Реферат: Лазеры

Министерство Образованияи науки Российской Федерации    

БлаговещенскийГосударственный Педагогический Университет


Реферат.

 Тема: Лазеры.


Выполнил: Молокин Павел Витальевич студент III курса

 «Д» группыФизико-математического факультета

Проверила:

Карацуба Людмила Петровна


Благовещенск 2004г.

Введение.

     Термину “лазер” нет ещё и десяти лет от роду, акажется, что существует он давным-давно, — так широко он вошел в обиход.Разумеется, столь огромный интерес вызывает не само слово “лазер”, а названныйтак квантовый прибор для генерации электромагнитных волн оптического диапазона.Появление лазеров — одно из самых замечательных и впечатляющих достиженийквантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине50-х годов.   

     Впервые генераторы электромагнитногоизлучения, исполь­зующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г.советскими физиками А.М.Прохоровым и Н.Г.Басовым и амери­канским физикомЧ.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.

/>

    Басов Николай Геннадиевич (1922 г.р.), российский физик, один изосновоположников квантовой электроники. В 1954 г. совместно с А.М.Прохоровымсоздал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955 г. предложилтрехуровневую схему для создания инверсного состояния в квантовых системах. В1964 г. удостоен Нобелевской премии по фи­зике за фундаментальную работу вобласти квантовой электроники.

 

   

/>    Прохоров АлександрМихайлович (1916 г.р.), российский физик, один из создателей квантовойэлектроники. В 1954 г. совместно с Н.Г.Басовым создал первый квантовыйгенератор на пучке мо­лекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал над соз­даниемквантовых парамагнитных усилителей СВЧ-диапазона. В 1958 г. предложил вкачестве резона­тора квантового генератора использовать открытый резонатор. В1964 г. за фундаментальные работы в области квантовой электроники удостоен Нобе­левскойпремии по физике

 Первыйквантовый генератор оптического диапазона был создан Т. Майманом (США) в 1960г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “Light amplication by stimulated emission of radiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовалиназвание нового прибора – лазер. В качестве источника излучения в нём использовалсякристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Годспустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет,Эриот — США). А ещё через год одновременно в СССР  и США был созданполупроводниковый лазер.

   Главная причинастремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительныхсвойствах этих приборов. Уникальные свойства лазеров -  монохроматичность(строгая одноцветность), высокая когерентность (согласованность колебаний),острая направленность светового излучения.

    Существует нескольковидов лазеров:

-    полупроводниковые

-    твердотельные

-    газовые 

-    рубиновый

                     Газовый лазер.

Первымквантовым генератором света, действующим в непрерывном режиме, стал газовыйлазер, который работал на нейтральных атомах  смеси гелия и неона. 

/>

 .Схема газового лазера представлена на рис. Инверсное состояние создается всмеси двух газов: гелия с парциальным давлением 130 Па (1 мм рт. ст.) и неона спарциальным давлением 13 Па (0,1 мм рт. ст.); для этого в трубке со смесьюгазов возбу­ждается электрический разряд. При этом атомы гелия, стал­киваясь сэлектронами, пере­ходят на уровень2s. Схема расположения уровней атомов Не и Nе             показана на рис.

/>        Излучательный переход в основноесостояние с    уровня  2s для атомовгелия запрещен. Атомы гелия, сталкиваясь с атома­ми неона, которые на уровневозбуждения 2sимеют ту жеэнер­гию, что и атомы гелия на уровне 2s, передаютим свою энергию. Инверсная населенность достигается между отдельными уровня­ми2sи 2р, если время жизни на уровнях достаточно мало.

         Газоразрядная трубка с торцовограничена стеклянной пла­стинкой, приклеенной под углом Брюстера к оси трубки,что по­зволяет исключить отражение поляризованного излучения лазера на торцевыхстенках трубки. Трубка помещается между зеркалами с диэлектрическимипокрытиями, что обеспечивает необходимый коэффициент отражения от этих зеркална частоте генерации. Га­зовые гелий-неоновые лазеры генерируют излучение на длиневолны 0,63 мкм.В настоящее время существует множество лазеров, излучениекоторых перекрывает весьма широкий диапазон спектра электро­магнитных волн отλ  < 1 см. до λ  = 0,1 мкм.

Полупроводниковые лазеры.

   Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, чтоизлучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не междудискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широкихэнергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зонус последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительношироком спектральном интервале  и составляющему несколько десятковнанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельныхлазеров.

Создание инверсной населенности в полупроводниках.

 

Рассмотримсобственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентнаязона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста.Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитногоизлучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающееизлучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары.Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процессих рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитногоизлучения. Согласно правилу Стокса — Люммля энергия излученного кванта меньшепо сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиямипреобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки.В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощениемфотона (валентная зона – зона проводимости) равна вероятности излучательногоперехода (зона проводимости — валентная зона).

Предположим,что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен изсостояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременновысокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.Электроны переходят в состояние с некоторой энергией Fn вблизи потолкавалентной зоны. Рассматриваемая ситуация иллюстрируется диаграммами,приведенными на    рис. 1./>

Таккак все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а всесостояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, топереходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электроновстановятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов вполупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости — валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар ииспусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия,при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами,коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуацияотвечает состоянию с инверсной плотностью населенности.

Потокквантов излучения, энергия которых находится в пределах от

 hv=Ec-Evдо hv=Fn-Fp, распространяется через возбужденный полупроводник беспрепятственно.

    Для реализации процесса излучательной рекомбинации необходимо выполнить дваусловия. Во-первых, электрон и дырка должны локализоваться в одной и той жеточке координатного пространства. Во-вторых, электрон и дырка должны иметьодинаковые по значению и противоположно направленные скорости. Иными словами,электрон и дырка должны быть локализованы в одной и той же точкеk-пространства. Так как импульс образующегося в результате рекомбинацииэлектронно-дырочной пары фотона значительно меньше по сравнению сквазиимпульсами электрона и дырки, то для выполнения закона сохраненияквазиимпульса требуется обеспечить равенство квзиимпульсов электрона и дырки,участвующих в акте излучательной рекомбинации.

    Оптическим переходам с сохранением квазиимпульса соответствуют вертикальные вk-пространстве (прямые) переходы. Сохранение квазиимпульса в процессеизлучательного перехода может рассматриваться как квантомеханическое правилоотбора (в том случае, когда в акте излучательной рекомбинации не принимают участиетретьи частицы, например, фононы или атомы примесей). Невертикальные вk-пространстве (непрямые) переходы имеют значительно меньшую вероятность посравнению с прямыми переходами, так как в этом случая требуется сбалансироватьнекоторый разностный квазиимпульс dk (рис. 2).

 

/>     Таким образом, для получения излучательнойрекомбинации необходим прямозонный полупроводник, например, GaAs. Вообще,придерживаясь строгой теории можно доказать, что инверсная населенностьвозможна лишь при условии Ec-Eg<Fn-Fp.

 Широко используемыми на практике способами создания  инверсной населенностиявляются: 1) возбуждение за счет инжекции неосновных носителей через p-n — переход; 2) возбуждение электронным лучом;

3)возбуждение в сильном электрическом поле.

 

Рубиновые “спички”.

      Первым в оптическом диапазоне волн заработаллазер на розовом рубине, испускающий ярко – красные световые лучи с длинойволны около 0,7мк.  По химическому составу он представлялсобой корунд с примесью оксида хрома Сг2О3 (0,05%). Придостижении инверсной населенности использовалисьвозбужденные состояния ионов Сг3+. Концентрация ионов хрома вкристалле розового ру­бина первого лазера составляла 1,62-1019 см-3.Для ионов хрома характерна так называемая трехуровневая схема расположения энергетическихсостояний. Инверсная населенность в рубине достигалась оптическим методом припо­мощи мощной импульсной ксеноновой лампы. Под воздействием ультрафиолетовогоизлучения лампы ионы хрома возбуждаются с вероятностью р/>В/>ипереходят на систему уровней 3. Отсюда они могут перейти или снова науровень 1с вероятностью А/>+ р/> В/> или на уровень 2врезультате без излучательного перехода с вероятностью S/> — Энергия, выделяющаяся при такомпереходе, идет на нагревание кристалла. Состояние 2 для ионов хромаявляется метастабильным, оно обусловливает фосфорес­ценцию рубина в краснойобласти спектра. При определенной концентрации ионов хрома и мощностиизлучения, возбуждаю­щего ионы хрома (она называется мощностью «накачки»), уда­етсясоздать такое распределение ионов по уровням, при кото­ром N2 > N1, т.е.получить инверсное состояние. Между уровнями 1и 2возможныпереходы, подобные переходам в двухуровневой системе.

         Вкачестве системы, обеспечивающей обратную связь, приме­нялся по предложениюА.М.Прохорова оптический резонатор Фабри-Перо. Зеркала резонатора 3/> и 3/> наносили непосредст­веннона торцы тщательно отполированного (с точностью до λ/8) рубиновогостержня. Кристалл рубина помещали вдоль оси спи­ральной лампы накачки Л.  Вболее поздних конструкциях применялись иные схе­мы оптического возбуждениякристалла, позволяющие улучшить условия освещения рубина. Например,использовались зеркаль­ные отражатели, имеющие форму эллиптических цилиндров. Водном из фокусов такого отражателя помещался кристалл рубина Р в другом- цилиндрическая лампа накачки Л. Рубиновый лазер работает в импульсномрежиме, генерируя вол­ны длиной 0,68 мкм.

Применение лазеров.

 

    Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерногоизлучения с веществом представляют исключительно большой научный интерес.Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических ибиологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примероммогут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось,лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимоизменять физические характеристики вещества, что приводит к различнымнелинейно-оптическим явлениям.

    Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию  световоймощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна такжеплавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения иисследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличаетсяисключительно высокой степенью точности (высоким разрешением). Лазеры позволяюттакже осуществлять избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов имолекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результатеоказывается возможным инициирование конкретных химических реакций, управлениеразвитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерныеимпульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов ввеществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например,фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложныи, к тому же, протекают крайне быстро — в пикосекундной временной шкале.Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможностьпроследить за развитием подобных процессов и даже моделировать отдельные ихзвенья.

    Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

Практическое и промышленное применение лазера.

 

      При обсуждении практических применений лазеров обычно выделяют два направления.Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение (какправило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленноговоздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например,сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов,применения лазеров в медицине и т. д. Второе направление связывают с такназываемыми информативными применениями лазеров — для передачи и обработкиинформации, для осуществления контроля и измерений.

Наряду с научными и техническими применениями лазерыиспользуются в информационных технологиях для решения специальных задач, причемэти применения широко распространены или находятся в стадии исследований.Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическаяцифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающиеустройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестверазличных устройств.

Лазеры в выЧислительнойтехнике.

Принципиально достигнутые малые времена переключенияделают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграциюв микроэлектронных переключательных схемах 

 ( оптоэлектроника ):

-  в качестве логических элементов (да — нет, или);

-  для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

В этих целях рассматриваются исключительноинжекционные лазеры.

Преимущества таких элементов: малые временапереключения и считывания, очень маленькие размеры элементов, интеграцияоптических и электрических систем.

Достижимыми оказываются времена переключения примерно10-10 с (соответственно этому быстрые времена вычисления); емкостизапоминающего устройства 107 бит/см2, и скоростисчитывания 109 бит/с.

Лазерный принтер.

Для печати в вычислительной технике и в других случаяхчасто применяется лазерное излучение. Преимущество их  в более высокой скоростипечати по сравнению с обычными способами печатания.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемогооригинала свет преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которыесоответствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вместе суправляющими сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) ислужат для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головкиэкспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучениеразделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или больше),которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощностьне более 10 мВт), инжекционный лазер.

ОптиЧескаЯ цифроваЯ памЯть.

Длястановящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста иизображения необходимо применять новые методы записи информации, к которымпредъявляются следующие требования:

-  -   более высокая емкостьзапоминающего устройства;

-  -   более высокая эффективностьхранения архивных материалов,

-  -   лучшее соотношение междуценой и производительностью.

  Этоможет быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.

Список литературы:

 1.  Справочник полазерной технике. М: Энергоатомиздат, 1991.

     2. Дьяков В. Ф. Тарасов Л. В. Оптическоекогерентное излучение. М.:    Советское радио,       1974.

3. Оокоси Е. Оптоэлектроникаи оптическая связь. М.: Мир, 1988.

4.  Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применения. М.: ДОСААФ СССР, 1988.

5. К. И. Крылов, В. Т.Прокопенко, В. А. Тарлыков

 “Основы лазерной техники “.Машиностроение 1990 год.

6. П. Г. Елисеев “Введение вфизику инжекционных лазеров”.

7. Е. Остапченко “Чудесныелучи”. Московский рабочий  1969 г.

План.

 

·    Введение.

·    Газовый лазер.

·    Полупроводниковые лазеры.

·    Создание инверсной населенности вполупроводниках

·    Рубиновые “спички”.

·    Применение лазеров.

·    Практическое и промышленное применениелазера.

·    Лазеры в вычислительной технике.

·    Лазерный принтер.

·    Оптическая цифровая память.

·    Список литературы.

еще рефераты
Еще работы по физике