Реферат: Лазеры

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление светапосредством вынужденного излучения»), оптический квантовый генератор – устройство,преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую идр.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного иузконаправленного потока излучения.

Существуют лазеры с длинами волн отультрафиолетовых до инфракрасных, а мощность лазеров может варьироваться отнескольких долей милливатта для медицинских применений до киловатт – длялазеров, применяемых в промышленности.

Устройство лазера

Лазер состоит из источника энергии(механизм «накачки), активной среды и системы зеркал (резонатора).

/>

Источником энергии может бытьэлектрический разрядник, импульсная или дуговая лампа, другой лазер, химическаяреакция и т.д.

Активной средой может быть газ(углекислый, аргон, криптон) или смесь газов (гелий-неон или ксенон хлор),жидкость (краситель), пары металла (медь, золото), твёрдые тела (кристаллы,стекло), полупроводники и др.

С практической точки зрения лазер – этоисточник света, который испускает узкий пучок света. Этот пучок света имеетопределенную длину волны и распространяется с маленькой расходимостью.

Внутри лазера энергия возбуждает «активнуюсреду», которая излучает энергию в виде света.

Активная среда содержит большее количествоатомов в возбужденном состоянии, чем атомов с более низким уровнем энергии.Световая волна формируется, когда атом из «возбужденного» состояния, где онсодержит определенное количество энергии, переходит в другое состояние сменьшим количеством энергии. Различие в энергии между двумя уровнямисоответствует энергии испускаемой волны.

Гигантское количество атомов излучаютсогласованно, в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток.Это есть когерентный свет.

Излучённая активной средой световая волнас определённой энергией отражается от зеркал (резонатор) и опять возвращается вактивную среду снова возбуждая всё новые атомы. Этот продолжающийся процесс исветовой пучок становится сильнее и сильнее. Волна может отражаться многократнодо момента выхода наружу. Обычно используется частично прозрачное зеркало содной из сторон, чтобы обеспечить выход требуемой части лазерного луча.

Оптический резонатор, простейшей формойкоторого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего телалазера.

В более сложных лазерах применяются четыреи более зеркал, образующих резонаторов.

Физические основы работы лазера

Спонтанные и вынужденные переходы.

Согласно классическим представлениям,испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается сзамедлением и ускорением электрические зарядов. Например, процесс спонтанногоиспускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора наизлучение в течение некоторого промежутка времени, количественнойхарактеристикой которого служит так называемое время жизни t. В результате излучаемаямощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве вформе сферических волн.

В квантовой теории имеют дело состационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испусканияпредполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излученияили поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом,который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени скаждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являютсяэмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяетчисленно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика даетвозможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным(происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным(происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегдаявляется вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня, содержащиходинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.

/>

Согласно постулатам Эйнштейна, числоспонтанных переходов /> в единицу времени в единице объема сверхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

/>

Соотношение строго выполняется, еслиэлементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.

/>

определяет число спонтанно испускаемых вединицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу сэнергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанногоиспускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единицеобъема за единицу времени, /> также пропорционально населенностиисходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения r наданной частоте (энергии фотонов в единице объема).

/>

/>

/> – этоЭйнштейновский коэффициент поглощения. Вероятность поглощения равна.

Аналогично определяется число фотонов вслучае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе сверхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.

/>

/>

Этот коэффициент носит названиеЭйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность переходаравна />

Если нет вырождения энергетическихуровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение квантаравны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцироватьизлучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокиеэнергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому актыпоглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общийэнергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испусканиефотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание – внаправлении распространения падающего на частицу излучения.

История

История изобретения лазера началась в 1916году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом,где прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей игенераторов электромагнитных волн.

В 1928 году, Ланденбург, сформулировалусловия обнаружения индуцированного излучения, отметив, что для этогонеобходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В 1955 году Николай Басов и АлександрПрохоров разработали квантовый генератор – усилитель микроволн с помощьюиндуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

А в 1958 году Александр Прохоровиспользовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой двапараллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Первый работающий лазер был сделанТеодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза(Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечениемгрупп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Belllaboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой,который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то жевремя иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работуон получил премию имени Альберта Эйнштейна.

В том же году доктор Леон Голдман впервыеиспользовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов.

Революционные достижения лазерныхтехнологий не могли не затронуть отрасли эстетической медицины и в 1964 годубыл изобретён лазер на диоксиде углерода (СО2 – лазер) для хирургических целей.С этого момента лазерная косметология стала развиваться большими темпами.

В 1983 г. Андерсон и Парришпредложили метод селективного фототермолиза, который основан на способностибиотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны,что приводит к их локальной деструкции. При поглощении основными хромофорамикожи – водой, гемоглобином или меланином – электромагнитная энергия лазерногоизлучения преобразуется в тепло, что вызывает нагрев и коагуляцию хромофоров.При этом одновременно происходит охлаждение нагретого участка ткани за счеттеплопроводности, т.е. тепло переходит от более теплого участка к болеехолодному. Таким образом, для того чтобы преобразовавшаяся тепловая энергия накапливаласьисключительно в выбранном для разрушения хромофоре, активный нагрев мишенидолжен происходить быстрее, чем ее пассивное охлаждение.

Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источниковизлучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценныхсвойств.

1. Лазерное излучение когерентно ипрактически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали толькорадиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможностьосвоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи,тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицувремени.

Из-за того, что вынужденное излучениераспространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо:его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяютфокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точкефокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощностиимеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесногоизлучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излученияПланка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых вкоординатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая даетраспределение энергии в спектре излучения при определенной температуре.Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планказначения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения награфике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучениепрактически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единицеобъема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигатьогромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта(1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Методы создания инверсии населённости.

Для создания активной Среды необходимоизбирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселениеодного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективныхметодов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л.на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине.Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводитионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10–8 сек) осуществляетсябезызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и />. Избыток энергии при этомпередаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ науровнях E 2 и /> составляет 10–3 сек. Толькопо истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1.Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Еслиосвещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большойинтенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), топроисходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и /> и возникает инверсиянаселённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволилосоздать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длинойволны l " 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостейуровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ науровни E2, за время, не превышающее 10–3 сек. Это предъявляет большиетребования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используютсяимпульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10–3 сек.За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Метод оптической накачки обладаетнесколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред сбольшой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот методвозбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только тачасть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионовCr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощаетсяотносительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицуобъёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверснойнаселённостей уровней, в основном определяется особенностями используемойсистемы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубинетеряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственныхколебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов.Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловыхнагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л.достигает нескольких дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергииостаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давленииэнергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела,вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагревна десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд.Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки влучшем случае не превышает нескольких% из-за неполного использования спектраламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрическойэнергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил методсоздания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различныхгазах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большойэнергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсиюнаселённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этотметод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различныеатомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрическихразрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие винфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того,возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режимработы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергиюизлучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л.непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением рядадр. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит вследующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, пристолкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновенийвозбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного изколебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсиинаселённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпддостигает 20–30%.

В дальнейшем оказалось возможным создатьгазодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагреваетсядо температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя изсопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрогоохлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см.Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучениегазодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьмаперспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача созданиякрупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловыхисточников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случаеэлектроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия,запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, – порядка 0,1 дж на 1 см3объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являютсяисключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственноеиспользование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. созданиеактивной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачкиявляется реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л.образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакцияF + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результатеэтой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовыхпереходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавитьCO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. напереходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HFиграют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Болееэффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смесикоэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излученияможет достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так ив непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в томчисле сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалосьвозможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока черезэлектронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическимвозбуждением.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучениясделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областяхнауки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазерынепрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей изразличных материалов. Высокая температура излучения позволяет свариватьматериалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл скерамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч вточку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ ИВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый методлазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей ввакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить втехнологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служитудобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют дляизмерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения световогоимпульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят припомощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностейизделия.

2. Лазерная связь. Появление лазеровпроизвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простаязакономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тембольше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившаядиапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн.Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десяткитысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч разбольше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связьосуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которыхза счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерьна многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводятизображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине.

Лазерная техника широко применяется и вхирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок,«приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна.Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируютживые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран иоказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточноймедициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях.Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии даетвозможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем тольков недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию,сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н.инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии(технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м)лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов,биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра(10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследованияатмосферы.

5. Военные лазеры.

Военное применение лазеров включает как ихиспользование для обнаружения целей и связи, так и применение в качествеоружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного илиорбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевыеспутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооруженияэкипажей орбитальных станций военного назначения.

Можно без преувеличения сказать, чтолазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизничеловечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Литература

1.) Брэгг У. «Мирсвета. Мир звука». М., Наука, 1967

2.) Дунская И.М.«Возникновение квантовой электроники». М., Наука, 1974

3.) Тарасов Л.В.«Лазеры: действительность и надежды». М., Наука, 1979

4.) Транковский С.«Книга о лазерах». М., 1988