Лазеры
Квантовыегенератор, излучающие в диапазоне видимого и инфракрасного излучения, получилиназвание лазеров. Слово «лазер» является аббревиатурой выражения: LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление светав результате индуцированного или, как иногда называют, вынужденного излученияквантов.
Устройство лазера
/>
Обобщенный лазер состоит из лазернойактивной среды, системы «накачки» — источника напряжения и оптическогорезонатора.
Система накачки передаетэнергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти ввозбужденное «метастабильное состояние» создавая инверсию населенности.
· Приоптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким какксеноновая газонаполненная импульсная лампа или другой лазер, для передачиэнергии лазерному веществу. Оптический источник должен обеспечивать фотоны,которые соответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе.
· Накачкапри помощи столкновений основана на передаче энергии лазерному веществу врезультате столкновения с атомами (или молекулами) лазерного вещества. При этомтакже должна быть обеспечена энергия, соответствующая допустимым переходам.Обычно это выполняется при помощи электрического разряда в чистом газе или всмеси газов в трубке.
· Химическиесистемы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результатехимических реакций для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние.
Оптический резонатор требуетсядля обеспечения нужного усилия в лазере и для отбора фотонов, которыеперемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула вметастабильном состоянии инверсной населенности разряжается, за счетвынужденного излучения, он инициирует разряд других атомов или молекул,находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлениистенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, онитеряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенокстержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы, и не будутспособствовать созданию луча.
С другой стороны, если один изразрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерноговещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятсязеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем, отраженные фотоныпроходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности потому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества.Пока этот процесс усиления продолжается, часть усиления всегда будет выходитьчерез частично отражающее зеркало. По мере того, как коэффициент усиления или приростэтого процесса превысит потери из резонатора, начинается лазерная генерация.Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркалав лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобысветовые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. веществосреды, не должен сильно поглощать световую энергию.
Лазерная среда (генерирующий материал) –обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуютчетыре таких типа:
• твердое вещество,
• газ,
• краситель,
• полупроводник.
/>
Твердотельные лазеры используютлазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Твердотельные лазерызанимают уникальное место в развитии лазеров. Первой рабочей лазерной средойбыл кристалл розового рубина (сапфировый кристалл, легированный хромом); с техпор термин «твердотельный лазер» обычно используется для описания лазера, укоторого активной средой является кристалл, легированный примесями ионов.Твердотельные лазеры – это большие, простые в обслуживании устройства,способные генерировать энергию высокой мощности. Наиболее замечательнойстороной твердотельных лазеров является то, что выходная мощность обычно не постоянна,а состоит из большого числа отдельных пиков мощности.
Одним из примеров является Неодим – YAGлазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат,который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасныйлуч с длиной волны 1 064 микрометра. Кроме того, могут использоваться и другиеэлементы для легирования, например эрбий (лазеры Er:YAG).
В газовых лазерах используетсягаз или смесь газов в трубе. В большинстве газовых лазеров используется смесьгелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 6 328 нм (нм = 10-9метра)видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году истал предвестником целого семейства газовых лазеров.
/>
Все газовые лазеры довольно схожи поконструкции и свойствам. Например, СО2 газовый лазер излучает длину волны 10,6микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновыйгазовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой частиспектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера – это 488 и 514 нм.
/>
В лазерах на красителе используетсялазерная среда, являющаяся сложным органическим красителем в жидком раствореили суспензии.
Наиболее значительная особенность этихлазеров – их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрациипозволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимомспектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется системаоптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используетсявозбуждение при помощи химических реакций.
/>
Полупроводниковые (диодные) лазеры –состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Лазерный диодявляется диодом, излучающим свет, с оптической емкостью для усиления излучаемогосвета от люфта в стержне полупроводника, как показано на рисунке. Их можнонастроить, меняя прикладываемый ток, температуру или магнитное поле.
Различные временные режимы работылазера определяются частотой, с которой поступает энергия.
Лазеры с непрерывным излучением (Continuouswave, CW) работают с постоянной средней мощностью луча.
У одноимпульсных лазеров длительностьимпульса обычно составляет от нескольких сотен микросекунд до несколькихмиллисекунд. Этот режим работы обычно называется длинноимпульсным илинормальным режимом.
Одноимпульсные лазеры с модуляциейдобротности являютсярезультатомвнутрирезонаторногозапаздывания (ячейка модуляциидобротности),которое позволяетлазерной среде сохранять максимум потенциальнойэнергии. Затем, примаксимально благоприятных условиях, происходитизлучение одиночныхимпульсов, обычно с промежутком времени в 10-8секунд. Эти импульсы обладают высокой пиковой мощностью, часто в диапазоне от106 до 109 Ватт.
Импульсные лазеры периодическогодействия или сканирующие лазеры работают в принципе также каки импульсные лазеры, но с фиксированной (или переменной) частотой импульсов,которая может изменяться от нескольких импульсов в секунду до такого большогозначения как 20 000 импульсов в секунду.
Принципдействия лазера
Физическойосновой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон поддействием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняетсяразности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотонкогерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Такимобразом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанногоизлучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направленияраспространения, поляризацию и фазу.
Вероятностьтого, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома,в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся вневозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобывозбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемаяинверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условиене выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной средылазера (оптические, электрические, химические и др.)
Первоисточникомгенерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспеченияпреемственности поколений фотонов необходимо существование положительнойобратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие актыиндуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается воптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала,одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит изрезонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит порезонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть какнепрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы(вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включенияобратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создатьусловия для генерации излучения очень большой мощности (так называемыегигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированнойдобротности.
Генерируемое лазером излучение являетсямонохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), посколькувероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близкорасположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, ивероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум.Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будутдоминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особогорасположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которыераспространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора нанебольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора.Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, лучлазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводятразличные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки,установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
Применение лазеров
лазер квантовый генераторизлучение
Смомента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещёне известных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широкоприменяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрывателикомпакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки ипр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей изразличных материалов. Высокая температура излучения позволяет свариватьматериалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику иметалл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона,что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерноескрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытийматериалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерноенапыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получилатакже лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий изразличных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказываетсямеханическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации.Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован.Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью ипроизводительностью.
Полупроводниковыйлазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard.
Лазерыприменяются в голографии для создания самих голограмм и получениягологафического объёмного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры накрасителях, способны генерировать монохроматический свет практически любойдлины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10−16 с, аследовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Этисвойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейныхоптических эффектов. С использованием лазера удалось измерить расстояние доЛуны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерная локация космическихобъектов уточнила значение астрономической постоянной и способствовалауточнению систем космической навигации, расширила представления о строенииатмосферы и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических телескопах,снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений,лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слояхатмосферы.
Сверхкороткиеимпульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска ианализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечитьточную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скоростьввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системылазерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощьюлазеров управляемого термоядерного синтеза(самым подходящим лазером дляисследований в области термоядерных реакций, был бы лазер, использующий длиныволн, лежащие в голубой части видимого спектра). Лазеры используются и ввоенных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания.Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защитывоздушного, морского и наземного базирования.
Вмедицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при леченииофтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазернаякоррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии(лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерныйпилинг, удаление татуировок и пигментных пятен). В настоящее время бурноразвивается так называемая лазерная связь. Известно, что чем выше несущаячастота канала связи, тем больше его пропускная способность. Поэтому радиосвязьстремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина световой волны всреднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтомупосредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объёмаинформации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытымсветоводным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счёт явленияполного внутреннего отражения может распространяться по нему на большиерасстояния, практически не ослабевая.