РЕФЕРАТ
ПО ТЕМЕ:
«Формирование квантовой электроники.
Лазеры и их применение в физике, технике и медицине»
Аспиранта: Бондарь Елены Дмитриевны
Специальность: 01.04.07 «Физика
конденсированного состояния»
ДОНЕЦК 2016
Содержание
Введение. 4
Раздел 1. основные этапы развития квантовой электроники 6
Раздел 2. Понятие квантовой электроники.. 11
РАЗДЕЛ 3. ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 15
РАЗДЕЛ 4. ЛАЗЕРЫ.. 17
4.1. Принцип работы и устройство лазера. 18
4.2.Основные виды лазеров. 20
4.2.1. Полупроводниковый. 20
4.2.2. Газовый. 21
4.2.3. Твердотельный. 22
4.3. Области применения лазеров. 23
4.2.1. Применение лазеров в промышленности. 24
4.2.2. Использование лазеров в информационных технологиях. 25
4.2.3. Применение лазеров в медицине. 27
4.2.3. Применение лазеров в науке. 29
РАЗДЕЛ 5. ФИЛОСОФСКИЙ АНАЛИЗ ДОСТИЖЕНИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. 32
Выводы.. 36
Список литературы.. 37
Введение
С самого начала квантовая физика была известна своей революционностью. В начале 20 столетия в науке появилась квантовая теория, которой А. Эйнштейн воспользовался для объяснения дискретных свойств светового излучения. Первоначально эти взгляды встретили непонимание большинства физиков. Постепенно, однако, накопились опытные данные, убедившие скептиков в дискретности электромагнитной энергии.
Уже в самом первом квантовом приборе механизм усиления был настолько необычным, что он не мог возникнуть как логическое развитие принципов электроники. Только после появления оптического мазера, позднее названного лазером, достоинства изобретения стали достаточно понятны, так что ряд лабораторий сильно заинтересовались ими и приступили к интенсивному освоению новой области.
В процессе своего развития человечество постоянно осваивало и развивало новые виды энергии. И с освоением каждого вида энергии человечество получало новые возможности для своего развития. Но создание лазеров представляет собой нечто большее, чем просто овладение новым видом энергии. В современном производстве лазеры непосредственно выступают в роли орудий труда, в основе применения которых заложен новый принцип воздействия на предмет труда - наиболее гибкий и подвижный элемент производительных сил.
Предмет работы: лазеры
Объект работы: квантовая электроника как область философского знания
Задачи работы: 1. изучить этапы развития квантовой электроники; 2. определить области применения лазеров.
Актуальность работы: Разнообразие имеющихся на сегодняшний день лазеров определяется тем, что в качестве активных сред для них используются все формы состояния вещества — газы, жидкости, твердые тела, плазма, причем с использованием каждой новой формы вещества в качестве активной среды связаны определенные этапы развития квантовой электроники. Поэтому поиск различных активных сред можно рассматривать как метод квантовой электроники на ранней стадии ее развития. Работа в этом направлении не потеряла своей актуальности и сегодня. В свою очередь, производство, во все большей степени опирающееся на квантовую электронику, дает мощный поток эмпирических данных для развития основ современной науки. Изучение различных лазеров показывает, что их общим свойством является наличие в них нелинейности. Можно утверждать, что познание и использование различных нелинейных явлений стало в квантовой электронике основным, определяющим ее развитие методом, возможности которого еще далеко не исчерпаны.
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫРАЗВИТИЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Открытие квантовой электроники является одним из замечательных достижений науки и техники XX века. Практически во всех областях науки, техники и экономики возникли совершенно новые технологические процессы и производства, составлявшие еще столетие назад сюжеты научно-фантастической литературы. По существу, полностью изменилось лицо нашей цивилизации. Образовалось и стало бурно развиваться информационное общество (включающее Интернет), основанное на использовании компьютеров и широкополосных сетей глобальной оптоволоконной и спутниковой связи, появившихся только благодаря возникновению квантовой электроники и связанных с ней технологий, и в первую очередь - лазеров различных частотных диапазонов, мощности и конструктивных особенностей
Квантовая эпоха в оптику и вообще в физику пришла в первые года XX столетие из теории равновесного излучения М. Планка, ввела понятие фотона. Квантовая теория дисперсии была сформулирована в двадцатые года Крамерсом и Гейзенбергом. В этот же время Дирак, Гейзенберг и Рафаэле основали квантовую электродинамику. Довольно интересная история самой квантовой электроники. В принципе, еще в начале этого столетия уровень лабораторной техники был достаточно высок для создания, например, газоразрядного лазера, однако эта потенциальная возможность не могла быть реализована к установлению ряда понятий и закономерностей, которые лежат в основе идеи квантового генератора. [1]
Первый шаг на этом пути, который занял несколько десятилетий, сделал в 1916 г. А. Энштейн, введя понятие вынужденного излучения. Количественная теория явления была создана приблизительно через 10 лет П. Дираком. Из теории вытекало, что возникающие при вынужденном излучении фотоны по всем своим параметрам (энергии, направления распространения и поляризации) совпадают с исходными фотонами. Это свойство называется когерентностью вынужденного излучения.
Первые эксперименты, которые проявили влияние вынужденного излучения были описаны в 1928 году Ладенбургом и Копферманом.. В этих экспериментах исследовалась дисперсия показателя преломления неона, возбужденного электрическим разрядом. В работе Ладенбурга и Копфермана четко сформулированное условие инверсии обитаемости и необходимость выборочного возбуждения уровней для ее получения. В 1940 г. В. А. Фабрикант впервые отметил, что интенсивность света в среде с инверсией населенности должна возрастать (этот эффект рассматривался им лишь как доказательство существования вынужденного излучения, а не как явление, которое имеет прикладное значение). К сожалению, эта работа, как и представленная в 1951 г. В. А. Фабрикантом с сотрудниками как авторская заявка на изобретение, не была своевременно опубликована в распространенных научных изданиях и потому не повлияла на дальнейшее развитие квантовой электроники.
Первые приборы квантовой электроники – мазеры, которые получили в дальнейшем важное практическое применение для генерации и усиление сантиметровых волн, - были созданные лишь в середине пятидесятых годов. Характерно, что сначала квантовой электроникой был освоенный радиодиапазон, лазеры же появились в начале шестидесятых лет.
Среди работ, которые предшествовали появлению мазеров, надо отметить работы Кастлера в Франции, который разработал в 1950 г. метод оптической накачки газов для увеличения разности населенности около подуровней. Кроме газовой и пучковой радиоспектроскопии большую роль сыграла также магнитная радиоспектроскопия, которая возникла в сороковых годах, и изучала взаимодействие радиоволн с феромагнетиками и с ядерными или электронными парамагнетиками. Достижение теории и техники магнитного резонанса привели к созданию парамагнитных усилителей, которые имеют рекордно низкий уровень собственного шума.
Как новое направление физики Квантовая электроника получила свое развитие, начиная с 1954 г, когда почти одновременно в СССР (Басов, Прохоров) и США (Таунс с сотрудниками) были созданы квантовые генераторы электромагнитных колебаний. В этих генераторах впервые были использованы не электронные потоки, а электрически нейтральные атомы. Эти генераторы получили название молекулярных квантовых генераторов.
Следующим важным этапом явилась разработка твердотельных квантовых усилителей радиоволн (1957г). [1, 2]
Квантовые генераторы являются самыми точными стандартами частоты генерации и, следовательно, времени. Их появление открыло новые возможности в создании сверхточных часов и точных навигационных систем. Их погрешность ~1 сек за 300 000 лет. В этом отношении они превосходят не только лучшие кварцевые генераторы, но и астрономические эталоны.
Наряду с решением чисто спектроскопических задач исследования шли также и в направлении использования спектральных линий СВЧ для создания стандартов частоты. Квантовые усилители СВЧ обладают предельно высокой чувствительностью, поскольку уровень шума в них близок к теоретически возможному минимуму. Применение квантовых усилителей в приемниках позволило существенно увеличить дальность действия систем радиосвязи и радиолокации.
В 1955 г. был предложен метод получения инверсной населенности в трехуровневой схеме под воздействием внешнего источника накачки (Bloembergen N Phys. Rev. 104 324 (1956)) – таким образом нашлось решение первой важной проблемы в создании лазера.
Успехи квантовой электроники поставили вопрос о её продвижении в сторону более коротких волн. Первым достижением квантовой электроники в оптическом диапазоне явилось создание в 1960 лазера (Т. Мейман, США). В качестве рабочего вещества в нём использовался монокристалл рубина, а для получения инверсии населённости был применен метод трёх уровней.
Вскоре после рубинового лазера был разработан первый газовый лазер (А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот: 1960. США) на смеси атомов неона и гелия. Затем появился полупроводниковый инжекционный лазер (Р. Хол, а также У. Думке с сотрудниками; 1962, США).
Для получения инверсии населённости в парамагнитном квантовом усилителе, в рубиновом лазере, в газовых и полупроводниковых лазерах и др. используются совершенно различные физические явления. Но единым и главным фактором для всех методов создания инверсной населённости является необходимость преодоления процессов, направленных к восстановлению равновесной населённости.
Таким образом были созданы оптические квантовые генераторы (ОКГ). Их появление позволило распространить радиотехнические методы передачи информации на оптический диапазон волн, информативная емкость которого в десятки тысяч раз больше всего диапазона радиоволн длиной от сотен метров до сантиметров.[1-3]
В отличие от обычных источников света (ламп накаливания, газосветных ламп и др.) излучение оптических квантовых генераторов близко к монохроматическому. Монохроматичность и высокая направленность позволяют сфокусировать всю энергию лазерного излучения в пятно с размерами, близкими к длине волны излучения. В этом случае электрическое поле световой волны достигает значений, близких к внутриатомным полям. При взаимодействии таких полей с веществом возникают совершенно новые явления.
Подводя итог этого важнейшего этапа развития, можно сказать, что квантовая электроника получила солидную научную основу. С этого момента многие исследователи в разных странах (а не только в СССР и США) осознали потенциал квантовой электроники и стали появляться новые работы. Тогда же оформились важнейшие направления исследований:
1. Поиски разнообразных новых активных сред - твердотельных, жидких (в том числе растворов красителей), газообразных и изучение их свойств.
2. Создание новых лазеров на их основе и исследование свойств этих лазеров.
3. Изучение свойств лазерного излучения и возможностей его применения для исследования свойств вещества.
4. Поиски новых применений лазеров и лазерного излучения, создание новых приборов и систем для различных областей науки и техники. [4]
В период с 1961 по 1964 год стали появляться работы в новом многообещающем направлении - полупроводниковой квантовой электронике. Многие исследователи и ранее рассматривали возможность использования полупроводников в качестве активной усиливающей среды. Известен патент японских ученых Й. Ватанабе и Дж. Нишизава от апреля 1957 года, в котором предлагалось применить инжекцию (вброс) свободных носителей в полупроводник с целью получить излучение. Патент имел название "полупроводниковый мазер", говорящее о правильном понимании цели работы. Наиболее интересным, получившим впоследствии развитие, стало предложение группы сотрудников ФИАНа под руководством Н. Г. Басова, которые предлагали использовать p-n-переход в полупроводнике для возбуждения излучения. [1, 2]
РАЗДЕЛ 2. ПОНЯТИЕ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Квантовая электроника, область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения. Практический интерес к квантовым генераторам света (лазерам) обусловлен, прежде всего, тем, что они, в отличие от др. источников света, излучают световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью. Квантовые генераторы радиоволн отличаются от др. радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн - предельно низким уровнем шумов. [5]
Принцип действия лазера или мазера основан на трех «китах» - главных понятиях квантовой электроники, а именно на понятиях вынужденного излучения, инверсного заселения и обратной связи. Рассмотрим более детально данные основные понятия квантовой электроники.
Свет и радиоволны являются электромагнитным излучением, порции которого кванты (или фотоны) могут испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами). Внутренняя энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определённые дискретные значения, называемые уровнями энергии. Уменьшение внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн ν определяется условием Бора:
hν = E 2- E 1, (1)
где h = 6,62×10-27 эрг×сек - постоянная Планка. Аналогично увеличение внутренней энергии атома означает его переход с нижнего уровня E 1 на верхний E 2. Если это увеличение связано с поглощением кванта излучения, то частота поглощаемого излучения определяется тем же условием (1). Т. о., условие (1) определяет частоту спектральной линии поглощения или излучения, характерную для данных частиц. Взаимодействие частиц с окружающими их частицами и полями, а также "краткость их жизни на уровне" приводят к "размытию" уровней энергии. В результате условие (1) выполняется не для одного фиксированного значения частоты ν, а для интервала значений частот, при этом спектральные линии приобретают ширину.
Возбуждённые частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения двумя способами. Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определённая вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения. Акты спонтанного испускания происходят случайно. Поэтому спонтанное излучение носит хаотический характер. Фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения. Интенсивность спонтанного излучения пропорциональна кубу частоты и поэтому резко падает при переходе от световых волн к радиоволнам. Все не лазерные источники света (лампы накаливания, газоразрядные лампы и т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного излучения. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел.
Возбуждённые частицы могут испускать фотоны, переходя с верхнего уровня энергии E 2 на нижний уровень E 1 не только самопроизвольно, но и под воздействием внешнего излучения (вынужденно), если частота этого внешнего излучения удовлетворяет условию (1). Вероятность вынужденного испускания, предсказанного А. Эйнштейном (1917), пропорциональна интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного процесса. Т. о., в процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбуждённым атомом. Существенно, что вторичные кванты неотличимы от первичных. Они обладают в точности такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения. На эту особенность вынужденного излучения, имеющую основополагающее значение для квантовой электроники, впервые указал П. Дирак (1927). Тождественные кванты формируют электромагнитную волну, являющуюся точной усиленной копией исходного излучения. С ростом числа актов вынужденного испускания в 1 сек интенсивность волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление электромагнитного излучения. [6]
Для одной частицы вынужденные переходы с верхнего уровня E 2 энергии на нижний E 1 и с нижнего на верхний одинаково вероятны. Поэтому когерентное усиление волны возможно только при превышении числа возбуждённых частиц над невозбуждёнными. В условиях равновесия термодинамического число возбуждённых частиц меньше числа невозбуждённых, т. е. верхние уровни энергии населены частицами меньше, чем нижние, в соответствии с распределением Больцмана частиц по уровням энергии. При взаимодействии излучения с таким веществом произойдёт поглощение излучения.
Чтобы получить эффект усиления, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы число возбуждённых частиц превышало число невозбуждённых. Состояние вещества, при котором хотя бы для двух уровней энергии частиц верхний уровень оказался более населённым, чем нижний, называется состоянием инверсной населённости. Такое вещество в квантовой электронике называется активным (активной средой). В квантовой электронике используется вынужденное излучение в активной среде для усиления (квантовый усилитель) и генерации (квантовый генератор) электромагнитных волн. Необходимая для генерации обратная связь осуществляется помещением активной среды в объёмный резонатор, в котором могут возбуждаться стоячие электромагнитные волны. В какой-то точке резонатора неизбежно происходит спонтанный переход частицы активной среды с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроизвольно испускается фотон. Если резонатор настроен на частоту этого фотона, то фотон не выходит из резонатора, а, многократно отражаясь от его стенок, порождает множество себе подобных фотонов, которые, в свою очередь, воздействуют на активное вещество, вызывая всё новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь). В результате такого "размножения" фотонов в резонаторе накапливается электромагнитная энергия, часть которой выводится наружу с помощью специальных устройств (например, полупрозрачного зеркала для световых волн). Если в какой-то момент мощность вынужденного излучения превышает мощность потерь энергии на нагрев стенок резонатора, рассеяние излучения и т.п., а также на полезное излучение во внешнее пространство (т. е. если выполнены условия самовозбуждения), то в резонаторе возникают незатухающие колебания, т. е. возбуждается генерация.
В силу свойств вынужденного излучения эти колебания монохроматичны. Все частицы активного вещества работают синфазно. Их заставляет работать синфазно обратная связь. Значение частоты такого генератора с высокой степенью точности совпадает с частотой излучения возбуждённых частиц, хотя оно существенно зависит также от расстройки частоты резонатора относительно частоты излучения частиц. Интенсивность генерации определяется числом возбуждаемых частиц в сек в каждом см3 активной среды. Если число таких частиц L, то максимально возможная мощность Р непрерывного излучения в см3 среды составляет [5]:
РАЗДЕЛ 3. ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Квантовая электроника позволила решить три очень важные задачи:
1) создать высокостабильные квантовые генераторы радиочастотных колебаний (молекулярные генераторы, «атомные стандарты частоты»);
2) резко повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры, применяя в ней квантовые усилители с низким уровнем шумов:
3) разработать генераторы монохроматического излучения в оптическом диапазоне частот.
Достижения квантовой электроники позволяют по-новому решать многие вопросы радиоэлектроники, в частности вопросы связи и локации.
Применения квантовой электроники революционизировали радиофизику СВЧ и оптику. Наиболее глубокие преобразования квантовая электроника внесла в оптику. В радиофизике создание мазеров означало появление радиоустройств, хотя и принципиально новых, но вместе с тем обладающих привычными для радиоинженера свойствами. И до появления квантовой электроники в радиофизике существовали когерентные усилители и монохроматические генераторы. Квантовая электроника лишь резко улучшила чувствительность усилителей (в 103 раз) и стабильность частоты генераторов (в десятки тысяч раз). В оптике же все источники света до появления лазеров не обладали ни сколько-нибудь заметной направленностью, ни монохроматичностью. Создание лазеров означало появление источников света, обладающих совершенно новыми свойствами. Это дало невиданную ранее в оптике возможность концентрировать энергию излучения, как в пространстве, так и в узком частотном интервале.
Промышленность выпускает различные типы лазеров, которые используются не только как эффективный инструмент научных исследований, но и для решения разного рода практических задач. Основные преимущества лазерного воздействия - малая область распространения тепла, отсутствие переноса электрических зарядов и механического контакта, возможность работать внутри вакуумных баллонов и в агрессивных газах.
Новые возможности открыло применение лазеров в оптических линиях связи. Развитие оптических линий связи с их задачами модуляции колебаний, детектирования, гетеродинирования, преобразования частоты световых колебаний потребовало переноса в оптику методов радиофизики и теории колебаний.
Благодаря высокой концентрации электромагнитной энергии в пространстве и по спектру лазеры находят широкое применение в микробиологии, фотохимии, химическом синтезе, диссоциации, катализе. Квантовая электроника привела к развитию голографии - метода получения объёмных изображений предметов восстановлением структуры световой волны, отражённой предметом. [7]
РАЗДЕЛ 4. ЛАЗЕРЫ
Ла́зер или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Основой работы лазера служит квантово механическое явление вынужденного излучения.
Лазерное излучение имеет ряд свойств, которые кардинально отличают его от многих других видов излучений, в частности обычных, тепловых. Перечислим эти свойства:
1. Монохроматичность, то есть способность генерировать излучение в очень узком спектральном диапазоне.
2. Когерентность (пространственная и временнaя) - свойство, тесно связанное с монохроматичностью. Когерентность можно с некоторым приближением определить как согласованное (во времени и в пространстве) протекание колебательных процессов, вызывающих излучение. Это свойство определяется тем обстоятельством, что в лазере усиливается только волна, частота которой одновременно равна и частоте лазерного перехода, и собственной частоте резонатора лазера. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии излучения лазера может оказаться в миллион раз yже ширины линии того же перехода, но при спонтанном излучении. Именно это обстоятельство позволяет использовать лазеры в качестве высокостабильных эталонов частоты и времени.
3. Направленность. Это свойство является простым следствием того обстоятельства, что активное вещество лазера всегда помещено в открытый резонатор, в котором могут существовать только волны, распространяющиеся весьма близко к его оси.
4. Яркость, то есть мощность, излучаемая в единичный телесный угол, также, по существу, представляет собой следствие высокой направленности лазерного пучка. Достаточно сказать, что яркость лазера мощностью порядка милливатта в тысячи раз превосходит яркость практически любого обычного источника света. Эффективная температура лазерного луча, то есть температура, до которой нагревается поглощающее тело, помещенное на пути луча, может иметь невообразимую величину в тысячи миллиардов градусов. Это значит, что понятие тугоплавкости тел по отношению к лазерному излучению смысла не имеет. Любое тело может быть превращено непосредственно в пар, минуя жидкую стадию. На этом свойстве и основаны промышленные методы обработки изделий. [8]
4.1. Принцип работы и устройство лазера.
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
- активной (рабочей) среды;
- системы накачки (источник энергии);
- оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.
Активная среда. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана
,
где N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N 0— число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды.
Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение малое по сравнению с вероятностью его поглощения.
Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:
,
где I 0— начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 — показатель поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.
В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:
,
где a 2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе.
Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, не идеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.). [9-12]
4.2.Основные виды лазеров
Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества.
Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле.
Рассмотрим основные из них.
4.2.1. Полупроводниковый.
Среди оптических квантовых генераторов важную роль играют полупроводниковые лазеры. Использование полупроводников в качестве активной среды позволяет непосредственно преобразовать электрическую энергию в энергию светового излучения.
Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы. 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. [13]
Лазеры на диодных р-n переходах очень эффективны, так как каждый попадающий в область перехода электрон излучает фотон, а потери сводятся только к оптическому рассеиванию энергии на электрических сопротивлениях в остальных частях диода. В отличие от обычных лазеров в лазерах на полупроводниковых диодах применяется не световая, а электрическая накачка. Для осуществления такой накачки величина смещения в прямом направлении должна быть примерно такого же порядка, что и величина запрещенной зоны в полупроводнике, из которого сделан диод. Благодаря высокой плотности носителей заряда — элементарных излучателей — в активной области вблизи полупроводникового перехода (как в некогерентном, так и в когерентном режиме) достигается высокий КПД (свыше 50%),
Существующие в настоящее время оптические квантовые генераторы на диодном переходе имеют малые размеры и значительную энергию излучения. Частоту сигналов полупроводниковых лазеров можно регулировать в значительных пределах изменением температуры.
4.2.1. Газовый
Газовый ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии (в отличие от твёрдых тел в твердотельных лазерах и жидкостей в лазерах на красителях). Разновидностями газового лазера являются газодинамические лазеры, химические газовые лазеры и эксимерные лазеры.
К достоинствам газовых лазеров можно отнести дешевизну и легкость эксплуатации мощных лазеров, что предопределило их широкое распространение в промышленной резке материалов. Самый популярный газовый лазер основан на гелий-неоновой смеси, рабочим телом служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Газовый лазер с электрической накачкой состоит из герметичной трубки с газообразным рабочим телом и элементами оптического резонатора. Накачка энергии в активную среду лазера производится с помощью электрических разрядов в газе, получаемых чаще всего помощью электродов в полости трубки. Электроны, соударяясь с атомами газа, переводят их в возбужденное состояние с последующим излучением фотона. Благодаря актам вынужденного испускания световые волны, созданные в трубке, усиливаются при прохождении через газовую плазму. Оптический резонатор (два точно выставленных зеркала на торцах трубки) задают преимущественное направление излучения. Часть потока фотонов отбирается из лазера через одно из зеркал, сделанное полупрозрачным. Другая часть отражается обратно внутрь лазера для поддержания вынужденного излучения.
 |
Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра. Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт. [12]
4.2.3. Твердотельный
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.
 |
Первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня. 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%. [13]
4.3. Области применения лазеров.
Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.
4.3.1. Применение лазеров в промышленности
Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт). При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две