Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском
словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что
в переводе на русский язык означает: усиление света посредством
вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине «лазер» отражена та
фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют
в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания
лазера многие исследователи связывают с именем Альберта Эйнштейна, который
в 1917 году ввёл представление о вынужденном излучении.
Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные,
газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен
тип активной среды).
Даже если нужно заказать отчет по практике производственной , Work5 справится.
. Более точная классификация учитывает также и методы
накачки — оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др.
Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации —
непрерывный или импульсный.
Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области
спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер [Т. Мейман
(р. 1927)]. А 13 июня 1961 года ему был выдан патент № 3353115. Это
открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера
Маймана лежат в основе всех современных лазеров. Пророческими оказались его
слова, что когда будет решена задача управления лучом лазера и обеспечен
приемлемый К.П.Д., применения лазеров будут ограничены лишь воображением и
изобретательностью инженеров. [1]
Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на
арсениде галлия (Р. Холл, 1962 г.) предшествовали теоретические
исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н.Г. Басовым,
Б.М. Вулом и Ю.М. Поповым (1958 — 1961 гг.). Последующие два года были
насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными
главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности
лазеров.
С этого момента началось практическое использование необычных свойств
лазерного излучения. Использование лазеров для обработки, резания и
микросварки твердых материалов оказывается экономически более выгодным
(например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе лазерным лучом
сократило время с 24 ч до 6 - 8 мин). С помощью лазеров получают и
исследуют высокотемпературную плазму. Эта область их применения связана с
развитием нового направления — лазерного управляемого термоядерного
синтеза.
Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, так как они
обладают широким рабочим диапазоном (0,7 — 30 мкм) и возможностью плавной
перестройки частоты их излучения. В настоящее время использование лазеров
столь обширно, что даже их перечисление в данном объеме просто невозможно.
1. Принцип действия лазера
Кратко принцип действия лазера необходимо начать с понятия о
вынужденном и спонтанном излучениях.
Атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными
значениями энергии Е1 Е2, Е3, ... . Ради простоты рассмотрим только два из
этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1 и Е2. Если атом находится в основном
состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться
вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 1, а), приводящий к
поглощению излучения. Вероятность подобных переходов пропорциональна
плотности излучения, вызывающего эти переходы. Атом, находясь в
возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени
спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей
энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде
электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией hv = Е2 - Е1.
Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних
воздействий называется спонтанным излучением (рис. 1, б).
[pic]
Рисунок 1.
Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное
излучение некогерентно. В 1916 г. А.Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося
на опыте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и
поглощаемымим излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного
излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия.
Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее
излучение с частотой, удовлетворяющей условию hv = Е2 - Е1, то возникает
вынужденный переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же
энергии hv = Е2 - Е1 (рис. 1, в). При подобном переходе
происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под
действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких
переходов излучение называется вынужденным излучением. Таким образом, в
процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон,
вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон,
испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от
первичных, являясь точной их копией.
Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные
фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичным фотонам): оно имеет
такие же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и
вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго
когерентно с вынуждающим излучением.
Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1
и 2 с соответствующими населённостями N1 и N2. . Пусть в этой среде в
направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью,
соответствующей плотности потока фотонов F (рис.2).
[pic]
Рисунок 2
Тогда изменение плотности потока dF, обусловленное как процессами
вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz
(заштрихованная область на рис.2) определяется уравнением:
[pic].
(1)
Из уравнения (1) следует, что в случае N2. > N1, среда ведёт себя как
усиливающая (т. е. dF/dz > 0), а в случае N2. < N1 — как поглощающая.
Известно, что при термодинамическом равновесии населённости энергетических
уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N2 и N1 -
населённости двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем:
[pic]
(2)
где k - постоянная Больцмана,
T — абсолютная температура среды.
Таким образом, мы видим, что в случае термодинамического равновесия
N2. < N1, В соответствии с (1) среда поглощает излучение на частоте v.
Однако, если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N2.
> N1, то среда будет действовать как усилитель. Такие состояния называются
состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного
состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей)
называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими
и другими способами. Среда, в которой существует инверсия населённостей
называют активной средой. [2]
Таким образом, лазер обязательно имеет три основных компонента:
1)активную среду, в которой создаются состояния с инверсией
населенностей;
2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной
среде);
3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство
избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой
пучок).
В качестве примера можно рассмотреть принцип работы твёрдотельного
рубиного лазера Маймана, хотя в настоящее время это представляет только
исторический интерес.
В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой
схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. Кристалл
рубина представляет собой оксид алюминия Аl2 О3, в кристаллической решетке
которого некоторые из атомов А1 замещены трехвалентными ионами Сг3 (0,03
и 0,05 % ионов хрома соответственно для розового и красного рубина). Для
оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При
интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома
переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3 (рис. 3).
[pic]
Рисунок 3
Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало
(меньше 10~7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3 —> 1 (они
незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на
уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии
решетке кристалла рубина. Переход [pic] запрещен правилами отбора, поэтому
длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка 10~3 с, т.е.
примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к
"накоплению" атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их
концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т.е.
возникает среда с инверсной населенностью уровня 2. Каждый фотон, случайно
родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать
(порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2 — 1, в
результате чего появляется лавина вторичных фотонов, являющихся копиями
первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация. Однако
спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся
фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных
направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно,
излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими
когерентными свойствами.
Для выделения направления лазерной генерации используется
принципиально важный элемент лазера — оптический резонатор. В простейшем
случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных зеркал на общей
оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или
кювета с газом). Как правило, зеркала изготовляются так, что от одного из
них излучение полностью отражается, а второе — полупрозрачно. Фотоны,
движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды
через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси,
многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая
вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут
вынужденное излучение, и т.д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном
излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток
фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно
нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное
зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости.
Таким образом, оптический резонатор "выясняет" направление (вдоль оси)
усиливаемого фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с
высокими когерентными свойствами. [3]
5 страниц
100% уникальность
2012 год
101 просмотров
