Копипаст.ру - фото ню, юмор, фото приколы, бесплатные игры, демотиваторы, комиксы, девушка дня Фото приколы   Удивительное   Фото НЮ   Ещё »  

хочу только
эфир   блогород   недельник   лидеры   лучшие   архив   пopно  
Нас уже 74645. 
Подсчет онлайн...
сейчас
+ регистрация / вход

→ В НОВОМ

Лазерные технологии.

10 ноября 2008 в 19:16Блогиby Золотая Тьма
15
рейтинг
7
коммент.

Введение

Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, - относится - к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Интерес к оптическим явлениям понятен. около 80-85% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления воспринимаются совершенным оптическим прибором - человеческим глазом, являющимся основным орудием познания мира. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие, как интерференция, дифракция, поляризация и др., пришли в физику из оптики и в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и отточенности теоретических представлений.

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики про изошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей , так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Одним из важнейших открытий является лазер. Сегодня лазерная технология присутствует практически во всех областях жизни - от домашнего музыкального центра до суперсовременных устройств в исследованиях космоса, медицине и практически всех других сферах. На данном сайте вы познакомитесь с историей, устройством, и применением этих устройств, писать о которых ещё недавно было уделом фантастов.

История лазера

Изобретение лазера предсказал Алексей Толстой. Но еще до написания им знаменитого романа "Гиперболоид инженера Гарина", в 1916 году Альберт Энштейн предрек возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов. Он же предсказал когерентность вынуждающему излучению, которая была позже (1929 год) строго обоснована Дираком в созданной им квантовой теории излучения.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение относится, очевидно, к 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы

В 1939-м сотрудник Московского энергетического института (МЭИ) Валентин Фабрикант сформулировал принцип усиления электромагнитного излучения для среды, в которой можно создать инверсную, то есть возрастающую с увеличением энергетического уровня населенность электронами их атомных орбит. Это был ещё один шаг к изобретению лазера.

Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к сожалению, остались практически не замеченными и не оказали существенного влияния на создание лазеров, как и поданная В.А. Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявка на изобретение "нового способа усиления электромагнитного излучения УФ, видимого, ИК и радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о создании лазеров.

В 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разрабатали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак. Такое устройство называется мазер (от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission).

Изобретение мазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Квантовые генераторы СВЧ, обладающие высокой стабильностью частоты, нашли применение в службе времени, радионавигации. Квантовые парамагнитные усилители с чрезвычайно низким уровнем собственных шумов позволили повысить на два - три порядка чувствительность приемных устройств СВЧ-диапазона, что обеспечило громадный успех в радиоастрономии, трансконтинентальной связи через космос и вообще в приеме слабых сигналов.

В оптике же привыкли иметь дело со спонтанным (шумовым) излучением, вопрос о создании мощного генератора когерентных колебаний у оптиков как-то вообще не возникал. В 1960-м сотрудник фирмы "Хьюз Эйркрафт" американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Тогда же Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали изобретение лазера.

В 1964-м изобретателям лазера была присуждена Нобелевская премия. Лауреатами стали американец Чарльз Таунс и два российских физика - Николай Басов и Александр Прохоров.

Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней атомов или молекул среды к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы.

Так, в лазере генерация достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

Лазерные технологии.

рис.1


В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии (τ и τ1 на рис. 1) Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной.

Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид W12=B21ρS(ν), W21=B12ρS(ν) и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B21 и B12), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии и совпадения частоты поля с центральной частотой перехода ν0, что учитывается специальной функцией S(ν). При одинаковой степени вырождения уровней B21 = B12 , W21 = W12.

При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W21n2 было больше числа переходов вверх W12n1, необходимо, чтобы n2 > n1: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем.

Среда с инверсией населённости

В некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, что выполняется условие n2 > n1. При этом вынужденные переходы вниз преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов вверх. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

Среда, для которой n2 > n1, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n2 > n1 является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера.

При термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, так как на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия. Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки). Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения F2τ2 > F1τ1, то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего.

Заселение уровней в лазерах может осуществляться:
# за счет поглощения света (оптическая накачка). Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях.
# в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе.
# за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней.
# в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным.
# за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров.

Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях.

Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. При коэффициенте усиления на единицу длины α и длине среды l поданный на ее вход сигнал интенсивностью I1 будет усилен (при отсутствии насыщения) до значения I2 = I1eα на выходе; то есть таким образом может быть реализован оптический усилитель когерентного сигнала с коэффициентом усиления по мощности G = eα

Устройство лазера. Оптический резонатор

Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 2).

Лазерные технологии.

рис.2


В Лазер используются оптические резонаторы различных типов - с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый резонатор). В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Лазере, могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, которые называются собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Система из двух параллельных зеркал резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур. Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами L = λ (L - характерный размер резонатора,λ - длина волны) просто не может быть изготовлен, а при L >> λ закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются. Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при L >> λ.

Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения.

Спектр излучения

В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: L=q(λ/2) (q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q: νq=q(C/2L).

В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен.

При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами.

На рисунке 3 приведен частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора Δνp, определяющая ширину резонансных кривых отдельных мод (кривые 2-4 на рис. 3), и даже расстояние между соседними модами Δνh оказываются меньше, чем ширина линии усиления Δνh, причем даже в газовых лазерах, где уширение линий наименьшее. Поэтому в контур усиления попадает несколько типов колебаний резонатора.

Лазерные технологии.

рис.3


Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление α больше потерь в резонаторе β (три моды на рис. 3 при β=β1). Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рисунке 3) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Поскольку в оптике, как отмечено выше, Δh > Δp и частота генерации в лазере определяется в основном частотой резонатора, то, чтобы держать стабильной частоту генерации, необходимо стабилизировать резонатор. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.

Если в процессе работы лазера параметры резонатора (потери и связанная с ними добротность) остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном.

В непрерывном режиме Лазер генерирует при пороговой инверсии населенности. Выходное излучение имеет вид неупорядоченных пичков длительностью порядка единиц микросекунд. Часто интенсивность излучения между пичками также имеет ненулевую величину. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения. Непрерывные лазеры имеют широчайший диапазон применения. Можно выделить датчики контроля технологических процессов, связь, лазерную технологию, в частности резку и сварку с большими глубинами проплавления.

В импульсном режиме накачка носит импульсный характер (длительность импульса накачки может варьироваться от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), лазер генерирует вблизи порога, а генерация представляет собой гребенку достаточно нерегулярных по амплитуде и частоте следования пиков, появляющихся в результате конкуренции роста инверсии за счет накачки и уменьшения ее за счет высвечивания фотонов. Характерная длительность пика в гребенке - единицы микросекунд, интервал между пичками - десятки микросекунд, количество пичков в гребенке - 10 - 1000). Этот режим в основном применяется в технологии толстолистовых материалов, сварке, резке с большими глубинами проплавления.

Отдельно следует выделить режимы генерации повторяющихся импульсов:
# Импульсно-периодический (ИП), подразумевающий генерацию импульсов в режимах свободной генерации либо модуляции добротности с частотами повторения 5 - 100000-Hz
# Квазинепрерывный режим. В этом режиме частота повторения достигает десятков GHz. Характерным отличием от ИП режима является то, что средняя мощность квазинепрерывной генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих импульсов. Он используется в локации, связи, различных технологических процессах.

Режим модулированной добротности

Для ряда применений важно сократить длительность импульса, т.к. при заданной энергии импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.

Допустим, что накачка осуществляется при низкой добротности резонатора (высоких потерях), так что генерация возникнуть не может. Тогда может быть достигнута максимальная для данной скорости накачки F2 разность населенностей Δn0 и в единице объема вещества запасена энергия ΔU0 = hν0Δn0 ≈ hν0F2τ2. Отметим, что при стационарном резонаторе с низкими потерями это значение Δn0 достигнуто быть не может, поскольку по достижении порога и возникновении генерации инверсия больше не растет, так как накачка, превышающая пороговую, уходит в лазерное излучение. Если эту запасенную энергию высветить в импульсе длительностью τh, то получается удельная мощность Ph = hν0F2τ2/2τh = P1 τ2/2τh поскольку P1 = hν0F2τ2 есть максимальная (с единицы объема) мощность в непрерывном режиме. При τh << τ2 можно получить существенный выигрыш в мощности.

Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса. Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 107 - 108 Вт, рекордные - 1013-1015 Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 103 Вт, в режиме модулированной добротности P = 108 Вт, то есть возрастает на 5 порядков.

В этом режиме применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса , управляемые электрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью 10-7 - 10-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения длительности импульса достигает нескольких порядков.

Режим модуляции добротности нашёл множество применений: локация, лидары, научный эксперимент, лазерная технология тонколистовых материалов.

Метод синхронизации продольных мод

Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод. Как уже отмечалось, расстояние между продольными модами меньше ширины линии рабочего перехода в лазере, и возможна генерация лазера на нескольких продольных модах.

В газах ширина линии Δν составляет около 109 Гц, в твердотельных лазерах 1011-1012 Гц, в лазерах на красителях 1013-1014 Гц. При Δνh = 108 Гц (L = 1 м) это дает число мод M=Δν/Δνh от 10 для газовых лазеров до 105-106 для лазеров на красителях.

В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. С помощью введения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно синхронизировать моды лазера.

Практически сфазировать все моды лазера довольно трудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картина формирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формирования сверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерно следующим образом: на начальной стадии развития генерации излучение представляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивность соответствует горизонтальной прямой, то фильтр будет выключаться теми пучками, интенсивность которых больше просветляющей. После прохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать. Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случае достаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пика фильтр пропустит ещё несколько последующих более слабых пиков.

Просветляющийся фильтр можно подобрать так, что он будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Это позволяет, используя некоторые дополнительные устройства, выделять отдельные сверхкороткие импульсы генерации.

Если жестко связать фазы отдельных мод, то есть заставить их генерировать синхронно, излучение лазера приобретает вид последовательности коротких импульсов, следующих друг за другом с периодом T = 2L/c и имеющих в пределе длительность τh=1/Δνh. Мощность в импульсе при этом резко возрастает (в М раз) по сравнению c несинхронизированным режимом.

Жесткого закрепления фазовых соотношений между модами можно добиться, осуществляя модуляцию потерь в резонаторе с частотой f = Δνh. При этом генерируемое излучение (скажем, на центральной моде с частотой ν0) модулируется по амплитуде с частотой f = Δνh, а значит, в его спектре возникают дополнительные составляющие, отстоящие от несущей на частоты, кратные частоте модуляции, то есть совпадающие по частоте с частотами соседних мод и играющие для них роль вынуждающей силы, в результате чего достигается синхронизация.

В режиме синхронизации от лазеров удается получить сверхкороткие световые импульсы (10-12-10-13 с) высокой мощности. С помощью специальных методов длительность импульсов удается довести до 10-14-10-15 с.

Лазеры, работающие в этом режиме, в основном используются в научных экспериментах, часто - в качестве задающих генераторов мощных лазерных систем.

Типы лазеров

По типу активного вещества все лазеры делятся на твердотельные (в качестве активного вещества используются стекло, активированное неодимом, гранат, рубин); полупроводниковые; газовые (гелий, неон, аргон, углекислый газ, водород и фтор, смеси газов) и жидкостные (активное вещество представлено растворами органических и неорганических веществ).

Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители - лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.

Первыми были созданы твердотельные лазеры (рубиновые). Активное вещество - рубин - представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3•CrO3).

Принцип работы рубинового лазера заключается в следующем: излучение ксеноновой лампы накачки переводит атомы хрома в возбужденное состояние. Обратный переход происходит самостоятельно и сопровождается излучением фотонов, причем этот процесс носит лавинообразный характер. На резонаторе происходит накопление фотонов в активном веществе, которые, достигнув критического уровня, испускаются в виде монохроматического излучения высокой интенсивности.

Широко используются лазеры на на алюмо--иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы--вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.

Наибольшее распространение в настоящее время получили газовые лазеры. Они способны генерировать излучения больших интенсивностей как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы, обладают высокими спектральной частотой и степенью когерентности. Эти лазеры наиболее перспективны для целей локации и связи.

Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон--ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.

Активной средой полупроводниковых лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны ( n-проводимость, от англ. negativ - отрицательный) либо дырки, их нехватка ( p-проводимость, от positiv - положительный). При их рекомбинации в слое p- n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком.

В полупроводниках удаётся получить очень большие коэффициенты усиления ~ 102-103 см-1, поэтому размеры полупроводникового лазера могут быть сделаны очень малыми - порядка долей мм. лазеры на полупроводниках позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким кпд преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигается мощность ~ 10 вт, при температуре жидкого азота 4-5 вт. Особенно перспективные инжекционные Л. на гетеропереходах, которые работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, создавая мощность ~5x10-2 Вт при КПД до 25%.

Существует также множество других типов лазеров, используемых реже: на свободных электронах, на нейтральных атомах, ионные, молекулярные, газодинамические, на парах металлов.

Свойства лазерного излучения.

По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение "нелазерных" источников света не имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7x10-12xT4 вт/см2. Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W = 6,4x103 вт. Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую, чем в самом источнике света.

Если интенсивность излучения лазера сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Направленность лазерного излучения во многом определяется тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. При высокой степени пространственной когерентности угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией. Типичные значения составляют: для газовых лазеров (0,5-5)x10-3 радиан, у твердотельных (2-20)x10-3 радиан, у полупроводниковых (5-50)x10-2 радиан.

Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн. Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре возбуждения атомов и молекул. Таким образом, в обоих случаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света, представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам - направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. - превосходящие классические устройства радиодиапазона.

В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной. Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной.

В настоящее время лазеры перекрывают диапазон от ультрафиолета до субмиллиметровых волн, достигнуты первые успехи в создании рентгеновских лазеров, созданы перестраиваемые по частоте лазеры.

Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3x10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2 стерадиан)).

Перечисленные выше свойства делают лазеры уникальными источниками света и определяют возможность их многочисленных применений.

Применение лазеров

Появление лазеров сразу оказало и продолжает оказывать влияние на различные области науки и техники, где стало возможным применение лазеров для решения конкретных научных и технических задач. Проведенные исследования подтвердили возможность значительного улучшения многих оптических приборов и систем при использовании в качестве источника света лазеров и привели к созданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры, быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики.

Различные типы лазеров имеют разные области применения. Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оруждия и указок, в проигрывателях компакт--дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии - как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO2) - для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства.

Создание лазеров ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Таким образом, все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. Лазеры большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия (затухания второго звука, связанные состояния двух ротонов в жидком гелии и т.п.), провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах с временем релаксации ~ 10-13 сек. Возможность формировать сверхкороткие импульсы света 10-11 - 10-12 сек имеет также очень важное значение для скоростной фотографии и ряда др. методов исследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-неонового лазера, обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового лазера (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230x1012 гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,99792456,2 + 1,1 м/сек.

Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, иницировании химических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно, выделить применение лазеров в голографии.

Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размерная обработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике.

Интенсивно развиваются методы лазерной локации и связи. Локация Луны с помощью рубиновых лазеров и специальных уголковых отражателей, доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерения расстояний Земля - Луна до нескольких см. Полная затрата энергии при этом порядка энергии, выделяющейся при сгорании десятка спичек. С помощью полупроводникового лазера осуществлена связь со спутником. Разрабатываются лазерные методы геодезических измерений и регистрации сейсмических явлений. Созданы и используются лазерные гироскопы (см. Квантовый гироскоп)и дальномеры.

Большое внимание уделяется созданию лазеров с перестраиваемой частотой. Существуют различные типы параметрических генераторов света: лазеры на вынужденном рассеянии света и полупроводниковые лазеры, работающие в одномодовом режиме. В результате перекрыт практически весь диапазон от L = 1 мм до видимой области, причём обеспечивается разрешение 10-2-10-3 см-1. Широкое применение подобных лазеров в спектроскопии позволит во многих случаях исключить необходимость в монохроматорах, спектрографах и т.п. Особенно большое значение лазерная спектроскопия должна иметь для исследования короткоживущих продуктов, исследования химических реакций, биологических превращений и т.п.

Получены обнадёживающие результаты в направленном стимулировании химических реакций. С помощью лазера можно селективно возбуждать одно из собственных колебаний молекулы. Оказалось, что при этом молекулы способны вступать в реакции, которые нельзя или затруднительно стимулировать обычным нагревом. Для реализации всех имеющихся здесь возможностей необходимы мощные лазеры с перестраиваемой частотой в ближней инфракрасной области спектра.
Надоело листать страницы? Зарегистрируйтесь и станет удобнее.

Нравится пост? Жми:


Похожие новости
Армия 3 (16 фото)Дитёныш )))))Вот так!!!Геополитика важнее, чем свой на…СПИДа нет!
Все фото приколы и картинки »

РЕГИСТРАЦИЯ НА САЙТЕ ЗА 20 СЕКУНД
Меньше рекламы, добавление новостей, голосование, подарки...



1: 10 ноября 2008 19:23
 
очень увлекательно!спасибо

2: 10 ноября 2008 21:39
 
физика рулит yeeeah

3: 10 ноября 2008 23:32
 
popcorm1

4: 11 ноября 2008 09:58
 
swoon

5: 11 ноября 2008 14:10
 
мало чо понял,но лазеры рулят!!! yeeeah yeeeah yeeeah На тюбике есть клип,в котором показывают,как из двд резака можно сделать "боевой" лазер...В клипе он зажигал спичку и прожигал воздушный шарик...

6: 11 ноября 2008 15:00
 
А где фотки полевых испытаний??? Где глобальные разрушения, горы поверженных, паника и ужас в глазах вражин?
Дайошь эффектную демонстрацию разарботки инженера Гагарина yeeeah

7: 28 февраля 2009 23:25
 
О_о тока сча заметил этот пост..
спасибо белый)))) было очень интересно))) popcorm1 popcorm1 popcorm1
Информация
Вы не можете оставлять комментарии к данной новости.

Загрузка. Пожалуйста, подождите...