Лазеры

Школа №24

 

 

 

 

 

Р Е Ф Е Р А  Т

по физике

 

 

 

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 лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических, химических, биологических.

B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер.

В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана  был создан газовый лазер. Он использовал  в качестве активной среды смесь  газов гелия и неона.

В 1962 году практически  одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой  проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях.

В последнее время  получила распространение еще одна важная область применения лазеров  – лазерная технология, с помощью  которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании  лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.

Лазеры применяются  в стоматологии, нейрохирургии, при  операциях на сердце и диагностике  заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в  агропроме.

В пищевой промышленности исследуются  возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.

Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

 

 

 

 

 

 

ЛАЗЕРЫ.

На вопрос о том, что  такое лазер¹, академик Н.Г. Басов отвечал так: «Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».

Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой  теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

 

¹ Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление света при помощи индуцированного излучения»).

Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления   электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны l=1,27 см.

Свойства лазерного  излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны  создавать пучки света с очень  малым углом расхождения (около  10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются  самыми мощными источниками света.  В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени  продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых 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 (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия  поглощается. За счёт поглощённой энергии  волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового  пучка отнимается энергия

hn=E₂–E₁

равная разности энергий между  уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

                                 2                                                         2

 

                                 1                                                          1

                                                        а                                                     б                                  Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

n=

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться  за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна, а на рисунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

                                        2                                                            2

                                        1                                                            1

                                                     а                                                      б                                 Рис. 2

Трехуровневая система. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого   используется  специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для  работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке 3 изображены три энергетических уровня. Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10^-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света.    (Энергия при этом передается кристаллической решетке.) «Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10^-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10^-8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин – это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al₂O₃ с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

Устройство  рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».

В результате самопроизвольных переходов 2®1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один  из  торцов  рубинового стержня делают зеркальным, а другой   полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано выше. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Рис. 4

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Приведенная ниже классификация лазеров  не претендует на полноту и законченность, что объясняется задачами, которые стояли перед автором реферата, – дать лишь общие представления о принципе работы и применении лазеров.