основное состояние не сразу, а через два возбуждённых уровня. На этих
уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке
ксеноновой лампы возникнет инверсная населённость между промежуточными
уровнями и основным уровнем ионов хрома.
Торцы рубинового стержня (рис.4) полируют покрыиают светоотражающими
интеференционными плёнками, выдерживая при этом строгую параллельность
торцов друг другу.
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 ~ 10-3с., 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 106 квт), а также
сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12
с,интенсивность в максимуме до 109 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 ?=0,17 мкм. Лазер на ионах
–Neі+uNe+ работает на длине волны ?=0,2358 мкм. и ?=0,3324 мкм,а лазер на
молекулах воды H2O на длинах волн ?=27,9 мкм. и ?=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 ?=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 мВТ. Гелий-неоновый лазер
может работать на условном ряде переходов в ближайшей инфрокрасной области,
направленной на длинах волн ?=1,152 мкм. и ?=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 /смІ). Он работает
на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра, с длиной
волны ?=0,4880 мкм. и ?=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 CO2 где ?=1,06 мкм. при непрерывном режиме работы СО2—?
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?10-9с.) дают
сравнительно высокие пиковые мощности?10 квт. СО2 –? также может работать в
импульсном режиме обеспечивая мощность 1010 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 ?=3,39 мкм таким газом является метан СН4.
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 ? 10І--10і 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?Івт 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.
Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между
ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.
Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления
управляемой термоядерной реакции.
В реферате были использованы данные, из следующей литературы:
М.И. Блудов “Беседы по физике”.
Москва “Просвещение” 1992 год.
В.Л. Гинсбург “О Физике и Астрофизике”.
Москва “Наука” 1985 год.
Дж. Триг “Физика 20 века: ключевые эксперименты”.
Москва издательство “Мир” 1978 год.
“Элементарный учебник физики” Под редакцией академика Г.С. Ландсберга.
Москва “Наука” том 3, 1986 год.
Р.В. Поль “Оптика и атомная физика”.
Москва “Наука” 1966 год.
Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев “Физика”.
Москва “Просвещение” 1991 год.
Страницы: 1, 2
