Курсовая работа: Лазеры и их применение
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.
| Источник энергии | Плотность энергии Дж/см3 |
Плотность мощности Вт/см3 |
| Электрический конденсатор | 10-2 | — |
| Электрический разряд | 10-4 | 108—109 |
| Химическое взрывчатое вещество | 104 | 109 |
| Сильноточный электронный пучок | 106 | 1013—1014 |
| Ядерное взрывчатое вещество | 1010— 1011 | 1016—1018 |
| Сфокусированный мощный лазерный пучок | 1010—1012 | 1020—1022 |
| Аннигиляция вещества (плотность 10 г/см3) | 1015 | — |
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.