Лазерные технологии

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ  «МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИМ. А.А. КУЛЕШОВА»

 

 

 

 

Факультет экономики  и права 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Основы современного естествознания»

На тему: «Лазерные технологии»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка гр.ЭУП-111

Короткевич В.М..

 

Проверила:

Лебедев В.И.

                

 

 

 

 

 

Могилев 2013

 

Содержание

 

Введение …………………………………………………………….……3

1. Этапы развития лазерной техники ……………………………...4
2. Лазер и его устройство …………………………………………..6
3. Принцип действия лазера ……………………………………..…7
4. Классификация лазеров ……………………………………….…9
5. Применение лазеров ……………………………………………..12

Заключение ………………………………………………………………15

Список использованной литературы ……………………………….…17

 

Введение

 

Лазер – одно из самых  значимых изобретений 20-го века, он нашел применение в самых различных областях – от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полетов до термоядерного синтеза.

Прошло более 50-ти лет со дня  появления первых лазеров, открывших  начало новой лазерной эры в истории развития науки и техники. Этот период действительно можно назвать новой эрой, т.к. динамика развития, глобальность использования в различных областях человеческой деятельности, масштаб влияния на качество жизни и еще не осознанные до конца перспективы расширения сфер воздействия этого достижения позволяют рассматривать лазерную технологию как одно из самых замечательных открытий 20-го века.

Созданию лазеров человечество, прежде всего, обязано глубоким теоретическим  разработкам в области квантовой физики, электроники, оптики ряда величайших ученых прошлого столетия: А.Энштейна, А.Прохорова, Н.Басова, Ч.Таунса, А.Меймана, Дж. Гоулда и многих других.

Первоначально лазерное излучение  с его уникальными свойствами рассматривалось прежде всего как возможное новое мощное оружие для поражения живой силы и техники. Поэтому наиболее индустриально развитые страны направили на развитие новой отрасли огромные ресурсы, что позволило обнаружить и другие перспективные области использования лазерной техники и технологии.

 

Этапы развития лазерной техники

 

В 1964 году на церемонии присуждения  Нобелевской премии в Стокгольме академик А.М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 года, фундаментом квантовой  электроники следует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 году».

Сущность этого явления  заключается в том, что возбужденные атомы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние  с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны. Однако только много лет спустя появилась мысль применить это явление практически. В авторском свидетельстве СССР от 18/VI. 51 г., выданном В.А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «квантовое усиление».

Явление индуцированного излучения легло в основу современной квантовой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Вебером был предложен квантовый усилитель. В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили устройство молекулярного газового генератора и усилителя сантиметрового диапазона с теоретическим обоснованием эксперимента. Независимо от них к идее такого же генератора пришли Д. Гордон, X.Цайгер и Ч. Таунс, опубликовавшие в 1954 г. сообщение о действующем квантовом усилителе на пучке молекул аммиака. В 1956 г. Н. Бломберген теоретически разработал вопрос о парамагнитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г. Г.Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройства, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазон радиоволн и назывались мазерами.

Следующий этап развития квантовой  электроники связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч.Таунс, А.Л.Шавлов и А.М.Прохоров показали возможность  использования явлений вынужденного усиления в поле оптических излучений. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Labora-tories способствовали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера.

О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем  фактам, что в 1964 г. советские ученые Н.Г. Басов, и А.М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоились Нобелевской  премии по физике за фундаментальные  труды в области квантовой электроники.

В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер  и получил патент. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана лежат  в основе всех современных лазеров.

В конце 1960 г. Али Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона.

Первый молекулярный лазер был  создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер  имел К.П.Д. Примерно 10% и значительную мощность около 10 Вт. Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (Р. Холл, 1962 г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом, Ю.М. Поповым (1958-1961 гг.). Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.

В 1970 г. (год разработки первых ОВ со светоослаблением менее 20 Дб/км) академик Ж.И. Алферов с сотрудниками впервые реализовали полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры AlAs - GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре. За это научное открытие Жорес Алферов был удостоен Нобелевской премии. [1]

 

 

Лазер и его устройство

 

Лазер (усиление света  посредством вынужденного излучения) – оптический квантовый генератор  – устройство, преобразующее энергию  накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию

когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое

явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. 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. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

 

 

Рис.1 Лазер (лаборатория NASA).

Рис.2 Лазер (красный,   зеленый, синий).

 

Рис.3 Устройство лазера:  1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

 

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. [2]

 

Принцип действия 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 когерентенфотону, 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.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности  поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора.  Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером  излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. [2]

 

Классификация лазеров

 

• Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.
• Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.
• Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.
• Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.
• Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N₂+CO₂+He или N₂+CO₂+Н₂О, рабочее вещество — CO₂).
• Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.
• Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.
• Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом полеондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 10⁸ фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.
• Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.
• Волоконный лазер — лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.
• Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности пластин.
• Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).[3]