|
Реферат: Лазеры (Физика)
Школа №24
Р Е Ф Е Р А Т
по физике
ЛАЗЕРЫ
Работу выполнил
ученик 10 «В» класса
Азлецкий Олег Олегович
Учитель:
Мезина Ольга Олеговна
Краснодар, 2000
Содержание.
|Введение |3 |
|Лазеры |5 |
|Индуцированное излучение |5 |
|Лазеры |6 |
|Свойства лазерного излучения |6 |
|Принцип действия лазеров |6 |
|Трёхуровневая система |8 |
|Устройство рубинового лазера |9 |
|Классификации лазеров и их характеристики |10 |
|Твердотельный лазер |14 |
|Газовый лазер |16 |
|Жидкостный лазер |17 |
|Полупроводниковый лазер |18 |
|Химический лазер |19 |
|Ультрафиолетовый лазер |20 |
|Лазер на свободных электронах |21 |
|Лазер на ИАГ |22 |
|Апротонный жидкостный лазер |23 |
|Лазер на парах меди |24 |
|Заключение |25 |
|Литература |26 |
| | |
| | |
| | |
| | |
ВВЕДЕНИЕ
B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного
хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в
космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной
технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в
которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно
совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических,
химических, биологических.
B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование
лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.
Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высотомеры, локаторы,
системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных
приборах в качестве источника излучения используется лазер.
В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова
и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А.
Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания
квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман
сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в
качестве активного вещества.
В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был
создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов
гелия и неона.
В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер,
у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый
элемент.
Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также
вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в
1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось
бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.
Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой
проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных
условиях.
В последнее время получила распространение еще одна важная область
применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается
резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка
интегральных микросхем.
Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был
создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.
Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на
сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для
раннего обнаружения раковых опухолей.
Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.
В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для
улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных
напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и
мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего
инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает
значительное увеличение срока службы этих устройств.
Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а
также рентгеновских и химических лазеров.
ЛАЗЕРЫ.
На вопрос о том, что такое лазер1, академик Н.Г. Басов отвечал так:
«Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая,
электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный
луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно
то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким
качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией
и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно
сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и
получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность
энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь
самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец,
лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли –
принципиально новым средством её передачи и обработки».
Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так
называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под
индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под
действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого
излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая
волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни
поляризацией.
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома
из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как
при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.
1 Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского
выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»
(«усиление света при помощи индуцированного излучения»).
Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на
возможность использования явления вынужденного излучения для усиления
электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М.
Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали
явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора
радиоволн с длиной волны (=1,27 см.
Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом
существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения
(около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно
диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от
обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от
друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не
испытывает нерегулярных изменений.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале
спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью
порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения
1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7(103
Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал ((=10-6 см
(ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2
Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне,
излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов
находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких
температурах вещества не светятся.
При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия
поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается,
т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового
пучка отнимается энергия
h(=E2–E1
равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически
представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка
синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён
возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою
энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом
направлении.
2
2
1
1
а
б Рис.1
Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую
часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной
волны с частотой
(=
эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт
индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят
в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и
фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна,
а на рисунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное
состояние, а волна усилилась.
2
2
1
1
а
б Рис. 2
Трехуровневая система. Существуют различные методы получения среды с
возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого
используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет
поглощения света.
Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным
ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа
невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает
индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.
Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее
число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). На
рисунке 3 изображены три энергетических уровня. Существенно, что в
отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система
находится в различных энергетических состояниях («время жизни»),
неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10-8 с, после
чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света.
(Энергия при этом передается кристаллической решетке.) «Время жизни» в
состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из
состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны
сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной
лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-
8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким
образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению
с невозбужденным уровнем 1.
Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин –
это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома
(около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми
свойствами.
Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется
стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму
спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от
батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую
вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится
«перенаселенным».
В результате самопроизвольных переходов 2(1 начинают излучаться волны
всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси
кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли.
Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов.
Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро
усиливается.
Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой
полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью
около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми
феноменальными свойствами, о которых было рассказано выше. Волна является
когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так
как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень
малое время.
[pic]
Рис. 4
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Приведенная ниже классификация лазеров не претендует на полноту и
законченность, что объясняется задачами, которые стояли перед автором
реферата, – дать лишь общие представления о принципе работы и применении
лазеров.
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе
усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже
находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на
частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к
отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на
входе слабое излучение, на выходе – усиленное.
С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте
перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное
вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуждённом
состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода
одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к
возникновению стимулированного излучения.
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием
активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными
(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-
неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного
вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют
полупроводниковым.
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного
вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического
излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной
энергией, с возбуждением за счет энергии взрывающихся проволочек, с
возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного
излучения (последние привлекают сейчас пристальное внимание зарубежных
военных специалистов). Различают также лазеры по характеру излучаемой
энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то
говорят об импульсныx лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с
непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например
полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале
длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то
говорят о широкополосном лазере.
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной
мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более
106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103
Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт,
то говорят о маломощных лазерах.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают
лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью –
у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси
электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность
резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения.
Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
Твердотелые лазеры
Полупроводниковые л.
Газовые л. Электронные
Химические л. генераторы
Эксимерные л.
0,1 1,0 10 100 1000 10000 100000 мкм Рис. 5
образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового
участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно
сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время.
Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова (рис. 5).
Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она
измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных
генераторов – порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность.
Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые
излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную
мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-
неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С
твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К
примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале
времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность
излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность
составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена
с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е.
мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и
сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А
это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится
интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление
металла, при интенсивности 107 Вт/см2 – кипение металла, а при 109 Вт/см2
лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их
в плазму.
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного
луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в
несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около
1...3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв
излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10...15
угловых градусов.
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в
котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров
монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно
выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты
частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем
излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой
монохроматичностью.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного
действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у
полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для
повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения
лазеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию
аппаратуры.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР
Функциональная схема такого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из
пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного
блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует
электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое
лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а
выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в
постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает
очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа
в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в
качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его
устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя
рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора.
Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных
размеров и диаметров.
Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в
которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома
определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома,
красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В
печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями.
Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с
высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их
делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают
серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения.
Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают
между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в
цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение
светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя
поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения
0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.
Блок
поджига
Излучающая
Пульт
головка
управления
Блок
Выпрямительный
конденсаторов блок
Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора.
ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР
Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь
газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда
облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для
перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия.
Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом
гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит
с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами
неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех
верхних подуровней (рис. 7). В связи с тем, что перераспределение энергии
при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей
внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень
2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность
верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из
подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку
уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то
теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять
переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах
волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.
E, э-В
He+ Ne+
25
20 2
19 3
4
He
Ne
0 1 1
Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.
ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.
В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными
рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в
некоторых жидкостях. можно получить структуру энергетических уровней, очень
сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках.
Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных.
Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить
стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых,
жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного
вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.
Разработан метод получения жидких активных веществ с примесями
гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению
стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со
сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют в газовых лазерах.
Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого
вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном
режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и
рабочей системам.
Был создан и исследован жидкостный лазер с активным веществом, которое
излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение
хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы
представляют интерес для создания подводных локаторов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.
В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским
ученым.
Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим
образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут
занимать две широкие энергетические полосы (рис. 8). Нижняя представляет
собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости. В нормальном чистом
полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают
энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на
полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами,
то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в
валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют
«дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда. Произойдёт
перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны
проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности
верхней энергетической зоны.
E
Зоны
Проводимости Е-заполнение
Электроны
Е-
запрещение
Дырки
Е-
незаполнение
Валентная зона
Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера.
ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.
Химическим лазерам приписывают практическое использование в самом
ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого
потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия
населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией,
выделяющейся в химической реакции. Для химического лазера имеется
принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической
энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической
реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеров основные
процессы могут быть представлены следующей серией реакции
F + H2 ( HF* + Н;
H + F2 ( HF* + F;
HF* ( HF + h(.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ЛАЗЕР.
На предыдущих страницах мной были рассмотрены лазеры, излучающие в
видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Важное
значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапазона спектра
частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на
аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и
имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего времени
показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого
пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.
ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ.
Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии
спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле в излучение
в оптическом диапазоне волн. Из рис. 9 видно, что ускорителем электронов
является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого
располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими
катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение
электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень
высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в
устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с
чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем
образуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Поскольку
процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение
осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может
работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важным
преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является
возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для
обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере. Первые
экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих
образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем
лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия,
размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах.
Рис. 9. Схема лазера на
свободных электронах:
1-зеркало; 2-пучок
электронов; 3-луч
лазера; 4-знакопеременное
магнитное поле; 5-
ускоритель электр.
ЛАЗЕР НА ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ (ИАГ).
Этот лазер получил широкое распространение, благодаря низкому порогу
генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет
получать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном
режиме.
Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, максимальная длина
активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж,
длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторения – 500,
кпд около 1 %.
АПРОТОННЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.
Свое название этот лазер получил потому, что в неорганических
растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно
отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет
осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd3+ по четырехуровневой
схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.
Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к
тому еще и агрессивны, что значительно сужает выбор возможных
конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить
тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является
конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.
Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут
работать как в режиме свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме,
причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся
при малых значениях добротности резонатора.
ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕДИ.
Одним из достижении лазерной техники является получение
стимулированного излучения от среды, образованной парами меди. Эти пары
являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения
импульсов и значительной средней мощности, обеспечивающей получение высокой
температуры в газоразрядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредоточено
на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие
лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.
В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью
существования инверсии населенности для получения достаточно малой
расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
За последние несколько лет в России и за рубежом были проведены
обширные исследования в области квантовой электроники, созданы
разнообразные лазеры, а также приборы, основанные на их использовании.
Лазеры теперь применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в
медицине и строительстве, в вычислительной технике и промышленности, в
военной технике. Появилось новое научное направление – голография,
становление и развитие которой также немыслимо без лазеров.
Однако ограниченный объем этого реферата не позволил отметить такой
важный научный аспект квантовой электроники, как лазерный термоядерный
синтез, в основе которого лежит идея Н. Г. Басова, высказанная еще в 1962
году, об использовании лазерного излучения для получения термоядерной
плазмы. Устойчивость светового сжатия – кардинальная проблема в лазерном
термоядерном синтезе.
Не рассмотрены в реферате и такие важные направления, как лазерное
разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ, лазерная химия,
лазерная спектроскопия. Но простое перечисление их уже говорит о том, что
лазеры широким фронтом вторгаются в нашу действительность, обеспечивая
подчас уникальные результаты. Человек получил в свое распоряжение новый
универсальный и эффективный инструмент для повседневной научной и
производственной деятельности.
Молодому поколению нужно знать об этом интересном приборе, переделывающем
мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной,
научной и военной деятельности.
Литература.
1. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ,
1988.
2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Оптика и атомная физика.
– М.: Просвещение, 1981.
3. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. Для 11 кл. – М.: Просвещение, 1993.
4. Савельев И.В. Курс общей физики: Квантовая оптика. Атомная физика.
Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.:
Наука, 1987.
5. Орлов В.А. Лазеры в военной технике. – М.: Воениздат, 1976.
-----------------------
2
3
1[pic] Рис. 3
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии.
Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до
дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит,
Реферат на тему: Лазеры
Содержание
Введение 2
ГЛАВА I. Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света. 3
1.1 Индуцированное излучение 3
1.2 Принцип действия лазеров 4
1.3 Основные свойства лазерного луча. 5
1.3.1 Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность. 7
1.3.2 Гигантский импульс 9
1.4 Характеристики некоторых типов лазеров. 9
Глава II. Практическое использование оптических квантовых генераторов.
16
2.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике 16
2.2 Применение лазеров в медицине 18
2.2.1 Лазер в офтальмологии 19
2.3 Лазерные технологии - средство записи и обработки информации 20
Глава III. Голография. 22
3.1 Возникновение голографии. 22
3.2 Способы голографирования 22
3.3 Применение голографии. 26
Заключение 27
Список литературы 28
Введение
Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем
надежного и мощного помощника, свободно проникающего в темницы,
разрушающего любые преграды, способного защитить от любого врага. К
всемогущему лучу обращались и многие писатели-фантасты. Всемирно известны
романы “Война миров” Г. Уэллса и “Гиперболоид инженера Гарина” А. Толстого.
Но в этих романах световой луч оказывался в руках сил зла, которые
использовали лучи для разрушения. Люди же мечтали о луче-труженике, луче-
помощнике, луче-созидателе. И этой мечте суждено было сбыться. Реальностью
стали лазеры, которые успешно “трудятся” в клиниках, на заводах, на
строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися
достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и
с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время
были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств,
предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели
завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства,
непрерывно расширяется область использования лазеров в научных
исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч
становится надежным помощником строителей, картографов, археологов,
криминалистов.
ГЛАВА I. Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света.
1.1 Индуцированное излучение
Одним из самых замечательных достижений физики второй половины
двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для
создания удивительного прибора — оптического квантового генератора или
лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики.
В основу лазеров было положено явление индуцированного излучения,
существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По
Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения
существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет
резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать,
переходя на так называемые высшие энергетические уровни, должен вызывать
свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в
среде.
Характерная особенность этого излучения заключается в том, что
испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с
последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения.
Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно
такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.
1
(
2
Рис. 1. Схема возникновения индуцированного излучения (угол ( сильно
преувеличен)
Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом
уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом
количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере большем, чем
количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет
ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа
невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит,
что в данной среде преобладает индуцированное излучение.
Квантовые усилители и генераторы света, в основу которых положено
описанное явление, работают по схеме, схематично изображенной на рис.1.
Пространство между зеркалами 1 и 2 заполнено активной средой, то есть
средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов,
находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда
усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения,
начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов. Значительное
усиление света достигается тогда, когда угол ( очень мал. Тогда свет
испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг
друга. На рис. 1 этому соответствует постепенное утолщение стрелки.[4]
1.2 Принцип действия лазеров
Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных
температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в низшем
энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не
светятся.
При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия
поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается,
то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового
пучка отнимается некоторая энергия:
hv=E2-E1,
где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,
E2 - энергия высшего энергетического уровня,
E1 - энергия низшего энергетического уровня.
а
б в
Рис. 2. Принцип действия лазеров
а - поглощение энергии и возбуждение атома; б - атом поглотивший энергию; в
- испускание атомом фотона
На рисунке 2(а) представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в
виде красной стрелки. Атом находится в нижнем энергетическом состоянии. На
рисунке 2(б) изображён возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный
атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или
испустить фотон в любом направлении.
Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть
атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны
с частотой
[pic],
где v - частота волны,
Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,
h - длина волны.
эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт
индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят
в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и
фазе с падающей волной. Это показано на рисунке 2(в).[6]
1.3 Основные свойства лазерного луча.
Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность
определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В
противоположность, например, обычной электрической лампочке,
электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического
квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические
расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все
колебания в различных частях лазера происходят согласованно.
Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить
понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором
происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс
этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную
картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).
Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно
источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при
этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет
чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения
схематично представлен на рис.3(а) Следовательно, решение проблемы
получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и
согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают
таким образом, что
а
б
Рис 3. Взаимодействие волн
а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные волны (сложение
амплитуд волн)
разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие
выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит
интерференция волн (рис. 3(б)). Тогда источники волн можно назвать
когерентными.
Когерентность волн, и источников этих волн можно определить
математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая
первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в
некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции
напряженность поля в точке А равна
Е = Е1 + Е2
Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными
значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной -
интенсивность света, которая обозначена за I и равна
I = E2.
Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем
I = I1 + I2 + I12,
где I1 - интенсивность света первого пучка,
I2 - интенсивность света второго пучка.
Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и
называется интерференционным членом. Это слагаемое равно
I12 = 2 (E1 * E2).
Если взять независимые источники света, например, две электрические
лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть
результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся
пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят,
что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники
света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный
член не обращается в ноль, а потому I ( I1 + I2. В этом случае в одних
точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других -
меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а
значит источники света оказываются когерентными между собой.
С понятием когерентности также связано понятие пространственной
когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное
расположение которых позволяет получить интерференционную картину,
называются пространственно когерентными.[7]
Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью
их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во
времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое
означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около
сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина
спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.
Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом
расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что
на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км.
Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в
пространстве и по направлению распространения.[6]
1.3.1 Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность.
Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая
степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн
всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы
характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой
величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно
монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот
лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую
монохроматичность.
Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и
состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие
оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии
этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер. [7]
Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового
излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка
времени, продолжительностью порядка 10-13 с.) у некоторых типов лазеров
достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность
излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему
спектру. На узкий же интервал (=10-6 см (это ширина спектральной линии
лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается
в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам
повышения мощности.
Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения
необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока
за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.
Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов,
участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо
задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно
больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо
поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации
называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном
состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового
потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит
добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при
значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается,
поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому
зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог
генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная
заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения
лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера
называется методом модулированной добротности.
Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого
времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько,
что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от
многих факторов, но обычно составляет 10-7 —10-8 с. Очень распространено
модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном
положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора
луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или
сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.
Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией
добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света).
Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает
генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра
ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с
этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в
такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее
сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с
известным из школьного курса физики опытом с турмалином.
Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к
соответствующим методам модуляции добротности.[4]
1.3.2 Гигантский импульс
Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский
импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при
сверхмалой длительности.
Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при
использовании оптического затвора - специального устройства, которое по
сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В
открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в
закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании
гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как
начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии
активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом
порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не
осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне
накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень
сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор
переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то,
если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг
неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных
центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс -
гигантский импульс. Его длительность составляет 10-8 с., а максимальная
мощность 108 Вт.[8]
1.4 Характеристики некоторых типов лазеров.
Разнообразие лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие
лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами
работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать.
Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно
представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы
накачки и т. д.)
Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый
лазер, созданный в 1960 году.
Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида
алюминия Аl2O3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси
оксид хрома Сr2Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr+3.
В решетке кристалла А2О3 ион Сг+3 замещает ион Аl+3. Вследствие этого в
кристалле возникают две полосы поглощения: одна—в зеленой, другая—в голубой
части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов
Сг+3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном
рубине концентрация ионов Сг+3 достигает 1%.
Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких
энергетических уровня Е1 и Е1’ , при переходе с которых на основной уровень
излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет
при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных
переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще
работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии
692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой
коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый — для l = 694,3
нм.
При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра
поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется
оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой
интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до
нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа
при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы.
Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно
черного тела. Излучение поглощается ионами Cr+, переходящими в результате
этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих
уровней ионы Сr+3 очень быстро в результате безызлучательного перехода
переходят на уровни Е1, Е1’. При этом излишек энергии передается решетке,
т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в
энергию фотонов. Уровни Е1, Е1’ метастабильны. Время жизни на уровне Е1
равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е1, Е1’ накапливаются
возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность
относительно уровня Е0 (это уровень невозбужденных атомов).
Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера
обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см.
Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с
хорошо отражающей внутренней поверхностью (рис. 4). Чтобы обеспечить
попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и
лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы
эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому
на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности
излучения на источнике накачки.
Рис 4. Рубиновый лазер (в плоскости сечения)
Ксеноновая лампа (белый круг) и кристалл рубина (красный круг) находятся
внутри зеркала-отражателя
Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза
обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез
заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан
под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения
луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора
ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера
линейно поляризовано.[2]
Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия
и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими
уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия
передается атомам неона для создания инверсной заселенности.
Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате
более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии
с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в
видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.
При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным
ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются
метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен
квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы
накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с
невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему.
Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения
энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона
образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая
к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в
непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано.
Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па.
Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет
коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит
лазерное излучение, — около 0,990. В качестве зеркал используют
многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не
обеспечивают достижения порога генерации.
С02-лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие
молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и
вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает
излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области
спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать
частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам
CO2 передается от молекул азота N2, которые сами возбуждаются электронным
ударом при прохождении тока через смесь.
N2 | |
