Лазеры

Лазеры

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.

Страницы: 1, 2