Реферати українською » Физика » Лазерна технологія


Реферат Лазерна технологія

рівнем просторової когерентності й направленості. У рідиннихлазерах не виникають необоротні руйнації активного речовини на великихплотностях енергії.

До вад рідких лазерних матеріалів слід віднести високі значення температурних змін коефіцієнта заломлення, що зумовлює появі значних оптичнихнеоднородностей і погіршеннягенерационних характеристик. При великихплотностях лазерного випромінювання необхідно вважатися і з думок нелінійних ефектами.

Газові активні середовища лазерів істотно відрізняються від описаних вище тим, які дозволяють генерувати випромінювання широтою діапазону довжин хвиль (відваккумной ультрафіолетової області до інфрачервоного, практично субміліметрового, діапазону) в імпульсному й безупинному режимах.Газообразность активної середовища обумовлює ряд специфічних особливостей газових лазерів. Їм властива високамонохроматичность і спрямованість випромінювання, оскільки гази мають істотно меншу щільність ще більшу однорідність.

При малої щільності газууширение ліній люмінесценції відбувається внаслідок ефекту Доплера й суттєво менше, ніж у конденсованих середовищах. Це дає змогу отримувативисокомонохроматичное випромінювання.

Мала щільність газу Демшевського не дозволяє отримати таку концентрацію активних частинок, як в конденсованих середовищ, і, отже, питомийенергосъем у газів значно коротші, це твердження справедливо дляотпаянних лазерів; використання газових лазерів високого тиску, застосування прокачування газу істотно підвищили потужність випромінюванняЛазеров.

З іншого боку, газові середовища порушуються внаслідок різноманітних процесів — зіткнень в електричному розряді, хімічних реакцій,фотодиссоциации,газодинамических процесів, оптичної накачування.

У газовихлазерах як активного речовини використовуються:

— нейтральні атоми газів (М, Не, Про,Ne та інших.), металів (пари міді, золота, тулія,иттербия та інших.);

— іонізовані атоми аргону (>Аг), ксенону (>Хе), азоту (N), свинцю (>РЬ) та інших.;

—двухатомние — ЗІ (чадний газ),многоатомние — ЗІ2 (вуглекислий газ), М2Про (вода) і молекули інших газів.

У активні речовини на нейтральних і іонізованих атомах щоб одержати лазерного випромінювання використовуються переходи між електронними рівнями, а молекулярнихлазерах — між електронними,електронно-колебательними,колебательними,колебательно-вращательними і такі сутовращательними рівнями. Генерування лазерного випромінювання відбувається у вона найчастіше по багаторівневої схемою.



Мал.1 >Четирехуровневая система накачування вГелий-Неоновом лазері.


2.3Резонатори

 

У лазерної техніці як резонаторів використовуються відбивачі (дзеркала), між якими розташовується активну речовину. У найпростішому разі відкритий резонатор і двохплоскопараллельних дзеркал. Використовувати її отримання генерації всубмиллиметровом і інфрачервоному діапазонах хвиль запропонував А. М. Прохоров. Основна особливість оптичного діапазону хвиль у тому, що довжина хвилі електромагнітного випромінювання цього діапазону дуже мала, отже практично завжди розміри резонаторів виявляються значно більше довжини хвилі. Усантиметровом діапазоні хвиль широко використовуються об'ємніе резонатори, розміри яких можна з довжиною хвиль. У цьомурезонаторе зазвичай виникають один, основний, тип коливань, довжина хвилі >кр визначається розмірами об'ємного резонатора і діелектриком, які заповнюють його. Коливання з більшими на довжинами хвиль ( >>кр) не виникають через те, що ні виконуються умови резонансу їм. Коливання ж із  <>кр врезонаторе виникають, але втрати їм в генераторі значно більше, ніж для основного коливання, і вони швидко загасають. Кількість власних типів коливань об'ємного резонатора з ідеально які проводять стінками визначається вираженням

,

де V —обсяг резонатора, а довжина хвилі власного типу коливань резонатора у вигляді прямокутного паралелепіпеда — з співвідношення

=,


деm, n іq – цілі числа; L і D – довжини сторін паралелепіпеда.

У оптичному діапазоні хвиль інтервали між частотами сусідніх типів коливань дуже малі, отже спектр власних коливань об'ємного резонатора практично безперервний. Внаслідок цього можливо одночасне порушення значної частини власних коливань, яка дозволяє отримати високумонохроматичность випромінювання. Істотне розрідження спектра власних коливань зокрема у відкритихрезонаторах, позаяк у них відсутні бічні стінки і, отже, стоячі хвилі що неспроможні встановлюватися перпендикулярно довжині резонатора.

У відкритомурезонаторе втрати малі лише тим хвиль, напрям поширення яких перпендикулярно площинам дзеркал чи відхилено від цього на невеличкий кут. Решта типів коливань мають дуже великих втрат і швидко загасають. У лазерної техніці часто типи коливань позначають ТИМ>nmq і називають модами. Розрізняють поперечні і подовжні моди відкритих резонаторів. Поперечні моди характеризують розподіл поля на дзеркалах. Порядок поперечної моди визначається числамиm = 0, 1, 2, 3... і п = 0, 1, 2, 3,..., які показують, скількиполуволн має розподіл поля вздовж боку дзеркала (рис). Подовжні моди характеризують розподіл поля за довжиною резонатора. Порядок подовжньої моди визначається кількістюq, який практично одно числуполуволн лазерного випромінювання,укладивающихся на довжині

резонатора. Позаяк у лазерної техніці зазвичай довжина резонатора значно більше довжини хвилі лазерного випромінювання, то числаq дуже серйозні. Зміна числаq на одиницю мало змінює частоту (проти самої частотою) випромінювання лазера, тому часто однієї поперечної моді (заданим числам т і n) відповідає велика кількість поздовжніх мод. Режим роботи лазера, у якому випромінюється одна чи кілька поперечних мод зm=0 чиn=0 і кілька поздовжніх мод, називаєтьсямногомодовим. Якщо ж лазер випромінює хвилюТЕМоо, т. е. поперечну моду, що характеризується числамиm=0,n=0, і кілька поздовжніх типів коливань, то режим роботи лазера називаютьодномодовим. Отже, й уодномодовом режимі лазер випромінює на кількох частотах. Режим ж роботи лазера, у якому випромінюється лише одне тип поперечних і лише одне тип поздовжніх коливань, називаютьодномодовим іодночастотним.

 

 



Рис.2 Розподіл поля длялинейно-поляризованних коливань врезонаторах з квадратними дзеркалами.

Розглянемо коротко, як формується спектр випромінювання лазера. Спектр випромінювання лазера визначається основному шириною лінії люмінесценції активного речовини і власними частотами резонатора. Лазер випромінює лише з тих частотах, що є власними частотами резонатора, збігаються з лінією люмінесценції і коефіцієнт посилення котрим достатній як компенсація всіх втрат надходжень урезонаторе.

Лінії люмінесценції називають розподіл інтенсивності випромінювання за частотами. Лінія люмінесценції характеризується формою, а найпростіший характеристикою форми лінії є його ширина2f, т. е. різницю між частотами, інтенсивність поглинання (випромінювання) у яких в заданий число разів менша інтенсивності, відповідної максимуму поглинання (випромінювання).Ширина і форма лінії залежать як від зовнішніх умов, у яких перебуває дана атомна система, і від внутрішніх, т. е. від природи атомної системи. Однією з причин їхнього, зумовлюючих кінцеву ширину лінії, є тривалість життя частинок в порушену стані. Значення ширини лінії у разі визначається з співвідношення невизначеностей Гейзенберга:.Ширина лінії, обумовлена тільки з цієї причиною, є найменшої для даної атомної системи та називається природною шириною лінії випромінювання (поглинання). Відносна інтенсивність лінії у разі описується кривоюЛоренца:

,

деf0 – частота, відповідна максимуму лінії лікування.

Зовнішні умови може істотно змінити як ширину, і форму лінії. Так було в газахуширение лінії відбувається внаслідок розкиду швидкостей частинок, зіткнень їх одне з одним і з стінками судини; твердих тілах — внаслідок дії електростатичних полів кристалічною грати, взаємодії атомів з кристалічною гратами та інших причин.

 

2.4Устройства накачування

 

>Инверсная заселеність в активному речовині створюється з допомогою устрою накачування. У твердотільнихлазерах пристрій накачування полягає зазвичай із джерела харчування, лампи накачування і освітлювача.Лампа накачування перетворює електричну енергію постійного чи змінного струму внекогерентное оптичне випромінювання. Для цього він використовуютьсягазонаполненние чи початкові лампи. У газонаповнених лампах інтенсивність і форма спектра випромінювання залежать як відгазонаполнителя, і відподводимой енергії.Подводимая енергія визначає температуругазоразрядной плазми і, отже, безперервну складову спектра випромінювання лампи накачування. Ця складова формою нагадуєогибающую спектра випромінювання абсолютно чорного тіла. Максимум випромінювання безупинної складової визначається температуроюгазоразрядной плазми, т. е.подводимой енергією.

>Газ-наполнитель визначає дискретні складові спектра випромінювання лампи накачування. Становище складових спектра залежить від типугаза-наполнителя. Інтенсивність ж спектральних ліній залежить як від типу газу, і відподводимой енергії Uз. Ефективність перетворення електричної енергії в світлове випромінювання зазвичай характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД) лампи накачування. Він окреслюється ставлення енергії,излученной лампою накачування, до електричної енергії,подводимой до неї. Якщо харчування до лампі накачування підводиться від конденсатора ємністю З, то ККД лампи накачування визначається вираженням

,

де - енергія оптичного випромінювання лампи накачування; - початкова напруга на конденсаторі. ККД лампи залежить цілої ряду факторів: складу і тиску використовуваного газу, режиму харчування, діаметра розрядної трубки, відстані між електродами тощо. Найбільшим ККД маютьксеноновие лампи.Осветитель призначений для підвода з мінімальними втратами енергії,излученной лампою накачування, до активної речовини. Висока ефективність підвода енергії досягається з допомогою різних типів що відбивають іфокусирующих пристроїв. Форма відбивача освітлювача залежить від форми активного елемента, його ж розмірів та розташування щодо лампи накачування. У твердотільнихлазерах широко застосовуються освітлювачі, які мають лампа (лампи) розташована паралельно осі активного елемента, а відбивач має форму еліптичних циліндрів, в фокальних вісях котрого зберігаються активний елемент і лампа (лампи) накачування. Такі освітлювачі мають високу ефективність. Так, освітлювачі як еліптичного циліндра з одного лампою накачування мають ефективність близько 75%. Втрати в еліптичнихосветителях обумовлені тим, що лампа і активний елемент мають кінцеві розміри. З іншого боку, значної частини випромінювання лампи накачування проходить через активний елемент, непоглощаясь. Багаторазове відбиток підвищує ефективність циліндричних освітлювачів і освітлювачів з щільним розташуванням активного елемента і лампи накачування. Розміри останніх освітлювачів близькі до величини і лампи накачування, і активної елемента. Конфігурація освітлювача у разі істотною ролі не грає.

>Твердотельние лазери можуть працювати у імпульсному й безупинному режимах. Розрізняють два імпульсних режиму роботи твердотільних лазерів: режим вільної генерації і режим з модульованої добротністю. У режимі вільної генерації тривалість імпульсу випромінювання практично дорівнює тривалості імпульсу накачування. У режимі ж із модульованої добротністю тривалість імпульсу значно коротші тривалості імпульсу накачування.

 


3.ПРИМЕНЕНИЕЛАЗЕРОВ

 

Поруч із створенням перших лазерів почали розвинутися різні напрями їх застосувань. Створення лазерів ліквідувало якісну відміну оптики від радіоелектроніки. Отже, все радіотехнічні методи принципово можна здійснити й у оптичному діапазоні, причому дещицю довжини хвилі лазерного випромінювання відкриває ряд додаткових перспектив.Лазеров великої потужності дозволяють вивчати різноманітні явища при взаємодії світла великий інтенсивності з середовищем, раніше цілком недоступні для експерименту. У дослідженнях молекулярного розсіювання світла лазерні джерела значно розширили можливості експериментальної техніки, зокрема дозволили досліджувати властивості рідкого і твердого гелію, провести перші дослідження кінетики руху деяких біологічних об'єктів, наприклад найпростіших бактерій. З допомогою коротких ісверхкоротких імпульсів можна вивчати надзвичайно швидкірелаксационние процеси в конденсованих середовищах з часом релаксації ~ 10-13 сек. Можливість формуватисверхкороткие імпульси світла 10-11 - 10-12 сек має також дуже важливого значення для швидкісної фотографії й низки ін. методів дослідженнябистропротекающих процесів. З допомогоюгелий-неонового лазера, котра володіє високою стабільністю частоти, можливе створення єдиного оптичного стандарту довжини (довжина хвилі) і часу (частота). Для виміру абсолютного значення частотигелий-неонового лазера (3,32мкм) ця частота після перетворення вимірюється в од. частотиклистрона (0,074230 1012 гц). Це дозволяє їм отримати найточніше значення швидкості світла з = 2,997924562 + 1,1м/сек.


3.1ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

 

Винятково висока ефективна температура випромінювання лазерів і можливість концентрувати енергію в мізерно малому обсязі відкрили унікальні можливості випаровування та нагріву речовини. Найважливішою завданням є нагрівання плазми до температур, достатніх реалізації термоядерних реакцій, тобто отримання термоядерної плазми. Сучасні лазери здатні за стислий період часу — близько 20-10 секунди — сконцентрувати енергію в надзвичайно малому обсязі — порядку 10-6див3. Це дозволяє їм отримати найбільш високе нині контрольоване виділення енергії — до 1020 >Вт/см2. Лазерні імпульси стискаютьтермоядерное «пальне» — суміш дейтерію D з тритієм Т — приблизно 5*104 разів, і нагрівають його температури 10кеВ (близько 120 мільйонів градусів). За цих умов (що зберігаються лише тимчасово дії лазерного імпульсу) може початися вже термоядерна реакція із нейтронів (n) і кількості енергії:

D + Т = 4Не + n + 17,6МеВ.

Використовувати лазерне випромінювання реалізації керованого термоядерного синтезу запропонували в 1961 року М. Р. Басов і Про. М.Крохин (ФІАН). Установка для лазерного термоядерного синтезу представляє. Винятково висока ефективна температура випромінювання лазерів і можливість концентрувати енергію в мізерно малому обсязі відкрили унікальні можливості випаровування та нагріву речовини. Найважливішою завданням є нагрівання плазми до температур, достатніх реалізації термоядерних реакцій, тобто отримання термоядерної плазми. Сучасні лазери здатні за стислий період часу — близько 20-10 секунди — сконцентрувати енергію в надзвичайно малому обсязі — порядку 10-6див3. Це дозволяє їм отримати найбільш високе нині контрольоване виділення енергії — до 1020Вт/см2. Лазерні імпульси стискаютьтермоядерное «пальне» — суміш дейтерію D з тритієм Т — приблизно 5*104 разів, і нагрівають його температури собою камеру, у якому поміщаєтьсядейтерий—тритиевая мішень. На мішені фокусується випромінювання кількох потужних імпульсних лазерів — від шести («>Дельфин1», ФІАН) до двадцяти («>Nova»,Ливермор, США). Установка «>Искра-5», створена уВНИИЭФ («>Арзамас-16»), має дванадцять лазерних каналів із загальною енергією випромінювання 30кДж.

>Мишень є сферичну ампулу, що містить кілька міліграмівдейтериево-тритиевой суміші як льоду (за нормальної температури нижче 14 До) чи газу під тиском до сотень атмосфер.Ампула оточена кількома оболонками. Внутрішні оболонки, та екрани захищають вміст від перегріву; зовнішня, випаровуючи під впливом лазерного імпульсу, розлітається і це створює реактивний імпульс, який, складаючись зі світловим тиском, стискує вміст мішені. Лазерні імпульси, які мають енергію порядку 1014 Вт, фокусуються на мішені симетрично зусебіч.Оболочка ампули під час, набагато менше тривалості імпульсу, випаровується, її речовинаионизуется і перетворюється на плазму (так звану корону), яка розлітається зі швидкістю до 1000 км/с.

>Лазерное випромінювання взаємодіє зі плазмою з дуже складним законам і нагріває її. Енергію з корони переносять в щільні верстви мішені «гарячі» електрони. Тепловий потік випаровує і нагріває нові верстви оболонки, у результаті вся енергія лазерного імпульсу перетворюється на теплову і кінетичну енергіюразлетающегося речовини. Його віддача і теплове

Схожі реферати:

Навігація