Принцип работы лазера и его использование. Лазер из чего состоит4.3. Принцип работы лазераИнверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал. Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки. Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.
Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки; 3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение. §5. Устройство и работа гелий-неонового лазера
Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера. 1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р1 и Р2, установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S1 и S2, между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области. 2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S1 и S2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S1 и S2, будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня '3 на более низкий уровень '1. Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S2, делается полупрозрачным. Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S1 и S2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела D, где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут. Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2Z=m, то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S1, после прохождения туда и обратно вернется к S1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2Z=(m1)(). Следовательно, =/m, то есть , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни '3 и '1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2Z=m может удовлетворять только одна длина волны . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света. Основные свойства пучка лазерного света:
Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры. studfiles.net Как устроены лазеры и где их используютСоздание лазераПоявление лазеров было предсказано ещё Альбертом Эйнштейном в 1916 году: он изложил свою концепцию вынужденного излучения. Вынужденное, или индуцированное, излучение - генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т.д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Через 12 лет, в 1928 году, существование вынужденного излучения было подтверждено экспериментально, а 16 мая 1960 года Теодор Майман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. Пожалуй, именно с этой даты можно вести отсчёт активного развития физики лазеров. Кстати, лазер - это аббревиатура, которая расшифровывается следующим образом: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения.
Практически любой лазер состоит из трёх основных элементов: источник энергии (механизм "накачки"), рабочее тело, система зеркал ("оптический резонатор"). Рассказываем о каждом из них подробнее. Источники энергии в лазерах могут быть использованы следующие:
 Что именно будет использоваться в качестве источника энергии зависит от того, что в отдельно взятом лазере выступает рабочим телом. Это же определяет и способ подвода энергии к системе: в гелий-неоновых лазерах, к примеру, используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси. От того, какое рабочее тело использовано в лазере, зависит рабочая длина его волны, а также остальные свойства. Рабочее тело подвергается "накачке" энергией, чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, который вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В конструкции современных лазеров могут быть использованы следующие типы рабочих тел:
Простейшей формой оптического резонатора являются два параллельных зеркала (их также может быть четыре и больше), расположенных вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. До момента выхода наружу волна может отражаться многократно. Принцип работы лазераФизической основой работы лазера служит как раз предсказанное Эйнштейном явление вынужденного (индуцированного) излучения, о суть которого мы пояснили в самом начале. Индуцированное излучение отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. 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. 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 для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Сфера примененияЛазеры широко применяются в самых различных сферах человеческой деятельности. Немного подумав, мы без особо труда сможем назвать несколько лазеров, с которыми сталкиваемся если не каждый день, то с завидной регулярностью: проигрыватели CD и DVD дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов в супермаркетах и лазерные указки. Лазеры широко применяются в медицине и косметологии: коррекция зрения, лечение катаракты и отслоения сетчатки, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление пигментных пятен. Лазеры находят применение для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и других областях. www.poetomu.ru Теоретические основы лазерной технологии1. Принцип действия и устройство лазераЛазер - это генератор когерентного света. Идеальная когерентная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и частоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некогерентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации. В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и некогерентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интервале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно реальную световую волну можно рассматривать как набор плоских монохроматических поляризованных волн с разными частотами, направлениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение когерентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны. Когерентное излучение обладает такими свойствами, как монохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обрабатываемого материала с помощью простой оптической системы. Линейные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут достигать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия излучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратного сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокусированный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие материалы. Слово лазер состоит из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский - усиление света вынужденным испусканием. Работа лазера основана на использовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещества, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых подчиняются законам квантовой механики. Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е1, Е2,…, Ек называются уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным, остальные – возбужденными. Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня. Если атому, находящемуся на основном уровне Е1, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Еm на уровень Еn, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света mn: (1.1) где h – постоянная Планка.
Рис.1. Энергетический спектр атома 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 в виде волновых цугов(пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно. Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Еm на уровень Еn, то его частота равна mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне Em, происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Еn. Атом, находящийся на нижнем уровне Еn, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Еm. Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге 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. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов. 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, называют активным, или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации. Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет частично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.
Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. 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 полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное 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 полупрозрачного 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 полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:
Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепловой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др. Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Первый способ является универсальным и применяется для возбуждения различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных активных сред. Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульсами), а при непрерывной - непрерывно (стабильно). Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) обладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При импульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой концентрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхкороткие световые импульсы мощностью до 1012 Вт). Возбуждение активных центров при оптической накачке происходит в результате поглощения излучения от специального источника света. При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы. При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуждающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего поля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электронов из ускорителя. Таким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: активного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функциональная схема лазера представлена на рис.3.
Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки Твердотельные лазеры. Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных центров. Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному элементу 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражателя 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси цилиндра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого световые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллиптической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей.
Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 - активный элемент, 2 - лампа-вспышка (источник накачки), 3 - отражатели В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат противоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла. Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr2O3 в сапфире Al2O3. Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr3+, что дает возможность при накачке получать лазерные переходы в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм. Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили широкое распространение. Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режиме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными лазерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спиральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое применение среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточно высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксеноновыми или криптоновыми лампами. Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками когерентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относительная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тонкопленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в интегрально-оптических системах. Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными 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 происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными. Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов. Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), - He-Ne-лазер - является газоразрядным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм. Аргоновый и криптоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров непрерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт - в окрестностях 0,35 мкм, кпд лазеров не превышает 0,1%. Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обладают лазеры на углекислом газе (СО2-лазеры). Они просты в эксплуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности.
Рис.6. Устройство СО2-лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 - система прокачки азота, 2 - область электрического разряда, 3 - рабочий объем резонатора, 4 - выходное зеркало резонатора, 5 - система прокачки диоксида углерода
Активная среда СО2-лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Лазер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО2 и передают им свою энергию. СО2-лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В первом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерывные СО2-лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО2-лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизационные - энергией более 2 кДж. Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF3J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах. Устройство лазерных технологических установок.В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники используются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и аналогичные конструктивные элементы (рис.7). Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фокусирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической системы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой детали относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают обрабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фиксируют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки. Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках предусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки. В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной обработки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной резки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Перемещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали - датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию. Рис.7. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - программной устройство, 2 - лазер, 3 - датчик параметров излучения, 4 - лазерное излучение, 5 - оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 - обрабатываемая деталь, 8 - устройство для закрепления и перемещения обрабатываемой детали, 9 - датчик параметров технологического процесса, 10 - устройство подачи технологической среды studfiles.net Устройство лазера - это... Что такое Устройство лазера?Ла́зер - квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов:
Источник энергииИсточник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций. Рабочее телоРабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела:
Оптический резонаторОптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы. Как правило, в твердотельных лазерах зеркала формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом. Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Дополнительные устройстваТакже в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д. См. такжеdic.academic.ru Принцип работы лазера и его использование В 1917 году Альберт Эйнштейн впервые в истории заявил о том, что под влиянием внешнего воздействия определенного характера атом может перейти со своего высшего энергетического состояния в низшее, в результате чего будет получено излучение нового типа. Такому излучению впоследствии физики дали название «вынужденное излучение». Именно оно составляет принцип работы лазера. Лазером называется квантовый генератор электромагнитных волн, который действует в видимом диапазоне спектра, являющегося источником электромагнитного излучения видимого диапазона, а также инфракрасного и ультрафиолетового. В основе данного процесса лежит вынужденное излучение молекул и атомов. Принцип работы лазера краткоСледует отметить, что принцип действия лазера очень сложен. Согласно предложенной физиком Резерфордом планетарной модели атома, электроны в атомах разных веществ осуществляют движение вокруг ядра по так называемым энергетическим орбитам. Каждой из этих орбит соответствует определенное значение энергии, которой обладает электрон. В обычном, спокойном состоянии электроны атома находятся на более низких энергетических уровнях и обладают только способностью поглощать излучение, непосредственно падающее на них.
Атом получает избыточное количество энергии, которая не может оставаться в нем продолжительное время — поэтому атом стремится от излишней энергии избавиться. При определенных условиях возбужденный атом может избавляться от полученной энергии тоже строго определенными порциями, а при излучении электроны будут возвращаться на прежний энергетический уровень. При этом формируются кванты света (фотоны), показатель энергии которых равен разности энергии, полученной на двух уровнях. Таким образом, осуществляется самопроизвольное излучение энергии. Следует отметить, что возбужденные атомы могут излучать энергию не только сами по себе, но также под влиянием падающего излучения. В данном случае квант, который был излучен, и квант, который «породил» его, аналогичны друг другу. Таким образом, индуцированное излучение (то есть то, которое было вызвано под воздействием определенных обстоятельств) имеет волну такой же длины, что и волна, которая его вызвала. Если количество электронов, которые переходят на верхние энергетические уровни, будет увеличиваться, то одновременно будет нарастать вероятность индуцированного излучения. В так называемых инверсных системах атомов электроны накапливаются, как правило, на более высоких энергетических уровнях, и процессы излучения квантов являются превалирующими над процессами поглощения.
Лазер, чьей активной средой является смесь неона и гелия, называется гелий-неоновым лазером. Такие лазеры применяются для проведения лабораторных опытов, а также в оптике. Рабочая длина волны составляет 632,8 нм, а располагается она в красной зоне видимого спектра. Рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера. Его рабочим телом является смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Эта смесь помещается в стеклянную колбу под низким давлением (300 Па). Энергия накачивания образуется от находящихся в торцах колбы от двух электрических разрядников, напряжение которых составляет 1000 вольт. Резонатор гелий-неонового лазера состоит из двух зеркал: одно из них полностью непрозрачное с одной стороны колбы, второе пропускает на выходной стороне устройства 1% падающего излучения. Одна из главных отличительных особенностей гелий-неоновых лазеров — компактность. Как правило, размер резонатора составляет от 15 до 50 см, мощность — 1–100 мВт. Рабочее тело гелий-неонового лазера — смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Смесь находится в стеклянной колбе под давлением 300 Па, энергия накачки подается от двух расположенных в торцах колбы электрических разрядников, напряжение которых составляет около 1000 вольт.
gosindex.ru Устройство лазера — WiKiЛа́зер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов: Источник энергииИсточник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций. Рабочее телоРабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела:
Оптический резонаторОптический резонатор, простейшим видом которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы. В твердотельных лазерах зеркала могут формироваться на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях — на торцах колбы с рабочим телом. Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Дополнительные устройстваТакже в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д. См. такжеru-wiki.org Как устроен лазер?Описанные физические идеи позволили советским академикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу в 1954 году, используя возбужденные молекулы аммиака, разработать «мазер» — мощный излучатель радиоволн. Эта выдающаяся научная работа была заслуженно отмечена Нобелевской премией по физике. А что, если подобным же образом, изменив состав газа, создать и лазер — источник оптического излучения? Для этого различие между спокойным и возбужденным состоянием газовых молекул по количеству запасенной энергии должно быть в точности равно энергии квантов видимого и невидимого света. А для того, чтобы лазер излучал непрерывно, а не короткими, хотя и сильными вспышками, необходимо все время перебрасывать электроны с нижнего уровня на верхний. Ученые никак не могли придумать, как это сделать. Опытные доказательства квантовых переходов внутри атома, как и разгадка фотоэлектрического эффекта, позволили всем скептикам, в том числе и самому Планку, удостовериться в реальном существовании частиц излучения. Вывод закона излучения не был простой игрой в формулы. Макс Планк написал в своих биографических заметках, что новые идеи в науке чаще всего побеждают потому, что постепенно умирают защитники старых. Квантовые взгляды самого Планка пришли в физику, к счастью, не столь грустным и длительным путем.  Лазерным лучом приваривают тончайшие проводки к электронным схемам.Лазеры участвуют в операциях, вырезая поврежденные сосуды и участки кожи. Все вычисления, сделанные по формуле Планка, расчеты энергии квантов или фотонов разных длин волн с высокой степенью точности совпали с экспериментом. Например, когда квантами определенной энергии облучали атом, для которого было известно энергетическое расстояние между возбужденным и невозбужденным состоянием электрона, электрон всегда послушно перескакивал с одной орбиты на другую, заранее теоретически предсказанную. Вероятно, именно это обстоятельство и навело ученых на мысль: лучше всех справится с задачей постоянной «переброски» возвратившихся электронов снова с нижнего уровня на верхний… свет, излучаемый самим лазером. Просто надо выпускать из лазера не весь свет — небольшое его количество необходимо вернуть обратно в кристалл для повторного возбуждения электронов. В 60-х годах нашего столетия были созданы лазеры из различных материалов: из кристаллов рубина с примесью атомов хрома, из стекла с добавками редкоземельных элементов, лазеры газовые, жидкостные, полупроводниковые, химические. Внешне любой лазер устроен очень просто. Например, кристалл-стержень из рубина обычно окружен трубчатыми лампами-вспышками. Иногда лампа-вспышка изготавливается в виде спирали и надевается на длинный кристалл, напоминая змею, обвивающую трость дрессировщика. С обоих торцов кристалла ставят два зеркала: одно сплошное, другое полупрозрачное. Слабый свет излучает лазер в первые мгновения. После многократных отражений между зеркалами начинает возбуждаться все больше атомов внутри кристалла. Процесс напоминает лавину в горах, и через доли секунды стремительный поток красного света вырывается сквозь полупрозрачное зеркало. Часть света лазера продолжает раскачиваться между зеркалами, поддерживая непрерывную работу «световой пушки».  Веселый фантазер барон Мюнхгаузен летал верхом на пушечных ядрах и утверждал, что жители Луны воюют друг с другом,восседая на трехглавых гусях. Сколько выдумок подарил бы нам Мюнхгаузен, если бы он хоть раз заглянул в современный оптический телескоп! Это сравнение не случайно. Лучи света, испускаемые лазером, не только обладают большой энергией и способностью легко сверлить отверстия в стали, пробивать бетонные стены и сваривать самые тугоплавкие материалы. Эти лучи строго параллельны друг другу и мало расходятся в стороны после преодоления очень больших расстояний. Именно поэтому лучи лазера были выбраны для светового выстрела по Луне… Если на Луну послать пучок радиоволн с помощью, например, радиотелескопа в г. Пущино под Москвой, выполненного в виде зеркальной чаши диаметром 22 метра, то на поверхность естественного спутника Земли попадет лишь небольшая часть сигнала. Пучок радиоволн, пробежав в космосе 300 тысяч километров, расплывается в пятно с поперечником в 30 тысяч километров, намного превышающим размер Луны! Лазер, испускающий невидимые инфракрасные волны, «осветит» на Луне круг диаметром 2—3 километра, а лазерный источник видимых лучей образует пятно еще меньшего размера. Благодаря этим экспериментам расстояние от Земли до Луны известно с точностью до 10 метров! Прохождению лучей с наземных установок в космос мешает воздушная атмосфера, и ученые задумали установить лазеры на спутниках Земли. Для измерения расстояния между Землей и Луной советские и французские инженеры использовали именно лазерные лучи. Да и барон Мюнхгаузен, живи он в наше время, несомненно, выбрал бы для путешествия на Луну и для разведывательных полетов в лагерь неприятеля легкий и точный луч лазера… Источник: Марк Колтун “Мир физики“.www.thingshistory.com |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
При взаимодействии с излучением атом получает дополнительную энергию, вследствие чего один или несколько электронов перемещаются на орбиты, которые критически удалены от ядра, то есть переходят на самые высокие энергетические уровни. В данном случае говорят, что произошел переход атома в возбужденное состояние. Поглощение энергии осуществляется четко разграниченными порциями — так называемыми квантами.
Инверсные системы применяются при формировании лазеров — оптических квантовых генераторов. Эту активную среду располагают в оптическом резонаторе, который включает два высококачественных зеркала, размещенных параллельно по отношению друг к другу по обе стороны активной среды. Оказавшиеся в этой среде кванты излучения пересекают активную среду, отражаясь от зеркал бесчисленное число раз. Каждый квант приводит к появлению одного или нескольких квантов благодаря излучению атомов, которые находятся на более высоких уровнях.
