Что является источником лазерного излучения
Перейти к содержимому

Что является источником лазерного излучения

  • автор:

Устройство лазера

Лазер обычно состоит из трёх основных элементов:

— Источник энергии (механизм «накачки»);

-Система зеркал («оптический резонатор»).

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

Рабочее тело — основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

— Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

— Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такае лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

— Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

— Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Основные сведения о лазерах: принцип работы и характеристики лазерного излучения

Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.

Основные параметры и характеристики лазерного излучения

Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e 2 : это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.

Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.

Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический

Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.

Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода

Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.

Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).

Класс

Описание

Не представляют опасности для человека.

Принцип образования и работы лазерного луча в стоматологии

Принцип образования лазера. Основным физическим процессом, который определяет действие лазера является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона. Простейший принцип работы заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

Основным физическим процессом, который определяет действие лазерных аппаратов, является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия, атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона.

Простейший принцип работы стоматологического лазера заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

*Flash tube = энергия накачки

Mirrored Surface = непрозрачное зеркало

Partially Mirrored Surface = частично прозрачное зеркало

Атомы испускают фотоны, некоторые из этих фотонов двигаются в направлении, параллельном оси трубки, и они «отскакивают» назад от непрозрачного зеркала, а часть выводится в виде лазерного пучка.

Лазеры в стоматологии

Активному посреднику (газ, жидкость или твердое вещество) передается возбуждение от источника энергии, результат — монохромная (одного цвета), коллимированная (передающаяся в одном направлении), когерентная (все световые волны синхронны) лазерная энергия.

МОНОХРОМНАЯ – ПРАКТИЧЕСКИ ОДНОГО ЦВЕТА

КОЛЛИМИРОВАННАЯ — ПЕРЕДАЕТСЯ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

КОГЕРЕНТНАЯ — ВСЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ СИНХРОННЫ

Активный посредник определяет такие характеристики лазера, как цвет и длина волны. Существует четыре типа лазеров:
Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим — YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 микрометра. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10-9 метра) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам. Например, CO2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера — это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров — это их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе — это Родами 6G, который обеспечивает настраиваемость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).
Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами. Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча и временных характеристик энергии луча. Процессы, которые могут при этом происходить — поглощение, передача, отражение и рассеивание.

Поглощение — атомы и молекулы, которые составляют ткань, преобразовывают лазерную световую энергию в высокую температуру, химическую, акустическую или нелазерную световую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.

Передача — лазерная энергия проходит через ткань неизмененной.

Отражение — отраженный лазерный свет не влияет на ткань.

Рассеивание — индивидуальные молекулы и атомы принимают лазерный луч и отклоняют силу луча в направлении, отличном от исходного. В конечном счете, лазерный свет поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

— Познакомьтесь как происходит лазерная терапия зубов

Основные типы взаимодействия лазера с тканью

ФОТОТЕРМИЧЕСКОЕ

Под микроскопом фототермические процессы могут быть представлены как поглощение фотона органической молекулой, которая при этом переходит в состояние вибрационного вращения, с последовательным раздражением, полученным от анелестического удара о соседнюю молекулу, к которой, таким образом, перейдет ее кинетическая энергия. Этот процесс безизлучательных потерь происходит в пределах самого короткого промежутка (1 — 100 в сек.), а последующее быстрое нагревание повысит окружающую температуру. Макроскопические, биологические эффекты фототермического типа могут быть классифицированы согласно некоторым отличиям термодинамических процессов, главным гистологическим изменениям, отображенным в таблице ниже:

ФОТОХИМИЧЕСКОЕ

— Запуск химических реакций — фотополимеризация (например, активация системы лазерного отбеливания)

— Разрушение химических связей в молекулах, вызванное лазерным излучением

Фотодинамическая терапия: создание биохимических реактивных форм кислорода

БИОСТИМУЛЯЦИЯ

Обеспечивает избавление от боли

— Стимулирует заживление ран

— Видоизменяет биологический процесс

— Поглощение лазерной энергии биологическими тканями

Пример: поглощение лазерной энергии различных типов лазеров в коже

После возбуждения, источник лазера излучает электромагнитное излучение с очень высокой направленностью и большой спектральной чистотой, с возможностью концентрации очень высокой энергии на ограниченных поверхностях. Чтобы добиться желательного клинического эффекта, излучение лазера должно поглощаться целевой тканью. Взаимодействие ткани с лазером зависит от характеристик используемого лазера, длины его волны, его эффективной мощности, форм облучения, таких как интенсивность излучения и продолжительность обработки, и от характеристик целевой ткани, количества содержания в ткани воды, гемоглобина и пигментов. Использование лазера в медицине, в частности в стоматологии, базируется на точном поглощении лазерной радиации водой, содержавшейся в тканях, гемоглобином, содержавшимся в крови и пигментами, которые находятся в некоторых тканях. Вода поглощает инфракрасное излучение, с максимальным поглощением около 3000 нм; гемоглобин представляет спектр поглощения от ультрафиолетового до видимого (немного меньше чем 640 нм), пигменты и хромофоры представляют спектр поглощения, расширенный от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

Wavelength — длина волны (нм)

Когда лазерный луч направлен на ткани, то вода, что составляет высокий процент ткани, поглощает энергию, преобразовывая ее в высокую температуру. С интенсивностью в несколько Вт на квадратный миллиметр, вода, находящаяся в ткани, мгновенно закипает и испаряется. Если перемещать наконечник по ткани, то луч ведет себя как скальпель, формируя разрез, глубина которого зависит от интенсивности луча и скорости движения.

Система подачи лазерного луча

Лазерная энергия от источника может подаваться к ткани с помощью различных систем доставки. В медицинских стоматологических лазерах применяются оптоволоконная и шарнирная системы подачи лазерного луча. В стоматологических лазерах DOCTOR SMILE™ для передачи используется оптоволоконная система подачи, имеющая ряд преимуществ перед шарнирной:

— гибкость, возможность применения в труднодоступных участках, эргономичность

— полное сохранение качества лазерного излучения

— не требуется сложного технического обслуживания (например, выравнивания зеркал при ударе у лазеров с шарнирной системой подачи излучения)

Классификация лазеров и безопасность

Существуют четыре класса лазеров. Вся продукция компании Lambda Scientifica относится к четвертому классу лазеров.

Лазеры класса 1. Не представляют опасности при непрерывном наблюдении или разработаны так, чтобы предотвратить попадание биоткани под лазерное излучение (например, лазерные принтеры)

Видимые лазеры класса 2. (от 400 до 700 нм). Лазеры, излучающие видимый свет, который из-за естественной человеческой отрицательной реакции обычно не представляют опасности, но могут представлять, если смотреть прямо на лазерное излучение в течение продолжительного времени

Лазеры класс 3a. Лазеры, которые обычно не причиняют вред при кратковременном попадании в глаза, но могут представлять опасность при наблюдении с использованием собирающей оптики (волоконно-оптическая лупа или телескоп)

Лазеры класс 3b. Лазеры, которые представляют опасность для глаз и кожи при прямом попадании лазерного излучения. Лазеры класса 3b не генерируют опасное диффузное отражение, за исключением попадания с близкого расстояния

Лазеры класса 4. Лазеры, которые представляют опасность для глаз в результате прямого, зеркального и диффузионного отражений. Кроме того, такие лазеры могут быть пожароопасными и вызывать ожоги на коже

Необходимые меры безопасности:

— Персонал, уполномоченный работать должен носить предоставленные защитные очки

— Запрещается направлять лазер в глаза

— Запрещается смотреть непосредственно в отверстие, где находится оптический световод

— Отверстие световода оптического диодного соединителя должно всегда оставаться закрытым, световод должен быть или вставлен или на нем должен быть защитный колпачок

— Удалите с места работы все отражающие и металлические объекты, включая личные вещи, например часы и кольца, поскольку они могут отразить лазерное излучение

— Запрещается направлять лазер на одежду

— Рекомендуется использовать только абсолютно сухую одежду соответственного цвета

— Удалить все потенциально огнеопасные материалы

— Никогда не используйте огнеопасный газ во время лазерного излучения

Лазерные источники оптического излучения

В качестве рабочего инструмента на наших комплексах используется лазерный луч. В своей работе мы используем диодные и газоразрядные источники лазерного излучения мощностью от 1 до 10 кВт.

Электроразрядные газовые лазеры большой мощности
Электроразрядные газовые лазеры большой мощности

Диодные лазеры большой мощности

Диодные лазеры большой мощности
Диодные лазеры большой мощности

Источник лазерного излучения – это главный рабочий модуль производственных лазеров, применяемых при термоупрочнении, наплавке, лигировании деталей. Он позволяет проводить операции с большой точностью, высокой чистотой кромок и отсутствием перегрева рабочей зоны.

Наша компания «ТермоЛазер» предлагает купить лазерные источники оптического излучения собственного производства по разумным ценам, с долгосрочной гарантией и доставкой в Москве и других городах. В случае необходимости мы разработаем технологическую схему внедрения оборудования на ваше производство, рассчитаем оптимальную мощность и другие параметры.

Представленные у нас лазерные источники, работающие на диодах или по газоразрядному принципу, обладают выходной мощностью от 1 до 10 кВт. Это позволяет использовать аппараты для обработки металлических (сталей и цветных сплавов) и неметаллических материалов (включая тугоплавкие) большой толщины. При установке таких модулей на производственные линии возможна их безостановочная эксплуатация в течение длительного времени.

Чтобы заказать лазерный источник подходящего типа и мощности оптического излучения, свяжитесь с нами любым удобным способом, и мы расскажем вам об особенностях выбора устройства в зависимости от решаемых задач и условиях сотрудничества.

Источник лазерного излучения RFL-C1500L

Источник лазерного излучения RFL-C1500L - st-e.info - Екатеринбург

Источник лазерного излучения Raycus RFL-C1500L действительно является одним из ведущих решений в области лазерной резки металла, и есть несколько причин, почему его стоит рассмотреть при покупке оборудования для свокго производства. В этой статье мы рассмотрим некоторые из основных преимуществ данной модели оборудования.

  1. Надежность: Raycus — это известный производитель лазеров, и RFL-C1500L не является исключением. Этот источник обеспечивает высокую надежность работы, что крайне важно для бесперебойного производства в промышленных условиях. Многие производители металлообрабатывающего оборудования выбирают эту модель из-за его репутации и надежности.
  2. Высокая производительность: аппарат способен обеспечивать высокую мощность лазерного излучения, что позволяет обрабатывать металлические заготовки различной толщины и сложности. Это делает его идеальным выбором для производства, где требуется высокая производительность и эффективность.
  3. Эффективность резки: обеспечивает отличное качество резки металла. Его лазерное излучение точно и быстро вырезает детали, минимизируя отходы и улучшая общую эффективность процесса.
  4. Экономичность: Оборудование известено своей экономичностью. Он использует энергию эффективно, что позволяет сократить операционные расходы в долгосрочной перспективе.
  5. Техническая поддержка: Компания производитель предоставляет хорошую техническую поддержку своим клиентам. Вы можете рассчитывать на обслуживание и консультации, чтобы обеспечить оптимальную работу вашего оборудования.
  6. Инновации: Компания производитель постоянно внедряет новые технологии и улучшения в своих продуктах. Это означает, что при покупке источника вы получаете доступ к современным разработкам и возможностям для оптимизации процессов лазерной резки.

В итоге, приобретение источника лазерного излучения Raycus RFL-C1500L может быть выгодным решением для вашего производства, особенно если вы цените надежность, высокую производительность и качество резки. Перед покупкой всегда рекомендуется обсудить ваши потребности с представителями компании и получить подробную информацию о спецификациях и технических характеристиках данного оборудования.

Важно помнить при покупке лазерного источника Характеристики сети питания Прочие характеристики Отзывы

Лазерные источники широко используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Однако, с течением времени, лазеры могут подвергаться деградации, что сказывается на их характеристиках и производительности. Ниже приведены основные аспекты деградации лазерных источников и способы ее предотвращения или устранения.

1. Механизмы:

  • Термическая деградация
  • Оксидация оптических элементов
  • Деградация диодных лазеров
  • Эффекты катализа

2. Факторы:

  • Эксплуатационные условия
  • Охлаждение и теплоотвод
  • Загрязнение оптических поверхностей
  • Электромагнитные помехи

3. Обслуживание и регенерация лазерных источников:

  • Чистка и замена оптических элементов
  • Регенерация диодных лазеров
  • Оптимизация охлаждения
  • Профилактическое обслуживание и замена компонентов

4. Перспективы и будущие исследования:

  • Разработка более стойких материалов
  • Улучшенные системы охлаждения
  • Прогресс в области долговременной надежности

Заключение: Деградация лазерных источников и уменьшение их мощности — это серьезная проблема, которая может снижать эффективность и надежность лазерных систем. Однако, путем изучения механизмов деградации, мониторинга состояния и регулярного обслуживания, можно продлить срок службы и поддерживать высокую производительность. Будущие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более надежных лазерных источников.

Лазер

Исследование лазерного излучения в лабораторных условиях

Ла́зер, источник когерентного электромагнитного излучения высокой направленности, способный осуществлять предельно возможную концентрацию энергии излучения в пространстве, времени и спектральном диапазоне . Слово «лазер» является аббревиатурой английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает «усиление света вынужденным излучением». Первоначально термин «лазер» применялся только к оптическому излучению (свету), ныне генерация лазерного излучения получена в диапазоне длин волн от микроволнового до мягкого рентгеновского . Лазерное излучение возникает как результат преобразования различных видов энергии (световой, электрической, химической и др.). Начало новому научному направлению – квантовой электронике , в том числе лазерной физике , было положено работами А. М. Прохорова , Н. Г. Басова в СССР и Ч. Х. Таунса в США (1954–1955), которые в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии .

Принцип работы лазера

Лазер включает два необходимых элемента: активную среду, приведённую в неравновесное состояние внешним источником энергии, и резонатор . Активная среда представляет собой вещество, находящееся в неравновесном состоянии и способное усиливать проходящее через него резонансное электромагнитное излучение, частота которого соответствует разности энергий двух квантовых энергетических уровней частиц среды. Переход частицы с более высокого на более низкий уровень энергии может быть излучательным или безызлучательным. Испускание фотона , т. е. излучение, может быть как самопроизвольным ( спонтанное испускание ), так и под действием электромагнитного излучения (индуцированное, или вынужденное , испускание). При спонтанном испускании частота фотона произвольна в пределах контура спектральной линии , ширина которой определяется шириной энергетических уровней, участвующих в переходе. Произвольны также направление распространения излучения и его фаза. При вынужденном излучении испущенные фотоны полностью тождественны фотонам, воздействующим на частицы среды, т. е. происходит усиление падающей электромагнитной волны. Если воздействующая волна монохроматична, то вынужденное испускание также будет монохроматичным, имеющим ту же частоту, то же направление распространения и ту же поляризацию волны .

Если частица находится в нижнем энергетическом состоянии, то под действием внешней электромагнитной волны может происходить резонансное поглощение, сопровождающееся переходом частицы в верхнее энергетическое состояние. При резонансном поглощении энергия воздействующей волны уменьшается, а при индуцированном испускании увеличивается. Вероятность резонансного поглощения точно равна вероятности индуцированного испускания. Поэтому, будет ли преобладать в реальной среде процесс вынужденного испускания или резонансного поглощения, зависит от соотношения населённостей верхнего и нижнего энергетических уровней. Преобладание вынужденного испускания, необходимое для работы лазера, возможно при большей населённости верхнего состояния по сравнению с нижним при учёте их статистических весов ( инверсная населённость ). Инверсия населённостей в среде может быть достигнута при подводе к ней энергии или при использовании энергии, запасённой в среде заранее. Процесс создания неравновесной среды называется накачкой . Способы накачки могут быть самыми разными: внешнее электромагнитное излучение, инжекция носителей заряда , химические реакции, электрический разряд, быстрое охлаждение и др. Принципиальным вопросом является создание инверсной населённости для получения генерации в коротковолновой, и в частности видимой, области спектра, где преобладает спонтанное излучение, препятствующее образованию инверсии. В ноябре 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили метод создания инверсной населённости посредством воздействия на рабочие частицы внешним электромагнитным излучением резонансной частоты. Этот метод, названный впоследствии трёхуровневым, оказался универсальным. Он позволяет при выполнении соответствующих требований достигать инверсной населённости в любых многоуровневых системах, независимо от величины энергии кванта .

Второй неотъемлемой частью лазера является резонатор – устройство, осуществляющее положительную обратную связь, т. е. возвращающее часть выходящего излучения в активную среду и обеспечивающее переход возможного процесса усиления электромагнитного излучения в процесс его генерации.

В коротковолновом радиодиапазоне обычно применяются резонаторы, размеры которых сравнимы или меньше длины возбуждаемых в них волн. Достаточно долго считали, что для оптического диапазона, где длина волны порядка 1 мкм, такой резонатор изготовить невозможно, и при существовавшем уровне технологии это соответствовало действительности. Ныне уровень технологии позволяет это сделать. В 1958 г. А. М. Прохоров предложил использовать т. н. открытые резонаторы . Размеры такого резонатора много больше длины волны возбуждаемых в нём электромагнитных колебаний, а резонансные свойства сохраняются, даже если его размеры во много (до 10 6 и более) раз превышают длину волны возбуждаемых электромагнитных колебаний. Простейший открытый резонатор состоит из двух отражающих поверхностей (зеркал), которые находятся на расстоянии, значительно превышающем длину волны излучения. Такая пара зеркал использовалась ранее в оптике в качестве интерферометра Фабри – Перо , но для совершенно других целей. Обычно диаметр зеркала также много больше длины волны. В активной среде, помещённой в резонатор, запасается энергия в виде электронного, колебательного или электронно-колебательного возбуждения. В результате вынужденного излучения энергия извлекается из среды и оказывается в резонаторе в форме электромагнитного поля , которое излучается в окружающее пространство, выходя через одно частично прозрачное зеркало резонатора.

Обратная связь может быть реализована непосредственно в активной среде – т. н. распределённая обратная связь . Она возникает в активной среде, оптическая плотность которой периодически меняется в пространстве. Отражение возникает при переходе волны от одного участка к другому, отличающемуся оптической плотностью. Коэффициент отражения при одном переходе мал, но т. к. переходов может быть много, общий коэффициент отражения оказывается достаточно большим.

С развитием нанотехнологий в конце 1980-х гг. стало возможным изготовление эффективных микрорезонаторов с размерами порядка оптической длины волны. Лазеры с такими резонаторами обладают существенными достоинствами: малыми потерями, высокой квантовой эффективностью излучения и очень низкими порогами генерации . На практике широко применяются полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором. Разработаны микрорезонаторные лазеры, использующие полупроводниковые наноструктуры (например, квантовые точки ) в качестве активных элементов, и ожидается появление промышленных технологий их изготовления. Такие миниатюрные источники света найдут применение в биологии , медицине , оптических линиях связи , оптических и квантовых компьютерах и др.

Существует много различных схем сочетания системы зеркал с активной средой, но во всех случаях условие возникновения генерации (условие самовозбуждения) общее: усиление излучения за один проход в системе зеркал и через активную среду должно превышать все потери энергии в резонаторе за этот проход. В общий баланс должны быть включены потери энергии на собственно полезное лазерное излучение, выходящее в окружающее пространство, и паразитные потери энергии на рассеяние света, его поглощение и т. п.

Историческая справка

Лазеры появились в начале 1960-х гг. Днём рождения лазера следует считать 16 мая 1960 г. Эта дата стоит в рабочей тетради американского учёного Т. Меймана . Его результат был опубликован в августе 1960 г. В созданном им приборе содержались все необходимые и достаточные компоненты для получения генерации оптического когерентного излучения: среда с инверсной населённостью (синтетический кристалл рубина ), трёхуровневая схема оптической накачки и открытый резонатор. В СССР лазер на кристаллах рубина был запущен 18 сентября 1961 г. в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР российскими физиками М. Д. Галаниным , А. М. Леонтовичем и З. А. Чижиковой. Этому историческому событию предшествовали глубокие теоретические и экспериментальные исследования. Усиление и генерация когерентных электромагнитных колебаний были реализованы в радиодиапазоне задолго до появления лазера с помощью устройств, размеры которых малы по сравнению с длиной волны излучения. Однако разработанные и применённые для этого методы не могли быть перенесены в оптический диапазон.

В 1917 г. А. Эйнштейн обобщил понятие вынужденного излучения для квантово-механической системы. Он постулировал, что возбуждённая частица может излучать не только спонтанно, но и под воздействием взаимодействующего с ней кванта внешнего электромагнитного поля. Это определило новое уникальное свойство когерентного излучения – полную идентичность воздействующего и излучённого квантов.

Тогда же Эйнштейном была установлена связь между поглощением и индуцированным излучением, что позволило определять характеристики этих процессов из экспериментальных спектроскопических данных. Но он рассмотрел равновесный случай, тогда как лазерный эффект является принципиально неравновесным. Оптики в то время считали вынужденное излучение красивой, но бесполезной абстракцией, т. к. в обычных условиях плотность энергии света мала и пропорциональная ей вероятность индуцированного излучения также мала. Тем не менее работа А. Эйнштейна явилась первым кирпичиком в фундаменте будущей науки – квантовой электроники .

Некоторые указания на то, что в сильно возбуждённом газе имеет место «отрицательное поглощение», т. е. усиление излучения, содержатся в работе (1928) немецкого физика Р. Ладенбурга. Однако твёрдая уверенность в необходимости жёсткого равновесия излучения со средой не позволила должным образом отнестись к этому явлению.

В 1938 г. В. А. Фабрикант с сотрудниками экспериментально обнаружил усиление света в неравновесной среде (газовом разряде) и сформулировал условие усиления света атомной системой. Это явилось очередным шагом на пути создания лазера.

Реальная концепция лазера появилась лишь в результате развития и слияния квантовых представлений в оптике и волновых представлений в радиофизике . Решающую роль в объединении результатов оптики и радиофизики сыграла радиоспектроскопия , изучающая атомные спектры , молекулярные спектры и спектры ионов в диапазоне частот 10 10 –10 11 Гц.

Основные принципы работы лазера были сформулированы и реализованы первоначально в микроволновом диапазоне при создании мазеров , где, в отличие от оптического диапазона, в условиях термодинамического равновесия возбуждённые уровни сильно населены, а спонтанное излучение слабое. Важно также, что радиофизики отчётливо осознавали решающее значение обратной связи при переходе от усилителя к генератору. Эта фундаментальная идея была реализована при создании молекулярного генератора (мазера) Дж. Гордоном, Г. Цайгером, Ч. Х. Таунсом в США (1954) и Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР (1955). В качестве активной среды использовался пучок молекул аммиака , инверсная населённость достигалась электростатической пространственной сортировкой, обратная связь обеспечивалась объёмным резонатором .

Для перенесения реализованных в радиодиапазоне возможностей в оптический диапазон необходимо было обеспечить преобладание вынужденного излучения над спонтанным (т. е. разработать эффективные методы создания инверсной населённости) и обеспечить эффективную обратную связь для оптической длины волны излучения.

Для создания инверсной населённости Басов и Прохоров предложили использовать метод электромагнитной накачки, известный как трёхуровневая схема накачки (1955). Н. Бломберген предложил применить этот метод для создания мазеров-усилителей на парамагнитных кристаллах (1956). Суть этого метода сводится к тому, что к двум рабочим уровням лазера добавляется третий, вспомогательный, расположенный выше верхнего лазерного уровня, в который осуществляется накачка с последующей релаксацией на верхний лазерный уровень. В такой схеме для достижения инверсии на нижнем лазерном уровне должно быть менее половины всех рабочих частиц. Для этого требуется достаточно мощная накачка. Снять это жёсткое условие можно за счёт четвёртого вспомогательного уровня, лежащего выше уровня, из которого осуществляется поглощение и который является в данном случае нижним лазерным уровнем, незаселённым термически при рабочей температуре лазера.

Хотя предложение Басова и Прохорова относилось к молекулярным пучкам, оно оказалось универсальным, пригодным для любых атомных систем.

Принципиальным шагом при создании лазера было также предложение Прохорова использовать открытый резонатор , который один в то время мог обеспечить эффективную обратную связь в оптическом диапазоне спектра (1958).

Высказанные идеи были реализованы Т. Мейманом в 1960 г. при создании первого в мире лазера, в котором в качестве активной среды использовался синтетический кристалл рубина, к этому времени подробно изученный и успешно применявшийся в качестве активной среды мазеров. В конце 1960 г. Али Джаван и другие (США) осуществили запуск газоразрядного лазера на смеси гелия и неона . Это были первые два лазера, излучающие в красной области спектра, после чего началось лавинообразное развитие лазерной физики .

Типы лазеров

Общепризнанной системы классификации лазеров нет, но часто лазеры разделяют по типу используемой в них активной среды . При этом также принимаются во внимание способ накачки, длина волны излучения и некоторые другие характеристики. Можно выделить следующие основные типы лазеров: твердотельные лазеры , полупроводниковые , волоконные , газовые, химические , жидкостные , лазеры на свободных электронах , лазеры с ядерной накачкой , рентгеновские лазеры , гамма-лазеры (до 2023 пока не реализованы).

Твердотельные лазеры

Активной средой этих лазеров является твёрдое тело , представляющее собой систему, состоящую из основной матрицы и внедрённых в неё активирующих элементов, на квантовых переходах которых и осуществляется генерация. В качестве основной матрицы используются различные диэлектрические кристаллы, стекло , прозрачная керамика или полимеры . В качестве активирующих примесей наиболее часто применяются ионы переходных элементов, особенно ионы Nd \text Nd , Cr \text Cr , Ti \text Ti и др. Накачка твердотельных лазеров осуществляется оптическим излучением , источником которого являются специальные газоразрядные лампы, работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме и помещённые вместе с активным элементом в закрытую отражающую полость.

Кристалл рубина для твердотельного лазера Теодора Меймана

Рис. 1. Кристалл рубина для твердотельного лазера Теодора Меймана 1960. Национальный музей американской истории, Вашингтон. Рис. 1. Кристалл рубина для твердотельного лазера Теодора Меймана 1960. Национальный музей американской истории, Вашингтон. Всё большее значение приобретает технология накачки диодными лазерами, изменившая возможности твердотельных лазеров: повысились их кпд, надёжность, снизились массогабаритные показатели и при этом была сохранена простота конструкции. Оптическая накачка осуществляется по трёхуровневой схеме или по более сложным схемам. Примером классической трёхуровневой схемы накачки является накачка кристаллов рубина , где лазерный переход осуществляется между инверсно населённым возбуждённым уровнем и основным состоянием , которое всегда заселено. Использование активной среды, имеющей четвёртый уровень, расположенный между возбуждённым и основным состояниями рубина, который может иметь пренебрежимо малую заселённость, существенно упрощает достижение инверсии и снижает порог генерации. Примером такой четырёхуровневой схемы генерации является неодимовый лазер . Разветвлённая схема электронных и электронно-колебательных состояний редкоземельных элементов даёт возможность использовать более сложные схемы оптической накачки и создать т. н. антистоксовы лазеры, длина волны излучения которых меньше длины волны излучения накачки. В недалёком будущем диодная накачка полностью заменит накачку газоразрядными лампами.

Лазеры на стёклах

В них в большинстве случаев применяются силикатные или фосфатные стёкла, активированные ионами Nd 3 + \text^ Nd 3 + или, реже, Er 3 + \text^ Er 3 + . Обычная длина волны генерации ионов Nd 3 + \text^ Nd 3 + λ г ≈ 1,06 \lambda_≈\text λ г ​ ≈ 1,06 мкм, хотя возможна генерация и на других переходах в области λ г ≈ 1,32 \lambda_≈\text λ г ​ ≈ 1,32 и 0,9 \text 0,9 мкм. Ионы Er 3 + \text^ Er 3 + в стёклах обеспечивают генерацию в безопасной для глаз области λ г ≈ 1,5 \text_≈\text λ г ​ ≈ 1,5 мкм. Лазеры работают в импульсном режиме. Длительность импульса генерации может быть от 10 −12 с (режим синхронизации мод) до 10 −2 с (режим свободной генерации). Многоканальные многокаскадные лазерные системы на активных элементах из неодимового стекла имеют выходную энергию до 1 МДж при длительности импульса около 3 нс. Такие лазеры используются в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу (рис. 1).

Лазеры на кристаллах

Эффект генерации излучения обнаружен на большом числе активированных кристаллов (около 300), однако в реально применяемых лазерах используются лишь некоторые. Исторически первым был лазер на кристаллах рубина. Накачка этого лазера осуществляется импульсными лампами, длина волны генерации 694,3 нм. Широко используются лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната , фторидов и ванадатов , легированных ионами неодима и другими редкоземельными ионами. Эти лазеры работают как с ламповой, так и с диодной накачкой в импульсном и непрерывном режимах в диапазоне длин волн от 0,9 до 3 мкм. Генерация гармоник излучения этих лазеров позволяет продвинуться в коротковолновую область спектра, вплоть до ультрафиолетовой. В области λ ≈ 280 – 316 \lambda ≈280–316 λ ≈ 280–316 нм непосредственно получена генерация на ионах церия. В непрерывном и импульсно-периодическом режимах мощность некоторых твердотельных лазеров может достигать величин более 10 4 Вт. Достаточно широко применяются лазеры на центрах окраски . Такие лазеры характеризуются сравнительно большой шириной спектральной линии люминесценции , что позволяет перестраивать их частоту (например, лазеры на кристаллах фторидов). В особый класс следует выделить перестраиваемые твердотельные лазеры на основе кристаллов александрита , легированного ионами хрома , и лейкосапфира , легированного ионами титана . В отличие от кристаллов рубина, где лазерный переход в ионах хрома является электронным, в кристалле александрита генерация осуществляется на электронно-колебательном переходе. При этом наибольшая эффективность генерации достигается при температурах выше комнатной. Особенностью этих кристаллов является широкая полоса люминесценции, что даёт возможность использовать их для создания лазеров, перестраиваемых по частоте в широком спектральном диапазоне, и для генерации очень коротких световых импульсов. Так, лазер на кристалле лейкосапфира с титаном может излучать импульсы длительностью примерно один период колебания электромагнитного поля. Для оптического диапазона это единицы фемтосекунд. В мощных лазерных системах на основе этого кристалла достигается пиковая мощность порядка 10 15 Вт. При фокусировке такого излучения в фокальном пятне получена плотность мощности излучения около 10 22 Вт/см 2 . Эксперименты с подобными сверхсильными полями должны привести к открытию новых квантовых электродинамических явлений, к возможности лазерного возбуждения ядер и к другим, трудно предсказуемым новым результатам. Методы нелинейной оптики позволяют достичь ещё более коротких импульсов (аттосекундные импульсы). Оказывается возможным реализовать одновременную генерацию большого числа гармоник основного излучения, при синхронизации фаз которых возникают импульсы с длительностью много меньше периода световых колебаний основного излучения.

Лазеры на керамике и полимерах

В конце 20 – начале 21 вв. появилась и успешно развивается технология прозрачной лазерной керамики , активированной трёхвалентными редкоземельными ионами. Лазерная керамика обладает химическим составом, аналогичным кристаллам, но может быть получена в недоступных монокристаллам больших объёмах, что принципиально важно для мощных лазерных систем. Уровень технологии позволяет получать образцы керамики, не уступающие кристаллам по своим оптическим, спектральным, механическим свойствам и мощности генерируемого излучения. Так, например, на керамике состава иттрий-алюминиевого граната с неодимом достигнуты мощности непрерывного излучения в десятки киловатт. Существуют также твердотельные лазеры, в которых в качестве активной среды применяется полимер , активированный специальным образом молекулами красителя.

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Идея волоконного лазера была высказана в начале 1960-х гг. Л. Спитцером и развита до промышленных масштабов российским учёным В. П. Гапонцевым . Широкое применение волоконных лазеров оказалось возможным только с реализацией диодной накачки. Активной средой в них служит сердцевина стекловолокна, активированная трёхвалентными ионами редкоземельных элементов. Рис. 2. Волоконные лазеры в Ганноверском лазерном центре (Германия). Рис. 2. Волоконные лазеры в Ганноверском лазерном центре (Германия). Накачка осуществляется лазерными диодами. Эти лазеры по сравнению с традиционными твердотельными лазерами обладают такими преимуществами, как эффективный теплоотвод, высокое качество выходного излучения, высокая стабильность, эффективность накачки, компактность и малая масса. Мощность непрерывного излучения достигает десятков киловатт. Волоконные лазеры перспективны для применения в технологических процессах, где используется непрерывное лазерное излучение. В качестве активаторов активных сред волоконных лазеров наиболее часто применяют ионы Yb \text Yb , хотя используются также ионы Nd \text Nd , Er \text Er , Ho \text Ho , Tm \text Tm . Создан волоконный лазер на ионах висмута, вторая гармоника излучения которого соответствует жёлтой части оптического спектра.

Полупроводниковые лазеры

Компактные полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры имеют наиболее массовое применение. Основополагающую роль в разработке лазера сыграли отечественные учёные. Впервые концепция полупроводникового инжекционного лазера была выдвинута Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым (1961). Они предложили для возбуждения излучения использовать рn-переход в полупроводнике при протекании через него электрического тока. Далее физика полупроводниковых лазеров интенсивно развивалась. Ж. И. Алфёров с сотрудниками разработал многослойные гетероструктуры , ставшие основой современных полупроводниковых лазеров – надёжных малогабаритных приборов с различными энергетическими, временны́ми и спектральными характеристиками. Рис. 3. Компактные полупроводниковые лазеры, применяющиеся в системах передачи, хранения и считывания информации. Рис. 3. Компактные полупроводниковые лазеры, применяющиеся в системах передачи, хранения и считывания информации. За разработку быстродействующих опто- и микроэлектронных устройств на основе гетероструктур Ж. И. Алфёрову и Г. Крёмеру была присуждена Нобелевская премия (2000). Полупроводниковые лазеры генерируют в широком диапазоне мощностей (от единиц микроватт до десятков ватт) и перекрывают широкий диапазон длин волн. Наиболее известны лазеры на соединениях элементов III \text III группы периодической системы ( Al \text Al , Ga \text Ga , In \text In ) и V \text V группы ( N \text N , P \text P , As \text As , Sb \text Sb ), например лазеры на GaN \text GaN с длиной волны генерации λ г ≈ 0,36 \text_≈\text λ г ​ ≈ 0,36 мкм, а также работающий при комнатной температуре лазер на тройном соединении InGaN \text InGaN с λ г ≈ 0,41 \text_≈\text λ г ​ ≈ 0,41 мкм. Широкое распространение получили работающие при комнатной температуре лазер на GaAs \text GaAs с областью перестройки λ г = 0,82–0,92 \text_=\text–\text λ г ​ = 0,82 – 0,92 мкм; известны лазеры на тройных соединениях AlGaAs \text AlGaAs ( λ г = 0,62–0,9 \text_=\text λ г ​ = 0,62–0,9 мкм) и InGaAs \text InGaAs ( λ г = 0,9–3,2 \text_=\text λ г ​ = 0,9–3,2 мкм) и на четверных соединениях InGaAsP \text InGaAsP ( λ г = 0,58–3,0 \text_=\text λ г ​ = 0,58–3,0 мкм). Используются также лазеры на соединениях PbS \text PbS ( λ г = 4,3 \text_=\text λ г ​ = 4,3 мкм), PbTe \text PbTe ( λ г = 6,5 \text_=\text λ г ​ = 6,5 мкм), PbSe \text PbSe ( λ г = 8,5 \text_=\text λ г ​ = 8,5 мкм), а также лазер на тройном соединении PbSSe \text PbSSe ( λ г = 4,3–8,5 \text_=\text λ г ​ = 4,3–8,5 мкм). Массовый выпуск полупроводниковых лазеров обусловлен их широким применением в волоконных линиях связи, в устройствах записи, считывания и хранения информации в компьютерах (рис. 2) и в бытовой технике, такой как DVD-проигрыватели и домашние кинотеатры. Полупроводниковые лазеры используются в качестве источников накачки твердотельных лазеров, что существенно расширило возможность последних и обеспечило им новый качественный уровень.

Газовые лазеры

Гелий-неоновый лазер

Газовые лазеры имеют много разновидностей. Наибольшую известность получил лазер на нейтральных атомах, в котором в качестве активной среды применяется смесь двух газов – гелия и неона ( гелий-неоновый лазер ). Генерация происходит на переходах атома Ne \text Ne на нескольких длинах волн (от 543,5 нм до 3,39 мкм); наиболее часто используется λ г = 632,8 \text_=\text λ г ​ = 632,8 нм. Возбуждение активной среды осуществляется непрерывным электрическим разрядом в газе. Выходная мощность излучения до 10 мВт. Рис. 4. Гелий-неоновый лазер. Рис. 4. Гелий-неоновый лазер. К газовым лазерам ИК-диапазона относятся лазеры на молекулах CO 2 \text_ CO 2 ​ и CO \text CO . Генерация происходит на колебательных переходах молекул в диапазоне λ г = 10,6 \text_=\text λ г ​ = 10,6 мкм для CO 2 \text_ CO 2 ​ -лазера и λ г = 5,09–6,66 \text_=\text λ г ​ = 5,09–6,66 мкм для CO \text CO -лазера. Эти лазеры могут работать в очень широком диапазоне давлений активной среды. Накачка может осуществляться и непрерывным, и импульсным электрическим разрядом. Выходная мощность излучения этих лазеров высокого давления в непрерывном режиме достигает нескольких сотен киловатт, а выходная энергия в импульсном режиме – нескольких десятков килоджоулей при длительности импульса 1 мкс. Типичный представитель ионных лазеров – лазер на ионах Ar \text Ar , переходы в которых возбуждаются непрерывным электрическим разрядом; λ г = 311–568,2 \text_=\text λ г ​ = 311–568,2 нм, основные длины волн излучения λ г = 488 \text_=488 λ г ​ = 488 нм и 514,5 \text 514,5 нм. Выходная мощность аргонового лазера может достигать нескольких десятков ватт. Генерация в эксимерных лазерах происходит при рекомбинации некоторых молекул в импульсном электрическом разряде. Длины волн генерации λ г = 353 \text_=353 λ г ​ = 353 нм для молекулы XeF \text XeF , λ г = 308 \text_=308 λ г ​ = 308 нм – для XeCl \text XeCl , λ г = 248 \text_=248 λ г ​ = 248 нм – для KrF \text KrF и λ г = 193 \text_=193 λ г ​ = 193 нм – для ArF \text ArF . Выходная энергия этих лазеров может достигать нескольких джоулей при длительности импульса менее 1 пс. Генерация лазеров на парáх металлов осуществляется в импульсном электрическом разряде, происходящем в смеси буферного газа (обычно He \text He ) и паров металла ( Cd \text Cd , Hg \text Hg ). На парáх Cu \text Cu и Au \text Au генерация может происходить без буферного газа. Длины волн генерации этих лазеров от 325 нм до 627 нм. Основной режим работы – импульсно-периодический; пары́ металла образуются вследствие нагрева разрядной трубки самим разрядом. Генерация азотного лазера происходит при возбуждении переходов в N 2 \text_ N 2 ​ импульсным электрическим разрядом; λ г = 337,1 \text_=\text λ г ​ = 337,1 нм. Накачка в газодинамическом лазере осуществляется вследствие неравновесного охлаждения сверхзвукового потока горячего газа после прохождения через сопло. Активная среда – смесь N 2 +CO 2 +He \text_\text_\text N 2 ​ +CO 2 ​ +He или N 2 +CO 2 +H 2 O \text_\text_\text_\text N 2 ​ +CO 2 ​ +H 2 ​ O . Генерация происходит на колебательном переходе молекулы CO 2 \text_ CO 2 ​ ; λ г = 10,6 \text_=\text λ г ​ = 10,6 мкм. Газодинамические лазеры имеют большую выходную мощность (порядка 100 кВт) и выходную энергию до 20 кДж на 1 кг сгоревшего топлива.

Химические лазеры

Действие этих лазеров основано на том, что при некоторых химических реакциях продукты реакции находятся в возбуждённом состоянии. Наиболее известны лазеры на HF \text HF ( λ г = 2,7–2,9 \text_=\text λ г ​ = 2,7–2,9 мкм), HD \text HD ( λ г = 3,6–4,2 \text_=\text λ г ​ = 3,6–4,2 мкм), кислородно-йодный лазер ( λ г = 1,315 \text_=\text λ г ​ = 1,315 мкм). Химические лазеры работают в квазинепрерывном режиме; их выходная мощность может достигать 1 МВт.

Жидкостные лазеры

К жидкостным лазерам относятся лазеры на растворах красителей и лазеры на жидкостях с ионами Nd \text Nd . Наиболее известные красители: стильбен ( λ г = 390 – 435 \text_=390–435 λ г ​ = 390–435 нм), кумарин 102 ( λ г = 460 – 515 \text_=460–515 λ г ​ = 460–515 нм), родамин 6G ( λ г = 570 – 640 \text_=570–640 λ г ​ = 570–640 нм). Накачка лазеров на красителях осуществляется с помощью импульсных ламп или излучения другого лазера. Проточные лазеры на красителях могут работать в непрерывном режиме. Активной средой лазера на жидкостях с ионами Nd \text Nd является апротонная кислота, в которую введены ионы Nd \text Nd . По своим характеристикам этот лазер близок к твердотельному лазеру с ионами Nd \text Nd . Однако вследствие больших искажений оптической среды под действием накачки его выходные параметры значительно ниже выходных параметров твердотельных лазеров. К началу 21 в. такие лазеры практически не используются.

Лазеры на свободных электронах

Принцип действия этих лазеров основан на том, что электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, при проходе через ондулятор начинает колебаться в направлении, перпендикулярном направлению движения, и излучать электромагнитную волну в малом телесном угле в направлении движения. Это излучение является когерентным. Его параметры зависят от продольной скорости электрона и шага (периода) ондулятора. Излучение лазера на свободных электронах можно перестраивать в очень широком диапазоне частот – от СВЧ-диапазона до гамма-диапазона. К началу 21 в. получено излучение в ИК-, видимом и мягком рентгеновском диапазонах. Хотя эти устройства и называют лазерами, таковыми в строгом смысле слова они не являются, поскольку не содержат дискретных уровней энергии, между которыми достигается инверсия населённостей. Их сходство с лазерами носит формальный характер.

Лазеры с ядерной накачкой

В лазерах с ядерной накачкой инверсия населённостей создаётся в плазме, возникающей при прохождении продуктов ядерных реакций через вещество. Такими продуктами могут быть осколки деления U \text U или Pu \text Pu в ядерных реакторах . Генерация излучения при накачке продуктами деления реализована на частотах от ближнего УФ-диапазона до ИК-диапазона в газовых активных средах: парáх металлов с гелием ( He–Cd \text He–Cd , He–Zn \text He–Zn , He–Ca \text He–Ca и др.), газовых смесях ( Ar–Xe \text Ar–Xe , He–Xe \text He–Xe , He–Ar \text He–Ar и др.). Наиболее короткая длина волны λ г = 373,7 \text_=\text λ г ​ = 373,7 нм получена в смеси паров Са \text Са с Не \text Не .

Рентгеновские лазеры

В качестве активной среды рентгеновских лазеров используется плотная горячая плазма, создаваемая лазерным излучением мощных лазеров оптического диапазона или при мощном электрическом разряде через капилляр. В таких условиях инверсия возникает на переходах многозарядных ионов. Генерация в рентгеновском диапазоне получена на ионах многих химических элементов: на водородоподобных ионах от С 5 + \text<С>^ С 5 + до Аl 12 + \text^ А l 12 + , на литиеподобных ионах от Аl 10 + \text^ А l 10 + до Si 11 + \text^ Si 11 + , на неоноподобных ионах от Ar 8 + \text^ Ar 8 + до Ag 37 + \text^ Ag 37 + и на никелеподобных ионах от Eu 35 + \text^ Eu 35 + до Au 51 + \text^ Au 51 + . Длины волн генерации составляют 3,6–47 нм. Особенность этого типа лазеров состоит в том, что в них не используется резонатор, а для получения генерации достаточно усиления в активной среде на одном проходе.

Гамма-лазеры

В гамма-лазерах планируется получать генерацию излучения на ядерных переходах. Эта проблема ещё далека от решения.

Применение лазеров

Создание лазера привело к появлению и развитию новых научных направлений в физике, биологии и медицине, новых технологий и др. Одна из старейших областей физики – оптика – приобрела новый облик, став нелинейной. Если в линейной оптике существует основополагающий принцип суперпозиции , означающий, что распространение электромагнитной волны в материальной среде не влияет на распространение другой электромагнитной волны, то в поле высокоинтенсивного лазерного излучения этот принцип нарушается. При этом возможна генерация оптических гармоник, разностных и суммарных частот, параметрическая генерация перестраиваемого по частоте излучения, самофокусировка света , обращение волнового фронта . В поле лазерного излучения получают квантовые перепутанные и сжатые состояния электромагнитного поля, которые используются в квантовой связи и квантовой теории информации . Возникла и бурно развивается волоконная оптика , которая стала не только новым научным направлением, но и промышленно-технологической отраслью. Волоконно-оптические линии связи резко изменили процессы передачи информации, многократно увеличив ёмкость каналов связи благодаря использованию высокой несущей частоты, лежащей в оптическом диапазоне. Разделом современной оптики стала интегральная оптика , разрабатывающая принципы и методы интеграции оптических и электронных устройств. Лазерная спектроскопия , включающая абсорбционную спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света, когерентное антистоксово рассеяние света , спектроскопию насыщения, значительно расширила и обогатила спектроскопические методы исследования вещества и точность спектрального анализа . Основой успеха применения лазеров в этой области явились уникальные свойства лазерного излучения, а именно: монохроматичность (чрезвычайно узкая спектральная ширина линии генерации), высокая интенсивность и малая угловая расходимость лазерного излучения, что резко повышает спектральное разрешение в абсорбционной спектроскопии, а в классической спектроскопии комбинационного рассеяния света позволяет регистрировать низкие колебательные частоты вещества. Новым чувствительным методом исследования стал метод когерентного антистоксова рассеяния света, позволяющий локально анализировать малые объёмы и малые концентрации исследуемого вещества. Уникальные свойства лазерного излучения позволили использовать его для лазерного разделения изотопов , инициирования химических реакций. Высокая когерентность лазерного излучения дала также толчок в развитии голографии . С появлением лазеров возникло новое научное направление в физике плазмы – физика лазерной плазмы , изучающая проблему лазерного термоядерного синтеза . Лазерная метрология привела к созданию уникальных квантовых стандартов частоты , эталонов времени. Лазер в медицине – самое гуманное применение одного из великих открытий 20 в. Создание лазера привело как к качественному изменению известных разделов медицины, так и к появлению новых. Особо следует отметить применение лазера в офтальмологии, нейрохирургии, урологии. Офтальмологическая лазерная система «Микроскан» для рефракционной хирургии на основе ArF \text ArF – эксимерного лазера с длиной волны излучения 193 нм – позволяет осуществлять коррекцию близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Коррекция зрения на одну диоптрию при частоте повторения импульсов 300 Гц обеспечивается за 5 с. Диапазон рефракционных операций – 14 D/8D. В практику офтальмологии вошли фемтосекундные лазеры, позволяющие осуществлять микроскопические разрезы внутри роговицы без повреждения её поверхностных слоёв, при этом прецизионность вмешательства обеспечивает отсутствие термического повреждения близлежащих слоёв ткани. Новой областью медицины стал метод флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии. Он заключается во введении в организм человека фотосенсибилизатора , селективно накапливающегося в опухоли, с последующим возбуждением его люминесценции с помощью лазера и установлении таким образом места локализации новообразования. Доступны практически все локализации опухолей как при поверхностном, так и при внутриполостном облучении. Фотодинамическая терапия осуществляется при увеличении мощности лазера. При этом за счёт эффекта переноса энергии происходит образование синглетного кислорода (сильного окислителя), что приводит к разрушению опухоли. Оптическая диагностика с помощью лазера начала применяться для навигации нейрохирургических операций, позволяющей повысить полноту удаления опухоли с сохранением окружающих здоровых тканей, улучшить состояние пациентов в послеоперационный период и предотвратить рецидивы. С помощью полупроводниковых лазеров осуществляется диагностика ранних форм рака слизистой оболочки рта. Полупроводниковые лазеры применяются также для анализа состава выдыхаемого воздуха, что также актуально для профилактики и диагностики социально значимых заболеваний. Разработаны новые лазерные методы лечения мочекаменной болезни , отличающиеся безопасностью воздействия на окружающие камень мягкие ткани, эффективностью при фрагментации камней любой локализации и разного химического состава, высокой скоростью фрагментации, отсутствием термического нагрева, возможностью фрагментации больших коралловидных камней, разрушение которых невозможно другими методами. Такие операции осуществляются с помощью лазерного хирургического комплекса «Лазурит», разработанного в Институте общей физики имени А. М. Прохорова РАН . Этот же комплекс позволяет проводить бескровные онкологические операции на кровенаполненных органах и осуществлять внутритканевую лазерную коагуляцию раковых опухолей. Лазерная локация, лазерная дальнометрия и лазерная гироскопия широко используются в военном деле, навигации, картографии. Лазерные технологии вышли за рамки лабораторных исследований и применяются в промышленности для резки и сварки материалов, обработки, очистки и упрочнения поверхности различных конструкций, формирования рельефов поверхностей твёрдых тел. Без лазеров немыслимо развитие нанотехнологий . Образовалось и стало бурно развиваться информационное общество (включающее интернет), основанное на использовании компьютеров, широкополосных сетей глобальной оптоволоконной, спутниковой связей и лазеров различных частотных диапазонов, мощностей и конструктивных особенностей. Широко используются лазерные методы передачи, хранения и обработки информации. В частности, в повседневную жизнь вошли лазерные записывающие устройства, лазерные принтеры и сканеры , музыкальные центры и домашние кинотеатры . Щербаков Иван Александрович

Опубликовано 4 июля 2023 г. в 13:13 (GMT+3). Последнее обновление 4 июля 2023 г. в 13:13 (GMT+3). Связаться с редакцией

Что такое длина волны лазера и за что она отвечает

Что такое длина волны лазера

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ), получившими название – лазер.

Длина волны лазера — это расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе.

Длина волны составляет около нескольких тысяч нанометров, чем ближе к ультрафиолетовой области, тем она короче. Может достигать сотен нанометров или даже меньше. Различные длины волн и частоты применяются в различных областях развития, принося новые прорывы в научно-техническое развитие.

Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).

  • Свет с длиной волны 400 нм выглядит фиолетовым;
  • свет с длиной волны 450 нм — синим;
  • оранжевый 585-620 нм;
  • длина волны 650-700 нм имеет красный цвет.

Длины волн света могут быть больше, чем длины волн видимого спектра. Эти длины волн, известные как инфракрасные, имеют размер от 700 нм до 1 миллиметра (мм). Инфракрасные длины волн, наиболее близкие к видимому свету, известны как ближний инфракрасный свет. Он имеет длину волны от 800 до 2500 нм.

В настоящее время одним из наиболее распространенных источников лазерного излучения являются лазерные диоды, длина волны которых определяется их конструкцией и материалами, используемыми для их изготовления. Лазерные диоды приводятся в действие электрическим током и преобразуют электрическую энергию в свет. Не все длины волн могут быть получены от лазеров с требуемыми параметрами, необходимыми для конкретного применения, такими как мощность или энергия. Когда требуются другие длины волн лазера, обычно используется тот или иной тип преобразования.

Цвет или длина волны излучаемого света зависит от типа используемого материала. Например, если в качестве материала используется кристалл неодим:иттрий-алюминиевого граната (Nd:YAG), то будет излучаться свет с длиной волны 1064 нм. Некоторые материалы и газы способны излучать более одной длины волны. Длина волны излучаемого света в этом случае зависит от оптической конфигурации лазера.

Диапазон видимого человеком спектра длин волн

Рис. 1. Диапазон видимого человеком спектра волн

Виды лазеров и их длина волны

Рабочее тело

Длина волны

Что является источником лазерного излучения

Лазер широко используются для различных целей. Существуют различные виды лазера, различаются по мощности, рабочей активной среде, способу работы или области применения. Примерами возможностей использования лазера являются резка материалов, измерение расстояний, косметические процедуры, удаление татуировок, запись и воспроизведение звуков и изображений, оптические телекоммуникации и многие другие. Столь многочисленные функции и постоянная модификация лазера говорят об их значительной роли в современном мире.

Опубликовано: 20-01-2023

Лазер — классификация в зависимости от используемой активной среды

Лазер – это акроним от анг. «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («Усиление света посредством вынужденного излучения»). Он работает, усиливая излучаемый свет, что создает излучение. Лазер дает электромагнитное излучение в диапазоне видимого ультрафиолетового или инфракрасного света. Работа лазера основана на вынужденном излучении, заключающемся в освещении возбужденных атомов излучением определенной энергии.

Наиболее общее разделение видов лазера основано на их классификации в зависимости от активной среды или длины волны излучаемого излучения. С учетом активной среды, присутствующей в лазере, различаются газовые, жидкостные и твердотельные виды лазера. Молекулы, атомы или ионы, входящие в состав такой среды, различаются по своей энергетической структуре. Она определяет наиболее важные параметры лазера.

Ниже приведены наиболее распространенные виды лазера в зависимости от используемой активной среды. В скобках указан диапазон длины излучаемой волны:

Газовый лазер

  • гелий-неоновый (543 нм или 633 нм)
  • аргоновый (458 нм, 488 нм или 514,5 нм)
  • азотный (337,1 нм)
  • криптоновый (647,1 нм, 676,4 нм)
  • на углекислом газе (10,6 мкм)

Жидкостный лазер

  • Лазер на красителях (400 нм — 700 нм)

Твердотельный лазер

  • Рубиновый лазер (694,3 нм)
  • Неодимовый лазер (YAG)
  • Неодимовый лазер на стекле
  • Эрбиевый лазер (YAG) (1645 нм)
  • Тулиевый лазер (YAG) (2015 нм)

Характеристики некоторых видов лазера

Аргоновый лазер

Аргоновый лазер относится к группе газовых ионных лазеров. Активную среду в этом случае образуют ионы аргона. Этот лазер может излучать более 30 линий в диапазоне от ультрафиолетового до красного света. Атомы аргона удерживаются в разрядной трубке при давлении около 0,1 Торр. Электроны, образующиеся во время разряда, сталкиваются с атомами аргона. Они могут непосредственно ионизировать и возбуждать их, переводя атомы из основного состояния в возбужденный ион. Другой, более эффективный процесс – двухступенчатая ионизация аргона. Образовавшийся таким образом ион затем переводится в еще более высокое возбужденное состояние, которое называется верхним лазерным уровнем. Это дает возможность генерировать более десятка спектральных линий с разными частотами.

Гелий-неоновый лазер

Гелий-неоновый лазер является примером газового лазера, построенного в 1959 году. Свет излучается в результате так называемой инверсии населенностей. Гелий и неон помещены в соотношении 10:1 (суммарное давление близко к 1,3 гПа) в трубке из кварцевого стекла. На ее концы подается напряжение, вызывающее разряды в газе. В результате внутри трубки образуется электростатическое поле. Это приводит к ускорению электронов и ионов до высоких скоростей. Поскольку внутри такого лазера больше атомов гелия, ускоренные электроны попадают на них гораздо чаще и вызывают их возбуждение в более высокие энергетические состояния, которые относительно стабильны в течение относительно длительного времени. Возбужденные атомы гелия, в свою очередь, сталкиваются с атомами неона и передают им энергию возбуждения. Для этого газа время возбуждения на более высоком уровне больше, чем на более низком, поэтому через некоторое время наступает так называемая инверсия населенностей.

Лазер на углекислом газе (молекулярный)

Такой вид лазера может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Активной средой в этом случае является смесь углекислого газа (CO2), азота (N2) и гелия (He) в объемном соотношении 1: 1,3 : 1,7. Каждая из них выполняет определенные функции. Углекислый газ является активным газом, в азоте происходят электрические разряды, которые обеспечивают энергию возбуждения, а гелий предназначен для стабилизации плазмы СО2 и рассеивания образующегося тепла. Электрические разряды, происходящие в смеси углекислого газа и азота, вызывают очень эффективное возбуждение молекул N2. Поскольку такая молекула имеет идентичные ядра, дипольный переход запрещен. Потеря энергии происходит только в результате столкновений. В случае, если в трубке молекулярного лазера находятся молекулы углекислого газа, то вследствие хорошего совпадения уровней возбужденных N2 и CO2 столкновения второго рода вызывают возбуждение молекул CO2 и возвращение в основное состояние молекул N2. В этом случае инверсия в смеси достигается гораздо легче, чем в чистом CO2.

Рубиновый лазер

Он был построен в 1960 году Теодором Майманом. Активным веществом, отвечающим за свойства рубинового лазера, является рубин (триоксид алюминия, Al2O3, в котором часть атомов алюминия заменена атомами хрома Cr 3+ ). Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, посылая излучение в диапазоне видимого красного света. Центральная часть лазера представляет собой рубиновый стержень с лампой-вспышкой над ним. Интенсивная вспышка света, исходящая от нее, переводит некоторые атомы рубина в более высокое энергетическое состояние. В свою очередь они, посылая фотоны, возбуждают таким образом другие атомы. С обеих сторон рубинового стержня расположены зеркала, усиливающие этот эффект. Одно из них является полупроницаемым, и фотоны, проходящие через него, представляют собой полученный луч лазерного света. В настоящее время рубиновый лазер представляет в основном исторический интерес. Его область применения ограничивается голографией или удалением татуировок.

Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях — и областях применения — физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

  1. со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
  2. с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
  3. с образованием «параллельного луча», который не расходится в стороны.

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Схематическое изображение идеальной волны

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение — это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово «лазер» относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер — это аббревиатура, которая расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения».

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Упрощенная схема рубинового лазера

Его основная часть — рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева — зеркало, которое полностью отражает свет, справа — зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу — это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии — энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор — являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Устройство лазера

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни — это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень — это основное состояние, а все остальные — возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение — это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E2 — E1. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

[2]

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин «длина когерентности». Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе — от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово «лазер». Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

[4]

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры — это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Список использованной литературы

  1. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник — Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
  2. В.А. Касьянов углубленный уровень физика 11 класс
  3. William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
  4. Генденштейн Лев Элевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 класс

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии, и могут только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию, излучая ее тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом поглощением. Инверсные системы атомов и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах. Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера. Именно от активной среды зависят основные характеристики лазеров — мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация) может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника. Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

  1. Активная рабочая среда;
  2. Источник энергии или система накачки;
  3. Устройство для усиления излучаемого света — система зеркал (оптический резонатор).

Основные виды лазеров

Газовые лазеры (СО2)

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность, то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

Жидкостные лазеры.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов — в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

Твердотельные лазеры.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время ~ 10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат, а активатором — ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок. Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ : Nd (лазер на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом) достигает 0,5 — 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *