Реферат Лазеры

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Лазер (анг. laser, сокр. від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «посилення світла у вигляді вимушеного випромінювання»), оптичний квантовий генератор – пристрій, перетворююче енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та інших.) в енергію когерентного, монохроматического, поляризованого і вузькоспрямованої потоку випромінювання.

Існують лазери з довжинами хвиль від ультрафіолетових до інфрачервоних, а потужність лазерів може варіюватися від кількох основних часткою мілівата для медичних застосувань до кіловат – для лазерів, застосовуваних промисловості.

Пристрій лазера

Лазер складається з джерела енергії (механізм «накачування), активної середовища проживання і системи дзеркал (резонатора).

Джерелом енергії то, можливо електричний розрядник, імпульсна чи дуговая лампа, інший лазер, хімічна реакція тощо.

Активной середовищем то, можливо газ (вуглекислий, аргон, криптон) чи суміш газів (гелий-неон чи ксенон хлор), рідина (барвник), пари металу (мідь, золото), твёрдые тіла (кристали, скло), напівпровідники та інших.

З практичного погляду лазер – це - джерело світла, який випускає вузький пучок світла. Цей пучок світла має певну довжину хвилі й поширюється з маленької расходимостью.

Усередині лазера енергія збуджує «активну середу», яка випромінює енергію як світла.

Активна середовище містить більше атомів в порушену стані, ніж атомів з нижчим рівнем енергії. Світлова хвиля формується, коли атом з «порушеної» стану, де зараз його містить певну кількість енергії, перетворюється на інше стан із меншою кількістю енергії. Різниця в енергії між двома рівнями відповідає енергії испускаемой хвилі.

Гігантська кількість атомів випромінюють узгоджено, внаслідок виникає внутрішньо упорядкований світловий потік. Це є когерентный світло.

Излучённая активної середовищем світлова хвиля з певній енергією відбивається від дзеркал (резонатор) і знову повертається у активну середу знову порушуючи нові атоми. Цей триває процес і світловий пучок сильнішає й сильніша. Хвиля може відбиватися багаторазово досі волі. Зазвичай використовується частково прозоре дзеркало з однією з сторін, щоб забезпечити вихід необхідної частини лазерного променя.

Оптический резонатор, найпростішої формою якого є дві паралельних дзеркала, перебуває навколо робочого тіла лазера.

У складних лазерах застосовуються чотири континенти і більш дзеркал, їхнім виокремленням резонаторів.

Фізичні основи роботи лазера

Спонтанні і мусять переходи.

Відповідно до класичним уявленням, випущення і поглинання електромагнітного випромінювання кількісно пов'язують із уповільненням і прискоренням електричні зарядів. Наприклад, процес спонтанного випущення супроводжується поступовим витратою початковій енергії осциллятора на випромінювання протягом певного проміжку часу, кількісної характеристикою якого є зване тривалість життя t. Через війну випромінювана потужність зменшується згодом за експонентою і розсіюється у просторі у вигляді сферичних хвиль.

У квантової теорії мають справу зі стаціонарними станами, а елементарні акти поглинання і випущення передбачаються що відбуваються миттєво. Ейнштейн запропонував процес випромінювання чи поглинання характеризувати ймовірністю, чи численным коефіцієнтом, що визначає, скільки переходів відбувається у середньому у одиницю часу з кожним із атомів даного ансамблю. Вероятности, отримані з досвіду, є емпіричними постійними атомних процесів, знання яких і було дозволяє чисельно описати поведінка даної сукупності атомів. Квантова механіка дає можливість, з будівлі атома, обчислити значення цих коефіцієнтів.

Испускание то, можливо спонтанним (що відбувається за відсутності впливу зовнішнього випромінювання) і вимушеним (які у результаті зовнішнього випромінювання). Поглиненна завжди є вимушеним процесом.

Нехай є два рівня, містять однакові частки, які можуть опинитися випускати фотони частоти n ik.

Відповідно до постулатам Ейнштейна, число спонтанних переходів в одиницю часу у одиниці обсягу з верхнього рівня на нижній пропорційно кількості частинок на вихідному рівні.


Співвідношення суворо виконується, якщо елементарні процеси незалежні, що у вона найчастіше бачимо.

визначає число спонтанно испускаемых в одиницю часу фотонів частоти n ik для одну збуджену частку з енергією Ei. Тому цей коефіцієнт називається ймовірністю спонтанного випущення, чи коефіцієнтом Ейнштейна для спонтанного випущення.

Кількість фотонів, спожитих в одиниці обсягу за одиницю часу, також пропорційно населеності вихідного (нижнього) рівня життя та ще залежить від щільності падаючого випромінювання r на даної частоті (енергії фотонів в одиниці обсягу).

  – це Эйнштейновский коефіцієнт поглинання. Можливість поглинання дорівнює.

Аналогічно визначається число фотонів у разі вимушеного випромінювання, испускаемых за одиницю часу щодо переходу з верхнього рівня на нижній під впливом зовнішнього випромінювання.


Цей коефіцієнт називається Эйнштейновского коефіцієнта для вимушеного випромінювання. Можливість переходу дорівнює

Якщо ні виродження енергетичних рівнів, то ймовірності змушених переходів з випромінюванням і поглинання кванта рівні. Це означає, що фотон з однаковою імовірністю може індукувати випромінювання або бути поглинеться.

У стані теплового рівноваги високі енергетичні рівні мають меншу населеність, ніж низькі, тому акти поглинання відбуваються набагато частіше, ніж акти індукованого випущення. Загальний енергетичного балансу підтримується з допомогою спонтанного випромінювання.

Що стосується спонтанних процесів випущення фотонів відбувається у в будь-якому напрямку, а вимушене випущення – у бік поширення падаючого на частку випромінювання.

Історія

Історія винаходи лазера почалася 1916 року, коли Альберт Ейнштейн створив теорію взаємодії випромінювання з речовиною, де простежувалася думку про можливість створення квантових підсилювачів і генераторів електромагнітних хвиль.

У 1928 року, Ланденбург, сформулював умови виявлення індукованого випромінювання, зазначаючи, що задля цього необхідно спеціальне виборче порушення квантової системи.

У 1955 року Микола Басов і Олександр Самсонович Прохоров розробили квантовий генератор – підсилювач мікрохвиль з допомогою індукованого випромінювання, активної середовищем якого є аміак.

А 1958 році життя Олександр Прохоров використовував до створення лазера резонатор Фабри-Перо, являє собою два паралельних дзеркала, одна з яких полупрозрачно.

Перший працюючий лазер було зроблено Теодором Майманом в 1960 року у дослідницької лабораторії компанії Х'юза (Hughes Aircraft), що була в Малибу, штат Каліфорнія з допомогою груп Таунса з Колумбійського Університету і Шалоу з американської компанії Bell laboratories. Майман використовував рубіновий стрижень з імпульсної накачуванням, який давав червоне випромінювання із довжиною хвилі 694 нанометра. Приблизно водночас іранський фізик Алі Яван представив газовий лазер. Пізніше про роботу він отримав премію імені Альберта Ейнштейна.

У тому ж року доктор Леон Голдман вперше використовував рубіновий лазер для руйнації волосяних фолікулів.

Революційні досягнення лазерних технологій було неможливо залишити поза увагою галузі естетичної медицини й у 1964 року був изобретён лазер на диоксиде вуглецю (СО2 – лазер) для хірургічних цілей. Відтоді лазерна косметологія почала розвиватися великими темпами.

У1983 р. Андерсон і Парриш запропонували метод селективного фототермолиза, який грунтується на здібності биотканей вибірково поглинати світлове випромінювання певної довжини хвилі, що зумовлює їх локальної деструкції. При поглинанні основними хромофорами шкіри – водою, гемоглобіном чи меланином – электромагнитная енергія лазерного випромінювання перетворюється на тепло, що викликає нагрівання і коагуляцию хромофоров. У цьому одночасно відбувається охолодження нагрітого ділянки тканини з допомогою теплопровідності, тобто. тепло переходить з більш теплого ділянки до більш холодного. Отже, щоб преобразовавшаяся теплова енергія накопичувалася тільки у обраному для руйнації хромофоре, активний нагрівання мішені має відбуватися швидше, ніж її пасивне охолодження.

Властивості лазерного випромінювання

На відміну від, теплових джерел випромінювання лазер дає світло, у якого цілу низку особливих і дуже цінних властивостей.

1. Лазерное випромінювання когерентно та практично монохроматично. До появи лазерів цією властивістю мали лише радіохвилі, випромінювані добре стабилизированным передавачем. І це дозволило освоїти діапазон видимого світла реалізації передачі та зв'язку, цим істотно збільшивши кількість переданої інформацією одиницю часу.

Через те, що вимушене випромінювання поширюється суворо вздовж осі резонатора, лазерний промінь розширюється слабко: його расходимость становить кілька кутових секунд.

Усі перелічені якості дозволяють фокусувати лазерний промінь в пляма надзвичайно малого розміру, одержуючи у точці фокусу величезну щільність енергії.

2. Лазерное випромінювання великої потужності має величезну температуру.

Зв'язок між енергією рівноважного випромінювання E даної частоти n та її температурою T задає закон випромінювання Планка. Залежність між тими величинами має вигляд сімейства кривих в координатах частота (по абсциссе) – енергія (по ординате). Кожна крива дає розподіл енергії в спектрі випромінювання при певної температурі. Лазерное випромінювання неравновесно, але, тим щонайменше, підставивши в формулу Планка значення його енергії E в одиниці обсягу й частоти n (чи відклавши їх значення на графіці), ми матимемо температуру випромінювання. Оскільки лазерне випромінювання практично монохроматично, а щільність енергії (її кількість в одиниці обсягу) то, можливо надзвичайно велика, температура випромінювання здатна досягати величезної величини. Приміром, імпульсний лазер потужністю порядку петаватта (1015 Вт) має температуру випромінювання близько 100 мільйонів градусів.

Методи створення інверсії населённости.

До сформування активної Среды необхідно виборче порушення атомів, що забезпечує переважне заселення однієї чи кількох рівнів енергії. Однією з найпростіших і найефективніших методів є метод оптичної накачування, який використали у першому Л. на рубіні. Рубін є кристал окису алюмінію Al2O3 з додатком (~ 0,05%) іонів Cr3+, заміщуючих атоми Al. Рівні енергії іона Cr3+ в рубіні. Поглиненна світла, відповідного синьої і зеленої областям спектра, переводить іони Cr3+ з основного рівня E1 на возбуждённые рівні, що утворюють дві широкі смуги 1 і 2. Потім за порівняно мале час (~ 10–8 сек) здійснюється безызлучательный перехід цих іонів на рівні E2 і . Надлишок енергії у своїй передається коливань кристалічною ґрати. Час життя іонів Cr3+ на рівнях E 2 і як 10–3 сік. Тільки через цього часу іони знову повертаються на основний рівень E1. Переходам E2® E1 і ® E1 відповідає випромінювання у червоній області спектра. Якщо висвітлювати кристал рубіна світлом джерела, який володіє досить великий інтенсивністю у синьому і зеленої областях спектра (смуги накачування), це відбувається накопичення іонів Cr3+ на рівнях E2 й виникає інверсія населённостей цих рівнів стосовно основному рівню E1. Це й дозволило створити Л., працюючий на переходах E2® E1 і ® E1, генеруючий світ із довжиною хвиль l " 0,7 мкм.

До сформування інверсії населённостей рівнів E2, щодо E1 необхідно перевести понад половину іонів Cr3+ на рівні E2, під час, не що перевищує 10–3 сік. Це пред'являє великі вимоги до потужності джерела накачування. Як таких джерел використовуються імпульсні ксеноновые лампи. Тривалість імпульсу накачування зазвичай ~ 10–3 сік. Упродовж цього терміну у кожному см3 кристала поглинається енергія на кілька дж.

Метод оптичної накачування має кількома перевагами. По-перше, він застосуємо для порушення середовищ з великою концентрацією частинок (твёрдые тіла, рідини). По-друге, його порушення дуже селективен. Так було в рубіні переважно поглинається лише не та частина спектра випромінювання ламп накачування, яка відповідальна за порушення іонів Cr3+. Все інше випромінювання потрапляє у область прозорості й поглинається щодо слабко. Тому ставлення повної енергії, вкладеній у одиницю обсягу робочого речовини, до корисною енергії, витраченої створення инверсной населённостей рівнів, переважно визначається особливостями використовуваної системи рівнів. Решта втрати енергії зведені до мінімуму. У рубіні втрачається лише не та частина енергії, яка йде на порушення власних коливань кристалічною ґрати внаслідок безызлучательных переходів. Зменшення паразитних втрат енергії істотно зменшення теплових навантажень речовини. Удельная енергія імпульсу генерації в твердотільних Л. сягає кількох дж від кожної см3 речовини. Приблизно стільки ж енергії залишається у робочому речовині. Для одноатомного газу при атмосферному тиску енергія один дж відповідає температурі 10000 До. Для твердого тіла, внаслідок великий теплоёмкости, виділення енергії ~ 1 дж/см3 дає нагрівання упродовж десятків градусів. Недоліком методу оптич. накачування є малий ккд. Ставлення енергії імпульсу Л. до електричної енергії харчування лампы-накачки у разі вбирається у кількох% через неповного використання спектра ламп накачування (~ 15%) і внаслідок втрат на перетворення електричної енергії в світлову лише у лампах.

Велике поширення отримав метод створення активної середовища у електричному розряді у різних газах. Можливості отримання з допомогою цього імпульсів генерації великий енергії обмежуються переважно малої щільністю робочої середовища; інверсію населённостей легше отримати у порівняно розріджених газах. Однак це метод дозволяє вживати як активної середовища Л. найрізноманітніші атомні і молекулярні гази й їхні суміші, і навіть різні типи електричних розрядів в газах. З'ясувалося можливим створити Л., працюють у інфрачервоної, видимої і ультрафіолетової областях спектра. З іншого боку, порушення в електричному розряді дозволяє реалізувати безперервний режим роботи Л. з великим ккд перетворення електричної енергії в енергію випромінювання Л. (див. Газовий лазер).

У найбільш потужному газоразрядном Л. безперервного дії на суміші молекулярних газів CO2 і N2 (з додаванням низки ін. компонентів) механізм освіти інверсії населённостей ось у чому: електрони газоразрядной плазми, ускоряемые електричним полем, при зіткненнях збуджують коливання молекул N2. Потім у результаті сутичок возбуждённых молекул N2 з молекулами CO2 відбувається заселення однієї з коливальних рівнів CO2, як і забезпечує виникнення інверсії населённостей. Усі стадії цього процесу виявляються дуже ефективними, і ккд сягає 20–30%.

Надалі стало можливим створити газодинамический лазер на суміші CO2 і N2, у якому газова суміш нагрівається до температури Т ~ 2000 До, формується надзвуковою потік, який, виходячи з сопла, розширюється й цим швидко охолоджується. Через війну швидкого охолодження виникає інверсія населённостей робочих рівнів CO2 (див. Газодинамический лазер). Кпд перетворення теплової енергії в випромінювання газодинамического Л. невеликий (~ 1%). Проте газодинамические Л. дуже перспективні, т. до., по-перше, у разі полегшується завдання створення великогабаритних Л. великої потужності і,

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація