Реферати українською » Физика » Лазерна технологія


Реферат Лазерна технологія

Страница 1 из 7 | Следующая страница

ПЛАН

 

1. Історія відкриття

2. Принцип роботи лазера

2.1 Сутність явища посилення світла

2.2 Активні речовини

2.3Резонатори

2.4Устройства накачування

3. Застосування лазерів

3.1Термоядерний синтез

3.2Лазери в технології

3.3Лазери в авіації

3.4Лазери у дослідженні атмосфери і океану

3.5Лазери до медицини

3.6 Лазерна локація і зв'язок

Укладання

Література

 


1. ІСТОРІЯОТКРЫТИЯ

 

>Лазери – це джерела когерентного оптичного випромінювання, принцип дії яких грунтується на використанні явища індукованого випромінювання. Слово «лазер» є абревіатуру англійської фрази «LightAmplificationbyStimulatedEmission ofRadiation», перекладної посилення світла результаті вимушеного випромінювання. Гіпотеза про існування вимушеного (індукованого) випромінювання пролунала в 1917 р. А. Ейнштейном. У 1940 р. професор Московського енергетичного інституту У. А.Фабрикант сформулював умови, і під час яких можна знайти індуковане випромінювання, а 1951 р. він разом із М. М.Вудинским і Ф. А.Бутаевой отримав авторське свідчення на засіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, котре генерує електромагнітні коливання з урахуванням використання явища індукованого випромінювання в НВЧ діапазоні, було створене 1953—1954 рр. М. Р.Басовим й О. М.Прохоровим у СРСР і групою Ч.Таунса США.

У 1958 р. А. М. Прохоров у СРСР, а США Ч.Таунс й О.Шавлов показали зокрема можливість використання індукованого випромінювання до створення генераторів когерентного оптичного випромінювання — лазерів. У 1959 р. М. Р.Басову й О. М.Прохорову за розробку нового принципу генерування і через посилення електромагнітних коливань й створення з урахуванням цього принципу НВЧ генераторів і підсилювачів присуджували Ленінська премія, а 1964 р. що з Ч.Таунсом — Нобелівську премію із фізики за дослідження у сфері квантової електроніки.


2. ПРИНЦИП РОБОТИЛАЗЕРА

 

2.1 Сутність явища посилення світла

 

Для сутності цього явища потрібно понад докладно вивчити елементарні акти взаємодії електромагнітного випромінювання з атомної системою. Розглянемо для простоти дворівневу систему, т. е. атоми, які мають двома енергетичними рівнями Є1 та О2 21). Нехай N1— число атомів в одиниці обсягу речовини, що є на нижньому енергетичному рівні Є1, а N2 —- на верхньому рівні Є2. Тоді, у результаті взаємодії електромагнітної хвилі з атомами речовини відбуватимуться зміни її інтенсивності, зумовлені такими елементарними процесами.

>Винужденнное поглинання фотонів частоти V12=(E2-E1)/>h=V0, що відбуватиметься зі швидкістю

>dN1/>dt=B12>p(v)N1,

де B12 коефіцієнтЭнштейна, такий, що B12>p(v) – ймовірність цього вимушеного переходу, а >p(v) – спектральна щільність енергії хвилі.

Спонтанний випромінювання атомів, у якому вони спонтанно переходять із верхнього порушеної стану Є2 до рівня Є1. кількість цих переходів в одиницю часу дорівнюватиме

>dN>2сп/>dt=A21N2,

де A21 — коефіцієнт Ейнштейна. Оскільки ці переходи відбуваються у результаті внутрішніх про причини і статистично незалежні, то спонтанне випромінювання носить теплової характері і стосовно зовнішньому електромагнітному полінекогерентним.

Вимушене, чи індуковане, випромінювання фотонів частоти v21=v0, у якому атоми переходять із порушеної верхнього стану Є2 на нижнє Є1 під впливом зовнішнього світлового поля. Швидкість цього процесу буде

>dN>2вин/>dt=B21>p(v)N2.

Головною рисою цих переходів і те, що випромінюваний під впливом зовнішнього поля квант повністюкогерентен з цим полем, т. е. має таку ж частоту, фазу, поляризацію й поширюється з такого самого напрямку. Отже, вимушене випромінювання є когерентним стосовно зовнішньому полю.Вероятностние коефіцієнти Ейнштейна, B21 і B12 пов'язані між так:

B12=B21, A21=(>8п>hv3/з3)*B12.

У умовах середовищ, близьких рівноваги, має місце ослаблення аналізованої хвилі згідно із закономБугера: I=I0e->kx, N1>N2, >k<0, тобто. відбувається вимушене (позитивне) поглинання. Якщо середовищі створити умова N2>N1, то цьому випадку >k>0 і середовище посилюватиме яка стелиться хвилю, тобто. спостерігатиметься негативне поглинання.Среди, які мають виконується ця умова, називаються середовищами з інверсієюзаселенности чи активними середовищами.

Коли умовах інверсіїзаселенности рівнів електрон переходить на нижній рівень, випускаючи фотон, то останній, проходить через безліч те, які порушених атомів і може викликати випромінювання фотона в якого- або їх. Обидва фотона переміщаються щодо одного й тому самому напрямку і при цьому воникогерентни. Кожен із цієї пари фотонів може повторити хоча б процес, і крізь дуже недовго завдяки свого роду ланцюгову реакцію утворюється фотонна лавина, коли всі фотони мають один, і тугіше частоту, все рухаються щодо одного напрямку і все оптичнокогерентни. Ця лавина фотонів то, можливо значно посилено з допомогою одного оптичного трюку. Якщо всієї системи розмістити у резонатор (між двома в повному обсязі що відбивають дзеркалами), то високого рівнякогерентний і спрямований світло буде багаторазово проходити всередині області інверсієюзаселенности. Оскільки швидкість світла дуже великий, весь процес багаторазового відображення світла з постійно наростаючою інтенсивністю відбувається поза дуже малий проміжок часу, за дотримання необхідних умов дуже інтенсивний і дуже короткочасний світловий імпульс, у якого скоєно особливі властивості. Лазерні промені суворомонохроматични ікогерентни, мають дуже малу кутовурасходимость, мають величезну потужність випромінювання.

Отже, щоб одержати лазерного випромінювання необхідно мати частки, у яких може бути створенаинверсная заселеність, резонатор і пристрій, що забезпечує отримання інверсного стану. Частинки, у яких може бути створенаинверсная заселеність, називають активними речовинами лазера. Сукупність ж елементів, які забезпечують отриманняинверснойзаселенности, називають пристроєм чи системою накачування.

 

2.2 Активні речовини

 

Нині як активних речовин лазерів використовуються тверді тіла, напівпровідники, рідини, гази. Відповідно до цим розрізняють твердотільні лазери, т. е. лазери, у ролі активного речовини використовуються діелектричні кристали чи скла з додатком активних частинок; рідинні лазери, які мають активну речовину перебуває у рідкому стані; напівпровідникові лазери газові лазери, активними частинками яких може бути атоми, іони чи молекули власне газів чи пари металів.

Активне речовина твердотільних лазерів і двох основних компонентів: матриці і активатора. Енергетичні рівні атомів в кристалі від рівнів вільних атомів, бо в атом в кристалі впливають електричні і магнітні поля оточуючих атомів. Це спричиняє розщеплення рівнів, появі підрівнів й у кінцевому підсумку, енергетичних смуг. Найбільше розширення відчувають рівні зовнішніх електронів, оскільки внутрішні електрони екрануються від впливу полів сусідніх атомів зовнішніми електронними оболонками. Як матриці використовуються діелектричні кристали, заборонена зона які зазвичай становить кілька електрон-вольт. Тому чиста кристалічна основа є абсолютно безбарвної та прозорої середовищем. Введення ЄІАС у кристалічну основу іонів активатора призводить до появи вактивированном кристалі областей селективного поглинання і спонтанної люмінесценції (центрів забарвлення). Іони активатора заміщають іони основи, тому радіус іона активатора повинен практично збігатися з радіусом іона матриці. Чим точніше це геометричне відповідність, тим вищі концентрації іонів активатора основу можна досягти не мають відчутних оптичних дефектів. Атом активатора в кристалічною основі повинен мати метастабільний з великим часом життя і вузької лінією люмінесценції (шириною лише кілька див-1). Чим більший тривалість життя верхнього рівня лазерного переходу і що менше ширина його лінії, тим менше потужність накачування, коли він досягаєтьсяинверсная населеність.Ширина ліній люмінесценції і їхня кількість мали бути зацікавленими мінімальними також і збільшення квантового виходу люмінесценції, т. е. відносини числа фотонів, спожитих активним речовиною на частоті накачування, до фотонів, випромінюваних даним активним речовиною на частоті лазерного переходу. Квантовий вихід характеризує, зрештою, ефективність перетворення поглиненоїнекогерентного злучения в когерентний. Зазначеним вище вимогам відповідаютьактиноидние (U —уран), рідкісноземельні (>Nd,Pr,Sm,Eu,Tb,Dy, Але,Er,Tu,Yb) і пояснюються деякі перехідні (>Сг, З,Ni) метали. Мала ширина спектральних ліній У цих атомів пояснюється лише тим, що лазерні переходи вони відповідають переходами електронів в глибоко лежачих шарах, добреекранированних від впливу зовнішнього поля кристалічною грати.

Властивості активного речовини визначаються як активатором, а й матрицею. Матриця повинна бути прозорою, т. е. не мати ні власного, ніпримесного поглинання на частоті генерації, мати високу оптичну і механічну однорідність, теплопровідність, твердість, термічну і хімічну стійкість. Як матриць активних речовин широко використовуються:

— простіоксидние кристали з упорядкованою структурою (рубін А12Про3:Сг3+;иттрий-алюминиевий гранат, активованенеодимом, Y3>Al5>O12:Nd3+; вольфрамат кальцію, активованенеодимом, та інших.);

— змішаніфторидние кристали зразупорядоченной структурою (>CaF2 —SrF2:>Nd13+;BaF2 — GdF3:Nd3+ та інших.);

—оксидние лазерні кристали зразупорядоченной структурою (>Lr02 — Y203:Nd3+;Na5N (>WO4):Nd3+ та інших.);

— лазерні скла.

У лазерні скла іони активатора входять не як іони, ізоморфно які заміщають катиони грати, бо як компоненти скла.Стекла мають незаперечні переваги перед кристалічними основами. Вони виготовляються з дешевого сировини, прості у виробництві та не можуть вироблятися масово із наперед заданими івоспроизводимими властивостями. З шибок просто виготовити вироби розмірів і форми за збереження високої однорідності складу і ізотропність властивостей. Однією з найбільш важливих їх переваг є можливість запровадження активатора в практично будь-яких концентраціях. Так, концентраціянеодима в склі сягає 3—4%, тоді як концентрація хрому в рубіні має перевищувати сотої частки відсотка.

Робітники схеми активних речовин твердотільних лазерів поділяються на трьох- ічетирехуровневие. За якою з схем працює даний активний елемент, судять по різниці енергій між основним і нижнім робітниками рівнями. Чим більший ця різниця, тим за більш високих температур можлива ефективна генерація. Приміром, у іонаСг3+ основне стан характеризується двомаподуровнями, відстань між якими становить 0,38 див-1. Під час такої різниці енергій навіть за температурі рідкого гелію (~>4К) заселеність верхньогоподуровня лише з ~13°/0 менше нижнього, т. е. вони заселені однаково, отже, рубін — активну речовину з трирівневої схемою за будь-якої температурі. У іонанеодима ж нижній лазерний рівень для випромінювання при =1,06мкм розташований на 2000 див-1 вище основного. Навіть якби кімнатної температурі на нижньому рівні іонівнеодима в 1,4 -104 разів менша, ніж основному, й активні елементи, у ролі активатора використовуєтьсянеодим, працюють за чотирирівневої схемою.

Напівпровідникові активні речовини вирізняються тим, що мені використовуються оптичні переходи між станами в електронних енергетичних зонах, т. е. в оптичних переходах беруть участь вільні носії струму (електрони і дірки). З іншого боку, в напівпровідникахизлучательние переходи можуть бути також рахунок домішкових центрів - іекситонов. (>Экситоном називається елементарне електрично нейтральне порушення, має характерквазичастици в напівпровідниках і діелектриках). Якщо енергія порушення менше ширини забороненої зони, то, при переході електрона з валентною зони до зони провідності може утворитися пара електрон — дірка. Електрон і дірка, що утворюють таку пару, що неспроможні переміщатися незалежно, а перебувають у пов'язаному стані електрично нейтральнійквазичастици —екситона.Экситони мають зонний енергетичний спектр, цілий спін. Їм приписують квантові числа.

Найбільш простими й наочними є переходи «зона — зона», коли перехід із зони провідності в валентну зону приміром із випромінюванням фотона, а зворотний — з поглинанням.

Під впливом накачування електрон переходить з валентної зони до зони провідності, й утворюється пара електрон — дірка. Як і кожна система, електрон і дірка прагнуть посісти становище, відповідне мінімальної енергії, тому електрон прагне зайняти дозволене становище біля дна зони провідності, а дірка — біля стелі валентною зони. Практично в усіх напівпровідників стани в дна зони провідності єметастабильними, й у відношенні можуть вважатисячетирехуровневими системами.

Для напівпровідників, легованихводородоподобними атомами (наприклад, атомом цинку в арсеніді галію), характерні переходи «зона — домішка». Атоми домішки швидко захоплюють надлишкові носії з близька до ним зони, отже швидкість рекомбінації через домішка можна порівняти зі швидкістюмежзонной рекомбінації, і здійснюється між рівнем домішки і зоною власне напівпровідника. Що стосується сильного легування рівніуширяются, енергія іонізації зменшується й у межі рівні повністю зливаються зі своєю зоною.Ширина забороненої зони у своїй зменшується, а довжина хвилі генерованого випромінювання збільшується.

>Излучательние переходи можливі й вдонорноакцепторних парах, т. е. можливі переходи міжводородоподобними домішками в обох країв забороненої зони. Такі переходи походять з великим квантовим виходом, але де вони досить яскраво виражені тільки услаболегированних напівпровідниках.

Дополупроводниковимлазерам відносять зазвичай і лазери на твердих розчинах родинних сполук, що їх називають лазерами з урахуваннямгетеропереходов. Ці розчини цікаві, передусім, тим, що з змішуванні сполук з типом грати можна було одержати безперервний ряд твердих розчинів з безперервним зміною ширини забороненої зони, отже, і довжини хвилі лазерного випромінювання.

У рідинних >лазерах як активного речовини використовують:

— розчинидикстонатов рідкісноземельних елементів (>европия,тербия чинеодима) в органічних барвниках;

— розчини неорганічних сполук рідкісноземельних елементів;

— барвники — складні органічні сполуки, які мають інтенсивними смугами поглинання в видимої і ультрафіолетової областях спектра. У рідиннихлазерах зредкоземельними елементами лазерне випромінювання виникає на переходах з метастабільних рівнів іонів цих елементів. Порушення активного іона вметаллоорганичеокой рідини відбувається внаслідок внутрімолекулярної передачі енергії від органічної частини комплексу до іону.

У неорганічні розчинники нині вводяться лише один активний елемент —неодим. Генерація йде з чотирирівневої схемою. Випромінення накачування поглинається власними смугами поглинання іонанеодима. Як розчинника часто використовуютьдвухкомпонентние сумішіоксихлоридов селену (>SеОС12) і фосфору (>РОС13) згалогенидами елементів III, IV і V груп.

Найефективнішими лазерними матеріалами на органічних барвниках єкумарини,фталимиди, похідніокзасола ідиозола,ксантеновие,полиметиновие іоксазиновие барвники. Активним речовиною у яких виступає барвник, а матрицею — розчинник. Спектр генерації органічних барвників без селекції типів коливань зазвичай становить 5—20 нм.Введением селективних елементів можна звузити спектр лазерного випромінювання до 0,05—1 нм без істотне зменшення вихідний потужності і здійснювати перебудову довжини хвилі випромінювання щодо одного й тому самому розчині не більше десятків нанометрів. Перебудова ширшому діапазоні можлива шляхом зміни концентрації та складу розчину барвника.

У рідких лазерних середовищах можна досягти велика концентрація активних частинок, що дає змогу отримувати, як і й улазерах на твердому тілі, великі енергії і випромінювання з одиниці обсягу активного речовини. У рідинах відсутні постійні напруги, структурні неоднорідності і включення, унаслідок чого їх оптичні характеристики за обсягомизотропни і постійні, який сприяє отриманню випромінювання з високим

Страница 1 из 7 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація