість води або повітря, вказавши відразу, якого розміру частки його забруднюють. Тобто можна побудувати прилад, автоматично і безперервно контролює чистоту води і повітря.
Але поряд з широкосмуговими рідинними лазерами існують і такі, у яких, навпаки, монохроматичность набагато вище, ніж у лазерів на твердому тілі або на газі.
Довжина хвилі світла лазера може змінюватися, скорочуючи і подовжуючи приблизно на одну соту (у хороших лазерів). Чим менше відстань між дзеркалами, тим ця смуга ширше. У напівпровідникових лазерів, наприклад, вона становить вже кілька довжин хвиль, а у лазера на основі солей неодиму ця смуга - одна десятитисячна. Така сталість довжини хвилі можна отримати тільки у великих газових лазерів, та й то, якщо прийняти всілякі необхідні для цього заходи: забезпечити стійкість температури трубки, сили струму, її живить, і включити в схему лазера систему автоматичного підстроювання довжини хвилі випромінювання. Потужність випромінювання при цьому повинна бути мінімальною: при її підвищенні смуга розширюється. Зате в рідинному неодимовому лазері вузька смуга випромінювання виходить сама собою і зберігається навіть при помітному підвищенні потужності випромінювання, а це вкрай важливо для будь-якого роду точних вимірювань.
Тому від того, наскільки точно витримується довжина хвилі світла, випромінюваного лазером, залежить і точність вимірювань. Зменшення смуги випромінювання лазера в сто раз обіцяє сторазове збільшення точності вимірювання довжин.
ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР І ІНШІ
Пошук нових лазерів, нових шляхів підвищення потужності лазерного випромінювання, ведеться в різних напрямках. У їх числі, наприклад, квантовий генератор з хімічною накачуванням, перший варіант якого був створений в Інституті хімічної фізики АН СРСР в лабораторії члена-кореспондента Академії наук В. Л. Тальрозе. В такому лазері в процесі реакції сполуки фтору F з воднем Н2 або дейтерієм D2 утворилися молекули HF або DF переходять на вищий енергетичний рівень. Спускаючись з цього рівня, вони і створюють лазерне випромінювання - молекули HF на хвилі 2700 нм, молекули DF - на хвилі 3600 нм. У лазерах цього типу досягаються потужності до 10 кВт.
В одному з порівняно потужних імпульсно-періодичних газових лазерів в якості робочої речовини використовуються пари міді при температурі 1500 ° С або в більш простому варіанті пари солей міді при температурі 400 ° С. Накачування здійснюється енергією електронів, що рухаються в газовому розряді. Лазерне випромінювання відбувається при переході атомів міді із збудженого стану в одне з двох метастабільних станів, і при цьому можливо випромінювання на двох довжинах хвиль 510,6 нм і 578,2 нм, що відповідають двом відтінкам зеленого кольору. У резонаторі, який представляє собою інтенсивно прокачується трубу діаметром 5 см і довжиною 1 м, досягнута потужність в імпульсі 40 кВт при тривалості імпульсів 15-20 ні, частоті проходження 10-100 кГц, середньої потужності в кілька десятків ват і ккд більше 1% - ведеться робота по підвищенню середньої потужності «мідного» лазера до 1 кВт.
Особливий клас утворюють потужні лазери на барвниках, головне достоїнство яких - можливість плавної зміни частоти. Використовувані в них рідкі середовища мають «розмиті» енергетичні рівніі допускають генерацію на багатьох частотах. Вибір однієї з них може проводитися зміною параметрів резонатора, наприклад, поворотом призми всередині нього. Якщо для накачування використовувати потужні джерела випромінювання, зокрема, імпульсні лазери і здійснити інтенсивну циркуляцію рідкого барвника, то стає реальним створення лазерів з перебудовується частотою із середньою потужністю близько 100 Вт і частотою повторення імпульсів 10-50 кГц.
Коли мова заходить про перспективи, частіше за інших називають йодний лазер, в резонаторі якого з'єднання йоду, фтору і вуглецю CF3J або більш складні молекули під дією ультрафіолетової накачування дисоціюють, розвалюються на частини. Відокремилися атоми йоду виявляються в збудженому стані і в подальшому дають інфрачервоне лазерне випромінювання з довжиною хвилі 1315 нм. Часто називають і лазери на так званих ексимерних молекулах, які взагалі можуть перебувати тільки в збудженому стані. В процесі накачування витрачається енергія на те, щоб об'єднати розрізнені атоми в молекулу, і при цьому вона відразу виявляється збудженої, готової до випромінювання. І, віддавши свій квант випромінювання, зробивши внесок у формування лазерного променя, ексимерні молекула просто розпадається, атоми її майже миттєво розлітаються. Перший ексимерний лазер був створений ще десять років тому в лабораторії академіка Н. Г. Басова, ультрафіолетове лазерне випромінювання на хвилі 176 нм тут отримали при порушенні рідкого ксенону Хе2 потужним пучком електронів. Років через п'ять у кількох американських лабораторіях отримали лазерне випромінювання на інших ексимерних молекулах, головним чином з'єднаннях інертних газів з галоидами, наприклад, XeF, XeCl, XeBr, KrF та інших. Ексимерні лазери працюють як у видимому, так і в ультрафіолетовому діапазоні, причому вони допускають деяку зміну частоти. Створено лазери, що мають ККД 10% і енергію 200 Дж в імпульсі.
ПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ
Одна з головних тенденцій у розвитку сучасної прикладної фізики - це отримання все більш високої щільності енергії та пошук шляхів вивільнення її за все більш короткий час. Стрімкий прогрес квантової електроніки, привів до створення великого сімейства потужних лазерів. Потужні лазери відкрили принципово нові можливості як для отримання рекордно високих концентрацій енергії в просторі і часі, так і для дуже зручного підведення світлової енергії до речовини. Перш ніж знайомитися з конкретними результатами по створенню потужних лазерів, корисно згадати, що їх можна розділити на три групи - імпульсні, імпульсно-періодичні і безперервні. Перші випромінюють світло одиночними імпульсами, другі - безперервними серіями імпульсів, і, нарешті, треті, дають безперервне випромінювання.
Потужність - характеристика відносна, вона говорить про те, яка робота виконана, яка енергія витрачена або отримана за одиницю часу. Одиниця потужності, як відомо, ват (Вт) - він відповідає енергії в 1 Дж, що виділилася за 1 секунду (с). Якщо виділення цієї енергії розтягнеться на 10 с, то на кожну секунду доведеться лише 0,1 Дж і, отже, потужність складе 0,1 Вт. Ну, а якщо 1 Дж енергії виділиться за соту частку секунди, то потужність складе вже 100 Вт. Тому що при такій інтенсивності процесу за секунду було б видано 100 Дж. На це «б» не потрібно звертати уваги - при визначенні потужності не має значення, що процес тривав всього одну соту секунди і енергії за цей час виділилося трохи. Потужність говорить не про повне, підсумковому, дії, а про його інтенсивності, про його концентрації в часі. Якщо робота йшла досить довго, у всякому разі, більше секунди, то потужність вказує на те, що було дійсно зроблено за одну секунду.
В імпульсному лазері випромінювання триває дуже недовго, якісь незначні частки секунди, і навіть при невеликій випромінюваної енергії процес виявляється сильно стиснутим, сконцентрованим в часі, а потужність виходить величезною. Ось, наприклад, що було в першому ОКГ, в першому рубіновому лазері, створеному в 1960 році: він випромінював імпульс світла з енергією близько 1 Дж і тривалістю 1 мс (мілісекунда, тисячна секунди), тобто потужність імпульсу становила 1 кВт. Через деякий час з'явилися лазери, які той же джоуль енергії випромінювали в набагато більш короткому імпульсі - до 10 нс (наносекунд, мільярдна частина секунди). При цьому потужність імпульсу з енергією в той же джоуль досягала вже 100 тисяч кВт. Це ще не Куйбишевська ГЕС, що має потужність 2 мільйони кВт, але вже електростанція для невеликого міста. З тієї, звичайно, різницею, що лазер розвиває цю величезну потужність лише в мільярдні частки секунди, а електростанція - безперервно цілодобово. Нинішні лазери дають імпульси тривалістю до 0,01 нс, при тій же енергії 1 Дж їх потужність досягає 100 мільйонів кВт.
Лазерний промінь - це потік виключно упорядкованого когерентного випромінювання, гостроспрямованої, сконцентрованого в межах невеликого тілесного кута. Саме за все ці якості ми платимо таку високу ціну - ккд лазерів становить частки відсотка, а в кращому випадку кілька відсотків, тобто на кожен джоуль лазерного випромінювання потрібно затратити десятки, а то і сотні джоулів енергії накачування. Але часто навіть така висока плата абсолютно виправдана, - втрачаючи кількість, ми набуваємо якість. Зокрема, когерентність, спрямованість лазерного променя в поєднанні з подальшою фокусуванням в дуже малому обсязі, наприклад, до сфери діаметром 0,1 мм, і стисненням процесу в часі, тобто випромінюванням дуже короткими імпульсами, дозволяє отримати величезні щільності енергії. Про це нагадує таблиця 1. З таблиці видно, що концентрації енергії в сфальцьованому потужному лазерному промені всього в тисячу разів менше своєрідного рекордного значення для повної анігіляції речовини нормальної щільності, повного перетворення маси в енергію. Збільшення потужності лазерів пов'язано з деякими загальними проблемами, Перш за все з властивостями робочого тіла, тобто самої речовини, де народжується випромінювання. Але є і проблеми специфічні для імпульсних, імпульсно-періодичних і безперервних лазерів. Так, наприклад, для імпульсних лазерів одна з важливих проблем - стійкість оптичних елементів в сильному світловому полі дуже коротких імпульсів. Для безперервних та імпульсно-періодичних дуже важлива проблема відведення тепла, так як ці лазери розвивають більшу середню потужність. Для лазера, що працює в режимі довгої черги, імпульсна потужність говорить про те, як сконцентрована в часі енергія одного імпульсу, а середня - про роботу, яку виконує серія імпульсів, що тривала секунду. Так, наприклад, якщо лазер в секунду дає 20 імпульсів тривалістю 1 мс і енергією 1 Дж в кожному, то імпульсна потужність складе 1 кВт, а середня - 20 Вт.
Всі види лазерів починали з досить скромних енергетичних показників, а удосконалювалися часто різними шляхами. Зокрема, перший імпульсний лазер працював в режимі вільної генерації - в ньому мимоволі виникала лавина лазерного випромінювання і знову-таки сама собою припинялася після закінчення збудження. Імпульс тривав за нинішніми мірками довго, і це визначило порівняно невисоку імпульсну потужність.
Через кілька років навчилися управляти генерацією методом модуляції добротності, вводячи в резонатор осередок Керра або інший аналогічний елемент, який під дією електричної напруги змінює свої оптичні властивості. У звичайному стані осередок закрита, непрозора, і лазерна лавина в резонаторі не виникає. Тільки під дією короткого електричного імпульсу осередок відкривається, і в робочому тілі виникає короткий лазерний імпульс. Його тривалість може бути всього в кілька разів більше часу проходження світла між дзеркалами лазера, тобто може становити 10-20 нс.
Цей метод дав помітний приріст імпульсної потужності за рахунок зменшення тривалості імпульсу. Дуже короткі імпульси, аж до пікосекундних, отримують в режимі синхронізації, або, інакше, в режимі захоплення мод. Тут в резонатор вводять особливий нелінійний елемент, він неоднаково веде себе, неоднаково просвітлюється для різних за інтенсивністю сплесків випромінювання і як би вирізає з наносекундного світлового імпульсу дуже короткі піко секундні сплески інтенсивності.
ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ
ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНІ
У медицині лазерні установки знайшли своє застосування в вигляді лазерного скальпеля. Його використання для проведення хірургічних операцій визначають наступні властивості:
1. Він виробляє щодо безкровний розріз, оскільки одночасно з розтином тканин він коагулює краю рани "заварюючи" не дуже великі кровоносні судини;
2. Лазерний скальпель відрізняється постійністю різальних властивостей. Попадання на твердий предмет (наприклад, кістка) не виводить скальпель з ладу. Для механічного скальпеля така ситуація стала б фатальною;
3. Лазерний промінь в силу своєї прозорості дозволяє хірургові бачити оперований ділянку. Лезо ж звичайного скальпеля, так само як і лезо електроножа, завжди в якійсь мірі загороджує від хірурга робоче поле;
4. Лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не надаючи ніякого механічного впливу на тканину;
5. Лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність, адже з тканиною взаємодіє тільки випромінювання;
6. Промінь лазера діє строго локально, випаровування тканини відбувається тільки в точці фокусу. Прилеглі ділянки тканини пошкоджуються значно менше, ніж при використанні механічного скальпеля;
7. Як показала клінічна практика, рана від лазерного скальпеля майже не болить і швидше загоюється.
Практичне застосування лазерів в хірургії почалося в СРСР в 1966 році в інституті імені А. В. Вишневського. Лазерний скальпель був застосований в операціях на внутрішніх органахгрудної та черевної порожнин. В даний час лазерним променем роблять шкірно-пластичні операції, операції стравоходу, шлунка, кишечника, нирок, печінки, селезінки та інших органів. Дуже заманливо проведення операцій з використанням лазера на органах, що містять велику кількість кровоносних судин, наприклад, на серце, печінки.
В даний час інтенсивно розвивається новий напрямок в медицині -лазерні мікрохірургія ока. Дослідження в цій області ведуться в Одеському Інституті очних хвороб імені В. П. Філатова, в Московському НДІ мікрохірургії ока і в багатьох інших "очних центрах" країн співдружності Перше застосування лазерів в офтальмології було пов'язано з лікуванням відшарування сітківки. Всередину очі через зіницю надсилаються світлові імпульси від рубінового лазера (енергія імпульсу 0,01 - 0,1 Дж, тривалість порядку - 0,1 с.). Вони вільно проникають крізь прозоре склоподібне тіло і поглинаються сітківкою. Фокусуючи випромінювання на відшарувалися, останню "приварюють" до очного дна за рахунок коагуляції. Операція проходить швидко і абсолютно безболісно.
Взагалі, з найбільш серйозних захворювань ока, що призводять до сліпоти, виділяють п'ять. Це глаукома, катаракта, відшарування сітківки, діабетична ретинопатія і злоякісна пухлина. Сьогодні всі ці захворювання успішно лікуються за допомогою лазерів, причому тільки для лікування пухлин розроблено і використовується три методи:
1. Лазерне опромінення - опромінення пухлини розфокусованим лазерним променем, що приводить до загибелі ракових клітин, втрати ними здатності до розмноження
2. Лазерна коагуляція - руйнування пухлини помірно сфокусованим випромінюванням.
3. Лазерна хірургія - найбільш радикальний метод. Полягає в висічення пухлини разом з прилеглими тканинами сфокусованим випромінюванням.
ГОЛОГРАФІЯ
ВИНИКНЕННЯ ГОЛОГРАФІЯ
Метод фотографування, використовуваний для збереження зображення предметів, відомий вже досить довгий час і зараз це найдоступніший спосіб отримання зображення об'єкта на будь-якому носії (фотопапір, фотоплівка). Однак інформація, що міститься в фотографії вельми обмежена. Зокрема, відсутня інформація про відстані різних частиноб'єкта від фотопластинки і інших важливих характеристиках. Іншими словами, звичайна фотографія не дозволяє відновити повністю той хвильовий фронт, який на ній був зареєстрований. У фотографії міститься більш-менш точна інформація про амплітудах зафіксованих хвиль, але повністю відсутня інформація про фази хвиль. Голографія дозволяє усунути цей недолік звичайної фотографії і записати на фотопластинці інформацію не тільки про амплітудах падаючих на неї хвиль, але і про фази, тобто повну інформацію. Хвиля, відновлена за допомогою такого запису, повністю ідентична первісної, містить в собі всю інформацію, яку містила первісна хвиля. Тому метод був названий голографією, тобто методом повного запису хвилі. Для того щоб здійснити цей метод в світловому діапазоні, необхідно мати випромінювання з досить високим ступенем когерентності. Таке випромінювання можна отримати за допомогою лазера. Тому тільки після створення лазерів, що дають випромінювання з високим ступенем когерентності, вдалося практично здійснити голографію. Ідея голографії була висунута ще в 1920 році польським фізиком М. Вольфке (1883-1947), але була забута. У 1947 році незалежно від Вольфке ідею голографії запропонував і обґрунтував англійський фізик Д. Габор, удостоєний за це в 1971 році Нобелівської премії.
СПОСОБИ голографирования
Говорячи про процес створення голографічного зображення, необхідно виділити етапи голографирования:
1. Реєстрація як амплітудних, так і фазових характеристик хвильового поля, відбитого об'єктом спостереження. Ця реєстрація відбувається на фотопластинках, які називають голограмами.
2. Витяг з голограми інформації про об'єкт, яка на ній зареєстрована. Для цього голограму просвічують світловим пучком.
Для здійснення цих етапів на практиці існує кілька способів.
Найбільш поширені з них - метод плоскої хвилі і метод зустрічних пучків.
Стандартна інтерференційна картина виходить при інтерференції когерентних світлових хвиль. Таким чином для реєстрації фазових співвідношень в хвильовому полі, яке виходить в результаті відображення хвилі об'єктом спостереження, необхідно, щоб об'єкт був висвітлений монохроматичним і когерентним в просторі випромінюванням. Тоді і поле, розсіяне об'єктом в просторі, буде володіти цими якостями.
Якщо додати до досліджуваного полю, створюваному об'єктом, допоміжне поле тієї ж частоти, наприклад, плоску хвилю (її зазвичай називають опорною хвилею), То на всьому просторі, де обидві хвилі перетинаються, утворюється складне, але стаціонарний розподіл областей взаємного посилення і ослаблення хвиль, тобто стаціонарна інтерференційна картина, яку вже можна зафіксувати на фотопластинці.
Для того щоб відновити голографічне зображення, вже записане на голограму, останню необхідно висвітлити тим же променем лазера, який був використаний під час запису. Зображення об'єкта формується в результаті дифракції світла на неоднорідних почорніння голограми.
У 1962 році радянським вченим Ю. М. Денисюк був запропонований метод отримання голографічних зображень, що є розвитком практично вже тоді не застосовувався способу кольоровий голографії Липпмана. Об'єкт спостереження висвітлюється крізь фотопластинку (вона цілком прозора для світла навіть в непроявленому стані). Скляна підкладка фотопластинки покрита фотоемульсією з товщиною шару близько 15 - 20 мкм. Відбите від об'єкта хвильове поле поширюється назад у напрямку до шару фотоемульсії. Той, хто йде назустріч цій хвилі вихідний світловий пучок від лазера виконує роль опорної хвилі. Саме тому даний метод отримав назву методу зустрічних пучків. Інтерференція хвиль, що виникає в товщі фотоемульсії викликає її шарувату почорніння, яке реєструє розподіл, як амплітуд, так і фаз хвильового поля, розсіяного об'єктом спостереження. На голографії за методом зустрічних світлових пучків заснована кольорова голографія. Щоб усвідомити принцип дії кольоровий голографії потрібно нагадати, в яких випадках людське око сприймає зображення кольоровим, а не чорно-білим.
Досліди з фізіології зору показали, що людина бачить зображення кольоровим або хоча б близьким до натуральної забарвленні об'єкта, якщо воно відтворюється мінімум в трьох кольорах, наприклад, в синьому, червоному і зеленому. Поєднання цих кольорів здійснюється при найпримітивнішої кольорової репродукції, виконуваної методом літографії(Для високохудожніх репродукцій використовується 10 - 15 барвиста друк)
З огляду на особливості людського сприйняття, щоб відновити кольорове зображення об'єкта, необхідно сам об'єкт висвітлити під час запису голограми одночасно або послідовно лазерним випромінюванням трьох спектральних ліній, що відстоять по довжинах хвиль досить далеко один від одного. Тоді в товщі фотоемульсії утворюється три системи стоячих хвиль і, відповідно, три системи просторових решіток з різним розподілом почорніння. Кожна з цих систем буде формувати зображення об'єкта в своєму спектральному ділянці білого кольору, використовуваного при відновленні зображення. Завдяки цьому в відбитому від обробленої голограми розходиться пучку білого світла вийде кольорове зображення об'єкта, як результат суперпозиції трьох ділянок спектру, що відповідає мінімальним фізіологічним вимогам зору людини. Голографирования за методом Денисюка широко використовується для отримання високоякісних об'ємних копій різних предметів, наприклад, унікальних творів мистецтва.
ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЯ
Як вже було зазначено, первинне завдання голографії полягала в отриманні об'ємного зображення. З розвитком голографії на товстошарових пластинах виникла можливість створення об'ємних кольорових фотографій. На цій базі досліджуються шляхи реалізації голографічного кіно, телебачення і т. Д. Один з методів прикладної голографії, іменований голографіческойінтерферометріей, знайшов дуже широке поширення. Суть методу в наступному. На одну фотопластинку послідовно реєструються дві інтерференційні картини, що відповідають двом різним, але мало відрізняється станам об'єкта, наприклад, при деформації. При просвічуванні такий "подвійний" голограми утворюються, очевидно, два зображення об'єкта, змінені відносно один одного в тій же мірі, що і об'єкт в двох його станах.
Відновлені хвилі, що формують ці два зображення, когерентні, интерферируют, і на новому зображенні спостерігаються інтерференційні смуги, які і характеризують зміну стану об'єкта. В іншому варіанті голограма виготовляється для якогось певного стану об'єкта. При просвічуванні її об'єкт не видаляється і проводиться його повторне освітлення, як на першому етапі голографирования. Тоді знову виходить дві хвилі, одна формує голографічне зображення, а інша поширюється від самого об'єкта. Якщо тепер відбуваються якісь зміни в стані об'єкту (в двох послідовних хвилях виникає різниця порівняння з тим, що було під час експонування голограми), то між зазначеними ходу, і зображення покривається інтерференційними смугами.
Описаний спосіб застосовується для дослідження деформацій предметів, їх вібрацій, поступального руху і обертань, неоднорідності прозорих об'єктів і т. П. Інтерференційна картина наочно свідчить про відмінність деформацій, напружень в тілі, крутильні моменти, розподіл температур і т. Д. Голографія може застосовуватися для забезпечення точності обробки деталей.
ВИСНОВОК
Лазер - один з найпотужніших інструментів сьогоднішньої науки. Неможливо перелічити всі області його застосування, так як кожен день для лазера знаходяться нові завдання.
У даній роботі були розглянуті основні види лазерів і їх принцип роботи. Були також охоплені основні сфери застосування, а саме: промисловість, медицина, інформаційні технології, Наука.
Такі різноманітні завдання можуть виконуватися за допомогою лазера завдяки його властивостям. Когерентність, монохроматичность, висока енергетична щільність дозволяють вирішувати складні технологічні операції.
Лазер - інструмент майбутнього, вже міцно увійшов в наше життя.
ВСТУП
1. ПРИНЦИП ДІЇ І ВИДИ ЛАЗЕРОВ
1.1 Основні властивості лазерного променя
1.2 НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ЛАЗЕР
1.3 рідинних ЛАЗЕР
1.3.1 лазер на барвники
1.4 ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР І ІНШІ
1.5 ПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ
1.5.1 багатокаскадного І багатоканальної системи
2. ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ
2.1 ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ В ПРОМИСЛОВОСТІ І ТЕХНІКИ
2.2 ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНІ
2.3 ГОЛОГРАФІЯ
2.3.1 ВИНИКНЕННЯ ГОЛОГРАФІЯ
2.3.2 СПОСОБИ голографирования
2.3.3 ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЯ
2.4 ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ - ЗАСІБ ЗАПИСИ І ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ
ВИСНОВОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
ПРИНЦИП ДІЇ ЛАЗЕРОВ
В основу лазерів покладено явище індукованого випромінювання, існування якого було передбачене Ейнштейном в 1917 році. За Ейнштейну, поряд з процесами звичайного випромінювання і резонансного поглинання існує третій процес - вимушене (індуковане) випромінювання. Світло резонансної частоти, тобто тієї частоти, яку атоми здатні поглинати, переходячи на вищі енергетичні рівні, повинен викликати світіння атомів, які вже перебувають на цих рівнях, якщо такі є в середовищі. характерна особливістьцього випромінювання полягає в тому, що випускається світло не відрізняється від змушує світла, тобто збігається з останнім по частоті, по фазі, поляризації і напрямку поширення. Це означає, що вимушене випромінювання додає в світловий пучок точно такі ж кванти світла, які веде з нього резонансне поглинання.
Атоми середовища можуть поглинати світло, перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, випромінюють ж вони на верхніх рівнях. Звідси випливає, що при великій кількості атомів на нижніх рівнях (по крайней мере, більшому, ніж кількість атомів на верхніх рівнях), світло, проходячи через середовище, буде послаблюватися. Навпаки, якщо число атомів на верхніх рівнях більше числазбудженому, то світло, пройшовши через дане середовище, посилиться. Це означає, що в даному середовищі переважає індуковане випромінювання. Простір між дзеркалами заповнене активним середовищем, тобто середовищем, що містить більшу кількість збуджених атомів (атомів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях), ніж не збудженому. Середа підсилює проходить через неї світло за рахунок індукованого випромінювання, початок якому дає спонтанне випромінювання одного з атомів.
Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких темпера
МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ
ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА
Освітня установа вищої професійної освіти
«Міжнародний інститут шляхів сполучення»
Інститут транспортної техніки і систем управління
Кафедра «Технологія транспортного машинобудування і ремонту рухомого складу»
реферат
з дисципліни: «Електрофізичні та електрохімічні методи обробки»
Тема: «Типи і характеристики лазерів»
Вступ
Винахід лазера стоїть в одному ряду з найбільш видатними досягненнями науки і техніки XX століття. Перший лазер з'явився в 1960 р, і відразу ж почався бурхливий розвиток лазерної техніки. У стислі терміни були створені різноманітні типи лазерів і лазерних пристроїв, призначених для вирішення конкретних наукових і технічних завдань. Лазери вже встигли завоювати міцні позиції в багатьох галузях народного господарства. Як зауважив академік А.П. Александров, всякий хлопчисько тепер знає слово лазер . І все ж, що таке лазер, ніж він цікавий і корисний? Один з основоположників науки про лазерах - квантової електроніки - академік Н.Г. Басов відповідає на це питання так: Лазер - це пристрій, в якому енергія, наприклад теплова, хімічна, електрична, перетворюється в енергію електро магнітного поля- лазерний промінь. При такому перетворенні частина енергії неминуче втрачається, але важливо те, що отримана в результаті лазерна енергія має незрівнянно більше високою якістю. Якість лазерної енергії визначається її високою концентрацією і можливістю передачі на значну відстань. Лазерний промінь можна сфокусувати в крихітну цятку діаметра порядку довжини світлової хвилі і отримати щільність енергії, що перевищує на сьогоднішній день щільність енергії ядерного вибуху.
За допомогою лазерного випромінювання вже вдалося досягти самих високих значеньтемператури, тиску, напруженості магнітного поля. Нарешті, лазерний промінь є найбільш ємним носієм інформації і в цій ролі - принципово новим засобом її передачі та обробки . Широке застосування лазерів в сучасній науціі техніці пояснюється специфічними властивостями лазерного випромінювання. Лазер - це генератор когерентного світла. На відміну від інших джерел світла (наприклад, ламп розжарювання або ламп денного світла) лазер дає оптичне випромінювання, що характеризується високим ступенем впорядкованості світлового поля або, як кажуть, високим ступенем когерентності. Таке випромінювання відрізняється високоюмонохроматичністю і спрямованістю. В наші дні лазери успішно трудяться на сучасному виробництві, справляючись з найрізноманітнішими завданнями. Лазерним променем розкроюють тканини і ріжуть сталеві листи, зварюють кузови автомобілів і приварюють найдрібніші деталі в радіоелектронній апаратурі, пробивають отвори в крихких і надтвердих матеріалах. Причому лазерна обробка матеріалів дозволяє підвищити ефективність і конкурентоспроможність у порівнянні з іншими видами обробки. Безперервно розширюється область застосування лазерів в наукових дослідженнях- фізичних, хімічних, біологічних.
Чудові властивості лазерів - виключно висока когерентність і спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності в видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектру, отримання високої щільності енергії як в безперервному, так і в імпульсному режимі - вже на зорі квантової електроніки вказувало на можливість широкого їх застосування для практичних цілей. З початку свого виникнення лазерна техніка розвивається винятково високими темпами. З'являються нові типи лазерів і одночасно вдосконалюються старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристик, а також різного роду прилади керування променем, все більше і більше вдосконалюється вимірювальна техніка. Це послужило причиною глибокого проникнення лазерів в багато галузей народного господарства, і зокрема в машино- і приладобудування.
Треба особливо відзначити, що освоєння лазерних методів або, інакше кажучи, лазерних технологій значно підвищує ефективність сучасного виробництва. Лазерні технології дозволяють здійснювати найбільш повну автоматизацію виробничих процесів.
Величезні і вражаючі досягнення лазерної техніки сьогоднішнього дня. Завтрашній день обіцяє ще більш грандіозні звершення. З лазерами пов'язані багато надії: від створення об'ємного кіно до рішення таких глобальних проблем, Як встановлення наддалекої наземної і підводної оптичного зв'язку, розгадку таємниць фотосинтезу, здійснення керованої термоядерної реакції, поява систем з великим об'ємом пам'яті і швидкодіючими пристроями введення - виведення інформації.
1. Класифікація лазерів
Прийнято розрізняти два типи лазерів: підсилювачі і генератори. На виході підсилювача з'являється лазерне випромінювання, коли на його вхід (а сам він уже знаходиться в збудженому стані) надходить незначний сигнал на частоті переходу. Саме цей сигнал стимулює порушені частинки до віддачі енергії. Відбувається лавиноподібне посилення. Таким чином - на вході слабке випромінювання, на виході - посилене. З генератором інша справа. На його вхід випромінювання на частоті переходу вже не подають, а збуджують і, більш того, перевозбуждают активна речовина. Причому якщо активна речовина знаходиться в перевозбужденном стані, то істотно зростає ймовірність мимовільного переходу однієї або декількох часток з верхнього рівня на нижній. Це призводить до виникнення стимульованого випромінювання.
Другий підхід до класифікації лазерів пов'язаний з фізичним станом активної речовини. З цієї точки зору лазери бувають твердотільними (наприклад, рубіновий, скляний або сапфіровий), газовими (наприклад, гелій-неоновий, аргоновий і т.п.), рідинними, якщо в якості активної речовини використовується напівпровідниковий перехід, то лазер називають напівпровідниковим.
Третій підхід до класифікації пов'язаний зі способом збудження активної речовини. Розрізняють такі лазери: з порушенням за рахунок оптичного випромінювання, з порушенням потоком електронів, з порушенням сонячною енергією, з порушенням за рахунок енергій вибухають зволікань, з порушенням хімічної енергією, з порушенням за допомогою ядерного випромінювання. Розрізняють також лазери за характером випромінюваної енергії і її спектрального складу. Якщо енергія випромінюється імпульсно, то говорять про імпульсних лазерах, якщо безперервно, то лазер називають лазером з безперервним випромінюванням. Є лазери і зі змішаним режимом роботи, наприклад напівпровідникові. Якщо випромінювання лазера зосереджено у вузькому інтервалі довжин хвиль, то лазер називають монохроматичністю, якщо в широкому інтервалі, то говорять про широкосмуговому лазері.
Ще один вид класифікації заснований на використанні поняття вихідної потужності. Лазери, у яких безперервна (середня) вихідна потужність понад 106 Вт, називають високопотужними. При вихідної потужності в діапазоні 105 ... 103 Вт маємо лазери середньої потужності. Якщо ж вихідна потужність менше 10-3 Вт, то говорять про малопотужних лазерах.
Залежно від конструкції відкритого дзеркального резонатора розрізняють лазери з постійною добротністю і лазери з модульованим добротністю - у такого лазера одне з дзеркал може бути розміщено, зокрема, на осі електродвигуна, який обертає це дзеркало. В даному випадкудобротність резонатора періодично змінюється від нульового до максимального значення. Такий лазер називають лазером з Q-модуляцією.
2. Характеристики лазерів
Однією з характеристик лазерів є довжина хвилі випромінюваної енергії. Діапазон хвиль лазерного випромінювання простягається від рентгенівського ділянки до далекого інфрачервоного, тобто від 10-3 до 102 мкм. За областю 100 мкм лежить, образно кажучи, цілина . Але вона простирається тільки до міліметрового ділянки, який освоюється радистами. Цей неосвоєний ділянку безперервно звужується, і є надія, що його освоєння завершиться найближчим часом. Частка, що припадає на різні типи генераторів, неоднакова. Найбільш широкий діапазон у газових квантових генераторів.
Іншою важливою характеристикою лазерів є енергія імпульсу. Вона вимірюється в джоулях і найбільшої величини досягає у твердотільних генераторів - близько 103 Дж. Третьою характеристикою є потужність. Газові генератори, які випромінюють безперервно, мають потужність від 10-3 до 102 Вт. Мілліваттную потужність мають генератори, що використовують в якості активного середовища гелій-неонове суміш. Потужність близько 100 Вт мають генератори на CO2. З твердотільними генераторами розмова про потужність має особливого сенсу. Наприклад, якщо взяти випромінюється енергію в 1 Дж, зосереджену в інтервалі в одну секунду, то потужність складе 1 Вт. Але тривалість випромінювання генератора на рубіні становить 10-4 с, отже, потужність становить 10000 Вт, тобто 10 кВт. Якщо ж тривалість імпульсу зменшена за допомогою оптичного затвора до 10-6 с, потужність складає 106 Вт, тобто мегават. Це не межа! Можна збільшити енергію в імпульсі до 103 Дж і скоротити її тривалість до 10-9с і тоді потужність досягне 1012 Вт. А це дуже велика потужність. Відомо, що коли на метал доводиться інтенсивність променя, що досягає 105 Вт / см2, то починається плавлення металу, при інтенсивності 107 Вт / см2 - кипіння металу, а при 109 Вт / см2 лазерне випромінювання починає сильно іонізувати пари речовини, перетворюючи їх в плазму.
Ще однією важливою характеристикою лазера є розбіжність лазерного променя. Найбільш вузький промінь мають газові лазери. Він становить величину в кілька кутових хвилин. Розбіжність променя твердотільних лазерів близько 1 ... 3 кутових градусів. Напівпровідникові лазери мають пелюстковий розкривши випромінювання: в одній площині близько одного градуса, в іншій - близько 10 ... 15 кутових градусів.
Наступною важливою характеристикою лазера є діапазон довжин хвиль, в якому зосереджено випромінювання, тобто монохроматичность. У газових лазерів монохроматичность дуже висока, вона складає 10-10, тобто значно вище, ніж у газорозрядних ламп, які раніше використовувалися як стандарти частоти. Твердотільні лазери і особливо напівпровідникові мають у своєму випромінюванні значний діапазон частот, т. Е. Не відрізняються високоюмонохроматичністю.
Дуже важливою характеристикою лазерів є коефіцієнт корисної дії. У твердотільних він становить від 1 до 3,5%, у газових 1 ... 15%, у напівпровідникових 40 ... 60%. Разом з тим приймаються всілякі заходи для підвищення ККД лазерів, бо низький ККД призводить до необхідності охолодження лазерів до температури 4 ... 77 К, а це відразу ускладнює конструкцію апаратури.
2.1 Твердотільні лазери
Твердотільні лазери діляться на імпульсні і безперервні. Серед імпульсних лазерів більш поширені пристрої на рубін і неодимовому склі. Довжина хвилі неодимового лазера становить l = 1,06 мкм. Ці пристрої являють собою відносно великі стрижні, довжина яких сягає 100 см, а діаметр - 4-5 см. Енергія імпульсу генерації такого стрижня - 1000 дж за 10-3 сек.
Лазер на рубіні також відрізняється великою потужністю імпульсу, при тривалості 10-3 сек його енергія становить сотні дж. Частота повторення імпульсів може досягати декількох кГц.
Найвідоміші лазери безперервної дії виготовляються флюорите кальцію з домішкою диспрозия і лазери на иттриево-алюмінієвому гранаті, в якому присутні домішки атомів рідкоземельних металів. Довжина хвилі цих лазерів знаходиться в області від 1 до 3 мкм. Потужність імпульсу становить приблизно 1 вт або його частки. Лазери на иттриево-алюмінієвому гранаті способи забезпечити потужність імпульсу до декількох десятків пн.
Як правило, в твердотільних лазерах використовується багатомодовий режим генерації. Одномодова генерація може бути отримана при введенні в резонатор селектірующіх елементів. Подібне рішення було викликано зниженням генерується випромінювання.
Складність виробництва твердотільних лазерів полягає в необхідності вирощування великих монокристалів або варива великих зразків прозорого скла. Подолати ці труднощі дозволило виготовлення рідинних лазерів, де активне середовище представлена рідиною, в яку введені рідкоземельні елементи. Проте рідинні лазери мають ряд недоліків, що обмежують область їх використання.
2.2 Рідинні лазери
Рідинними називаються лазери з рідкої активним середовищем. Основною перевагою цього виду пристроїв є можливість циркуляції рідини і, відповідно, її охолодження. В результаті і в імпульсному, і в безперервному режимі можна отримати більше енергії.
Перші рідинні лазери проводилися на основі рідкоземельних хелатів. Недоліком цих лазерів є низький рівень досяжною енергії і хімічна нестійкість хелатов. В результаті ці лазери не знайшли застосування. Радянські вчені запропонували використовувати в лазерної середовищі неорганічні активні рідини. Лазери на їх основі відрізняються високими імпульсними енергіями і забезпечують показники середньої потужності. Рідинні лазери на такий активному середовищі здатні генерувати випромінювання з вузьким спектром частот.
Ще один вид рідинних лазерів - пристрої, що працюють на розчинах органічних барвників, що відрізняються широкими спектральними лініями люмінесценції. Такий лазер здатний забезпечити безперервну перебудову довжин випромінюваних хвиль світла в широкому діапазоні. При заміні барвників забезпечується перекриття всього видимого спектру і частини інфрачервоного. Джерелом накачування в таких пристроях є, як правило, твердотільні лазери, але можливе використання газосвітних ламп, що забезпечують короткі спалахи білого світла (менше 50 мксек).
2.3 Газові лазери
Існує багато різновидів. Одна з них - фотодіссоціонний лазер. У ньому застосовується газ, молекули якого під впливом оптичного накачування дисоціюють (розпадаються) на дві частини, одна з яких виявляється в збудженому стані і використовується для лазерного випромінювання.
Велику групу газових лазерів становлять газорозрядні лазери, в яких активним середовищем є розріджений газ (тиск 1-10 мм рт. Ст.), А накачування здійснюється електричним розрядом, який може бути тліючим або дуговим і створюється постійним струмом або змінним струмом високої частоти (10 -50 МГц).
Існує кілька типів газорозрядних лазерів. В іонних лазерах випромінювання виходить за рахунок переходів електронів між енергетичними рівнями іонів. Прикладом служить аргоновий лазер, в якому використовується дугового розряд постійного струму.
Лазери на атомних переходах генерують за рахунок переходів електронів між енергетичними рівнями атомів. Ці лазери дають випромінювання з довжиною хвилі 0,4-100 мкм. Приклад - гелій-неоновий лазер, що працює на суміші гелію і неону під тиском близько 1 мм рт. ст. Для накачування служить тліючий розряд, який створюється постійною напругою приблизно 1000 В.
До газорозрядним відносяться також молекулярні лазери, в яких випромінювання виникає від переходів електронів між енергетичними рівнями молекул. Ці лазери мають широкий діапазон частот, відповідний довжинах хвиль від 0,2 до 50 мкм.
Найбільш поширений з молекулярних лазер на діоксиді вуглецю (СО2-лазер). Він може давати потужність до 10 кВт і має досить високий ККД - близько 40%. До основного вуглекислого газу зазвичай ще додають домішки азоту, гелію і інших газів. Для накачування застосовують тліючий розряд постійного струму або високочастотний. Лазер на діоксиді вуглецю створює випромінювання з довжиною хвилі близько 10 мкм. Схематично він показаний на рис. 1.
Мал. 1 - Принцип пристрою СО2-лазера
Різновид СО2-лазерів - газодинамічні. У них інверсна населеність, необхідна для лазерного випромінювання, досягається за рахунок того, що газ, попередньо нагрітий до 1500 С при тиску 20-30 атм, надходить в робочу камеру, де він розширюється, а його температура і тиск різко знижуються. Такі лазери можуть дати безперервне випромінювання потужністю до 100 кВт.
До молекулярним відносяться так звані ексимерні лазери, у яких робочим середовищем є інертний газ (аргон, ксенон, криптон і ін.), Або його з'єднання з хлором або фтором. У таких лазерах накачування здійснюється не електричним розрядом, а потоком так званих швидких електронів (з енергією в сотні кеВ). Випромінювана хвиля виходить найбільш короткою, наприклад, у лазера на аргоні 0,126 мкм.
Великі потужності випромінювання можна отримати, якщо підвищити тиск газу і застосувати накачування за допомогою іонізуючого випромінювання в поєднанні з зовнішнім електричним полем. іонізуючим випромінюваннямслужить потік швидких електронів або ультрафіолетове випромінювання. Такі лазери називаються електроіонізаціоннимі або лазерами на стиснутому газі. Схематично лазери такого типу показані на рис. 2.
Мал. 2 - Електроіонізаціонная накачування
Збуджені молекули газу за рахунок енергії хімічних реакційвиходять в хімічних лазерах. Тут використовуються суміші деяких хімічно активних газів (фтор, хлор, водень, хлористий водень і ін.). Хімічні реакції в таких лазерах повинні протікати дуже швидко. Для прискорення застосовуються спеціальні хімічні агенти, які виходять при дисоціації молекул газу під дією оптичного випромінювання, або електричного розряду, або електронного пучка. Прикладом хімічного лазера може служити лазер на суміші фтору, водню і вуглекислого газу.
Особливий тип лазера - плазмовий лазер. У ньому активним середовищем служить Високоіонізоване плазма парів лужноземельних металів(Магній, барій, стронцій, кальцій). Для іонізації застосовують імпульси струму силою до 300 А при напрузі до 20 кВ. Тривалість імпульсів 0,1-1,0 мкс. Випромінювання такого лазера має довжину хвилі 0,41-0,43 мкм, але може також бути в ультрафіолетовій області.
2.4 Напівпровідникові лазери
Хоча напівпровідникові лазери і є твердотільними, їх прийнято виділяти в особливу групу. У цих лазерах когерентне випромінювання виходить внаслідок переходу електронів з нижнього краю зони провідності на верхній край валентної зони. Існує два типи напівпровідникових лазерів. Перший має пластину бездомішкового напівпровідника, в якому накачування виробляється пучком швидких електронів з енергією 50-100 кеВ. Можлива також оптичне накачування. Як правило напівпровідниками використовуються арсенід галію GaAs, сульфід кадмію CdS або селенід кадмію CdSe. Накачування електронним пучком викликає сильне нагрівання напівпровідника, чому лазерне випромінювання погіршується. Тому такі лазери мають потребу в гарному охолодженні. Наприклад, лазер на арсеніді галію прийнято охолоджувати до температури 80 К.
Накачування електронним пучком може бути поперечної (рис. 3) або поздовжньої (рис. 4). При поперечної накачуванні дві протилежні грані напівпровідникового кристала відполіровані і грають роль дзеркал оптичного резонатора. У разі поздовжньої накачування застосовуються зовнішні дзеркала. При поздовжньої накачуванні значно поліпшується охолодження напівпровідника. Приклад такого лазера - лазер на сульфіді кадмію, що генерує випромінювання з довжиною хвилі 0,49 мкм і має ККД близько 25%.
Мал. 3 - Поперечна накачування електронним пучком
Мал. 4 - Поздовжня накачування електронним пучком
Другий тип напівпровідникового лазера - так званий інжекційні лазер. У ньому є p-n-перехід (рис. 5), утворений двома виродженими домішковими напівпровідниками, у яких концентрація донорних і акцепторних домішок становить 1018-1019см-3. Грані, перпендикулярні площині p-n-переходу, відполіровані і служать в якості дзеркал оптичного резонатора. На такий лазер подається пряма напруга, під дією якого знижується потенційний бар'єр в p-n-переході і відбувається інжекція електронів і дірок. В області переходу починається інтенсивна рекомбінація носіїв заряду, при якій електрони переходять із зони провідності в валентну зону і виникає лазерне випромінювання. Для інжекційних лазерів застосовують головним чином арсенід галію. Випромінювання має довжину хвилі 0,8-0,9 мкм, ККД досить високий - 50-60%.
Мал. 5 - Принцип пристрою інжекційного лазера
підсилювач генератор промінь хвиля
Мініатюрні інжекційні лазери з лінійними розмірами напівпровідників близько 1 мм дають потужність випромінювання в безперервному режимі до 10 мВт, а в імпульсному режимі можуть мати потужність до 100 Вт. Отримання великих потужностей вимагає сильного охолодження.
Слід зазначити, що в пристрої лазерів є багато різних особливостей. Оптичний резонатор лише в найпростішому випадку складається з двох плоскопаралельних дзеркал. Застосовуються і більш складні конструкції резонаторів, з іншою формою дзеркал.
До складу багатьох лазерів входять додаткові пристрої для управління випромінюванням, розташовані або всередині резонатора, або поза ним. За допомогою цих пристроїв відхиляється і фокусується лазерний промінь, змінюються різні параметри випромінювання. Довжина хвилі у різних лазерів може становити 0,1-100 мкм. При імпульсному випромінюванні тривалість імпульсів буває в межах від 10-3 до 10-12 с. Імпульси можуть бути поодинокими або слідувати з частотою повторення до декількох гігагерц. Досяжна потужність складає 109 Вт для наносекундних імпульсів і 1012 Вт для надкоротких пікосекундних імпульсів.
2.5 Лазери на барвниках
Лазери, що використовують в якості лазерного матеріалу органічні барвники, зазвичай у формі рідкого розчину. Вони принесли революцію в лазерну спектроскопію і стали родоначальником нового типу лазерів c тривалістю імпульсу менш пікосекунди (Лазери надкоротких імпульсів).
Як накачування сьогодні зазвичай застосовують інший лазер, наприклад Nd: YAG з діодним накачуванням, або Аргоновий лазер. Дуже рідко можна зустріти лазер на барвниках з накачуванням лампою-спалахом. Основна особливість лазерів на барвниках - дуже велика ширина контуру посилення. Нижче наведена таблиця параметрів деяких лазерів на барвниках.
Існує дві можливості використовувати таку велику робочу область лазера:
перебудова довжини хвилі на якій відбувається генерація -> лазерна спектроскопія,
генерація відразу в широкому діапазоні -> генерація понад коротких імпульсів.
Відповідно до цими двома можливостями розрізняються і конструкції лазерів. Якщо для перебудови довжини хвилі використовується звичайна схема, тільки додаються додаткові блоки для термостабілізації та виділення випромінювання зі строго певною довжиною хвилі (зазвичай призма, дифракційна решітка, або більш складні схеми), то для генерації понад коротких імпульсів потрібно вже набагато більш складна установка. Змінюється конструкція кювети з активним середовищем. Через те, що тривалість імпульсу лазера в кінцевому підсумку становить 100 ÷ 30 · 10 ? 15 (світло в вакуумі встигає пройти лише 30 ÷ 10мкм за цей час), інверсія населеності повинна бути максимальна, цього можна досягти тільки дуже швидкою прокачуванням розчину барвника. Для того щоб це здійснити застосовують спеціальну конструкцію кювети з вільною струменем барвника (барвник прокачується зі спеціального сопла зі швидкістю близько 10м / с). Найбільш короткі імпульси виходять при використанні кільцевого резонатора.
2.6 Лазер на вільних електронах
Вид лазера, випромінювання в якому генерується моноенергетичного пучком електронів, що поширюється в ондулятором - періодичної системівідхиляють (електричних або магнітних) полів. Електрони, здійснюючи періодичні коливання, випромінюють фотони, енергія яких залежить від енергії електронів і параметрів ондулятора.
На відміну від газових, рідинних або твердотільних лазерів, де електрони збуджуються в пов'язаних атомних або молекулярних станах - у FEL джерелом випромінювання є пучок електронів у вакуумі, що проходить крізь ряд розташованих спеціальним чином магнітів - ондулятор (вігглер), що змушує пучок рухатися по синусоїдальної траєкторії, втрачаючи енергію, яка перетворюється в потік фотонів. В результаті виробляється м'яке рентгенівське випромінювання, яке застосовується, наприклад, для дослідження кристалів та інших наноструктур.
Змінюючи енергію електронного пучка, а також параметри ондулятора (силу магнітного поля і відстань між магнітами), можна в широких межах змінювати частоту лазерного випромінювання, що виробляється FEL, що є головною відмінністю FEL від лазерів інших систем. Випромінювання, що отримується за допомогою FEL, застосовується для вивчення нанометрових структур - є досвід отримання зображень частинок розміром всього 100 нанометрів (цей результат був досягнутий за допомогою рентгенівської мікроскопії з дозволом близько 5 нм). Проект першого лазера на вільних електронах був опублікований в 1971 році Джоном М. Дж. Мейді в рамках свого PhD-проекту в Стенфордському університеті. У 1976 році Мейді і його колеги продемонстрували перші досліди з FEL, використовуючи електрони з енергією 24 МеВ і 5-метровий вігглер для посилення випромінювання.
Потужність лазера складала 300 мВт, а ефективність всього 0,01%, але була показана працездатність такого класу пристроїв, що призвело до величезного інтересу і різкого збільшення кількості розробок в області FEL.
Репетиторство
Потрібна допомога з вивчення будь-ліби теми?
Наші фахівці проконсультують або нададуть послуги репетиторства з тематики.
Відправ заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.
Зміст статті
ЛАЗЕР(Оптичний квантовий генератор)-пристрій, що генерує когерентні і монохроматические електромагнітні хвилі видимого діапазону за рахунок вимушеного випускання або розсіювання світла атомами (іонами, молекулами) активного середовища. Слово «лазер» - абревіатура слів англійської фрази «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation» - посилення світла вимушеним випромінюванням. Розглянемо ці поняття детальніше.
Основи теорії випромінювання.
Із законів квантової механіки ( см. КВАНТОВА МЕХАНІКА) слід, що енергія атома може приймати тільки цілком певні значення E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ..., які називаються енергетичними рівнями. Найнижчий рівень E 0, при якому енергія атома мінімальна, називається основним. Решта рівні, починаючи з E 1, називаються збудженими і відповідають більш високій енергії атома. Атом переходить з одного з найнижчих рівнів на більш високий поглинаючи енергію, наприклад, при взаємодії з фотоном - квантом електромагнітного випромінювання. А при переході з високого рівняна низький атом віддає енергію у вигляді фотона. В обох випадках енергія фотона E = h n дорівнює різниці початкового і кінцевого рівнів:
h n mn = E m - E n (1)
де h= 6,626176 · 10 -34 Дж · с- постійна Планка, n - частота випромінювання.
Атом в збудженому стані нестійкий. Рано чи пізно (в середньому за 10 -8 секунди), в випадковий момент часу він самостійно (спонтанно) повернеться в основний стан, випромінюючи електромагнітну хвилю - фотон. Випадковий характер переходів призводить до того, що всі атоми речовини випромінюють неодночасно і незалежно, фази і напрямок руху випромінюють ними електромагнітних хвиль не узгоджені. Саме так працюють звичайні джерела світла - лампи розжарювання, газорозрядні трубки, таким же джерелом світла є і Сонце та ін. Їх спонтанне випромінювання некогерентно.
Але атом може також випроменити фотон не спонтанно, а під дією електромагнітної хвилі, частота якої близька до частоти переходу атома, яка визначається формулою (1):
n 21 = (E 2 – E 1)/h. (2)
Така резонансна хвиля як би «розгойдує» атом і «струшує» його з верхнього енергетичного рівня на нижній. Відбувається вимушений перехід, при якому излученная атомом хвиля має ту ж частоту, фазу і напрямок поширення, що і хвиля первинна. Ці хвилі когерентні, при їх складанні відбувається збільшення інтенсивності сумарного випромінювання, або числа фотонів.
Поняття вимушеного випромінювання було введено, а його особливу властивість - когерентність - теоретично передбачене А. Ейнштейном в 1916 і строго обгрунтовано П.Дираком з точки зору квантової механіки в 1927-1930.
Зазвичай в речовині кількість атомів в основному стані набагато більше, ніж атомів порушених. Тому світлова хвиля, Проходячи по речовині, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання при цьому падає, підкоряючись закону Бугера:
I l = I 0 e - kl , (3)
де I 0 - вихідна інтенсивність, I l - інтенсивність випромінювання, що пройшов відстань lв речовині з коефіцієнтом поглинання k. З рівняння видно, що навколишнє середовище поглинає світло дуже сильно - за експоненціальним законом.
Речовина, в якому збуджених атомів набагато більше, ніж атомів в основному стані, називається активним. Число атомів на певному рівні E n називається заселеністю цього рівня, а ситуація, коли E 2 > E 1 - инверсной заселеністю. Нехай по активної речовини проходить електромагнітна хвиля, частота якої n = n 21. Тоді за рахунок випромінювання при вимушених переходах E 2 ® E 1 (яких значно більше, ніж актів поглинання E 1 ® E 2) буде відбуватися її посилення. А з точки зору квантової механіки це означає, що кожен пролетів крізь речовину фотон викликає поява точно такого ж фотона. Разом вони породжують ще два фотона, ці чотири - вісім і так далі - в активній речовині виникає фотонна лавина. Таке явище призводить до експоненціального закону наростання інтенсивності випромінювання, який записується аналогічно закону Бугера (3), але з коефіцієнтом квантового посилення aзамість - k:
I l = I 0 e a l(4)
На практиці, однак, настільки стрімкого зростання числа фотонів не відбувається. У реальних речовинах завжди є безліч факторів, що викликають втрату енергії електромагнітної хвилі (розсіювання на неоднорідностях середовища, поглинання домішками та ін.). У підсумку, можна домогтися посилення хвилі хоча б в десятки разів, тільки збільшивши довжину її пробігу в активному середовищі до декількох метрів, що здійснити нелегко. Але є й інший шлях: помістити активна речовина між двома паралельними дзеркалами (в резонатор). Хвиля, багаторазово відбиваючись в них, пройде достатня для великого посилення відстань, якщо, звичайно, число збуджених атомів залишатиметься великим, тобто збережеться інверсна заселеність.
Инверсную заселеність можна здійснювати і підтримувати за допомогою окремого джерела енергії, який як би «накачує» нею активна речовина. Таким джерелом може бути потужна лампа, електричний розряд, хімічна реакція і т.п. Крім того потрібно, щоб атоми на одному з верхніх енергетичних рівнів залишалися досить довго (в масштабах квантових процесів, зрозуміло) щоб їх там накопичилося близько 50% від загальної кількості атомів речовини. А для цього необхідно мати як мінімум три рівні енергії робочих часток (атомів або іонів).
Трирівнева схема генерації випромінювання працює наступним чином. Накачування переводить атоми з нижнього енергетичного рівня E 0 на самий верхній E 3. Звідти вони спускаються на рівень E 2, де можуть знаходитися досить довго без спонтанного випускання фотонів (такий рівень називається метастабільним). І тільки під впливом проходить електромагнітної хвилі атом повертається на основний рівень E 0, випускаючи вимушене випромінювання частотою n = (E 2 – E 0)/h, Когерентне вихідної хвилі.
Умови створення інверсної населеності і експериментального виявлення вимушеного випромінювання сформулював німецький фізик Р. Ланденбург в 1928 і незалежно від нього російський фізик В.А.Фабрікант в 1939. Вимушене випромінювання у вигляді коротких радіоімпульсів вперше спостерігали американські фізикиЕ.Парселл і Р.Паунд в 1950. У 1951 В.А.Фабрікант з співробітниками подає авторську заявку на «спосіб посилення електромагнітного випромінювання (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного, радіодіапазонів хвиль) шляхом проходження підсилюється випромінювання через середу з інверсної населеністю». Однак ця заявка була опублікована лише в 1959, і ніякого впливу на хід робіт зі створення квантових генераторів надати не змогла. Тому що принципову можливість їх побудови почали обговорювати вже на початку 1950-х незалежно один від одного в СРСР Н.Г.Басов з А.М.Прохоровим, і в США Ч.Таунс з Дж.Вебером. А в 1954-1956 був розроблений і сконструйований перший квантовий генератор радіодіапазону ( l= 1,25 см), в 1960 - лазер на рубін і газовий лазер, і через два роки - напівпровідниковий лазер.
Пристрій лазера.
Незважаючи на велику різноманітність типів активних середовищ і методів отримання інверсної заселеності все лазери мають три основні частини: активну середу, систему накачування і резонатор.
Активна середовище- речовина, в якому створюється інверсна заселеність, - може бути твердою (кристали рубіна або алюмо-ітрієві граната, скло з домішкою неодиму у вигляді стрижнів різного розміру і форми), рідкої (розчини анілінових барвників або розчини солей неодиму в кюветах) і газоподібної (суміш гелію з неоном, аргон, вуглекислий газ, водяна пара низького тиску в скляних трубках). Напівпровідникові матеріали і холодна плазма, продукти хімічної реакції теж дають лазерне випромінювання. Залежно від типу активного середовища лазери називаються рубіновими, гелій-неоновими, на барвниках і т.п.
Резонаторпредставляет собою пару дзеркал, паралельних один одному, між якими поміщена активне середовище. Одне дзеркало ( «глухе») відображає весь падаючий на нього світло; Друге, напівпрозоре, частина випромінювання повертає в середу для здійснення вимушеного випромінювання, а частина виводиться назовні у вигляді лазерного променя. Як «глухого» дзеркала нерідко використовують призму повного внутрішнього відображення ( см. ОПТИКА), в якості напівпрозорого - стопу скляних пластин. Крім того, підбираючи відстань між дзеркалами, резонатор можна налаштувати так, що лазер стане генерувати випромінювання тільки одного, чітко визначеного типу (так звану моду).
Накачування створює инверсную заселеність в активних середовищах, причому для кожного середовища вибирається найбільш зручний і ефективний спосібнакачування. У твердотільних і рідинних лазерах використовують імпульсні лампи або лазери, газові середовища збуджують електричним розрядом, напівпровідники - електричним струмом.
Після того, як в активному елементі, вміщеному всередину резонатора, за рахунок накачування досягнуто стан інверсії, його атоми час від часу починають спонтанно опускатися на основний рівень, випромінюючи фотони. Випущені під кутом до осі резонатора фотони викликають коротку ланцюжок вимушених випромінювань в цих напрямках і швидко залишають активне середовище. І тільки фотони, що йдуть уздовж осі резонатора, багаторазово відбиваючись в дзеркалах, породжують лавину когерентного випромінювання. При цьому в кращому становищі опиняються частоти (моди випромінювання), ціле число півхвиль яких укладається на довжині резонатора ціле число раз.
Типи лазерів.
Твердотільні лазери. Першою твердої активним середовищем став рубін - кристал корунду Al 2 O 3 з невеликою домішкою іонів хрому Cr +++. Сконструював його Т.Мейман (США) в 1960. Широко застосовується також скло з домішкою неодиму Nd, алюмо-ітрієві гранат Y 2 Al 5 O 12 з домішкою хрому, неодиму та рідкоземельних елементів у вигляді стрижнів. Накачуванням твердотільних лазерів зазвичай служить імпульсна лампа, що спалахує приблизно на 10 -3 секунди, а лазерний імпульс виявляється рази в два коротше. Частина часу витрачається на створення інверсної заселеності, а в кінці спалаху інтенсивність світла стає недостатньою для збудження атомів і генерація припиниться. Лазерний імпульс має складну структуру, він складається з безлічі окремих піків тривалістю близько 10 -6 секунди, розділених проміжками, приблизно, в 10 -5 секунди. В цьому режимі так званої вільної генерації потужність імпульсу може досягати десятків кіловат. Підвищити потужність, просто посилюючи світло накачування і збільшуючи розміри лазерного стрижня, неможливо чисто технічно. Тому потужність лазерних імпульсів підвищують, зменшуючи їх тривалість. Для цього перед одним із дзеркал резонатора ставлять затвор, який не дозволяє генерації початися, поки на верхній рівень не будуть перекинуті практично всі атоми активної речовини. Потім затвор на короткий час відкривається і вся накопичена енергія висвічується у вигляді так званого гігантського імпульсу. Залежно від запасу енергії і тривалості спалаху потужність імпульсу може становити від декількох мегават до десятків терават (10 12 ват).
Газові лазери. Активним середовищем газових лазерів служать гази низького тиску (від сотих часток до декількох міліметрів ртутного стовпа) або їх суміші, що заповнюють скляну трубку з упаяними електродами. Перший газовий лазер на суміші гелію і неону був створений незабаром після лазера рубінового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом і Д.Ерріотом (США). Накачуванням газових лазерів служить електричний розряд, що живиться високочастотним генератором. Генерація випромінювання ними відбувається так само, як і в твердотільних лазерах, але газові лазери дають, як правило, безперервне випромінювання. Оскільки щільність газів дуже мала, довжина трубки з активним середовищем повинна бути досить велика, щоб маси активної речовини вистачило для отримання високої інтенсивності випромінювання.
До газових лазерів можна віднести також лазери газодинамічні, хімічні і ексимерні (лазери, що працюють на електронних переходах молекул, які існують лише в збудженому стані).
Газодинамический лазер схожий на реактивний двигун, в якому згорає паливо з добавкою молекул газів активного середовища. У камері згоряння молекули газів збуджуються, і, охолоджуючись при надзвуковому перебігу, віддають енергію у вигляді когерентного випромінювання великої потужності в інфрачервоній області, яке виходить поперек газового потоку.
У хімічних лазерах (варіант газодинамічного лазера) інверсія заселеності утворюється за рахунок хімічних реакцій. Найбільш високу потужність розвивають лазери на реакції атомарного фтору з воднем:
Рідинні лазери. Активним середовищем цих лазерів (їх називають також лазерами на барвниках) служать різні органічні сполукиу вигляді розчинів. Перші лазери на барвниках з'явилися в кінці 60-х. Щільність їх робочої речовини займає проміжне місце між твердим тіломі газом, тому вони генерують досить потужне випромінювання (до 20 Вт) при невеликих розмірах кювети з активною речовиною. Працюють вони як в імпульсному, так і в безперервному режимі, їх накачування здійснюють імпульсними лампами і лазерами. Збуджені рівні молекул барвників мають велику ширину, тому рідинні лазери випромінюють відразу кілька частот. А змінюючи кювети з розчинами барвників, випромінювання лазера можна перебудовувати в дуже широкому діапазоні. Плавну підстроювання частоти випромінювання здійснюють настроюванням резонатора.
Напівпровідникові лазери. Цей вид оптичних квантових генераторів був створений в 1962 одночасно декількома групами американських дослідників (Р.Холлом, М.І.Нейтеном, Т.Квістом і ін.), Хоча теоретичне обгрунтування його роботи зробив Н.Г.Басов з співробітниками в 1958. Найбільш поширені лазерний напівпровідниковий матеріал - арсенід галію GaAr.
Відповідно до законів квантової механіки електрони в твердому тілі займають широкі енергетичні смуги, що складаються з безлічі безперервно розташованих рівнів. Нижня смуга, звана валентною зоною, відокремлена від верхньої зони (зони провідності) так званої забороненою зоною, в якій енергетичні рівні відсутні. У напівпровіднику електронів провідності мало, рухливість їх обмежена, але під дією теплового руху окремі електрони можуть перескакувати з валентної зони в зону провідності, залишаючи в ній пусте місце - «дірку». І якщо електрон з енергією Eе спонтанно повертається назад в зону провідності, відбувається його «рекомбінація» з діркою, що має енергію Eд, яка супроводжується випромінюванням із забороненої зони фотона частотою n = Eе - Eд. Накачування напівпровідникового лазера здійснюється постійним електричним струмом (при цьому від 50 до майже 100% його енергії перетворюється у випромінювання); резонатором зазвичай служать поліровані грані кристала напівпровідника.
Лазери в природі. У Всесвіті виявлено лазери природного походження. Інверсна заселеність виникає у величезних міжзоряних хмарах конденсованих газів. Накачуванням служать космічні випромінювання, світло близьких зірок і ін. Через гігантської довжини активного середовища (газових хмар) - сотні мільйонів кілометрів - такі астрофізичні лазери не потребують резонаторах: вимушене електромагнітне випромінюванняв діапазоні довжин хвиль від декількох сантиметрів (Крабовидная туманність) до мікрона (околиці зірки Ця Карина) виникає в них при одноразовому проході хвилі.
Властивості лазерного випромінювання.
На відміну від звичайних, теплових джерел випромінювання лазер дає світло, що володіє цілим рядом особливих і дуже цінних властивостей.
1. Лазерне випромінювання когерентно і практично монохроматично. До появи лазерів цією властивістю володіли тільки радіохвилі, які випромінює добре стабілізованою передавачем. А це дало можливість освоїти діапазон видимого світла для здійснення передачі інформації і зв'язку, тим самим істотно збільшивши кількість переданої інформації в одиницю часу.
Через те, що вимушене випромінювання поширюється строго уздовж осі резонатора, лазерний промінь розширюється слабо: його розбіжність становить кілька кутових секунд.
Всі перераховані якості дозволяють фокусувати лазерний промінь в пляма надзвичайно малого розміру, отримуючи в точці фокусу величезну щільність енергії.
2. Лазерне випромінювання великої потужності має величезну температуру.
Зв'язок між енергією рівноважного випромінювання Eданої частоти nі його температурою Tзадає закон випромінювання Планка. Залежність між цими величинами має вигляд сімейства кривих в координатах частота (по абсциссе) - енергія (по ординате). Кожна крива дає розподіл енергії в спектрі випромінювання при певній температурі. Лазерне випромінювання нерівноважної, але, тим не менш, підставивши в формулу Планка значення його енергії Eв одиниці об'єму та частоти n(Або відклавши їх значення на графіку), ми отримаємо температуру випромінювання. Оскільки лазерне випромінювання практично монохроматично, а щільність енергії (її кількість в одиниці об'єму) може бути надзвичайно велика, температура випромінювання здатна досягати величезної величини. Так, наприклад, імпульсний лазер потужністю близько петаватта (10 15 Вт) має температуру випромінювання близько 100 мільйонів градусів.
Застосування лазерів.
Унікальні властивості лазерного випромінювання зробили квантові генератори незамінним інструментом в самих різних областях науки і техніки.
1. Технологічні лазери. Потужні лазери безперервної дії застосовуються для різання, зварювання й пайки деталей з різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяє зварювати матеріали, які іншими методами з'єднати не можна (наприклад, метал з керамікою). Висока монохроматичность випромінювання дозволяє сфокусувати промінь в точку діаметром близько мікрона (за рахунок відсутності дисперсії, см. КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ) і застосовувати його для виготовлення мікросхем (так званий метод лазерного скрайбування - зняття тонкого шару). Для обробки деталей у вакуумі або в атмосфері інертного газу лазерний промінь можна вводити в технологічну камеру через прозоре вікно.
Ідеально прямий лазерний промінь служить зручною «лінійкою». У геодезії і будівництві імпульсні лазери застосовують для вимірювання відстаней на місцевості, розраховуючи їх за часом руху світлового імпульсу між двома точками. Точні виміри в промисловості виробляють за допомогою інтерференції лазерних променів, відбитих від кінцевих поверхонь вироби.
2. Лазерна связь.Появленіе лазерів зробило переворот в техніці зв'язку і запису інформації. існує проста закономірність: Чим вище несуча частота (менше довжина хвилі) каналу зв'язку, тим більше його пропускна здатність. Саме тому радіозв'язок, спочатку освоїла діапазон довгих хвиль, поступово переходила на все більш короткі довжини хвиль. Але світло - така ж електромагнітна хвиля, як і радіохвилі, тільки в десятки тисяч разів коротше, тому по лазерному променю можна передати в десятки тисяч разів більше інформації, ніж по високочастотному радіоканалу. Лазерний зв'язок здійснюється через оптичне волокно - тонким скляним ниткам, світло в яких за рахунок повного внутрішнього відображення поширюється практично без втрат на багато сотень кілометрів. Лазерним променем записують і відтворюють зображення (в тому числі рухоме) і звук на компакт-дисках.
3. Лазери в медицині . Лазерна техніка широко застосовується і в хірургії, і в терапії. Лазерним променем, введеним через очної зіницю, «приварюють» відшарувалася сітківку і виправляють дефекти очного дна. Хірургічні операції, вироблені «лазерним скальпелем» менше травмують живі тканини. А лазерне випромінювання малої потужності прискорює загоєння ран і впливає, аналогічне голковколювання, практикується східною медициною (лазерна акупунктура).
4. Лазери в наукових дослідженнях . надзвичайно висока температуравипромінювання і висока щільність його енергії дає можливість досліджувати речовину в екстремальному стані, існуючому лише в надрах гарячих зірок. Робляться спроби здійснити термоядерну реакцію, стискаючи ампулу з сумішшю дейтерію з тритієм системою лазерних променів (т.зв. інерційний термоядерний синтез). В генної інженеріїі нанотехнології (технології, що має справу з об'єктами з характерними розмірами 10 -9 м) лазерними променями розрізають, пересувають і з'єднують фрагменти генів, біологічних молекул і деталі розміром близько мільйонної частки міліметра (10 -9 м). Лазерні локатори (лідари) застосовуються для дослідження атмосфери.
5. Військові лазери. Військове застосування лазерів включає як їх використання для виявлення цілей і зв'язку, так і застосування в якості зброї. Променями потужних хімічних та ексимерних лазерів наземного або орбітального базування планується руйнувати або виводити з ладу бойові супутники і літаки противника. Створені зразки лазерних пістолетів для озброєння екіпажів орбітальних станційвійськового призначення.
Можна без перебільшення сказати, що лазери, що з'явилися в середині XX століття, зіграли таку ж роль в житті людства, як електрика і радіо півстоліття раніше.
Сергій Транковский