Доклад: Лазеры и их применение. Реферат на тему лазеры по физике

Реферат - Лазеры - Физика

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление светапосредством вынужденного излучения»), оптический квантовый генератор – устройство,преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую идр.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного иузконаправленного потока излучения.

Существуют лазеры с длинами волн отультрафиолетовых до инфракрасных, а мощность лазеров может варьироваться отнескольких долей милливатта для медицинских применений до киловатт – длялазеров, применяемых в промышленности.

Устройство лазера

Лазер состоит из источника энергии(механизм «накачки), активной среды и системы зеркал (резонатора).

/>

Источником энергии может бытьэлектрический разрядник, импульсная или дуговая лампа, другой лазер, химическаяреакция и т.д.

Активной средой может быть газ(углекислый, аргон, криптон) или смесь газов (гелий-неон или ксенон хлор),жидкость (краситель), пары металла (медь, золото), твёрдые тела (кристаллы,стекло), полупроводники и др.

С практической точки зрения лазер – этоисточник света, который испускает узкий пучок света. Этот пучок света имеетопределенную длину волны и распространяется с маленькой расходимостью.

Внутри лазера энергия возбуждает «активнуюсреду», которая излучает энергию в виде света.

Активная среда содержит большее количествоатомов в возбужденном состоянии, чем атомов с более низким уровнем энергии.Световая волна формируется, когда атом из «возбужденного» состояния, где онсодержит определенное количество энергии, переходит в другое состояние сменьшим количеством энергии. Различие в энергии между двумя уровнямисоответствует энергии испускаемой волны.

Гигантское количество атомов излучаютсогласованно, в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток.Это есть когерентный свет.

Излучённая активной средой световая волнас определённой энергией отражается от зеркал (резонатор) и опять возвращается вактивную среду снова возбуждая всё новые атомы. Этот продолжающийся процесс исветовой пучок становится сильнее и сильнее. Волна может отражаться многократнодо момента выхода наружу. Обычно используется частично прозрачное зеркало содной из сторон, чтобы обеспечить выход требуемой части лазерного луча.

Оптический резонатор, простейшей формойкоторого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего телалазера.

В более сложных лазерах применяются четыреи более зеркал, образующих резонаторов.

Физические основы работы лазера

Спонтанные и вынужденные переходы.

Согласно классическим представлениям,испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается сзамедлением и ускорением электрические зарядов. Например, процесс спонтанногоиспускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора наизлучение в течение некоторого промежутка времени, количественнойхарактеристикой которого служит так называемое время жизни t. В результате излучаемаямощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве вформе сферических волн.

В квантовой теории имеют дело состационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испусканияпредполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излученияили поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом,который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени скаждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являютсяэмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяетчисленно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика даетвозможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным(происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным(происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегдаявляется вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня, содержащиходинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.

/>

Согласно постулатам Эйнштейна, числоспонтанных переходов /> в единицу времени в единице объема сверхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

/>

Соотношение строго выполняется, еслиэлементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.

/>

определяет число спонтанно испускаемых вединицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу сэнергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанногоиспускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единицеобъема за единицу времени, /> также пропорционально населенностиисходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения r наданной частоте (энергии фотонов в единице объема).

/>

/>

/> – этоЭйнштейновский коэффициент поглощения. Вероятность поглощения равна.

Аналогично определяется число фотонов вслучае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе сверхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.

/>

/>

Этот коэффициент носит названиеЭйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность переходаравна />

Если нет вырождения энергетическихуровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение квантаравны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцироватьизлучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокиеэнергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому актыпоглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общийэнергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испусканиефотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание – внаправлении распространения падающего на частицу излучения.

История

История изобретения лазера началась в 1916году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом,где прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей игенераторов электромагнитных волн.

В 1928 году, Ланденбург, сформулировалусловия обнаружения индуцированного излучения, отметив, что для этогонеобходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В 1955 году Николай Басов и АлександрПрохоров разработали квантовый генератор – усилитель микроволн с помощьюиндуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

А в 1958 году Александр Прохоровиспользовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой двапараллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Первый работающий лазер был сделанТеодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза(Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечениемгрупп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Belllaboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой,который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то жевремя иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работуон получил премию имени Альберта Эйнштейна.

В том же году доктор Леон Голдман впервыеиспользовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов.

Революционные достижения лазерныхтехнологий не могли не затронуть отрасли эстетической медицины и в 1964 годубыл изобретён лазер на диоксиде углерода (СО2 – лазер) для хирургических целей.С этого момента лазерная косметология стала развиваться большими темпами.

В 1983 г. Андерсон и Парришпредложили метод селективного фототермолиза, который основан на способностибиотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны,что приводит к их локальной деструкции. При поглощении основными хромофорамикожи – водой, гемоглобином или меланином – электромагнитная энергия лазерногоизлучения преобразуется в тепло, что вызывает нагрев и коагуляцию хромофоров.При этом одновременно происходит охлаждение нагретого участка ткани за счеттеплопроводности, т.е. тепло переходит от более теплого участка к болеехолодному. Таким образом, для того чтобы преобразовавшаяся тепловая энергия накапливаласьисключительно в выбранном для разрушения хромофоре, активный нагрев мишенидолжен происходить быстрее, чем ее пассивное охлаждение.

Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источниковизлучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценныхсвойств.

1. Лазерное излучение когерентно ипрактически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали толькорадиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможностьосвоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи,тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицувремени.

Из-за того, что вынужденное излучениераспространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо:его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяютфокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точкефокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощностиимеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесногоизлучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излученияПланка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых вкоординатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая даетраспределение энергии в спектре излучения при определенной температуре.Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планказначения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения награфике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучениепрактически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единицеобъема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигатьогромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта(1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Методы создания инверсии населённости.

Для создания активной Среды необходимоизбирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселениеодного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективныхметодов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л.на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине.Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводитионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10–8 сек) осуществляетсябезызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и />. Избыток энергии при этомпередаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ науровнях E 2 и /> составляет 10–3 сек. Толькопо истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1.Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Еслиосвещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большойинтенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), топроисходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и /> и возникает инверсиянаселённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволилосоздать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длинойволны l " 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостейуровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ науровни E2, за время, не превышающее 10–3 сек. Это предъявляет большиетребования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используютсяимпульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10–3 сек.За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Метод оптической накачки обладаетнесколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред сбольшой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот методвозбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только тачасть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионовCr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощаетсяотносительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицуобъёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверснойнаселённостей уровней, в основном определяется особенностями используемойсистемы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубинетеряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственныхколебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов.Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловыхнагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л.достигает нескольких дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергииостаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давленииэнергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела,вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагревна десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд.Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки влучшем случае не превышает нескольких% из-за неполного использования спектраламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрическойэнергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил методсоздания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различныхгазах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большойэнергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсиюнаселённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этотметод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различныеатомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрическихразрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие винфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того,возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режимработы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергиюизлучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л.непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением рядадр. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит вследующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, пристолкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновенийвозбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного изколебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсиинаселённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпддостигает 20–30%.

В дальнейшем оказалось возможным создатьгазодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагреваетсядо температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя изсопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрогоохлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см.Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучениегазодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьмаперспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача созданиякрупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловыхисточников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случаеэлектроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия,запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, – порядка 0,1 дж на 1 см3объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являютсяисключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственноеиспользование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. созданиеактивной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачкиявляется реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси h3 и F2 к.-л.образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакцияF + h3 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результатеэтой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовыхпереходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавитьCO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. напереходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HFиграют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Болееэффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смесикоэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излученияможет достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так ив непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в томчисле сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалосьвозможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока черезэлектронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическимвозбуждением.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучениясделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областяхнауки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазерынепрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей изразличных материалов. Высокая температура излучения позволяет свариватьматериалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл скерамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч вточку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ ИВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый методлазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей ввакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить втехнологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служитудобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют дляизмерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения световогоимпульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят припомощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностейизделия.

2. Лазерная связь. Появление лазеровпроизвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простаязакономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тембольше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившаядиапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн.Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десяткитысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч разбольше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связьосуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которыхза счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерьна многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводятизображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине.

Лазерная техника широко применяется и вхирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок,«приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна.Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируютживые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран иоказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточноймедициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях.Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии даетвозможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем тольков недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию,сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н.инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии(технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м)лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов,биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра(10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследованияатмосферы.

5. Военные лазеры.

Военное применение лазеров включает как ихиспользование для обнаружения целей и связи, так и применение в качествеоружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного илиорбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевыеспутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооруженияэкипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, чтолазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизничеловечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Литература

1.) Брэгг У. «Мирсвета. Мир звука». М., Наука, 1967

2.) Дунская И.М.«Возникновение квантовой электроники». М., Наука, 1974

3.) Тарасов Л.В.«Лазеры: действительность и надежды». М., Наука, 1979

4.) Транковский С.«Книга о лазерах». М., 1988

www.ronl.ru

Доклад - Лазеры - Физика

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление светапосредством вынужденного излучения»), оптический квантовый генератор – устройство,преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую идр.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного иузконаправленного потока излучения.

Существуют лазеры с длинами волн отультрафиолетовых до инфракрасных, а мощность лазеров может варьироваться отнескольких долей милливатта для медицинских применений до киловатт – длялазеров, применяемых в промышленности.

Устройство лазера

Лазер состоит из источника энергии(механизм «накачки), активной среды и системы зеркал (резонатора).

/>

Источником энергии может бытьэлектрический разрядник, импульсная или дуговая лампа, другой лазер, химическаяреакция и т.д.

Активной средой может быть газ(углекислый, аргон, криптон) или смесь газов (гелий-неон или ксенон хлор),жидкость (краситель), пары металла (медь, золото), твёрдые тела (кристаллы,стекло), полупроводники и др.

С практической точки зрения лазер – этоисточник света, который испускает узкий пучок света. Этот пучок света имеетопределенную длину волны и распространяется с маленькой расходимостью.

Внутри лазера энергия возбуждает «активнуюсреду», которая излучает энергию в виде света.

Активная среда содержит большее количествоатомов в возбужденном состоянии, чем атомов с более низким уровнем энергии.Световая волна формируется, когда атом из «возбужденного» состояния, где онсодержит определенное количество энергии, переходит в другое состояние сменьшим количеством энергии. Различие в энергии между двумя уровнямисоответствует энергии испускаемой волны.

Гигантское количество атомов излучаютсогласованно, в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток.Это есть когерентный свет.

Излучённая активной средой световая волнас определённой энергией отражается от зеркал (резонатор) и опять возвращается вактивную среду снова возбуждая всё новые атомы. Этот продолжающийся процесс исветовой пучок становится сильнее и сильнее. Волна может отражаться многократнодо момента выхода наружу. Обычно используется частично прозрачное зеркало содной из сторон, чтобы обеспечить выход требуемой части лазерного луча.

Оптический резонатор, простейшей формойкоторого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего телалазера.

В более сложных лазерах применяются четыреи более зеркал, образующих резонаторов.

Физические основы работы лазера

Спонтанные и вынужденные переходы.

Согласно классическим представлениям,испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается сзамедлением и ускорением электрические зарядов. Например, процесс спонтанногоиспускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора наизлучение в течение некоторого промежутка времени, количественнойхарактеристикой которого служит так называемое время жизни t. В результате излучаемаямощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве вформе сферических волн.

В квантовой теории имеют дело состационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испусканияпредполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излученияили поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом,который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени скаждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являютсяэмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяетчисленно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика даетвозможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным(происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным(происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегдаявляется вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня, содержащиходинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.

/>

Согласно постулатам Эйнштейна, числоспонтанных переходов /> в единицу времени в единице объема сверхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

/>

Соотношение строго выполняется, еслиэлементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.

/>

определяет число спонтанно испускаемых вединицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу сэнергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанногоиспускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единицеобъема за единицу времени, /> также пропорционально населенностиисходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения r наданной частоте (энергии фотонов в единице объема).

/>

/>

/> – этоЭйнштейновский коэффициент поглощения. Вероятность поглощения равна.

Аналогично определяется число фотонов вслучае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе сверхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.

/>

/>

Этот коэффициент носит названиеЭйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность переходаравна />

Если нет вырождения энергетическихуровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение квантаравны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцироватьизлучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокиеэнергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому актыпоглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общийэнергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испусканиефотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание – внаправлении распространения падающего на частицу излучения.

История

История изобретения лазера началась в 1916году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом,где прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей игенераторов электромагнитных волн.

В 1928 году, Ланденбург, сформулировалусловия обнаружения индуцированного излучения, отметив, что для этогонеобходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В 1955 году Николай Басов и АлександрПрохоров разработали квантовый генератор – усилитель микроволн с помощьюиндуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

А в 1958 году Александр Прохоровиспользовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой двапараллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Первый работающий лазер был сделанТеодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза(Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечениемгрупп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Belllaboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой,который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то жевремя иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работуон получил премию имени Альберта Эйнштейна.

В том же году доктор Леон Голдман впервыеиспользовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов.

Революционные достижения лазерныхтехнологий не могли не затронуть отрасли эстетической медицины и в 1964 годубыл изобретён лазер на диоксиде углерода (СО2 – лазер) для хирургических целей.С этого момента лазерная косметология стала развиваться большими темпами.

В 1983 г. Андерсон и Парришпредложили метод селективного фототермолиза, который основан на способностибиотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны,что приводит к их локальной деструкции. При поглощении основными хромофорамикожи – водой, гемоглобином или меланином – электромагнитная энергия лазерногоизлучения преобразуется в тепло, что вызывает нагрев и коагуляцию хромофоров.При этом одновременно происходит охлаждение нагретого участка ткани за счеттеплопроводности, т.е. тепло переходит от более теплого участка к болеехолодному. Таким образом, для того чтобы преобразовавшаяся тепловая энергия накапливаласьисключительно в выбранном для разрушения хромофоре, активный нагрев мишенидолжен происходить быстрее, чем ее пассивное охлаждение.

Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источниковизлучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценныхсвойств.

1. Лазерное излучение когерентно ипрактически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали толькорадиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможностьосвоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи,тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицувремени.

Из-за того, что вынужденное излучениераспространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо:его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяютфокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точкефокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощностиимеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесногоизлучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излученияПланка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых вкоординатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая даетраспределение энергии в спектре излучения при определенной температуре.Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планказначения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения награфике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучениепрактически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единицеобъема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигатьогромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта(1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Методы создания инверсии населённости.

Для создания активной Среды необходимоизбирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселениеодного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективныхметодов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л.на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине.Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводитионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10–8 сек) осуществляетсябезызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и />. Избыток энергии при этомпередаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ науровнях E 2 и /> составляет 10–3 сек. Толькопо истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1.Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Еслиосвещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большойинтенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), топроисходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и /> и возникает инверсиянаселённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволилосоздать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длинойволны l " 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостейуровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ науровни E2, за время, не превышающее 10–3 сек. Это предъявляет большиетребования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используютсяимпульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10–3 сек.За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Метод оптической накачки обладаетнесколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред сбольшой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот методвозбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только тачасть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионовCr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощаетсяотносительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицуобъёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверснойнаселённостей уровней, в основном определяется особенностями используемойсистемы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубинетеряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственныхколебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов.Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловыхнагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л.достигает нескольких дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергииостаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давленииэнергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела,вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагревна десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд.Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки влучшем случае не превышает нескольких% из-за неполного использования спектраламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрическойэнергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил методсоздания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различныхгазах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большойэнергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсиюнаселённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этотметод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различныеатомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрическихразрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие винфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того,возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режимработы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергиюизлучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л.непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением рядадр. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит вследующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, пристолкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновенийвозбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного изколебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсиинаселённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпддостигает 20–30%.

В дальнейшем оказалось возможным создатьгазодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагреваетсядо температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя изсопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрогоохлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см.Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучениегазодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьмаперспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача созданиякрупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловыхисточников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случаеэлектроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия,запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, – порядка 0,1 дж на 1 см3объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являютсяисключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственноеиспользование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. созданиеактивной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачкиявляется реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси h3 и F2 к.-л.образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакцияF + h3 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результатеэтой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовыхпереходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавитьCO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. напереходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HFиграют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Болееэффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смесикоэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излученияможет достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так ив непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в томчисле сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалосьвозможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока черезэлектронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическимвозбуждением.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучениясделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областяхнауки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазерынепрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей изразличных материалов. Высокая температура излучения позволяет свариватьматериалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл скерамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч вточку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ ИВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый методлазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей ввакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить втехнологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служитудобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют дляизмерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения световогоимпульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят припомощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностейизделия.

2. Лазерная связь. Появление лазеровпроизвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простаязакономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тембольше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившаядиапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн.Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десяткитысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч разбольше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связьосуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которыхза счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерьна многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводятизображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине.

Лазерная техника широко применяется и вхирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок,«приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна.Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируютживые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран иоказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточноймедициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях.Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии даетвозможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем тольков недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию,сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н.инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии(технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м)лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов,биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра(10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследованияатмосферы.

5. Военные лазеры.

Военное применение лазеров включает как ихиспользование для обнаружения целей и связи, так и применение в качествеоружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного илиорбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевыеспутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооруженияэкипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, чтолазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизничеловечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Литература

1.) Брэгг У. «Мирсвета. Мир звука». М., Наука, 1967

2.) Дунская И.М.«Возникновение квантовой электроники». М., Наука, 1974

3.) Тарасов Л.В.«Лазеры: действительность и надежды». М., Наука, 1979

4.) Транковский С.«Книга о лазерах». М., 1988

www.ronl.ru

Доклад - Лазеры и их применение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-математический факультет

Кафедра общей и экспериментальной физики

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Курсовая работа

Благовещенск 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

В основу лазеров 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 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.

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. Пространство между зеркалами 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.

Лазерное излучение — есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на 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:

hν=E2-E1,

где hν — величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 — энергия высшего энергетического уровня,

E1 — энергия низшего энергетического уровня.

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

,

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.

1.1 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.1(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что 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. 1(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. 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.

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.

Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (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 l=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.

Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники — превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (—200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных лазерах — лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы.

Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало, поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10—20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого не радует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсировать ничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера под давлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело, позволяя уменьшить размер излучателя.

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

Называются они так потому, что их рабочая жидкость — раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку-кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя накачивается оптически, только вместо лампы-вспышки сначала использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее — лазеры газовые. Лазер-накачку внутрь жидкостного лазера не встраивают, а помещают вне лазера, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны — от ультрафиолета до инфракрасного света — и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт (миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на одной длине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. Это не просто окрашенное стекло. Он представляет собой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волны лазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобы лазер мог генерировать свет в разных участках спектра — переходить, скажем, от синего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, — достаточно сменить кювету с рабочей жидкостью. Наиболее перспективны они оказались для исследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Таким способом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсот километров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какого размера частицы его загрязняют. То есть можно построить прибор, автоматически и непрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха.

Но наряду с широкополосными жидкостными лазерами существуют и такие, у которых, наоборот, монохроматичность гораздо выше, чем у лазеров на твердом теле или на газе.

Длина волны света лазера может изменяться, укорачиваясь и удлиняясь примерно на одну сотую (у хороших лазеров). Чем меньше расстояние между зеркалами, тем эта полоса шире. У полупроводниковых лазеров, например, она составляет уже несколько длин волн, а у лазера на основе солей неодима эта полоса — одна десятитысячная. Такое постоянство длины волны можно получить только у больших газовых лазеров, да и то, если принять всяческие необходимые для этого меры: обеспечить устойчивость температуры трубки, силы тока, ее питающего, и включить в схему лазера систему автоматической подстройки длины волны излучения. Мощность излучения при этом должна быть минимальной: при ее повышении полоса расширяется. Зато в жидкостном неодимовом лазере узкая полоса излучения получается сама собой и сохраняется даже при заметном повышении мощности излучения, а это крайне важно для всякого рода точных измерений.

Поэтому от того, насколько точно выдерживается длина волны света, излучаемого лазером, зависит и точность измерений. Уменьшение полосы излучения лазера в сто раз сулит стократное увеличение точности измерения длин.

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерного излучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовый генератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 или дейтерием D2 образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение — молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF — на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовых лазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре 1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С. Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде. Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденного состояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможно излучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двум оттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивно прокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15—20 не, частоте следования 10—100 кГц, средней мощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышению средней мощности «медного» лазера до 1 кВт.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10—50 кГц.

Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодный лазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложные молекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются на части. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и в дальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Часто называют и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могут находиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачивается энергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом она сразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квант излучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекула просто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерный лазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова, ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили при возбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять в нескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на других эксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами, например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты. Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики — это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путей высвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовой электроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазеры открыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высоких концентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подвода световой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатами по созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на три группы — импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают свет одиночными импульсами, вторые — непрерывными сериями импульсов, и, наконец, третьи, дают непрерывное излучение.

Мощность — характеристика относительная, она говорит о том, какая работа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единица мощности, как известно, ватт (Вт) — он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейся за 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждую секунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, а если 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100 Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж. На это «бы» не нужно обращать внимания — при определении мощности не имеет значения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это время выделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о его интенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго, во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что было действительно сделано за одну секунду.

В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-то ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получается огромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере, созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж и продолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощность импульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тот же джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе — до 10 нс (наносекунда, миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот же джоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющая мощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той, конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардные доли секунды, а электростанция — непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры дают импульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощность достигает 100 миллионов кВт.

Лазерный луч — это поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Именно за все эти качества мы платим столь высокую цену — кпд лазеров составляет доли процента, а в лучшем случае несколько процентов, то есть на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки, а то и сотни джоулей энергии накачки. Но часто даже такая высокая плата совершенно оправданна,— теряя количество, мы приобретаем качество. В частности, когерентность, направленность лазерного луча в сочетании с последующей фокусировкой в очень малом объеме, например, до сферы диаметром 0,1 мм, и сжатием процесса во времени, то есть излучением очень короткими импульсами, позволяет получить огромные плотности энергии. Об этом напоминает таблица 1. Из таблицы видно, что концентрации энергии в сфокусированном мощном лазерном луче всего в тысячу раз меньше своеобразного рекордного значения для полной аннигиляции вещества нормальной плотности, полного превращения массы в энергию. Увеличение мощности лазеров связано с некоторыми общими проблемами, прежде всего со свойствами рабочего тела, то есть самого вещества, где рождается излучение. Но есть и проблемы специфические для импульсных, импульсно-периодических и непрерывных лазеров. Так, например, для импульсных лазеров одна из важных проблем — стойкость оптических элементов в сильном световом поле очень коротких импульсов. Для непрерывных и импульсно-периодических очень важна проблема отвода тепла, так как эти лазеры развивают большую среднюю мощность. Для лазера, работающего в режиме длинной очереди, импульсная мощность говорит о том, как сконцентрирована во времени энергия одного импульса, а средняя — о работе, которую выполняет серия импульсов, длившаяся секунду. Так, например, если лазер в секунду дает 20 импульсов длительностью 1 мс и энергией 1 Дж в каждом, то импульсная мощность составит 1 кВт, а средняя — 20 Вт.

Все виды лазеров начинали с достаточно скромных энергетических показателей, а совершенствовались зачастую разными путями. В частности, первый импульсный лазер работал в режиме свободной генерации — в нем самопроизвольно возникала лавина лазерного излучения и опять-таки сама собой прекращалась по окончании возбуждения. Импульс длился по нынешним меркам долго, и это определило сравнительно невысокую импульсную мощность.

Через несколько лет научились управлять генерацией методом модуляции добротности, вводя в резонатор ячейку Керра или другой аналогичный элемент, который под действием электрического напряжения меняет свои оптические свойства. В обычном состоянии ячейка закрыта, непрозрачна, и лазерная лавина в резонаторе не возникает. Только под действием короткого электрического импульса ячейка открывается, и в рабочем теле возникает короткий лазерный импульс. Его длительность может быть всего в несколько раз больше времени прохождения света между зеркалами лазера, то есть может составлять 10—20 нс.

Этот метод дал заметный прирост импульсной мощности за счет уменьшения длительности импульса. Очень короткие импульсы, вплоть до пикосекундных, получают в режиме синхронизации, или, иначе, в режиме захвата мод. Здесь в резонатор вводят особый нелинейный элемент, он неодинаково ведет себя, неодинаково просветляется для разных по интенсивности всплесков излучения и как бы вырезает из наносекундного светового импульса очень короткие пикосекундные всплески интенсивности.

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Значительный прогресс в создании мощных импульсных лазеров связан с использованием столь удачного материала, как неодимовое стекло. Здесь излучателями служат включенные в стеклянную структуру ионы неодима Nd (один из лантанидов, 60-й элемент таблицы Менделеева), их в стекло вводится несколько процентов. Под действием накачки ионы неодима переходят на один из высоких энергетических уровней, а затем сами спускаются на некоторый метастабильный уровень, где могут находиться сравнительно долго, примерно 300 мкс. Это позволяет накапливать на метастабильном уровне довольно большое число ионов, а затем «высвечивать» их энергию в коротком импульсе. Излучение происходит на волне 1,06 мкм = 1060 нм = 10 600 Å, то есть в инфракрасном диапазоне самое длинноволновое видимое излучение — это красный свет с длиной волны примерно 750 нм (7500Å).

При хорошей накачке в неодимовом стержне удается получить плотность энергии 0,5 Дж/см3, то есть в каждом кубическом сантиметре накопить 0,5 Дж, рассредоточенных в огромном числе возбужденных ионов неодима. Здесь, казалось бы, виден простой путь повышения средней мощности — нужно просто увеличить число работающих ионов, то есть увеличить объем рабочего тела, и тогда общая накопившаяся в нем энергия возрастет. Именно так и поступают, но только разделяют в пространстве процесс генерирования лазерного излучения и повышения его мощности — установки делают многоступенчатыми, многокаскадными.

Первый каскад — это сам лазер-генератор, в котором формируется световой импульс. От него не требуется большой мощности — генератор должен выдать короткий импульс, а увеличение мощности произойдет в следующих каскадах, в лазерах-усилителях. Для усилителя световой импульс лазера-генератора — это и сигнал к действию, и образец, по которому нужно создать более мощный световой импульс. Излучение света ионами неодима происходит не самопроизвольно, а под действием светового импульса, поступающего от лазера-генератора. Усилитель в принципе устроен так же, как генератор, но в нем нет резонатора, то есть, нет зеркал.

Большой средней мощности от неодимового лазера не получить — стекло плохо проводит и отдает тепло. Что же касается импульсной мощности, то она ограничивается нелинейными процессами, такими, например, как самофокусировка, которая приводит к разрушению стекла в сильном световом поле. Чтобы неодимовый стержень отдал всю мощность, которую в нем можно накопить, по этому стержню должен идти поток световой энергии 6 Дж/см2. Но, к сожалению, такая энергетическая нагрузка для неодимового стекла недопустима — уже поток 1—2 Дж/см1 приводит к повреждению оптических элементов. А поток мощностью в 5 ГВт/см2, который при длительности импульса 0,1 нс сопровождается потоком энергии всего 0,5 Дж/см2, приводит к самофокусировке луча в резонаторе — из-за неравномерного изменения оптических свойств стекло искривляет лучи, искажает волновой фронт, концентрирует излучение до такой степени, что само же и разрушается. Чтобы увеличить поток энергии, не превышая допустимую ее плотность, то есть, не превышая терпимое еще число джоулей, которое приходится на каждый квадратный сантиметр сечения стержня, стараются сделать это сечение как можно больше. Таким образом, неодимовый стержень лазера-усилителя превращается в диск, его располагают под определенным углом и накачку производят через плоскости диска.

Типичный дисковый усилитель повышает мощность излучения в 3—4 раза, а наибольшая выходная мощность всей усилительной системы определяется размерами последнего диска — его диаметр обычно не превышает 30 см, а наибольшая выходная энергия составляет 1—2 кДж при длительности импульса 0,1 нс. Увеличение диаметра диска, а вместе с ним излучаемой мощности тоже ограничено несколькими сложными процессами, в частности возникновением самопроизвольной паразитной генерации.

Много трудностей связано также с многокаскадностью усилителей, и поэтому, стремясь к очень большой мощности, создают не только многокаскадные, но еще и многоканальные лазерные системы. В них несколько многокаскадных усилителей, получающих первичный импульс от общего генератора, работают параллельно, а затем с помощью оптических приборов — зеркал, призм, объективов — все эти параллельные каналы складывают свои излучения на общей мишени. Примером такой многоканальной установки может служить «Дельфин», созданный в Физическом институте Академии наук имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика Н. Г. Басова. В «Дельфине» 216 параллельных многокаскадных усилительных каналов по 50 Дж, суммарная энергия лазерного излучения — около 10 кДж, что при длительности импульса 1 не дает мощность в импульсе 10 миллиардов кВт, то есть 10 ТВт (тераватт). В Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в США была создана двенадцатиканальная установка «Шива» (стоившая, кстати, 20 миллионов долларов), каждый дисковый усилитель которой дает излучение с энергией 1 кДж в импульсе.

Другое вещество для рабочего тела мощных лазеров, сегодня, может быть, даже самое удачное, это углекислый газ, точнее, его смесь с азотом и гелием. В углекислотных, или, иначе, СО2-лазерах, основной излучатель — это молекула СО2, она в столкновениях получает энергию от молекулы азота N2, а он легко приобретает энергию в процессе накачки. Одно из важных достоинств углекислотного лазера — его универсальность, здесь характеристики самих процессов накопления энергии и излучения позволяют работать и в импульсном, и в импульсно-периодическом, и в непрерывном режимах. Во всех случаях СО2-лазер генерирует инфракрасные лучи на волне порядка 10 600 нм, что примерно в 15 раз длиннее волны, соответствующей красному свету.

Основной источник накачки в углекислотном лазере — электрический ток, а конкретно — тлеющий разряд в самом газе, в процессе которого молекулы N2 получают энергию от движущихся электронов.

Помимо чисто физических проблем, связанных с тонкими молекулярными механизмами излучения и накачки, создатели мощных лазеров сталкиваются еще и с непростыми инженерными задачами. Одна из них — снижение температуры активного вещества в резонаторе. В частности, СО2-лазеры имеют сравнительно высокий кпд, примерно 10%, но даже при этом на каждый киловатт излучаемой средней мощности приходится 9 киловатт мощности теряемой, выделяющейся в газе в основном в виде тепла. А сильный нагрев газовой смеси снижает усиление, нарушает оптическую однородность газа, наконец, просто производит разрушения — разваливает молекулы активного вещества, разрушает кювету, в которой находится газ.

Одно из ограничений мощности — пробой газовой смеси самим инфракрасным излучением, он происходит при плотности лазерного потока в резонаторе 10 Дж/см2. Но реальный допустимый порог плотности еще ниже. Уже при потоках 3 Дж/см2 повреждаются элементы инфракрасной оптики и при еще меньшей энергии возникают сложные явления, нарушающие когерентность излучения. В первых углекислотных лазерах использовался продольный разряд — высокое напряжение действовало вдоль трубы с газом, а мощность наращивали, увеличивая длину труб, создавая очень длинные, многометровые резонаторы. В итоге удавалось получать мощности порядка киловатта непрерывного излучения, один из первых мощных киловаттных СО2-лазеров был построен в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика А. М. Прохорова. Полезно вспомнить, что первые непрерывные гелий-неоновые лазеры имели мощности в несколько милливатт и какое-то время казалось, что милливаттами, в лучшем случае ваттами дело и ограничится.

Заметное продвижение вперед по шкале мощности лазерного излучения связано с идеей быстрой прокачки газа. Слово это созвучно «накачке», но ничего общего с ней не имеет — углекислый газ прокачивают, прогоняют через резонатор и создают, таким образом, интенсивную циркуляцию газа, обеспечивая последующее его охлаждение в теплообменниках. Прокачку производят не вдоль резонатора, а поперек, и электрический разряд тоже создают не продольный, а поперечный. Интересное направление в части накачки газовых лазеров открыли работы лаборатории академика Н. Г. Басова. Чтобы получить равномерное возбуждение плотного газа, при давлении вплоть до 25 атмосфер, на него извне воздействуют пучком быстрых электронов. Так родилось семейство лазеров с несамостоятельным разрядом. Примером современного мощного СО2 лазера с непрерывным излучением может служить установка ЛТ-1, созданная в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова в лаборатории академика Е. П. Велихова. В ней осуществляется поперечная циркуляция смеси СО2: N2: Не, в которую эти составляющие входят в пропорции 1:20:20. Через теплообменник ежесекундно проходит 2—3 кубометра газа, от которого отбирается 50 кВт тепловой мощности. Предварительные исследования позволили применить сравнительно маломощный источник внешней ионизации газа и, не повышая его давления, создать непрерывное лазерное излучение мощностью 5 киловатт.

В числе самых мощных источников непрерывного когерентного излучения — газодинамические лазеры. Эти приборы не имеют аналогов в квантовой электронике, в них когерентное излучение рождается непосредственно из тепловой энергии. В одном из вариантов газодинамического лазера сильно нагретая смесь азота, углекислого газа и паров воды N2: СО2: Н2О под высоким давлением входит в расширяющееся сопло. На выходе поток газа достигает сверхзвуковых скоростей, его температура и давление резко падают. При этом энергия хаотического движения молекул переходит в энергию упорядоченного движения газового потока. Только молекулы азота N2, обладающие большой инерцией собственных колебательных движений, оказываются хранителями заметных энергетических запасов. Эти запасы с большой эффективностью передаются молекулам углекислого газа CO2, которые, попадая в пространство между двумя зеркалами, то есть попадая в оптический резонатор, генерируют инфракрасное излучение с обычной для СО2 длиной волны—10600 нм. Газовая смесь, отдавшая свою энергию лазерному лучу, сама уходит из резонатора, на смену ей приходят другие порции газа, и таким образом нет проблемы перегрева, хотя и расход газа велик. Созданы и описаны в литературе газодинамические лазеры с мощностью непрерывного излучения до 100 кВт, их кпд 1 — 2%, расход газа — 1 кг на 10—20 кДж, энергии излучения. Обсуждается идея фотонной машины, в которой газ, выбрасываемый газодинамическим лазером, будет поступать в компрессор и из него вновь возвращаться к началу расширительного сопла. Во многих лабораториях разрабатываются химико-газодинамические и электрогазодинамические лазеры, где для накопления энергии и формирования исходного газового потока используются электрические или химические процессы.

Интересный способ накачки газового лазера был продемонстрирован в лаборатории академика Е. П. Велихова и двух американских лабораториях — накачка углекислотного лазера осуществлялась нейтронами прямо от ядерного реактора. При этом гелий, который входил в газовую смесь, под действием нейтронной бомбардировки превращался в тритий, выбрасывая протон, и именно энергией протонов производилась накачка молекул газовой смеси. Рассматриваются другие возможности использования ядерной энергии для создания лазерного излучения, вплоть до введения излучающих элементов непосредственно в реактор. В этом случае появляется возможность создания замкнутой системы реактор—лазер, в которой будет происходить прямое, без посредников, преобразование ядерной энергии в когерентное световое излучение высокой мощности. Такой реактор-лазер мог бы стать важным элементом энергетики будущего. В частности, работая на космической орбите, он мог бы передавать энергию на Землю в виде мощного лазерного луча.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия. Пример такого способа сверления — пробивка отверстий в часовых камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 — 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 — 0,5 Дж. и длительностью около 10-4 с. Производительность установки в автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности механического сверления. Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов.

При изготовлении проволок применяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры). Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!). Зато совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг. Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария — перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку и должным образом фокусирую его, можно осуществить сварочную работу. Лазеры с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой.

Например, пусть требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длины волны. Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10-3 см-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу. Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

В настоящее время в мире существует несколько десятков лазерных локационных систем. Многие из них уже имеют космическое значение. Они осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева. Погрешность измерения при использовании данной системы составляет 40 см. Проведение таких исследований организуется для того, чтобы точнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени, например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную важность.

Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны. Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабые стороны. Например, не так просто при помощи остронаправленного луча лазера обнаружить объект, так как время обзора контролируемой области пространства оказывается слишком большим. Поэтому оптические локационные системы используются вместе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры цели и осуществляет слежение за ней. Большой интерес представляют последние разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качеством изображения. Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения.

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

1. Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

2. Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

3. Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

4. Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

5. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

6. Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

7. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине -лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многих других “глазных центрах” стран содружества Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 — 0,1 Дж, длительность порядка — 0,1 с.). Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.

Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

1. Лазерное облучение — облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению

2. Лазерная коагуляция — разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.

3. Лазерная хирургия — наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением.

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта на каком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка). Однако информация, содержащаяся в фотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновой фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью отсутствует информация о фазах волн. Голография позволяет устранить этот недостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентична первоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методом полной записи волны. Для того чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию. Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947 году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английский физик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.

2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

Говоря о процессе создания голографического изображения, необходимо выделить этапы голографирования:

1. Регистрация как амплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектом наблюдения. Эта регистрация происходит на фотопластинках, которые называют голограммами.

2. Извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого голограмму просвечивают световым пучком.

Для осуществления этих этапов на практике существует несколько способов.

Наиболее распространенные из них — метод плоской волны и метод встречных пучков.

Стандартная интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле, которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения, необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным в пространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве, будет обладать этими свойствами.

Если добавить к исследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты, например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной ), то на всём пространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарное распределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то есть стационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать на фотопластинке.

Для того чтобы восстановить голографическое изображение, уже записанное на голограмму, последнюю необходимо осветить тем же лучом лазера, который был использован при записи. Изображение объекта формируется в результате дифракции света на неоднородных почернениях голограммы.

В 1962 году советским ученым Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений, являющийся развитием практически уже тогда не применявшегося способа цветной голографии Липпмана. Объект наблюдения освещается сквозь фотопластинку (она вполне прозрачна для света даже в непроявленном состоянии). Стеклянная подложка фотопластинки покрыта фотоэмульсией с толщиной слоя около 15 — 20 мкм. Отраженное от объекта волновое поле распространяется назад по направлению к слою фотоэмульсии. Идущий навстречу этой волне исходный световой пучок от лазера выполняет роль опорной волны. Именно поэтому данный метод получил название метода встречных пучков. Интерференция волн, возникающая в толще фотоэмульсии вызывает ее слоистое почернение, которое регистрирует распределение, как амплитуд, так и фаз волнового поля, рассеянного объектом наблюдения. На голографии по методу встречных световых пучков основана цветная голография. Чтобы уяснить принцип действия цветной голографии нужно напомнить, в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображение цветным, а не черно-белым.

Опыты по физиологии зрения показали, что человек видит изображение цветным или хотя бы близким к натуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах, например, в синем, красном и зеленом. Совмещение этих цветов осуществляется при самой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественных репродукций используется 10 — 15 красочная печать)

Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта, необходимо сам объект осветить при записи голограммы одновременно или последовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих по длинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсии образуется три системы стоячих волн и, соответственно, три системы пространственных решеток с различным распределением почернения. Каждая из этих систем будет формировать изображение объекта в своем спектральном участке белого цвета, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому в отраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получится цветное изображение объекта, как результат суперпозиции трех участков спектра, что соответствует минимальным физиологическим требованиям зрения человека. Голографирование по методу Денисюка широко используется для получения высококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальных произведений искусства.

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Как уже было указано, первоначальная задача голографии заключалась в получении объёмного изображения. С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла возможность создания объёмных цветных фотографий. На этой базе исследуются пути реализации голографического кино, телевидения и т. д. Один из методов прикладной голографии, именуемый голографическойинтерферометрией, нашел очень широкое распространение. Суть метода в следующем. На одну фотопластинку последовательно регистрируются две интерференционные картины, соответствующие двум разным, но мало отличающимся состояниям объекта, например, при деформации. При просвечивании такой “двойной” голограммы образуются, очевидно, два изображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что и объект в двух его состояниях.

Восстановленные волны, формирующие эти два изображения, когерентны, интерферируют, и на новом изображении наблюдаются интерференционные полосы, которые и характеризуют изменение состояния объекта. В другом варианте голограмма изготавливается для какого-то определенного состояния объекта. При просвечивании ее объект не удаляется и производится его повторное освещение, как на первом этапе голографирования. Тогда опять получается две волны, одна формирует голографическое изображение, а другая распространяется от самого объекта. Если теперь происходят какие-то изменения в состоянии объекта (в двух последовательных волнах возникает разность сравнения с тем, что было во время экспонирования голограммы), то между указанными хода, и изображение покрывается интерференционными полосами.

Описанный способ применяется для исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательного движения и вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п. Интерференционная картина наглядно свидетельствует о различии деформаций, напряжений в теле, крутильные моменты, распределение температур и т. д. Голография может применяться для обеспечения точности обработки деталей.

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

В настоящее время лазерные технологии активно используются как средство записи и обработки больших объёмов информации. И здесь следует отметить появление принципиально нового вида носителя информации — компакт-диска. Как мы знаем, в аудио- и видеокассетах, которые до недавнего времени были, пожалуй, самым распространённым средством сохранения данных, использовались магнитные явления. В компакт-диске же применён другой подход. Сам диск (CD-ROM) представляет собой пластину круглой формы, на одной стороне которого нанесена маркировка диска. Другая же сторона является рабочей и на первый взгляд она абсолютно гладкая. Однако, это не так, так как если бы это было так, то ни о каком сохранении информации не могло бы идти и речи. Внутри специального устройства рабочая поверхность диска как бы сканируется лазерным лучом небольшой мощности (как правило 0,14 мВт при длине волны 790 нм.). При таком сканировании определяется, что находится внутри пятна лазерного луча — углубление или нет? Не вдаваясь в компьютерную технику можно только сказать, что наличие углубления соответствует логической единице, а во всех компьютерных технологиях используются только два состояния — НОЛЬ и ЕДИНИЦА. Далее используя специальные таблицы можно расшифровать последовательность этих нулей и единиц и получить исходную информацию. Запись таких дисков производится также при помощи лазеров, но здесь речь идёт о гораздо большей мощности лазера. Благодаря тому, что выжигание питов (канавок) на поверхности диска производится при помощи лазера, можно достичь очень большой плотности записи информации, так как диаметр лазерного луча, а, следовательно, и пита очень мал.

Интересно применение голографии в качестве носителя информации. Часто необходимо получить объемное изображение предмета, которого еще не существует, и, следовательно, нельзя получить голограмму такого предмета оптическими методами. В этом случае голограмма рассчитывается на ЭВМ (цифровая голограмма) и результаты расчета соответствующим образом переносятся на фотопластинку. С полученной таким способом машинной голограммы объемное изображение предмета восстанавливается обычным оптическим способам. Поверхность предмета, полученного по машинной голограмме, используется как эталон, с которым методами голографической интерференции производится сравнение поверхности реального предмета, изготовляемого соответствующими инструментами. Голографическая интерферометрия позволяет произвести сравнение поверхности изготовленного предмета и эталона с чрезвычайно большой точностью до долей длины волны. Это дает возможность изготовлять с такой же большой точностью очень сложные поверхности, которые было бы невозможно изготовить без применения цифровой голографии и методов голографической интерферометрии. Само собой разумеется, что для сравнения эталонной поверхности с изготовляемой не обязательно восстанавливать оптическим способом машинную голограмму. Можно снять голограмму предмета, перевести ее на цифровой язык ЭВМ и сравнить с цифровой голограммой. Оба эти пути в принципе эквивалентны. Особенности голограмм как носителей информации делают весьма перспективными разработки по созданию голографической памяти, которая характеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазер – один из мощнейших инструментов сегодняшней науки. Не возможно перечислить все области его применения, так как каждый день для лазера находятся новые задачи.

В настоящей работе были рассмотрены основные виды лазеров и их принцип работы. Были также охвачены основные сферы применения, а именно: промышленность, медицина, информационные технологии, наука.

Такие разнообразные задачи могут выполняться с помощью лазера благодаря его свойствам. Когерентность, монохроматичность, высокая энергетическая плотность позволяют решать сложные технологические операции.

Лазер – инструмент будущего, уже прочно вошедший в нашу жизнь.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Айден К. Аппаратные средства PC: перевод с нем. — Санкт-Петербург.: BHV- СПб, 1996. — 544 с.

2.Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982- 208 с.

3.Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976. — 928 с.

4.Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. — М.: Наука, 1986. — Т.3.- 656 с.

5.Матвеев А. Н. Оптика. — М.: Высшая школа, 1985. — 351 с.

6.Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. — М.: Просвещение, 1998. — 254 с.

7.Сивухин В. А. Общий курс физики. Оптика. — М.: Наука, 1980. — 752 с.

8.Тарасов Л. В. Лазеры. Действительность и надежды. — М. Наука, 1985. -176 с.

www.ronl.ru

Реферат Физика Лазеры

works.tarefer.ru

Реферат - по дисциплине: Физика на тему: «лазеры»

Реферат по дисциплине:

Физика

на тему:

«ЛАЗЕРЫ»

Выполнил:

ученица 11е класса

лицея при СГТУ

Ильина Александра

Саратов 2005

Содержание

Введение. 3

Возникновение лазеров. 4

Закон Больцмана. 4

Удивительный источник света. 5

Первые лазеры и их устройство. 6

Световой телеграф. 12

Заключение. 14

Список использованной литературы… 15

Введение

На вопрос о том, что такое лазер, 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 ее 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, индукции магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Возникновение лазеров

В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счёт открытого Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году Басовым[1] и Прохоровым[2] и независимо от них Таунсом[3] были созданы первые молекулярные генера­торы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. В 1964 г. Басову, Прохорову и Таунсу была за эти работы присуждена Нобелевская премия. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

В 1960 г. Мейманом[4] был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужден­ного излучения). Лазеры называют также оптиче­скими квантовыми генераторами.

Закон Больцмана

Воз­действующий на вещество свет частоты w, совпадаю­щей с одной из частот (Е n — Ет )/h атомов вещества (Еn>Ет), может вызывать два процесса: I) выну­жденный переход т ® n и 2) вынужденный переход n ® т. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличе­нию интенсивности падающего пучка. Результирую­щее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распре­деление атомов по различным энергетическим состоя­ниям определяется законом Больцмана

(1.1)

где N — полное число, атомов, N i — число атомов, на­ходящихся при температуре Т в состоянии с энергией Ei (для простоты предположили, что все энергети­ческие уровни не являются вырожденными). Из этой формулы следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в дан­ном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исход­ного уровня. Следовательно, в системе атомов, нахо­дящейся в термодинамическом равновесии, поглоще­ние падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того чтобы получить усиление падающей вол­ны, нужно обратить населенность энергетических уров­ней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в со­стоянии с меньшей энергией. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой

(1.2)

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить по­глощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. В случае усиления падающего пучка яв­ление протекает так, как если бы коэффициент погло­щения a в формуле (1.2) стал отрицательным. Соот­ветственно совокупность атомов с инверсной населен­ностью можно рассматривать как среду с отрицатель­ным коэффициентом поглощения.

Удивительный источник света

Попробуем понять, как работает этот удивитель­ный источник света. Остановимся вначале на про­цессах излучения и поглощения света атомами ве­щества. Атомы поглощают световую энергию только определенными порциями — квантами. Когда атом поглощает световой квант — фотон, его внутренняя энергия увеличивается. Принято говорить, что при этом атом переходит на более высокий энергети­ческий уровень. Этот новый уровень лежит выше «старого» на величину энергии поглощенного кван­та. Обычно атом стремится перейти в состояние с наименьшей возможной для него энергией. Такое состояние называют основным.

Допустим, что атом получил избыток энергии. Атом, у которого запас энергии больше, чем в ос­новном состоянии, называют возбужденным. Обыч­но он очень быстро — за одну десятимиллионную долю секунды — избавляется от лишней энергии и переходит в основное состояние. При этом атом ис­пускает фотон, энергия которого hv (рис.1). В большинстве случаев излишнюю энергию атом отдает без всякого воздействия. Такое излучение называют самопроизвольным или спонтанным. Од­нако процесс перехода атома с высокого энергети­ческого уровня на более низкий может происходить и под действием другого кванта. Пролетая мимо возбужденного атома, фо­тон может увлечь за собой фотон такой же энергии, как и его собственная, если энергия возбуждения атома равна энергии пролетающего фотона. Замеча­тельно, что электромагнитные колебания похищен­ного фотона будут в той же фазе, что и у фотона-«похитителя». Таким образом, проходящий световой поток стремится перевести атомы на более низкие уровни.

Рис. 1

Еще до изобретения лазера физики наблюдали замечательное явление — так называемое отрица­тельное поглощение света. Пучок света, проходя че­рез любое вещество, ослаблялся: часть фотонов пучка отражается поверхностью, а некоторое коли­чество фотонов поглощается веществом и переходит в тепло. Но вот удалось осуществить, казалось бы, невозможное. Проходя через некоторые кристаллы, световой луч не ослаблялся, а усиливался! Откуда появилась дополнительная энергия? Оказывается, до того момента, когда через кристалл прошел луч, кристалл был подсвечен мощным источником света. Благодаря этому большая часть атомов кристалла перешла в возбужденное состояние. Из возбужден­ного состояния эти атомы могут перейти на более низкий энергетический уровень, испустив при этом фотон с энергией hv . Поглотить же фотон с такой энергией они не могут — они уже насытились энер­гией. Зато фотоны падающего пучка с энергией /iv увлекают за собой новые фотоны той же энер­гии, вынуждая атомы кристалла переходить в низ­шее состояние. В падающем пучке появляется до­полнительная энергия. Такой кристалл с дополни­тельной подсветкой — первый шаг к лазеру.

Первые лазеры и их устройство

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной на­селенности уровней в некоторых веществах. В по­строенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы руби­нового стержня были тщательно отполированы и пред­ставляли собой строго параллельные друг другу зер­кала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8 % упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al2 O3 ), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома Cr3+ (в таком виде хром находится в кристалле ру­бина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами от­бора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10-3 с) примерно в 105 раз пре­восходит время жизни в обычном возбужденном со­стоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное[5], излучая фотон с l=694,3 нм. Под действием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучении, переход ионом хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

Рис. 2. Схема лазера на рубине

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рис.2), которая дает свет с широкой поло­сой частот. При достаточной мощности лампы боль­шинство ионов хрома переводится в возбужденное со­стояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состоя­ние называется накачкой. На рис. 3 дана схема уровней иона хрома Cr3+ (уровень 3 представляет со­бой полосу, образованную совокупностью близко рас­положенных уровней).

Возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой W13. Время жизни уровня 3 очень мало (~ 10-8 с). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой A31. Однако, большинство ионов перейдет на метастабильный уро­вень 2 (вероятность перехода, изображенного стрел­кой S32, значительно больше, чем перехода A31 ). При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, возникает инверсия населенностей уровней 1 и 2.

Стрелка А21 изображает спонтанный переход с метастабильного уровня на основной. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход W21 ), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение, и т. д. В результате образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излуче­нии, летят в том же направлении, что и падающие фо­тоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от торцов об­разца. Поэтому путь их в кристалле будет очень боль­шим, так что каскады фотонов в направлении оси по­лучают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность.

Процесс образования каскада изображен схематически на рис.4. До вспышки лампы ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис.4а). Свет накачки (сплошные стрелки на рис.4б) переводит большинство ионов в возбужден­ное состояние (светлые кружки). Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно из­лучают фотоны (штриховые стрелки на рис.4в) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кри­сталла). Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис.4г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристал­ла, отражаясь от его торцов.

Рис. 4. Процесс образования каскада фотонов

При каждом отражении от частично прозрачного торца небольшая доля (8 %) светового пучка выходит из кристалла. Поэтому после каждого акта накачки возникает вспышка лазерного излучения, состоящая из ряда импульсов, общая про­должительность которых равна нескольким микросе­кундам. Лазеры на рубине работают в импульсном ре­жиме с частотой порядка нескольких вспышек в ми­нуту.

В 1961 г. Джаваном[6] был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры. В настоящее время список лазерных материалов на­считывает много десятков твердых, жидких и газооб­разных веществ. Одни лазеры работают в импульсном, другие—в непрерывном режиме.

Если цилиндрический сосуд наполнить смесью гелия и у неона, внутрь его поместить металлические электро­ды и подать на них высокое напряжение, то смесь газов начнет светиться красноватым светом, почти таким же, как и неоновая реклама (рис. 5).

В стеклянной трубке возникает тлеющий разряд. При этом между атомами газа движется много бы­стрых электронов. Они сталкиваются с атомами ге­лия и возбуждают их. Электроны сталкиваются с неоном, но, как правило, возбуждают только низ­колежащие уровни неона. Возбужденные атомы ге­лия, сталкиваясь с атомами неона, отдают им свою энергию и возбуждают их высокие уровни. С этих высоких уровней атом неона переходит в промежу­точное состояние Е1 . Если теперь у торцов сосуда с гелий-неоновой смесью установить такие же зерка­ла, как и у торцов рубинового лазера, то фотон с энергией Е1 — Е2 , испущенный параллельно оси со­суда, вызовет лазерное излучение. В газовом лазере число возбужденных атомов неона и гелия непре­рывно пополняется. Поэтому гелий-неоновый лазер излучает свет непрерывно.

Очень интересен лазер с жидким излучающим телом. Мы уже знаем, что главную роль в излу­чающем теле рубинового лазера играют атомы хрома.

а

б

Существуют лазеры, у которых стержень не из рубина, а из стекла, а стекло, как известно, пере­охлажденная жидкость. Роль атомов хрома играют добавленные в стекло атомы редкоземельного эле­мента неодима. Но так как атомы неодима находят­ся в жидкости, они будут свободнее передвигаться и очень часто сталкиваться с атомами жидкости-растворителя. При этих столкновениях возбужден­ные атомы неодима будут отдавать свою энергию атомам растворителя, и она будет переходить в теп­ло. Не поможет и то, что электроны, переход ко­торых с орбиты на орбиту сопровождается испу­сканием фотонов, лежат на большой глубине элек­тронного облака, окружающего атом неодима. Нужно было как-то защитить этот активный атом от снующих вокруг него атомов растворителя. Но как?

Эту задачу решили химики. Они заключили ион неодима в атомную кольчугу (рис. 6). Было полу­чено такое химическое соединение, в котором ион неодима находится среди связанных с ним атомов кислорода, а они в свою очередь связаны со слож­ными органическими группами атомов — лиган­дами. Таким образом, атом неодима оказался за­щищенным от столкновений с атомами растворите­ля и стал вести себя так, как если бы он находился в кристаллической решетке твердого тела. Но лиганды не ограничиваются ролью защитников нео­дима. Они обладают еще замечательным свойством: поглощая излучение в широких областях спектра, лиганд возбуждается и при этом либо сразу пере­ходит в основное состояние, либо долго остается в возбужденном состоянии. В первом случае испущен­ный лигандом фотон будет бесполезным для лазер­ного луча. Из метастабильного состояния лиганд передает свою энергию атому неодима и таким об­разом участвует в оптической накачке активных ионов неодима. Каскад фотонов в таком лазере воз­никает обычным путем, так же как и в других ти­пах лазеров.

Световой телеграф

Ценность лазерного луча не только в его необычай­ной яркости, но еще более в его монохроматично­сти, когерентности. Только благодаря этим свойст­вам получают голограммы, а в будущем по лазер­ному лучу будут передавать радиопрограммы и программы телевидения.

Чтобы понять, в чем же состоят достоинства ла­зера как передатчика информации, рассмотрим ли­нию связи, изображенную на рисунке 7.

Непрерывно катятся по желобу одинаковые ша­рики. Число шариков, проходящих с левого берега реки на правый в единицу времени, частота их по­явления неизменны. Пересчитывая шарики, мы мо­жем сказать, как долго они падали из желоба, и только. Чтобы передать с помощью такого устрой­ства какое-либо сообщение, нужно пометить шари­ки, например, буквами алфавита и отправлять, и принимать их в определенном порядке. Тогда ко­личество информации (в нашем случае число букв), передаваемое за определенное время, будет пропорционально частоте появления шариков из желоба.

«Неискаженная» синусоида лазерного света по­добна чистым шарикам. Зарегистрировав синусои­дальное излучение каким-либо приемником, мы лишь узнаем, что включен передатчик, а также смо­жем установить направление его излучения. На си­нусоиде, как и на шариках, необходимо сделать метки, чтобы передать более существенные данные. Оказывается, эффективно можно пометить только когерентный монохроматический луч. Такой луч служит как бы чистым листом бумаги, на котором записывается информация. Нанести «метки» можно, модулируя луч, т. е. меняя амплитуду или частоту колебаний (рис. 8). Тогда передаваемые данные бу­дут закодированы в «узорах», нанесенных на сину­соиду. Чем меньше времени потребует передача «узора», тем более емким является канал связи. А это время, как видно на рисунке, обратно про­порционально частоте излучения. Значит, чем выше частота колебаний, тем большее количество инфор­мации можно передать за единицу времени. Часто­та электромагнитных колебаний излучения рубино­вого лазера 430 ТГц (4,3 • 1014 Гц) — в миллион раз превосходит частоту, на которой работает телевиде­ние в наше время. Поэтому в принципе один лазер­ный луч способен транслировать миллионы телеви­зионных программ и миллиарды радиопередач. Однако ученые еще не смогли найти способ эффектив­ной модуляции колебаний столь высокой частоты. По аналогии с нашим шариковым телеграфом мож­но сказать, что поток лазерных шариков так быстр, что далеко не все из них удается пометить.

Потоки лазерного излучения находят множество других применений. С их помощью осуществляют тончайшие хирургические операции, измеряют рас­стояния, управляют химическими процессами, полу­чают нагретую до высокой температуры плазму, ис­следуют строение атома.

Заключение

Лазеры имеют многочисленные применения. Она используются в технике для сварки, резки, и плавле­ния металлов; в медицине — как бескровные скаль­пели, при лечении глазных и кожных болезней. Ла­зерная локация позволила измерить скорость враще­ния планет, уточнить характеристики движения Луны и планеты Венера. Лазеры используются также в различных приборах для тонких физических исследо­ваний. Наконец, применяя лазеры для нагрева плаз­мы, пытаются с их помощью решить проблему управ­ляемого термоядерного синтеза.

Список использованной литературы

1. Ахматова А.С., «Физика, часть2. Оптика и волны», М., 1973г., изд. «Наука».

2. Громов С.В., «Физика 11», 3 издание, М., 2002г., изд. «Просвещение».

3. «Детская энциклопедия» Т.3 «Вещество и энергия», издание 3, М., 1973г., изд. «Педагогика».

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Учебник для углубленного изучения физики «Оптика. Квантовая физика», М., 2002г., изд. «Дрофа».

[1] ) Николай Геннадиевич Басов (род. 1922) — советский физик.

[2] ) Александр Михайлович Прохоров (род. 1916) — советский физик.

[3] ) Чарлз Хард Таунс (род. 1915) — американский физик.

[4] ) Теодор Гарольд Мейман, (род. 1927) — американский физик.

[5] ) Правила отбора не являются абсолютно строгими. Ве­роятность запрещенных переходов значительно меньше, чем разрешенных, но все же отлична от нуля.

[6] ) Али Джаван (род. 1926)—американский физик» Родился в Тегеране, В 1948 г, переехал в США.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат на тему индия по географии
• 
  Реферат на тему жизненный цикл клетки
• 
  Реферат технические изобретения изменившие жизнь человечества
• 
  Технические изобретения изменившие жизнь человечества реферат
• 
  Частное образование плюсы и минусы реферат
• 
  Малоотходные и безотходные технологии производства реферат
• 
  Реферат на тему профилактика онкологических заболеваний
• 
  Нефть ее состав и свойства реферат
• 
  Реферат на тему аэробика по физкультуре
• 
  Влияние электромагнитных волн на человека реферат
• 
  Климатические пояса земли 7 класс реферат