Реферат: Лазеры

Еще один вид классификации основан на использова­нии понятия выходной мощности. Лазеры, у которых не­прерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощнос­ти в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощ­ности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За об­ластью 100 мкм лежит,

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной доброт­ностью и ла­зеры с модулированной  добротностью – у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

                 Твердотелые лазеры

                      Полупроводниковые л.

                                                               

                             Газовые л.     Электронные

                    Химические л.    генераторы

             Эксимерные л.

   0,1    1,0   10   100 1000 10000 100000   мкм      Рис. 5

образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непре­рывно сужается, и есть надежда, что его освоение завер­шится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на раз­личные типы генераторов, неодинакова (рис. 5). Наибо­лее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных гене­раторов – порядка 103 Дж. Третьей характеристикой яв­ляется мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают не­прерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использую­щие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длитель­ность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность состав­ляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, дости­гающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 – кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в не­сколько угловых минут. Расходимость луча твердотель­ных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупровод­никовые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10...15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено из­лучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, кото­рые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердо­тельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принима­ются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения ла­зеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Функцио­нальная схема такого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока кон­денсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок кон­денсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпря­мительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденса­торы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напря­жение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещест­ва рубинового стержня, то рассмотрим его устрой­ство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина смен­ные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заме­щена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой темпе­ратуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их де­лают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внут­ренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

                                                                                                        Блок

                                                                                                    поджига        

                        

       

                                 Излучающая                                                                             Пульт

                                                    головка                                                                              управления

                                                                        Блок                                       Выпрямительный

                                                                конденсаторов                                 блок

Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Для таких лазеров в качестве активного вещества ис­пользуют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает полу­чение непрерывного стимулированного излучения, по­скольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают пере­ход на один из четырех верхних подуровней (рис. 7). В связи с тем, что перераспределение энергии при столк­новении двух частиц происходит с минимальным изме­нением общей внутренней энергии, то атомы неона пере­ходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 про­исходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из че­тырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретиче­ски имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

E, э-В

                           He+                                         Ne+

25

20                                                     2

19                                                                        3

                                                         4

                                He                                                Ne

    0         1                           1

Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.

ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.

В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэле­ктрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жид­костях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно за­полнять любой объем, а это облегчает охлаждение ак­тивного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения жидких активных ве­ществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излуче­ния жидкое вещество помещали в резонатор со сфери­ческими зеркалами, подобный тем, которые использу­ют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в не­прерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с актив­ным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подвод­ных локаторов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 8). Нижняя пред­ставляет собой валентную зону, а верхняя – зону прово­димости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В ре­зультате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дыр­ки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

E

                                      Зоны

                               Проводимости           Е-заполнение

                                                                                                                        Электроны

                                                                     Е-запрещение

                                                                                                                        Дырки                       

                                                                   Е-незаполнение

                         

                                             Валентная зона

Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера.

ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.

Химическим лазерам приписывают практическое ис­пользование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической ре­акции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электриче­ской энергии. Вся необходимая энергия может быть по­лучена за счет химической реакции. В одном из наи­более перспективных химических лазеров основные про­цессы могут быть представлены следующей серией ре­акции

F + H2 ® HF* +  Н;

H + F2 ® HF* +  F;

HF* ® HF + hn.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ЛАЗЕР.

На предыдущих страницах мной были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапа­зонах электромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапа­зона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего вре­мени показали, что могут быть созданы и лазеры вы­сокой мощности. Для этого пригодны так называе­мые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.

ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ.

Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятиви­стских электронов в магнитном поле в излучение в опти­ческом диапазоне волн. Из рис. 9 видно, что ускори­телем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в уст­ройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оп­тическое излучение, которое и выводится наружу. По­скольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важ­ным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспе­чения более эффективного прохождения излучения в ат­мосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах.

Рис. 9. Схема лазера на                                                                                  свободных электронах:       

1-зеркало; 2-пучок                                            электронов; 3-луч лазера; 4-знакопеременное

магнитное поле; 5-ускоритель электр.

ЛАЗЕР НА ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ (ИАГ).

Этот лазер получил широкое распространение, благо­даря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать гене­рацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, мак­симальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторе­ния – 500, кпд около 1 %.

АПРОТОННЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.

Свое название этот лазер получил потому, что в не­органических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd3+ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неоди­ма.

Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значи­тельно сужает выбор возможных конструкционных мате­риалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабо­чей жидкости.

Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генера­ции, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.

ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕДИ.

Одним из достижении лазерной техники является по­лучение стимулированного излучения от среды, образо­ванной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обес­печивающей получение высокой температуры в газораз­рядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредо­точено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, дохо­дящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии населенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

За последние несколько лет в России и за рубе­жом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а также приборы, основанные на их использовании. Ла­зеры теперь применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислитель­ной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое научное направление – голография, становление и развитие которой также немыслимо без лазеров.

Однако ограниченный объем этого реферата не позволил отметить такой важный научный аспект квантовой элект­роники, как лазерный термоядерный синтез, в основе которого лежит идея Н. Г. Басова, высказанная еще в 1962 году, об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Устойчивость светового сжатия – кардинальная проблема в лазерном термоядер­ном синтезе.

Не рассмотрены в реферате и такие важные направле­ния, как лазерное разделение изотопов, лазерное полу­чение чистых веществ, лазерная химия, лазерная спектроскопия. Но простое перечисление их уже говорит о том, что лазеры широким фронтом вторгаются в нашу дейст­вительность, обеспечивая подчас уникальные результа­ты. Человек получил в свое распоряжение новый универсальный и эффективный инструмент для повседневной научной и производственной деятельности.

Молодому поколению нужно знать об этом интересном приборе, переделываю­щем мир, как можно больше, и быть готовым к его ис­пользованию в учебной, научной и военной деятель­ности.

Литература.

1. Федоров Б.Ф.  Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ, 1988.

2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н.  Курс общей физики: Оптика и атомная физика. – М.: Просвещение, 1981.

3. Мякишев Г.Я.  Физика: Учеб. Для 11 кл. – М.: Просвещение, 1993.

4. Савельев И.В. Курс общей физики: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука, 1987.

5. Орлов В.А. Лазеры в военной технике. – М.: Воениздат, 1976.