Пристрій та застосування лазера - Фізика
Квантові генератори, що випромінюють в діапазоні видимого та інфрачервоного випромінювання, отримали назву лазерів. Слово «лазер» є абревіатурою виразу: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що означає посилення світла внаслідок індукованого чи, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.
Узагальнений лазер складається з лазерного активного середовища, системи «накачування» - джерела напруги та оптичного резонатора.
Система накачування передає енергію атомам чи молекулам лазерного середовища, даючи можливість перейти у збуджений «метастабільний стан» створюючи інверсію населеності.
- При оптичному накачуванні використовуються фотони, що забезпечуються джерелом, таким як ксенонова газонаповнена імпульсна лампа або інший лазер для передачі енергії лазерній речовині. Оптичне джерело має забезпечувати фотони, які відповідають допустимим рівням переходу лазерної речовини.
- Накачування за допомогою зіткнень засноване на передачі енергії лазерній речовині в результаті зіткнення з атомами (або молекулами) лазерної речовини. При цьому також має бути забезпечена енергія, що відповідає допустимим переходам. Зазвичай це виконується за допомогою електричного розряду в чистому газі або суміші газів у трубці.
- Хімічні системи накачування використовують енергію зв'язку, що вивільняється в результаті хімічних реакцій для переходу лазерної речовини в метастабільний стан.
Оптичний резонатор потрібен для забезпечення потрібного зусилля в лазері та відбору фотонів, які переміщуються в потрібному напрямку. Коли перший атом чи молекула в метастабільному стані інверсної населеності розряджається, з допомогою вимушеного випромінювання, вінініціює розряд інших атомів чи молекул, що у метастабільному стані. Якщо фотони переміщуються в напрямку стінок лазерної речовини, що зазвичай є стрижнем або трубою, вони губляться, а процес посилення переривається. Хоча вони можуть відбитися від стінок стрижня або труби, але рано чи пізно вони загубляться із системи, і не сприятимуть створенню променя.
З іншого боку, якщо один з зруйнованих атомів або молекул вивільнить фотон, паралельний осі лазерної речовини, він може ініціювати виділення іншого фотона, і вони обидві відіб'ються дзеркалом на кінці стрижня або труби, що генерує. Потім, відбиті фотони проходять назад через речовину, ініціюючи подальше випромінювання в точності тим же шляхом, яке знову позначиться дзеркалами на кінцях лазерної речовини. Поки цей процес підсилення триває, частина підсилення завжди виходитиме через дзеркало, що частково відображає. У міру того, як коефіцієнт посилення або приріст цього процесу перевищить втрати з резонатора починається лазерна генерація. Таким чином, формується вузький концентрований промінь когерентного світла. Дзеркала в лазерному оптичному резонаторі повинні бути точно налаштовані для того, щоб світлові промені були паралельні осі. Сам оптичний резонатор, тобто. речовина середовища, що не має сильно поглинати світлову енергію.
Лазерне середовище (генеруючий матеріал) – зазвичай лазери позначаються на кшталт використовуваного лазерного речовини. Існують чотири такі типи:
Твердотільні лазери використовують лазерну речовину, розподілену у твердій матриці. Твердотільні лазери займають унікальне місце у розвитку лазерів. Першим робочим лазерним середовищем був кристал рожевого рубіна (сапфіровий кристал, легований хромом); з того часу термін «твердотільнийлазер» зазвичай використовується для опису лазера, у якого активним середовищем є кристал, легований домішками іонів. Твердотілі лазери - це великі, прості в обслуговуванні пристрої, здатні генерувати енергію високої потужності. Найбільш чудовою стороною твердотільних лазерів є те, що вихідна потужність зазвичай не стала, а складається з великої кількості окремих піків потужності.
Одним із прикладів є Неодим – YAG лазер. Термін YAG є скороченням для кристала: алюмоітрієвий гранат, який служить як носій для іонів неодиму. Цей лазер випромінює інфрачервоний промінь із довжиною хвилі 1064 мікрометри. Крім того, можуть використовуватися інші елементи для легування, наприклад ербій (лазери Er:YAG).
У газових лазерах використовується газ чи суміш газів у трубі. У більшості газових лазерів використовується суміш гелію і неону (HeNe), з первинним вихідним сигналом 6328 нм (нм = 10-9 метра) видимого червоного кольору. Вперше такий лазер був розроблений у 1961 році та став провісником цілого сімейства газових лазерів.
Всі газові лазери досить схожі за конструкцією та властивостями. Наприклад, СО2 газовий лазер випромінює довжину хвилі 10,6 мікрометрів далекої інфрачервоної області спектра. Аргоновий та криптоновий газові лазери працюють з кратною частотою, випромінюючи переважно у видимій частині спектру. Основні довжини хвиль випромінювання аргонового лазера – це 488 та 514 нм.
У лазерах на фарбнику використовується лазерне середовище, що є складним органічним барвником у рідкому розчині або суспензії.
Найбільш значна особливість цих лазерів – їхня «пристосовуваність». Правильний вибір барвника та його концентрації дозволяє генерувати лазерне світло у широкому діапазоні довжин хвиль у видимомуспектр або біля нього. У лазерах на фарбнику зазвичай застосовується система оптичного збудження, хоча в деяких типах таких лазерів використовується збудження за допомогою хімічних реакцій.
Напівпровідникові (діодні) лазери складаються з двох шарів напівпровідникового матеріалу, складених разом. Лазерний діод є діодом, що випромінює світло, з оптичною ємністю для посилення випромінюваного світла від люфта в стрижні напівпровідника, як показано на малюнку. Їх можна налаштувати, змінюючи струм, температуру або магнітне поле, що прикладається.
Різні часові режими роботи лазера визначаються частотою, з якою надходить енергія.
Лазери з безперервним випромінюванням (Continuous wave, CW) працюють із постійною середньою потужністю променя.
У одноімпульсних лазерів тривалість імпульсу зазвичай становить від кількох сотень мікросекунд до кількох мілісекунд. Цей режим роботи зазвичай називається довгоімпульсним чи нормальним режимом.
Одноімпульсні лазери з модуляцією добротності є результатом внутрішньорезонаторного запізнення (комірка модуляції добротності), що дозволяє лазерному середовищу зберігати максимум потенційної енергії. Потім, за максимально сприятливих умов, відбувається випромінювання одиночних імпульсів, зазвичай із проміжком часу 10-8 секунд. Ці імпульси мають високу пікову потужність, часто в діапазоні від 106 до 109 Ватт.
Імпульсні лазери періодичної дії або скануючі лазери працюють у принципі так само як і імпульсні лазери, але з фіксованою (або змінною) частотою імпульсів, яка може змінюватися від декількох імпульсів за секунду до такого великого значення як 20 000 імпульсів за секунду.
Принцип дії лазера
Фізичною основою роботи лазера є явищевимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища у тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під впливом іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінюваний фотон когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). У такий спосіб відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, у якому випромінювані фотони мають випадкові напрями поширення, поляризацію та фазу.
Імовірність того, що випадковий фотон викликає індуковане випромінювання збудженого атома, точно дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженому стані. Тому посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів серед було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.)
Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінювані фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він є двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре — через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (призми, що обертаються, комірки Керра та ін.)Для швидкого вимикання та включення зворотного зв'язку та зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.
Випромінювання, що генерується лазером, є монохроматичним (одною або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі домінуватимуть над іншими фотонами. Крім цього, через особливе розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином, промінь лазера має дуже малий кут розбіжності. Нарешті, промінь лазера має певну поляризацію. Для цього резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.
лазер квантовий генератор випромінювання
З моменту свого винаходу лазери зарекомендували себе як готові рішення ще не відомих проблем. У силу унікальних властивостей випромінювання лазерів вони широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки, а також у побуті (програвачі компакт-дисків, лазерні принтери, зчитувачі штрих-кодів, лазерні указки тощо). У промисловості лазери використовуються для різання, зварювання та паяння деталей з різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяєзварювати матеріали, які неможливо зварити звичайними способами (наприклад, кераміку та метал). Промінь лазера може бути сфокусований на точку діаметром порядку мікрона, що дозволяє використовувати його в мікроелектроніці (так зване лазерне скрайбування). Лазери використовуються для отримання поверхневих покриттів матеріалів (лазерне легування, лазерне наплавлення, вакуумно-лазерне напилення) з метою підвищення їх зносостійкості. Широке застосування отримала також лазерне маркування промислових зразків та гравіювання виробів із різних матеріалів. При лазерній обробці матеріалів на них не виявляється механічна дія, тому виникають лише незначні деформації. Крім того, весь технологічний процес може бути повністю автоматизований. Лазерна обробка тому характеризується високою точністю та продуктивністю.
Напівпровідниковий лазер, який використовується у вузлі генерації зображення принтера Hewlett-Packard.
Лазери застосовуються в голографії для створення самих голограм та отримання гологафічного об'ємного зображення. Деякі лазери, наприклад лазери на барвниках, здатні генерувати монохроматичне світло практично будь-якої довжини хвилі, при цьому імпульси випромінювання можуть досягати 10-16 с, а отже, і величезних потужностей (так звані гігантські імпульси). Ці властивості використовують у спектроскопії, і навіть щодо нелінійних оптичних ефектів. З використанням лазера вдалося виміряти відстань до Місяця з точністю до кількох сантиметрів. Лазерна локація космічних об'єктів уточнила значення астрономічної постійної та сприяла уточненню систем космічної навігації, розширила уявлення про будову атмосфери та поверхні планет Сонячної системи. В астрономічних телескопах, забезпечених адаптивноюОптичною системою корекції атмосферних спотворень лазер застосовують для створення штучних опорних зірок у верхніх шарах атмосфери.
Надкороткі імпульси лазерного випромінювання використовуються в лазерній хімії для запуску та аналізу хімічних реакцій. Тут лазерне випромінювання дозволяє забезпечити точну локалізацію, дозу, абсолютну стерильність і високу швидкість введення енергії в систему. В даний час розробляються різні системи лазерного охолодження, розглядаються можливості здійснення за допомогою лазерів керованого термоядерного синтезу (найбільш відповідним лазером для досліджень в області термоядерних реакцій, був би лазер, який використовує довжини хвиль, що лежать у блакитній частині видимого спектру). Лазери використовуються і у військових цілях, наприклад, як засоби наведення та прицілювання. Розглядаються варіанти створення на основі потужних лазерів бойових систем захисту повітряного, морського та наземного базування.
У медицині лазери застосовуються як безкровні скальпелі, що використовуються при лікуванні офтальмологічних захворювань (катаракта, відшарування сітківки, лазерна корекція зору та ін.). Широке застосування отримали також у косметології (лазерна епіляція, лікування судинних та пігментних дефектів шкіри, лазерний пілінг, видалення татуювань та пігментних плям). В даний час бурхливо розвивається так званий лазерний зв'язок. Відомо, що чим вище несуча частота каналу зв'язку, тим більша його пропускна здатність. Тому радіозв'язок прагне переходити на дедалі короткі довжини хвиль. Довжина світлової хвилі в середньому на шість порядків менша за довжину хвилі радіодіапазону, тому за допомогою лазерного випромінювання можлива передача набагато більшого обсягу інформації. Лазерний зв'язок здійснюється як по відкритим, так і по закритимсвітловодним структурам, наприклад, оптичного волокна. Світло рахунок явища повного внутрішнього відбиття може поширюватися у ньому великі відстані, мало слабшаючи.