Устройство работы лазера

Описание страницы: устройство работы лазера - 2020 год от профессионалов для людей.

Устройство и работа лазера

Конспект лекции с демонстрациями

Наши задачи: изучить принципы работы лазера.

Когда-то мир жил без лазеров. Это сейчас достижения квантовой физики, лазерной электроники, компьютерные технологии являются неотъемлемыми составляющими нашей жизни, применяются даже в быту. А у истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и американец Чарлз Хард Таунс.
В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера».

1964
The prize was divided, one half being awarded to:

N ICOLAY G ENNADIYEVICH B ASOV

and A LEKSANDR M IKHAILOVICH P ROKHOROV for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle.

Попробуем разобраться в принципах работы лазера. Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).

Мы знаем, что, если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света νmn = (Wm — Wn)/h.

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света.

Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Nm было больше числа атомов на нижнем уровне Nn, между которыми происходит переход.

Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, т.к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.

Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.

Другим источником потерь являются торцы трубки с активной средой. Для уменьшения потерь на границе этой трубки выходные окошки делают скошенными под углом Брюстера (рис. 4). Линейно поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер генерирует линейно поляризованный свет.

При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером. Слово «лазер» составлено из первых букв английской фразы:» L ight a mplification by s timulated e mission of r adiation», что означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Генерация когерентного света происходит одинаково во всех лазерах, как газовых, так и твердотельных. Особенности газового лазера и отличие отдельных видов газовых лазеров друг от друга связаны с выбором рабочего газа и способом создания инверсии населенностей.

Особенности газов как материала для лазера

Энергетический спектр газа отличается от спектра твердого тела прежде всего тем, что он весьма точно соответствует разностям энергетических уровней отдельных атомов и молекул. Это свойство газов позволяет предсказать множество возможных схем энергетических переходов в различных газах.

Другая особенность газов – их высокая оптическая однородность. Плотность газа мала, поэтому свет в газе практически не рассеивается, и световой луч не искажается. Это позволяет использовать в газовых лазерах большие расстояния между зеркалами. Поэтому с помощью газового лазера легко получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

Наряду с достоинствами газ как рабочая среда для лазера обладает и недостатком: плотность газа значительно ниже плотности твердых тел, и поэтому в единице объема газа нельзя получить такое большое количество возбужденных атомов, излучающих свет, как в твердом теле. В результате этого даже большие размеры газовых лазеров пока не дают возможности получить те высокие импульсные мощности, которые дают лазеры на твердом теле.

Читайте так же:  Невыплата заработной платы конкурсным управляющим

Одна из особенностей газов состоит в многообразии различных физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей. Такими процессами являются неупругие соударения атомов разного «сорта», диссоциации молекул при соударении их в электрическом разряде, возбуждение атомов электронным ударом, светом и т.д.

Чаще всего инверсия населенностей создается в процессе электрического разряда. Эти лазеры называются газоразрядными.

Газоразрядные лазеры

В них инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударении со свободными быстрыми электронами, образующимися в электрическом разряде.

Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходят недостаточно интенсивно.

При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот, слишком частыми. Из-за этого электроны не успевают достаточно ускориться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Однако, существует фактор, нарушающий эту идиллию. В спектрах многих газов (в частности инертных) под нижними короткоживущими уровнями серии А (под уровнем W3) расположен метастабильный уровень W2, на котором атом может находиться сравнительно долго и населенность которого поэтому велика. Наличие долгоживущего метастабильного уровня W2 препятствует образованию инверсии населенностей, т.к. часть атомов, находящихся на уровне W2, легко переходит на уровень W3. Уровень W2 является как бы «резервуаром», питающим уровень W3 и не дающим ему опустошиться.

Это осложнение можно обойти, добиваясь инверсии населенностей за счет более интенсивного заселения верхних уровней W4 и W5, а также за счет «разгрузки» уровня W2. Последнее происходит, например, при столкновении атомов, находящихся в состоянии W2, со стенками газоразрядной трубки, что приводит, в свою очередь, к уменьшению населенности уровня W3.

Рассмотрим более подробно (рис. 6) способ осуществления инверсии населенностей на примере гелий-неонового лазера.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня W1 на долгоживущие возбужденные уровни W5 и W4. Инверсия населенностей создается большей заселенностью W5 и W4 по сравнению с короткоживущим уровнем W3. Однако в чистом неоне созданию инверсии населенностей мешает метастабильный уровень W2.

Эта трудность была преодолена введением в неон 15% примеси гелия. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней W2 и W3 атомов гелия почти точно совпадают с энергиями уровней W4 и W5 атомов неона. Поэтому атомы гелия вместо быстрого перехода в основное состояние за счет спонтанного излучения часто передают при столкновениях избыток своей энергии атомам неона. Небольшое различие энергий уровней (

0.05 эВ) восполняется кинетической энергией движущихся атомов. Такая передача энергии называется резонансным возбуждением. В результате такого столкновения атом гелия переходит в основное состояние W1, а атом неона – в возбужденное метастабильное состояние W4 или W5. Таким образом, при соударении атомов гелия, возбужденных в разряде на уровни W2 и W3, с атомами неона в основном состоянии происходит дополнительное заселение уровней W4 и W5 атомов неона. Гелий в гелий-неоновом лазере служит резервуаром возбуждений, резонансным образом передаваемых от гелия к неону.

Если правильно подобрать парциальные давления гелия (

1 мм. рт.ст.) и неона (

0.1 мм. рт.ст.) в смеси, то можно добиться заселенности одного или обоих уровней W4 и W5 атомов неона, значительно превышающей населенность этих уровней в чистом неоне, и получить инверсию населенностей между уровнями W4, W5 и W3.

Интересно, что опустошение нижнего короткоживущего уровня W3 неона в гелий-неоновом лазере происходит под влиянием соударений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Эти соударения по-разному влияют на населенность различных уровней. Они практически не изменяют населенности уровней W4, W5 и непосредственно W3, т.к. время жизни атома на этих уровнях недостаточно велико, чтобы атомы, находящиеся в этих состояниях, могли «добраться» до стенки. Эти уровни разрушаются гораздо раньше. В то же время атомы на уровне W2 живут долго и добираются до стенок. Соударения со стенками разгружают уровень W2, в результате чего атомы неона переходят с уровня W3 на более низкий W2, т.е. уровень W3 опустошается быстрее, чем при заселенном W2.

Для того, чтобы соударения атомов неона со стенками эффективно опустошали уровень W3, необходимо подобрать оптимальный диаметр трубки лазера. Эксперимент показал, что максимальная мощность гелий-неонового лазера достигается при диаметре трубки 6 — 7 мм. При больших диаметрах трубки мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа. Падение мощности обусловлено тем, что эффективно опустошаются уровни для тех атомов, которые находятся вблизи стенок, а атомы, находящиеся в центре трубки, практически выключаются из процесса генерации.

Многомодовые и одномодовые лазеры

В действительности, уровни W3, W4 и W5 неона представляют собой полосы из большого числа тесно расположенных уровней. В спектрометре с небольшим разрешением мы видим одну линию (1 на рис.7), тогда как на самом деле она представляет собой целый набор линий с очень близкими частотами.

Длина лазеров на смеси гелий-неона обычно порядка 1 – 2 м, что позволяет получить высокую направленность лазерного луча (реально получена расходимость

1-2′). Кроме очень высокой направленности, гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Несмотря на малую выходную мощность (10 – 100 мВт), гелий-неоновый лазер – один из самых распространенных.

Источник: http://teachmen.ru/work/Laser_lec/

Принцип работы лазера и основные виды лазеров

Для лазера характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.

Время жизни атома в возбуждённом состоянии порядка 10 -8 с. Пролетающий рядом с возбуждённым атомом фотон, может вызвать досрочное, вынужденное излучение, если оба фотона имеют одинаковые частоты (энергии). При этом, в отличии от спонтанного излучения, испущенный фотон будет иметь такое же направление движения и начальную фазу, что и пролетавший. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного излучения количество квантов может нарастать лавинообразно, если количество возбуждённых атомов в среде существенно превышает количество не возбуждённых. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов. Естественно, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит название – накачка.

Накачкой могут служить: электромагнитное излучение (свет); электрический ток; пучок релятивистских электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Читайте так же:  Жена не хочет подавать на алименты

Таким образом, основными элементами лазеров являются:

  • рабочее тело, среда, состоящая из атомов способных к возбуждению в заданном диапазоне длин волн;
  • источник энергии и система накачки энергии в рабочее тело;
  • система фокусировки светового пучка.

Виды лазеров

Газовые лазеры (лазер СО2)

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В них использовались квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в широком диапазоне: от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелий-неоновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne.

В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Жидкостный лазер

Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.

В первых жидкостных лазерах использовались растворы редкоземельных хелатов. Они пока не нашли применения малого количества достижимой энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы (менее 50 мксек).

Твердотельные лазеры

Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле. Неодимовый лазер работает на длине волны l = 1,06 мкм. Изготовляют также сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4 — 5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж за время

Лазеры на рубине, наряду с лазерами на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазерами. Полная энергия импульса генерации достигает сотен Дж при длительности импульса 10 -3 сек. Также возможно реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких КГц).

Примером твердотельных лазеров непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и лазера на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн от 1 до 3 мкм. Типичное значение мощности генерации твердотельного лазера в непрерывном режиме

1 Вт или долей Вт, для лазера на иттриево-алюминиевом гранате

десятков Вт. Если не создать специальных условий, то спектр генерации твердотельных лазеров сравнительно широк, так как обычно реализуется многомодовый режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию, что обычно связано со значительным уменьшением генерируемой мощности. Существуют определенные трудности в процессе выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла.

Полупроводниковые лазеры

Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме. Другими особенностями полупроводниковых лазеров, имеющими практическую значимость, являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30-50%); малая степень инерционности, которая обусловливает широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 ГГц); простая конструкция; также – возможность перестройки длины волны излучения и наличие значительного количества полупроводников, которые непрерывно перекрывают интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности, что связано со значительной шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры наиболее эффективны в том случае, когда требования к когерентности и направленности не велики, однако необходимы малые габариты и высокий КПД.

Полупроводниковые лазеры превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД. Важное качество полупроводниковых лазеров заключается в возможности перестройки частоты излучения и управления световым пучком.

Видео (кликните для воспроизведения).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: http://studopedia.ru/4_81078_printsip-raboti-lazera-i-osnovnie-vidi-lazerov.html

Принцип работы лазерного луча

Как работает лазер — основы

В следующем видеоматериале мы в общих чертах покажем вам принципы работы и структуру лазера.

Термин «лазер»

ЛАЗЕР — это аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». То есть «усиление света посредством вынужденного излучения»- Говоря простым языком: частички света (протоны), возбужденные током, излучают энергию в форме света. Этот свет собирается в пучок. Таким образом образуются лазерные лучи.

Техническая структура лазера

Все лазеры состоят их трех компонентов, это:

  1. Внешний источник накачки
  2. Активная лазерная среда
  3. Оптический резонатор.

Источник накачки направляет внешнюю энергию к лазеру.

Читайте так же:  Справка о доходах тинькофф банк

Активная лазерная среда находится внутри лазера. В зависимости от конструкции активная лазерная среда может состоять из смеси газа (CO2-лазер), кристаллического тела (YAG-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). Когда энергия подается в активную лазерную среду через систему накачки, то это ведет к выделению энергии в форме излучения.

Активная лазерная среда находится между двумя зеркалами в так называемом «оптическом резонаторе». Одно из зеркал полупрозрачное. Излучение активной лазерной среды усиливается в резонаторе. В то же время определенная часть излучения может выходить из резонатора через полупрозрачное зеркало. Собранное в пучок излучение представляет собой лазерное излучение.

Свойства лазерного луча: монохроматичность и высокая когерентность

Лазерное излучение обладает тремя фундаментальными свойствами, а это:

  1. Монохроматичность. Это значит, что излучение состоит только из волн одной длины.
  2. Высокая когерентность и, следовательно, синфазность (совпадение фаз).
  3. В связи с когерентностью волны лазера практически параллельны.

Благодаря этим свойствам лазерные лучи используются во многих областях современной обработки материалов. Интенсивность сохраняется на протяжении долгого времени благодаря когерентности, кроме того, лучи можно еще фокусировать при помощи линз. Лазерный луч попадает на поверхность материала, впитывается и нагревает таким способом материал. Благодаря этому тепловыделению материал удаляется или полностью испаряется. Таким образом предоставляется возможность гравировки, маркировки и резки множества материалов.

Дальнейшая информация относительно лазерной гравировки, резки и маркировки

Как выглядит принцип гравировки, резки и маркировки при помощи лазера? Мы покажем вам в этом видео

Источник: http://www.troteclaser.com/ru/sovety-pol-zovatelyu/voprosy/kak-rabotayet-lazer/

ЛА́ЗЕР

Скопировать библиографическую ссылку:

ЛА́ЗЕР, источник когерентного электромагнитного излучения высокой направленности, способный осуществлять предельно возможную концентрацию энергии излучения в пространстве, времени и спектральном диапазоне. Слово «лазер» является аббревиатурой английского словосочетания: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света вынужденным излучением». Первоначально термин «лазер» применялся только к оптическому излучению (свету), ныне генерация лазерного излучения получена в диапазоне длин волн от микроволнового до мягкого рентгеновского. Лазерное излучение возникает как результат преобразования различных видов энергии (световой, электрической, химической и др.). Начало новому научному направлению – квантовой электронике , в т. ч. лазерной физике , было положено работами А. М. Прохорова , Н. Г. Басова в СССР и Ч. Х. Таунса в США (1954–55), которые в 1964 были удостоены Нобелевской премии.

Источник: http://bigenc.ru/physics/text/4341828

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии, и могут только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию, излучая ее тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом поглощением. Инверсные системы атомов и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах. Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера. Именно от активной среды зависят основные характеристики лазеров — мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация) может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника. Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

1) Активная рабочая среда

2) Источник энергии или система накачки

3) Устройство для усиления излучаемого света — система зеркал (оптический резонатор)

Основные виды лазеров

Газовые лазеры (СО2)

Читайте так же:  Сокращение работников при реорганизации

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность, то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов — в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время

10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат, а активатором — ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок. Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ : Nd (лазер на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом) достигает 0,5 — 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

Источник: http://mirstankov.com/princip-raboty-lazera-osnovnye-vidy-lazerov/

ЛА́ЗЕР

В книжной версии

Том 16. Москва, 2010, стр. 588

Скопировать библиографическую ссылку:

ЛА́ЗЕР, ис­точ­ник ко­ге­рент­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния вы­со­кой на­прав­лен­но­сти, спо­соб­ный осу­ще­ст­в­лять пре­дель­но воз­мож­ную кон­цен­тра­цию энер­гии из­лу­че­ния в про­стран­ст­ве, вре­ме­ни и спек­траль­ном диа­па­зо­не. Сло­во «ла­зер» яв­ля­ет­ся аб­бре­виа­ту­рой англ. фра­зы: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что оз­на­ча­ет «уси­ле­ние све­та вы­ну­ж­ден­ным из­лу­че­ни­ем». Пер­во­на­чаль­но тер­мин «Л.» при­ме­нял­ся толь­ко к оп­тич. из­лу­че­нию (све­ту), ны­не ге­не­ра­ция ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­лу­че­на в диа­па­зо­не длин волн от мик­ро­вол­но­во­го до мяг­ко­го рент­ге­нов­ско­го. Ла­зер­ное из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет как ре­зуль­тат пре­об­ра­зо­ва­ния разл. ви­дов энер­гии (све­то­вой, элек­трич., хи­мич. и др.). На­ча­ло но­во­му на­уч. на­прав­ле­нию – кван­то­вой элек­тро­ни­ке, в т. ч. ла­зер­ной фи­зи­ке , бы­ло по­ло­же­но ра­бота­ми А. М. Про­хо­ро­ва , Н. Г. Ба­со­ва в СССР и Ч. Х. Та­ун­са в США (1954–55), ко­то­рые в 1964 бы­ли удо­стое­ны Но­бе­лев­ской пре­мии.

Источник: http://bigenc.ru/physics/text/v/2131556

Принцип работы лазера и основные виды лазеров

По принципу своей работы лазер достаточно схож с ранее созданным мазером*, отсюда и его альтернативное название – оптический мазер. Для обоих устройств характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.

Лазерная генерация способна возникнуть лишь в том множестве микрочастиц, где число возбужденных атомов выше, чем находящихся в основном состоянии. Отсюда следует сделать вывод, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит именно это название – накачка.

Главное различие всех типов лазера именно в способе накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Читайте так же:  Методы управления дебиторской задолженностью предприятия

* Мазер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны длиной около сантиметра. Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification stimulated by emission of radiation) — было дано в 1954году его создателями: советскими учёными А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым, а также американцами Ч. Таунсом, Д. Гордоном и Х. Цейгером. Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (вчастности, в космической связи), в физических исследованиях, а такжекак квантовые стандарты частоты.

Газовые лазеры (лазер СО2)

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В них использовались квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в широком диапазоне: от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелио-неоновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne .

В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Полупроводниковые лазеры

Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме. Другими особенностями полупроводниковых лазеров, имеющими практическую значимость, являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30—50%); малая степень инерционности, которая обусловливает широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 ГГц); простая конструкция; также – возможность перестройки длины волны излучения и наличие значительного количества полупроводников, которые непрерывно перекрывают интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности, что связано со значительной шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры наиболее эффективны в том случае, когда требования к когерентности и направленности не велики, однако необходимы малые габариты и высокий КПД.
Полупроводниковые лазеры превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД. Важное качество полупроводниковых лазеров заключается в возможности перестройки частоты излучения и управления световым пучком.

Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.

В первых жидкостных лазерах использовались растворы редкоземельных хелатов. Они пока не нашли применения малого количества достижимой энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы (менее 50 мксек ).

Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле. Неодимовый лазер работает на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Изготовляют также сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4 — 5 см . Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж за время

Лазеры на рубине, наряду с лазерами на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазерами. Полная энергия импульса генерации достигает сотен Дж при длительности импульса 10-3 сек. Также возможно реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких КГц).

Примером твердотельных лазеров непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и лазера на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн ℓ от 1 до 3 мкм . Типичное значение мощности генерации твердотельного лазера в непрерывном режиме

1 Вт или долей Вт , для лазера на иттриево-алюминиевом гранате

десятков Вт. Если не создать специальных условий, то спектр генерации твердотельных лазеров сравнительно широк, так как обычно реализуется многомодовый режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию, что обычно связано со значительным уменьшением генерируемой мощности. Существуют определенные трудности в процессе выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла.

Видео (кликните для воспроизведения).

Источник: http://www.yusto.ru/stati/lazernye-ustanovki/

Устройство работы лазера
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here