Реферат: Физические основы работы лазера. Механизм возбуждения
Кроме того, лазерные активные среды можно различать по тому, формируют ли они дискретные лазерные линии, т.е. только в очень узком определенном интервале длин волн, или излучают непрерывно в широкой области длин волн.
Свободные атомы и ионы имеют из-за их четко определенных энергетических уровней дискретные лазерные линии. Многие твердотельные лазеры излучают также на дискретных линиях (рубиновые лазеры, Nd:YAG-лазеры).
Были разработаны, однако, также твердотельные лазеры (лазеры на центрах окраски, лазеры на александрите, на алмазе), длины волн излучения у которых непрерывно могут изменяться в большой спектральной области. Это касается в особенности лазеров на красителях, в которых эта техника прогрессировала в наибольшей степени. Лазеры на полупроводниках ввиду зонной структуры энергетических уровней полупроводников также не имеют дискретных четких лазерных линий генерации.
Механизм возбуждения
Как уже было упомянуто, генерация лазерного излучения может быть достигнута, если имеется инверсия населенности двух энергетических уровней. Чтобы получить эту инверсию населенности, в лазерную среду должна быть введена энергия в соответствующей форме. Этого можно добиться различным образом, независимо от специфического лазерного процесса. Тем не менее тот или иной метод возбуждения следует выбирать и оптимизировать специально для соответствующего типа лазера. Основные методы возбуждения - это возбуждение очень интенсивным светом, так называемая “оптическая накачка”, и возбуждение электрическим газовым разрядом. В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется непосредственно электрическим током. Для возбуждения могут быть использованы также химические реакции.
Оптическая накачка
Если лазерную среду облучают интенсивным светом, то благодаря поглощению могут быть населены более высокие энергетические уровни. Этот процесс называют "оптической накачкой". В качестве источников света в большинстве случаев применяются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. Так как лампы-вспышки излучают в широком спектральном диапазоне, то лазерные среды со многими уровнями возбуждения или даже полосами возбуждения особенно подходят для оптической накачки, ибо накачка выполняется только длинами волн, которые точно соответствуют разнице энергии между двумя уровнями. Так как для стимуляции лазерного перехода используется только часть энергии возбуждения, то длина генерируемой лазерной волны всегда больше, чем длина волны возбуждения.
Рисунок 6. Пример коллинеарной накачки лазера другим лазером (лазером накачки). Длина волны генерации всегда больше, чем длина волны накачки, благодаря чему луч накачки и лазерный луч могут быть разделены дисперсионной призмой.
Газовые разряды
Для создания инверсии населенности при газообразных или парообразных лазерных активных средах можно применять газовые разряды. В газовом разряде нейтральный газ частично распадается на ионы и электроны. В результате создающегося в разряде электрического поля электроны ускоряются и сталкиваются с атомами или ионами. При этом кинетическая энергия электронов передается партнеру по столкновению. Эта энергия непосредственно может быть использована для населения верхнего лазерного уровня.
Плотность тока в газовых разрядах может достигать очень высокой величины. Поэтому необходимо использовать дорогостоящие системы охлаждения разрядной трубки. Чтобы заключить разряд в очень узкие каналы, необходимы также значительные магнитные поля: создающие их катушки также требуют охлаждения.
Для повышения эффективности создания инверсии населенности в активную среду часто добавляется газ накачки, имеющий метастабильный уровень, с которого верхний лазерный уровень может быть возбужден столкновениями второго рода. Чтобы это возбуждение посредством столкновений было эффективным, метастабильный уровень и верхний лазерный уровень должны обладать примерно одинаковой энергией. Благодаря излучательным переходам с других уровней, которые возбуждаются газовыми разрядами, повышается населенность этого метастабильного уровня, где как бы накапливается возбуждение многих уровней.
Когда атом накачки в метастабильном состоянии соударяется с лазерным атомом в основном состоянии, то энергия возбуждения передается лазерному атому (рис. 7).
Рис. 7. Схема процесса возбуждения с использованием газа накачки.
Небольшая часть электронов высокой энергии газового разряда возбуждает высокие уровни газа накачки. Возбужденные состояния распадаются на метастабильный уровень, где накапливается энергия возбуждения. Посредством столкновений энергия накачки переносится на верхний лазерный уровень.
Рисунок 8. Несколько примеров соотношения энергии накачки и энергии генерируемого излучения.
Коэффициент полезного действия лазеров различных типов различен.
Например, в ионных лазерах нужно сначала обеспечить энергию ионизации, затем энергию возбуждения в ионизированном состоянии. Но для лазерного перехода можно использовать лишь малую долю примененной энергии накачки.
Намного лучше обстоит дело, например, с СО2 - лазерами. Здесь достигают верхнего лазерного уровня со значительно меньшей затратой энергии. Несколько примеров соотношения энергии накачки и энергии генерации показаны на рис. 8.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белова А.Н. Нейрореабилитация .-М. Антидор, 2000 г. – 568с.
2. Прикладная лазерная медицина. Под ред. Х.П. Берлиена, Г.И. Мюллера.- М.: Интерэкспорт, 2007г.
3. Александровский А.А. Компьютеризованная кардиология. Саранск; "Красный Октябрь" 2005: 197.
4. Разработка и постановка медицинских изделий на производство. Государственный стандарт Республики Беларусь СТБ 1019-2000.
5. Штарк М.Б., Скок А.Б. Применение электроэнцефалографического биоуправления в клинической практике. М. - 2004 г
6. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия. М.,СПб.: СЛП, 2008.