Реферат: ЛАЗЕРЫ
При возникновении инверсии населённостей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного цвета. Длительность лазерного иьпульса ~ 10 -3 с., немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1 дж .
С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электронного затвора можно “включить” обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населённостей и, следовательно, макси-мального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населённости “снимается” вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гиганский импульс лазерного излучения. полная энергия этого импульсаостанется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения ~ 108Вт .
В данной юеседе мы ограничились описанием только на рубине, работающем в импульсном режиме. Таков был первый лазер, созданный в 1960 году. Стех пор было создано множество разнообразных типов лазеров, работающих в различных режимах. Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных импульсов может быть очень высокой – до 10 7 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать “гиганские импульсы” (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 10 6 квт ), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12 с,интенсивность в максимуме до 10 9 квт ). В качестве активных элементов лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовых активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:
а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных неодимом);
б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на углекислом газе);
в) жидкостные (на растворах органических красителей);
г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих друг сдругом примесных полупроводниках разного типа);
д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические реакции с выделением энергии);
е) газодинамические (на реактивной струе газа).
Газовые лазеры .- Основным достоинством газов, как активной среды лазера, является высокая оптическая однородность.Поэтому для тех научных и технических приминений, для которых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичьность излучения, газовые лазеры представляют наибольшие интересы.
Вслед за первым газовым лазером на смеси гелия и неона (1960г) было создано большое количество рознообразных газовых лазеров в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов и молекул, и имеющие частоты в диапозонах от ультрофиолетового до инфрокрасных частей спектра. Так лазер на водороде работает на длине волны λ =0,17 мкм . Лазер на ионах –Ne³+uNe+ работает на длине волны λ = 0,2358 мкм . и λ = 0,3324 мкм , а лазер на молекулах воды H 2 O на длинах волн λ = 27,9 мкм . и λ =118,6 мкм . Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракросной области спектра, наибольшее распространение получил гелий-неновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку заполненную смесью NeuNe . Он генерирует излучение с длиной волны λ =0,6328 мкм , то есть в красной области спектра. Типичные размеры трубки это несколько десятков метров или 1-2 м., диаметр несколько милиметров. мощьность генерации обычно составляет десятки м ВТ. Гелий-неоновый лазер может работать на условном ряде переходов в ближайшей инфрокрасной области, направленной на длинах волн λ =1,152 мкм. и λ =3,39 мкм . В лазере сравнительно просто реализуется предельно малая дифракционная расходимость светового пучка. Наиболее мощным лазером непрерывного действия, в видимой области спектра, является аргоновый лазер. В нём используется электрический разряд, с большой плотностью тока(до нескольких тысячь а ∕см ²). Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра, с длиной волны λ =0,4880 мкм. и λ =0,5145 мкм. Мощьность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый лазер значительно сложнее гелий неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным лазером является лазер на CO 2 где λ =1,06 мкм . при непрерывном режиме работы СО 2 — λ достигается мощность в десятки квт . Создано также большое число импульсных газовых лазеров работающих, как правило в переходном режиме формировония разряда.
Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительность≈10 -9 с.) дают сравнительно высокие пиковые мощности≈10 квт . СО 2 – λ также может работать в импульсном режиме обеспечивая мощность 10 10 вт. Газовые лазеры способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели лазеры всех других типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения лазера, возникает целый ряд трудностей, как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к «качению» частоты лазера можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора и физические, сказывающиеся на частотах рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствии его теплового расширения и тд. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей флуктуации, свойства активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например разрабатываются специальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострикционные явления – пъезоэффект. В основе этих методов лежит следующая система, которая фиксирует изменения параметров резонаторов и обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором стабильности частоты лазера является флуктуации давления в рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, так как столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий пропорциональным давлению. Флуктуация давления приводит к флуктуации частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находится при возможно более низком давлении. С другой стороны понижение давления приводит к уменьшению коэфициэнта усиления среды. Это противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты излучения лазера с помощью поглощающей ячейки помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию соответствующую рабочему переходу активной среды. Например, у гелий-неонового лазера для линий λ=3,39 мкм таким газом является метан СН 4 . Оказалось возможным стабили-зировать частоту излучения лазера по частотам линии поглощения метана, причём в условиях, когда давление, поглощающего газа значительно меньше активного. С помощью поглощающей ячейки достигнута относительная стабильность частоты излучения.
Полупроводниковые лазеры. Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазона-полупрводниковые лазеры занимают осбое положение по классу своих характеристик. В полупро-водниках удаётся получить очень большие коэффициэнты усиления ≈ 10²--10³ см, поэтому размеры полупроводниковых лазеров могут быть очень малыми – порядка долей милимметров. Лазеры на полупроводниках позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфра-красные диапазоны. Полупроводниковые ижеционные лазеры характиризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (блиское к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигается мощность-10вт , при температуре жидкого озона – 4-5вт . Особенно перспективные инжекционные лазеры на гетеропереходах. Которые работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, создавая мощность ≈ 5•10‾²вт при КПД до 25%. В полупроводниковых лазерах с возбуждением электронных пучков можно возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекции через p-n переходы. Пиковая мощность при этом доходит до –1Мвт при электронном возбуждении не может превышать 30%.
Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами и трудность получения высокой монохроматичности. Последнее связано с большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах. Полупроводниковые лазеры используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требование к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий КПД. Полупроводниковые лазеры превлсходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и управления световым пучком, то есть модуляция интенсивности света с постоянной времени ≈10 -11 сек.
Сегодня трудно даже перечислить всевозможные применения лазеров в науке и технике. Лазеры используются в современной измерительной технике – для оптической локации, в геодезии, для сверхточных измерений расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений. Всё шире внедряются в практику лазерные методы контроля за состоянием атмосферы (степень и характер её загрязнённости), качеством различных изделий, наличием в тех или иных деталях высоких механических напяжений или внутренних дефектов. Развиваются системы лазерной связи (наземные, подводные, космические). Лазерное излучение начинают использовать и в современных вычислительных комплексах – для хранения, поиска, передачи и обработки информации. Накоплен большой материал по эффективному применению лазеров в медицине: созданы лазерные установки для выполнения самых различных хирургических операций, включая
операции на человеческом глазе. Наиболее широко лазеры используются для обработки материалов. Мощные лазеры используются в таких энергоёмких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвеерном производстве. Лазерным лучом делают “ надрезы ” на различных поверхностях, ставят клейма, зачищают провода от изоляции. И всякий раз лазерный луч применяется там, где требуется особо “ тонкая ” работа, где механические средства обработки оказываются грубыми или попросту непригодными.
Одно из наиболее эфективных применений лазера – при глазных операциях. оказалось, что лазер идеальной точностью сообщает как раз то количество энергии, которое необходимо, чтобы “ приварить ” отслоившуюся сетчатку к глазному дну.
Модулированные лазерные пучки эквивалентны огромному числу каналов радиосвязи, и влияние, которое они окажут на развитие техники связи, должно быть колосальным.
Лазерный пучок используется для точного измерения
величены g. Отражая лазерный пучок от зеркала, помещённого на Луне, можно получать информацию о флуктуациях расстояния от земли до Луны, которая имеет важное значение для геофизики Земли и Луны.
Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.
Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.