Лазеры
Содержание
Введение 2
ГЛАВА I. Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света. 3
1.1 Индуцированное излучение 3
1.2 Принцип действия лазеров 4
1.3 Основные свойства лазерного луча. 5
1.3.1 Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность. 7
1.3.2 Гигантский импульс 9
1.4 Характеристики некоторых типов лазеров. 9
Глава II. Практическое использование оптических квантовых генераторов.
16
2.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике 16
2.2 Применение лазеров в медицине 18
2.2.1 Лазер в офтальмологии 19
2.3 Лазерные технологии - средство записи и обработки информации 20
Глава III. Голография. 22
3.1 Возникновение голографии. 22
3.2 Способы голографирования 22
3.3 Применение голографии. 26
Заключение 27
Список литературы 28
Введение
Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем
надежного и мощного помощника, свободно проникающего в темницы,
разрушающего любые преграды, способного защитить от любого врага. К
всемогущему лучу обращались и многие писатели-фантасты. Всемирно известны
романы “Война миров” Г. Уэллса и “Гиперболоид инженера Гарина” А. Толстого.
Но в этих романах световой луч оказывался в руках сил зла, которые
использовали лучи для разрушения. Люди же мечтали о луче-труженике, луче-
помощнике, луче-созидателе. И этой мечте суждено было сбыться. Реальностью
стали лазеры, которые успешно “трудятся” в клиниках, на заводах, на
строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися
достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и
с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время
были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств,
предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели
завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства,
непрерывно расширяется область использования лазеров в научных
исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч
становится надежным помощником строителей, картографов, археологов,
криминалистов.
ГЛАВА I. Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света.
1.1 Индуцированное излучение
Одним из самых замечательных достижений физики второй половины
двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для
создания удивительного прибора — оптического квантового генератора или
лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики.
В основу лазеров было 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 так называемые 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.
1
(
2
Рис. 1. Схема возникновения индуцированного излучения (угол ( сильно
преувеличен)
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.
Квантовые усилители и генераторы света, в основу которых положено
описанное явление, работают по схеме, схематично изображенной на рис.1.
Пространство между зеркалами 1 и 2 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. Значительное
усиление света достигается тогда, когда угол ( очень мал. Тогда свет
испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг
друга. На рис. 1 этому соответствует постепенное утолщение стрелки.[4]
1.2 Принцип действия лазеров
Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных
температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в 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:
hv=E2-E1,
где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,
E2 - энергия высшего энергетического уровня,
E1 - энергия низшего энергетического уровня.
а
б в
Рис. 2. Принцип действия лазеров
а - поглощение энергии и возбуждение атома; б - атом поглотивший энергию; в
- испускание атомом фотона
На рисунке 2(а) представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в
виде красной стрелки. Атом находится в нижнем энергетическом состоянии. На
рисунке 2(б) изображён возбужденный атом, поглотивший энергию. 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
[pic],
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. Это показано на рисунке 2(в).[6]
1.3 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.3(а) Следовательно, решение проблемы
получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и
согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают
таким образом, что
а
б
Рис 3. Взаимодействие волн
а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные волны (сложение
амплитуд волн)
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. 3(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
