Реферати українською » Медицина, здоровье » Фізичні основи роботи лазера. Механізм збудження


Реферат Фізичні основи роботи лазера. Механізм збудження

БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ІРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедраЭТТ

>РЕФЕРАТ на задану тему:

«Фізичні основи роботи лазера. Механізм порушення»

МІНСЬК, 2008


Фізичні основи роботи лазера

 

Процес лазерного випромінювання

Процес вимушеного випущення є основою лазерного посилення. Щоб використовувати той процес, необхідно електрон, наприклад, в атомі (іоні, молекулі, твердому тілі) перевести з нижчого більш високий енергетичний рівень. Щоб практично реалізувати процес лазерного посилення, вказане стан необхідно забезпечити у окремого атома, а й в цілого ансамблю атомів. Кількість атомів, котрі посідають вищий верхній лазерний рівень має бути більшезаселенности низького лазерного рівня. Це називають інверсією населеності.

Які є можливості отримання такої інверсії населеності? Нагрівання не підходить, оскільки за закону випромінювання Планка (рис. 1.) рівні завжди заселені менше, ніж низькі.

>Рис. 1

За законом випромінювання Планка при нагріванні ставлення n2/ n1 чисел населеності прагне 1.Инверсии населеності досягти не можна.

Опромінення світлом (оптична накачування) системи лише двома енергетичними рівнями навіть за значної інтенсивності накачування дає однакову населеність обох рівнів. Причина у цьому, що більша частина інтенсивність опромінення крім поглинання, тобто. заселення верхнього рівня, наводить також до багатьохемиссиям, тобто. до їх зниження населеності верхнього рівня. Отже, з допомогою оптичної накачування дворівневої системі не можна зробити інверсію населеності. Інакше стан справ в системах з і великою кількістю рівнів.

Система із трьома рівнями

Якщо системі із трьома енергетичними рівнями (рис. 2.) виробляється закачування з рівня 1 до рівня 3, то, при спонтанної емісії, тобто. розпаді верхнього рівня, то, можливо населений рівень 2. Якщо цедолгоживущий рівень, те із часом величина його населеності збільшується.

>Рис. 2. У трирівневої лазерної системі за дуже інтенсивної накачуванню з рівня 1 до рівня 3 можна було одержати лише на рівні 2 вищу населеність, ніж рівні 1.


При дуже великі накачуванню населеність цього другого рівні то, можливо, по крайнього заходу, короткий час, вище, ніж населеність нижнього лазерного рівня (основне стан).

Та коли лазер почне працювати, інверсія населеності швидко зменшиться. Потужність накачування тоді виявляється недостатньою, щоб постійно підтримувати інверсію населеності, отже лазери із трьома рівнями практично завжди є імпульсними лазерами.

Лазер з чотирма рівнями.

Якщо систему із трьома рівнями розширити ще на рівень 2' між рівнем 1 і вищий рівень 2 (рис. 3), можна уникнути проблем трирівневого лазера щодо короткій за часом інверсії населеності, за умови, що справжній рівень 2' є дужекороткоживущим. Якщо лазерний перехід здійснюється з рівня 2 до рівня 2', то рівень 2' під час роботи лазера у вигляді його короткого існування постійно спустошується на основний рівень. У цьому конфігурації навіть за незначною потужності накачування можна постійно зберігати інверсію населеності між рівнем 2 і 2'.Лазери з4-мя рівнями можуть тому працювати у безупинному режимі.


>Рис. 3. У лазерної системі з4-мя рівнями можна забезпечити навіть за слабкої накачуванню інверсію населеності надолгоживущем рівні 2 стосовнокороткоживущему рівню 2'.

Слід звернути увагу, щоб за всіх механізмах порушення змінизаселенности окремих рівнів відбувалися за колу, тобто. закінчувалися на основному рівні, що дозволяє розпочати новий цикл накачування. В багатьох випадках цей цикл накачування закінчується, по крайнього заходу, частково, на про «метастабільнихтриплетних рівнях» (рис. 4). Вони мало розпадаються на основне стан, отже атоми зі часом повністю накачуються у ціметастабильние гніву й згодом що неспроможні використовуватися в циклі лазерної накачування, в такий спосіб лазерна генерація припиняється. Цю проблему частково вирішити, якщо лазерну середу постійно змінювати, наприклад, у вигляді прокачування. Інший спосіб – додавання з так званого буферного газу. Тривалість існуванняметастабильного рівня цьому випадку скорочується через сутичок атомів і молекул, що у лазерного генератора, з атомами чи молекулами буферного газу.


>Рис. 4. Якщо нижній лазерний рівень частково спустошується на метастабільнийтриплетний рівень, то кілька днів генерація лазерного випромінювання припиняється.

Лазерні активні середовища

Як лазерної середовища можна застосовувати все матеріали, де можна забезпечити інверсію населеності. Це можна у наступних матеріалів:

а) вільні атоми, іони, молекули, іони молекул в газах чи парах;

б) молекули барвників, розчинені в рідинах;

 в) атоми, іони, вбудовані в тверде тіло;

 р) леговані напівпровідники;

 буд) вільні електрони.

Лише у елементінеоне спостерігається близько 200 різних лазерних переходів.

По виду лазерної активної середовища розрізняють газові, рідинні, напівпровідникові і твердотільні лазери. Як курйозу треба сказати, що людський подих, що складається з двоокису вуглецю, азоту та водянихларов є підходящої активної середовищем для слабкого ЗІ2 - лазера, і деякі сорти джина генерували вже лазерне випромінювання, оскільки вони містять достатньо хініну з блакитнийфлуоресценцией.

Відомі лінії лазерного генератора від ультрафіолетової області спектра (100 нм) до міліметрових довжин хвиль у далекому ІК- діапазоні.Лазери плавно переходять там в мазери.

Інтенсивно проводяться дослідження у сфері лазерів буде в діапазоні рентгенівських хвиль. Але практичного значення придбали лише 2 – тридцять типів лазерів.

Медичне застосування обмежується заразCO2–лазерами, лазерами на іонах аргону ікриптона,Nd:YAG – лазерами безперервного і імпульсного режиму, лазерами на барвниках безперервного і імпульсного режиму. He-Ne- лазерами іGaAs- лазерами. Експериментальні лазери,Nd:YAG- лазери з подвоєнням частоти,Er:YAG- лазери і лазери на парах металів також усі ширшого застосування набували до медицини.

Малюнок 5. Типи лазерів, найбільш уживані до медицини.

З іншого боку, лазерні активні середовища можна розрізняти у тій, формують вони дискретні лазерні лінії, тобто. тільки в вузькому певному інтервалі довжин хвиль, чи випромінюють безупинно у широкій сфері довжин хвиль.

Вільні атоми і іони мають через їх чітко визначених енергетичних рівнів дискретні лазерні лінії. Багато твердотільні лазери випромінюють на дискретних лініях (рубінові лазери,Nd:YAG-лазери).

Розробив, проте, також твердотільні лазери (лазери на центрах забарвлення, лазери наалександрите, на алмазі), довжини хвиль випромінювання які мають безупинно можуть змінюватися у великих спектральною області. Ідеться особливо лазерів на барвниках, у яких ця техніка прогресувала найбільше.Лазери на напівпровідниках через зонної структури енергетичних рівнів напівпровідників також мають дискретних чітких лазерних ліній генерації.


Механізм порушення

Як згадувалося, генерація лазерного випромінювання можна досягти, якщо є інверсія населеності двох енергетичних рівнів. Щоб самому отримати цю інверсію населеності, в лазерну середу слід ввести енергія у відповідній формі. Цього досягти по-різному, незалежно від специфічного лазерного процесу. Проте той чи інший метод порушення слід вибирати і оптимізувати спеціально для відповідного типу лазера. Основні методи порушення - це порушення дуже інтенсивним світлом, так звана “оптична накачування”, і порушення електричним газовим розрядом. У напівпровідниковихлазерах порушення реєструють безпосередньо електричним струмом. Для порушення можна використовувати також хімічні реакції.

>Оптическая накачування

Якщо лазерну середу опромінюють інтенсивним світлом, то завдяки поглинання може бути населені вищі енергетичні рівні. Цей процес відбувається називають "оптичної накачуванням". Як джерела світла вона найчастіше застосовуються дуже інтенсивні лампи-спалаху, безупинно котрі випромінюють лампи високого тиску, і навіть інші лазери. Оскільки лампи-спалаху випромінюють у широкому спектральному діапазоні, то лазерні середовища із багатьма рівнями порушення і навіть смугами порушення особливо підходять для оптичної накачування, бо накачування виконується лише довжинами хвиль, що влучно відповідають різниці енергії між двома рівнями. Оскільки для стимуляції лазерного переходу використовується тільки п'яту частину енергії порушення, то довжина генерованою лазерної хвилі більше, ніж довжина хвилі порушення.

Малюнок 6. Прикладколлинеарной накачування лазера іншим лазером (лазером накачування). Довжина хвилі генерації більше, ніж довжина хвилі накачування, завдяки чому промінь накачування і лазерний промінь можна розділитидисперсионной призмою.

Газові розряди

До сформування інверсії населеності при газоподібних чипарообразних лазерних активних середовищах можна використовувати газові розряди. У газовій розряді нейтральний газ частково розпадається на іони і електрони. Через війнусоздающегося в розряді електричного поля електрони пришвидшуються і стикаються з атомами чи іонами. У цьому кінетична енергія електронів передається партнеру по зіткнення. Ця енергія безпосередньо можна використовувати населенню верхнього лазерного рівня.

Щільність струму в газових розрядах може становити дуже високою величини. Тому необхідно використовувати дорогі системи охолодження розрядної трубки. Щоб укласти розряд на вельми вузькі канали, необхідні також значні магнітні поля: створюють їх котушки також вимагають охолодження.

На підвищення ефективності створення інверсії населеності в активну середу часто додається газ накачування, має метастабільний рівень, від якого верхній лазерний рівень то, можливо збуджено зіткненнями другого роду. Щоб це порушення у вигляді сутичок було ефективним, метастабільний рівень культури й верхній лазерний рівень повинні мати приблизно однаковою енергією. Завдякиизлучательним переходами з інших рівнів, які порушуються газовими розрядами, підвищується населеність цьогометастабильного рівня, де хіба що накопичується порушення багатьох рівнів.

Коли атом накачування вметастабильном станісоударяется з лазерним атомом переважно стані, то енергія порушення передається лазерного атома (рис. 7).

>Рис. 7. Схема процесу порушення з допомогою газу накачування.

Невелика частина електронів високої енергії газового розряду збуджує рівні газу накачування.Возбужденние стану розпадаються на метастабільний рівень, де накопичується енергія порушення. З допомогою сутичок енергія накачування переноситься на верхній лазерний рівень.

Малюнок 8. Кілька прикладів співвідношення енергії накачування і генерованого випромінювання.

Коефіцієнт корисної дії лазерів різних типів різний.

Наприклад, в іоннихлазерах потрібно спочатку забезпечити енергію іонізації, потім енергію порушення в іонізованому стані. Для лазерного переходу можна використовувати лише невелику частину застосованої енергії накачування.

Набагато кращі справи, наприклад, з ЗІ2- лазерами. Тут досягають верхнього лазерного рівня зі значно меншою витратою енергії. Кілька прикладів співвідношення енергії накачування і генерації показані на рис. 8.


ЛІТЕРАТУРА

1. Бєлова О.Н.Нейрореабилитация .-М.Антидор, 2000 р. –568с.

2. Прикладна лазерна медицина. Під ред.Х.П.Берлиена, Г.І. Мюллера.- М.:Интерекспорт,2007г.

3. Олександрівський А.А.Компьютеризованная кардіологія.Саранск; "Червоний Жовтень" 2005: 197.

4. Розробка і постановка медичних виробів виробництва. Державний стандарт Республіки Білорусь у СТБ 1019-2000.

5.ШтаркМ.Б.,Скок Г.Б. Застосуванняелектроенцефалографическогобиоуправления у клінічній практиці. М. - 2004 р

6. Боголюбов В.М., ПономаренкоГ.Н. Загальна фізіотерапія. М., СПб.:СЛП, 2008.


Схожі реферати:

Навігація