Реферат: Лазеры
Школа№24
РЕ Ф Е Р А Т
пофизике
ЛАЗЕРЫ
Работу выполнил
ученик 10 «В» класса
Азлецкий Олег Олегович
Учитель:
Мезина Ольга Олеговна
Краснодар, 2000
Содержание.
Введение
Лазеры
Индуцированное излучение
Лазеры
Свойства лазерного излучения
Принцип действия лазеров
Трёхуровневая система
Устройство рубинового лазера
Классификации лазеров и их характеристики
Твердотельный лазер
Газовый лазер
Жидкостный лазер
Полупроводниковый лазер
Химический лазер
Ультрафиолетовый лазер
Лазер на свободных электронах
Лазер на ИАГ
Апротонный жидкостный лазер
Лазер на парах меди
Заключение
Литература
3
5
5
6
6
6
8
9
10
14
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
ВВЕДЕНИЕ
B последние годы внедрение лазернойтехники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчаслазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине,в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появилисьпубликации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывносовершенствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических,химических, биологических.
B результате гонки вооруженийускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военнойтехники – наземной, морской, воздушной.
Ряд образцов лазернойтехники – дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения – поступилипа вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излученияиспользуется лазер.
В 1955–1957 годах появилисьработы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а такжеамериканских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научныеобоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. Вдекабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер срубиновым стержнем в качестве активного вещества.
В 1960 году подруководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Ониспользовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.
В 1962 году практическиодновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активноговещества применили полупроводниковый элемент.
Заслуги русских ученых вделе развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых былиотмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохорови Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов,основанных на их использовании.
Большой вклад советскиеученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасностипосадки самолетов в сложных условиях.
В последнее времяполучила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазернаятехнология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование,скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем.
Значительный эффектполучен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель.Возникла лазерная микрохирургия глаза.
Лазеры применяются встоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний.Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.
Имеются определенныеуспехи и по использованию лазеров в агропроме.
В пищевой промышленностиисследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов,ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами,сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительнаяобработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевогомашиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.
Огромные средства направляютсяна создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химическихлазеров.
ЛАЗЕРЫ.
На вопрос о том, чтотакое лазер1, академик Н.Г. Басов отвечал так: «Лазер – этоустройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая,преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При такомпреобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная врезультате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазернойэнергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи назначительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышкодиаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии,превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. Спомощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значенийтемпературы, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самымёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством еёпередачи и обработки».
Индуцированное излучение. В 1917 г.Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного(вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучениемпонимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая прииндуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей наатом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.На языке квантовой теориивынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетическогосостояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а подвлиянием внешнего воздействия.
1 Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английскоговыражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление света при помощи индуцированногоизлучения»).
Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А.Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучениядля усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов иА.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовалиявление индуцированного излучения для создания микроволнового генераторарадиоволн с длиной волны l=1,27см.
Свойства лазерногоизлучения. Лазерныеисточники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другимиисточниками света:
1. Лазеры способнысоздавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладаетисключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света,атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучаютсвет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.
3. Лазеры являются самымимощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (втечение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) унекоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2,в то время как мощность излучения Солнца равна только 7·103 Вт/см2,причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал Dl=10-6 см (ширинаспектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2.Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемойлазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Принцип действиялазеров. В обычныхусловиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии.Поэтому при низких температурах вещества не светятся.
При прохожденииэлектромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счётпоглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшееэнергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия
hn=E2–E1
равная разности энергий междууровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённыйатом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится нанижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотившийэнергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам пристолкновении или испустить фотон в любом направлении.
/>/> 2 2 />/>/>/>/> 1 1а б Рис.1
Теперь представим себе, что каким-либо способом мывозбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через веществоэлектромагнитной волны с частотойn=
эта волна будет не ослабляться, а,напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействиематомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны,совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 2, апоказаны возбужденный атом и волна, а на рисунке 2, б схематическипоказано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.
/>/> 2 2
/>
/>/>/>/>/>/> 1 1
а б Рис.2
Трехуровневая система. Существуют различные методыполучения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере дляэтого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счетпоглощения света.
Но двух уровней энергии дляработы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, числовозбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь светодновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнегоуровня на нижний.
/>/>Выход был найден в использовании трех энергетических уровней(общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). Нарисунке 3 изображены три энергетических уровня. Существенно, что в отсутствиевнешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится вразличных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково. На уровне 3система живет очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольнопереходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передаетсякристаллической решетке.) «Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше,т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Этоиспользуется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит всостояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается всостоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается«перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем1.
Необходимыеэнергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин – это ярко-красныйкристалл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома(около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.
Устройство рубиновоголазера. Из кристалларубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразряднаялампа, имеющая форму спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковременныйимпульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарадвызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2становится «перенаселенным».
В результатесамопроизвольных переходов 2®1 начинают излучаться волнывсевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и неиграют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль осикристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированноеизлучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.
Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой полупрозрачным. Через неговыходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульскрасного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказановыше. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, иочень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергиявыделяется за очень малое время.
/>
Рис. 4
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Приведенная ниже классификация лазеров не претендуетна полноту и законченность, что объясняется задачами, которые стояли передавтором реферата, – дать лишь общие представления о принципе работы иприменении лазеров.
Приняторазличать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителяпоявляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится ввозбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода.Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходитлавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе –усиленное.
С генераторомдело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, авозбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем еслиактивное вещество находится в перевозбуждённом состоянии, то существенно растетвероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнегоуровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.
Второй подход кклассификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. Сэтой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными (например, рубиновый,стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый,аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного веществаиспользуется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.
Третий подход кклассификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различаютследующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждениемпотоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счетэнергии взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, свозбуждением с помощью ядерного излучения (последние привлекают сейчаспристальное внимание зарубежных военных специалистов). Различают также лазерыпо характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучаетсяимпульсно, то говорят об импульсныx лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером снепрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы,например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узкоминтервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широкоминтервале, то говорят о широкополосном лазере.
Еще один видклассификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, укоторых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт,называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3Вт, 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 отконструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постояннойдобротностью и лазеры с модулированной добротностью – у такого лазераодно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя,который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонаторапериодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазерназывают лазером с Q-модуляцией./>
Твердотелыелазеры
Полупроводниковые л.
Газовые л. Электронные
Химическиел. генераторы
Эксимерные л.
/> 0,1 1,0 10 100 1000 10000 100000 мкм Рис. 5
образно говоря, «целина». Но онапростирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами.Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоениезавершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типыгенераторов, неодинакова (рис. 5). Наиболее широкий диапазон у газовыхквантовых генераторов.
Другой важнойхарактеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется вджоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов – порядка103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Энергия вединицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно,имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощностьимеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь.Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельнымигенераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взятьизлучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду,то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубинесоставляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10 000 Вт,т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптическогозатвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е.мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103Дж и сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металлприходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2,то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2–<sup/>кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерноеизлучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.
Еще одной важнойхарактеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболееузкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловыхминут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1...3 угловых градусов.Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в однойплоскости около одного градуса, в другой – около 10...15 угловых градусов.
Следующей важной характеристикойлазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение,т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, онасоставляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп,которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры иособенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазончастот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.
Очень важнойхарактеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. Утвердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, уполупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры дляповышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеровдо температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙЛАЗЕР
Функциональная схематакого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из пяти блоков: излучающейголовки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пультауправления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала всветовую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторовобеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит дляпреобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы.Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляетсяпервоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделанпри использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, торассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла издержателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрическогорефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержниразличных размеров и диаметров.
Используемый в приборерубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещенаатомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовыйрубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственныйрубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки,называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержняобрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевыхповерхностей их делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд ипокрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентомотражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стерженьпомещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся вцилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение световогопотока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлекторапокрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечиваетувеличение кпд излучающей головки.
/>
Блок
поджига
Излучающая Пульт
головка управления
Блок Выпрямительный
конденсаторов блок
Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора.
ГАЗОВЫЙЛАЗЕР
Для таких лазеров вкачестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество,находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получениенепрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества ввозбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активноговещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газовогоразряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 науровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние такжевозбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней (рис.7). В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частицпроисходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неонапереходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствиеэтого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона суровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходитизлучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десятиподуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однакотолько пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено надлинах 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.
ЖИДКОСТНЫЙЛАЗЕР.
В этих лазерах рабочейсредой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами. Оказалось,что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях. можно получитьструктуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесныхатомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тотже, 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 охлаждениеактивного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.
Разработан методполучения жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. Приэкспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещалив резонатор со сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют вгазовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальномохлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывномрежиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочейсистемам.
Был создан и исследованжидкостный лазер с активным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большиеглубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводныхлокаторов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙЛАЗЕР.
В созданииполупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.
Принцип работыполупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласноквантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкиеэнергетические полосы (рис. 8). Нижняя представляет собой валентную зону, аверхняя – зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкойтемпературе все электроны связаны и занимают энергетический уровень,расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействоватьэлектрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет взону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободныеместа, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют рольположительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнямивалентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, оперенаселенности верхней энергетической зоны.
/>EЗоны
Проводимости Е-заполнение
Электроны
Е-запрещение
Дырки
Е-незаполнение
Валентная зона
Рис.8. Схемаэнергетических уровней полупроводникового лазера.
ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.
Химическим лазерамприписывают практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работаютбез электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должныперемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникаетпри возбуждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для химическоголазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источникаэлектрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счетхимической реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеровосновные процессы могут быть представлены следующей серией реакции
F + H2 ® HF* + Н;
H + F2 ® HF* + F;
HF* ® HF + hn.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙЛАЗЕР.
На предыдущих страницахмной были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапазонахэлектромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый ирентгеновский участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайнеслабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают вдиапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишьработы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокоймощности. Для этого пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне,криптоне и ксеноне.
ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ.
Принцип действия такоголазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистскихэлектронов в магнитном поле в излучение в оптическом диапазоне волн. Из рис. 9видно, что ускорителем электронов является устройство, выполненное в видетороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле,создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону,обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяетполучить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроныпопадают в устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образованомагнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В немобразуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Посколькупроцесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляетсянепосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режимеповторяющихся импульсов. Другим, очень важным преимуществом лазера насвободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длиныволны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективногопрохождения излучения в атмосфере. Первые экспериментальные установки былислишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистамвысказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдутприменение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационныхлетательных аппаратах.
/>/>/>/>/>Рис. 9. Схема лазерана свободных электронах:
/>1-зеркало;2-пучок электронов; 3-луч лазера;4-знакопеременное
/>магнитное поле; 5-ускоритель электр.
ЛАЗЕРНА ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ (ИАГ).
Этот лазер получил широкоераспространение, благодаря низкому порогу генерации и высокой теплопроводностиактивного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частотеповторения импульсов и в непрерывном режиме.
Длина волны излучениялазера равна 1,064 мкм, максимальная длина активного элемента около 150 мм,энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, апредельная частота повторения – 500, кпд около 1 %.
АПРОТОННЫЙЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.
Свое название этот лазерполучил потому, что в неорганических растворителях с активными лазернымиионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов свысококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективнуюлазерную генерацию Nd3+ по четырехуровневойсхеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.
Эти лазеры имеют в своейоснове токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значительносужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) ивынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачейявляется конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.
Длина волны генерациисоставляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободнойгенерации, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режимсамомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротностирезонатора.
ЛАЗЕРНА ПАРАХ МЕДИ.
Одним из достижениилазерной техники является получение стимулированного излучения от среды,образованной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда вгелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности,обеспечивающей получение высокой температуры в газоразрядной трубке – около1600 °К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокогокоэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняямощность лазера достигает 50Вт.
В связи с большимкоэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсиинаселенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективноприменение неустойчивых резонаторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Запоследние несколько лет в России и за рубежом были проведены обширныеисследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, атакже приборы, основанные на их использовании. Лазеры теперь применяются влокации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, ввычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новоенаучное направление – голография, становление и развитие которой такженемыслимо без лазеров.
Однако ограниченный объемэтого 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 получениятермоядерной плазмы. Устойчивость светового сжатия – кардинальная проблема влазерном термоядерном синтезе.
Не рассмотрены в рефератеи такие важные направления, как лазерное разделение изотопов, лазерное получениечистых веществ, лазерная химия, лазерная спектроскопия. Но простое перечислениеих уже говорит о том, что лазеры широким фронтом вторгаются в нашу действительность,обеспечивая подчас уникальные результаты. Человек получил в свое распоряжениеновый универсальный и эффективный инструмент для повседневной научной ипроизводственной деятельности.
Молодому поколению нужно знать обэтом интересном приборе, переделывающем мир, как можно больше, и быть готовымк его использованию в учебной, научной и военной деятельности.
Литература.
1. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основыустройства и применение. – М.: ДОСААФ, 1988.
2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курсобщей физики: Оптика и атомная физика. – М.: Просвещение, 1981.
3. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. Для 11кл. – М.: Просвещение, 1993.
4. Савельев И.В. Курс общей физики:Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра иэлементарных частиц. – М.: Наука, 1987.
5. Орлов В.А. Лазеры в военнойтехнике. – М.: Воениздат, 1976.