Виды лазеров. Лазеры этоЛазеры     «Физика - 11 класс» «Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки» - академик Н. Г. Басов. Слово лазер образовано сочетанием первых букв слов английского выражения «усиление света при помощи индуцированного излучения». Индуцированное излучение В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Характерной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией; таким образом, падающая и излученная волны являются когерентными. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольный, как при обычном излучении, а переход под влиянием внешнего воздействия. Лазеры Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в 1959 г. была присуждена Ленинская премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. в США был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Свойства лазерного излучения Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света. 1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км. 2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. 3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7 • 103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал Δλ = 10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома. Принцип действия лазеров В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии.Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в более высокое энергетическое состояние. При этом у светового пучка отнимается энергия, равная разности энергий между уровнями 2 и 1: На рисунке (a) схематически представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке (б) изображен возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон. Если возбудить бо́льшую часть атомов среды, тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке (а) изображены возбужденный атом и волна, а на рисунке (б) схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась. Трехуровневая система Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает в них индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке изображены три энергетических уровня. Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково. На уровне 3 система «живет» очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристаллической решетке.) «Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором «живет» сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1. Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин — это красный кристалл оксида алюминия Аl2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами. Устройство рубинового лазера Из кристалла рубина изготовляют стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным». В результате самопроизвольных переходов 2 —> 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается. Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным. Через полупрозрачный торец выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время. Другие типы лазеров Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют также лазеры непрерывного действия.В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом. Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока. Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах «перенаселенность» верхних энергетических уровней возникает при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвинов. Применение лазеров Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков. Лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски). Огромная мощность лазерного луча используется для испарения различных материалов в вакууме, для сварки и т. д. С помощью луча лазера проводят хирургические операции: например, «приваривают» отслоившуюся от глазного дна сетчатку; помогают человеку получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча. Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояния до предметов измеряются с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов. Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут. Перспективным может быть использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции. В настоящее время лазеры настолько широко используются, что перечислить все области их применения не представляется возможным. Создание лазеров — пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии. Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика Строение атома. Опыты Резерфорда --- Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика --- Лазеры --- Краткие итоги главы Устали? - Отдыхаем!  Вверх class-fizika.ru Лазеры - это... Что такое Лазеры?техническое устройство, испускающее фокусированное в виде пучка электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, обладающее большой энергией и биологическим действием. Л. были созданы в 1955 г. Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) и Ч. Таунсом (Ch. Townes, США), удостоенными за это Нобелевской премии 1964 г. Существуют лазеры ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и рентгеновской областей спектра, а также с непрерывным и импульсным излучением. Основу Л. составляет активное тело или активная среда, в которой большую часть атомов можно перевести из спокойного состояния в возбужденное при обычной температуре под влиянием световой вспышки лампы накачки или других внешних воздействий. Возвращаясь в спокойное состояние, атомы активного тела спонтанно излучают фотон, который, сталкиваясь с другим возбужденным атомом, выбивает из него другой фотон, и этот процесс лавинообразно нарастает. Отражаясь от резонансных экранов, фотоны пробивают полупрозрачный зеркальный экран и выходят узким монохроматическим световым пучком высокой энергии. Лазерное излучение практически без потерь передается по волоконно-оптическим световодам. Активное тело Л. может быть твердым (диэлектрические кристаллы искусственного рубина с добавкой хрома, некоторые соли вольфрамовой и молибденовой кислот, различные стекла с примесью неодима и других элементов, полупроводников), жидким (пиридин, бензол, толуол, бромнафталин, нитробензол и др.) и газообразным (смесь гелия и неона, гелия и паров кадмия, углекислого газа и азота, аргона, криптона и др.).Лазеры широко используются в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), для оптической связи и локации, для осуществления управляемого термоядерного синтеза и др. Лазерную технику применяют в хирургии (в т.ч. травматологии, абдоминальной, грудной и кардиоваскулярной хирургии, нейрохирургии и др.), онкологии, офтальмологии, для лечения ЛОР-заболеваний, акушерстве и гинекологии, урологии, стоматологии и др. Монохроматичность, когерентность (строгая направленность), малый угол расхождения луча, возможность его оптической фокусировки создают условия для высокой концентрации энергии лазерного излучения. При поглощении энергии этого излучения биологическими тканями на небольшом участке тела мгновенно резко повышается температура, которая достигает сотен градусов, вызывая коагуляцию тканей. Тепловое воздействие на окружающие ткани при этом распространяется на очень небольшое расстояние, т.к. ширина прямого монохроматического фокусированного пучка излучения равна 0,01 мм. Медицинские Л. условно разделяют на терапевтические (низкоэнергетические, или низкоинтенсивные), мощность которых обычно не превышает 50 мВт, и хирургические, имеющие мощность до 100 Вт и более. В СССР выпускают лазерные хирургические установки «Скальпель-1» с мощностью излучения не менее 25 Вт, «Ромашка-1» с мощностью излучения 80—100 Вт, микрохирургические установки «Ромашка-2» с мощностью излучения не менее 15 Вт, лазерный скальпель ЛАС-3 для хирургических операций, коагуляции и локальной лучевой терапии с мощностью излучения 25 Вт и др. Механизм режуще-испаряющего и гемостатического эффектов непрерывного высокоэнергетического лазерного излучения основан на трансформации световой энергии излучений в тепловую. В результате наступает испарение межтканевой и внутриклеточной жидкости, коагулируется и уплотняется цитоплазма эпителиальных клеток с развитием дистрофических процессов, вплоть до коагуляционного некроза с образованием лазерного термического струпа. Глубина термических повреждений тканей не превышает 150 мкм и сопоставима с объемом тканевых повреждений при использовании обычного хирургического скальпеля. Излучение лазеров стимулирует процессы регенерации, изменяя длительность фаз течения раневого процесса. Характер воспаления в процессе заживления лазерных ран обусловливает уменьшение частоты послеоперационных осложнений (несостоятельность швов анастомоза, нагноение ран, рубцовые сужения и т.д.). Лазерное излучение обеспечивает гемостатический эффект, стерилизацию операционного поля и быструю ликвидацию интоксикации у больных с гнойной хирургической инфекцией (отсутствует резорбция микробных токсинов и продуктов распада из патологического очага). Лазерное излучение вызывает полное разрушение клеток, «заваривает» лимфатические и кровеносные сосуды при минимальном травмировании тканей, что уменьшает риск метастазирования при злокачественных опухолях. В основе терапевтического действия низкоэнергетических Л. лежат фотохимические реакции, связанные с резонансным поглощением света тканями, а также с восприятием и переносом энергий жидкими средами организма. В результате прямого воздействия лазерного излучения происходит нарушение слабых взаимодействий атомов и молекул, появляются свободнозаряженные ионы, что ведет к усилению метаболизма. На клеточном уровне изменяется энергетическая активность клеточных мембран, происходит активация ядерного аппарата, систем ДНК — РНК — белок, биосинтетических процессов и основных ферментативных систем, активация окислительно-восстановительных процессов, увеличение образования макроэргических соединений. На органном уровне происходит понижение порога рецепторной чувствительности, уменьшение длительности фаз воспаления, снижение интерстициального отека и напряжения тканей, повышение скорости кровотока, улучшение микроциркуляции, активация физиологической и репаративной регенерации. Клинически отмечают обезболивающий, противовоспалительный и противоотечный эффекты, стимуляцию общих и местных факторов иммунной защиты, десенсибилизирующее действие, бактериостатический и бактерицидный эффект в отношении некоторых видов патогенной флоры.Лечение низкоэнергетическим Л. показано при различных заболеваниях и патологических состояниях: трофических и посттравматических язвах, длительно не заживающих ранах (рис. 1). миозитах, эпикондилитах, периартритах, бурситах, переломах костей, облитерирующем атеросклерозе сосудов нижних конечностей, ишемической болезни сердца, гипертонической болезни I—II стадии, хронических неспецифических заболеваниях легких, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, деформирующем остеоартрозе, ревматоидном артрите, невритах, радикулитах, хроническом воспалении придатков матки, дерматитах, дерматозах, опоясывающем лишае, рецидивирующем герпесе, фурункулезе. Применение низкоэнергетических Л. противопоказано при злокачественных новообразованиях, болезнях крови, нарушениях свертывающей системы крови, активном туберкулезе, декомпенсированных сердечно-сосудистых заболеваниях, почечной недостаточности, декомпенсированном сахарном диабете, заболеваниях нервной системы с резко повышенной возбудимостью, индивидуальной повышенной чувствительностью к лазерному излучению. Для терапевтических целей используют серийно выпускаемые отечественные гелий-неоновые лазеры ЛГ-75, ЛГ-75-1, ЛГН-111, УЛФ-01 «Ягода» (выходная мощность 20 мВт, режим работы — непрерывный), АФЛ-2, АФДЛ-1 (выходная мощность 20 мВт, режим работы — непрерывно-импульсный), а также полупроводниковые лазеры. Их технические возможности позволяют осуществлять одномоментное облучение ограниченных участков тела. Обычно облучают область поражения, проекцию соответствующего органа, а также рефлексогенные зоны и биологически активные точки, функционально связанные с областью патологического очага. Площадь поля облучения при расфокусированном лазерном луче диаметром 10 см не превышает 80 см2. При необходимости воздействия на большую площадь ее делят на участки (поля). При дозировании лазерного облучения учитывают мощность излучения на выходе манипулятора аппарата (выходная мощность W определяется индикаторами мощности в Вт, мВт). Плотность потока мощности определяют по формуле: где S — площадь облучаемого участка, π — число, равное 3,14, d — диаметр светового пятна. ППМ выражается в Вт/см2, мВт/см2 Энергетическим параметром лазерного воздействия является плотность энергии или доза облучения, равная произведению ППМ в Вт/см2 на время воздействия в секундах, выраженная в Дж/см2. При необходимости облучения большой поверхности (трофические язвы, длительно не заживающие раны, дерматозы) ее делят на поля общей площадью не более 400 см2 Облучение пораженной поверхности проводят с захватом здоровых тканей в пределах 0,5—1 см при ППМ = 0,3—5 мВт/см2, с экспозицией 1—4 мин на 1 поле и суммарным временем процедур не более 20 мин. При локальном воздействии на проекцию патологического очага (область перелома кости, симметричные паравертебральные участки на уровне ThV—VII при хроническом бронхите, затянувшейся пневмонии, бронхиальной астме; область проекции суставной щели при деформирующем остеоартрозе, ревматоидном артрите; паравертебральные участки в зоне наибольшей болезненности при радикулитах; область проекции придатков матки на передней брюшной стенке при сальпингоофорите) ППМ составляет 5—10 мВт/см2 при экспозиции 2—4 мин на поле, суммарном времени облучения до 30 мин за процедуру, на курс — до 25 ежедневных процедур при лечении гелий-неоновыми лазерами (красный спектр) и до 15 при использовании полупроводниковых лазеров (инфракрасный спектр). При воздействии на проекцию выхода пораженного ствола и ветвей нерва ППМ для гелий-неоновых лазеров увеличивается до 25 мВт/см2, в то же время при облучении рефлексогенных зон и биологически активных точек (зоны Захарьина — Геда при ишемической болезни сердца, симпатические ганглии шейно-воротниковой зоны при гипертонической болезни) ППМ не рекомендуется превышать 1—3 мВт/см2 при экспозиции 1—2 мин на поле, на курс 10—15 процедур. Лазерное воздействие может применяться в комплексе с медикаментозным лечением. Лазерная терапия сочетается с магнито и ультразвуковой терапией на один и тот же участок воздействия, применение других физиотерапевтических методов возможно по принципу чередования (в разные дни). Лазеры в хирургии и онкологии. Высокоэнергетические Л. применяют при операциях на полых органах, например для создания анастомозов с помощью специальных хирургических инструментов (см. Хирургический инструментарий) и сшивающих аппаратов, В онкологии Л. используют для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей кожи, некоторых предопухолевых состояний женских половых органов. Благодаря более интенсивному поглощению света пигментированные опухоли — меланомы, пигментные невусы и др. — легче поддаются лазерной терапии, чем непигментированные. Лазерное излучение позволяет значительно повысить абластичность и радикальность оперативных вмешательств по поводу опухолевых заболеваний. Перспективным является создание комплексных методов лечения опухолей, включающих использование лазерного излучения в сочетании с химиотерапией и лучевой терапией. Разработаны эффективные методы лазерных эндоскопических вмешательств при доброкачественных и злокачественных опухолях желудочно-кишечного тракта, лазерная остановка кровотечений через эндоскоп и т.д. Контактная лазерная хирургия, например с помощью лазерной хирургической установки «Скальпель-1» (рис. 2), создает возможность бескровного рассечения тканей, что особенно важно при операциях на паренхиматозных органах; при этом разрез биологической ткани осуществляется лазерным излучением за счет ее послойного испарения. В микрохирургии лазерные методы дают возможность создания сварных анастомозов сосудов и соединения других микроанатомических образований. Для этих целей предназначена лазерная микрохирургическая установка «Ромашка-2», снабженная операционным микроскопом. Эту же установку используют с целью кожной пластики, для устранения пигментных пятен, что трудновыполнимо с помощью традиционных методов. К числу перспективных направлений применения Л. в хирургии относят лечение гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей с использованием иммобилизованных протеолитических ферментов (например, профезима) или многокомпонентных мазей на гидрофильной основе (левосина, левомеколя) и некоторых физических факторов с учетом патофизиологических особенностей заживления ран. При гнойно-воспалительных заболеваниях мягких тканей с небольшими по объему и распространенности патологическими изменениями проводят хирургическую обработку гнойного очага в пределах здоровых тканей углекислотным Л. с последующим наложением первичного шва. При значительном распространении гнойно-воспалительного процесса после вскрытия гнойного очага скальпелем, эвакуации детрита и осушивания полости лучом углекислотного лазера (например, лазерной хирургической установкой «Ромашка-1») испаряются и иссекаются нежизнеспособные ткани. В результате формируется единая полость, которую после промывания раствором перекиси водорода обрабатывают лучом лазера (с плотностью мощности 15—20 Вт/см2 при скорости перемещения луча 1 см/с). При отсутствии противопоказаний через контрапертуры в полость проводят перфорированные трубчатые дренажи и на рану накладывают первичные швы. При гнойно-воспалительных процессах с выраженными изменениями кожи и окружающих тканей хирургическую обработку гнойного очага углекислотным лазером дополняют ультразвуковой кавитацией, которую проводят с помощью хирургического ультразвукового аппарата УРСК-7Н-22. Операцию заканчивают введением в рану салфетки с иммобилизованными протеолитическими ферментами. На 3—5-е сутки после стихания воспалительных изменений и появления сочных грануляций рану ушивают. В амбулаторной хирургической практике при поверхностно-расположенных доброкачественных опухолях осуществляют испарение (для удаления опухолей накожной локализации) и иссечение (для выделения глубоко расположенных опухолей) их углекислотным лазером. При небольших папилломах (диаметром 1,5—2 см), плоских бородавках (после взятия биопсии) проводят испарение новообразования в течение 2—3 мин в пределах здоровых тканей сфокусированным лазерным лучом с помощью установки «Скальпель-1» при мощности излучения от 25 до 35 Вт. Использование Л. позволяет добиться хорошего и быстрого заживления раны под коагуляционным струпом после испарения поверхностной опухоли. В большинстве случаев на 2-й день после операции не требуется накладывать асептическую повязку на рану, т.к. образовавшийся струп ее хорошо герметизирует и защищает. Под струпом рана заживает за 4—7 дней, после чего он самопроизвольно отторгается. Для иссечения и испарения опухолевидных образований применяют метод фотогидравлической препаровки, с помощью которого образование вначале выделяют из окружающих тканей. Так, как правило, удаляют фибромы, гемангиомы, липомы, гигромы, опухоли кожи диаметром свыше 1,5 см. При этом наблюдается минимальное кровотечение, что позволяет отказаться от лигирования сосудов диаметром менее 1 мм и сокращает время операции примерно в 1,5—2 раза. Лазерное излучение используют в амбулаторно-поликлинических условиях для лечения Фурункула, Карбункула, панарициев (Панариций), ногтя вросшего (Ноготь вросший), Гидраденита. Сфокусированным лучом углекислого лазера испаряют гнойно-некротический стержень фурункула. Рану промывают растворами антисептиков (фурацилина и др.), что способствует удалению ожогового нагара и позволяет осмотреть ее. Если в ране остаются нежизнеспособные ткани, то продолжают ее обработку лучом Л. Допустимо амбулаторное лечение с использованием Л. больного с карбункулом диаметром до 5 см без выраженных симптомов перифокального воспаления, интоксикации и сопутствующего сахарного диабета. После обработки операционного поля и местной инфильтрационной анестезии скальпелем окаймляющим разрезом рассекают кожу на границе гиперемии. Затем лучом углекислотного лазера иссекают кожный лоскут. В образовавшейся ране нежизнеспособные ткани испаряют сфокусированным лучом Л. При небольших размерах раны и отсутствии натяжения ее краев накладывают первичный шов. Возможно и открытое ведение послеоперационной раны, обработанной лучом углекислотного лазера. Для повязок в этом случае применяют растворы антисептиков, иммобилизованные протеолитические ферменты на текстильных материалах. При необходимости используют ферментные препараты (трипсин, химотрипсин, химопсин и др.) как в виде аппликаций, так и внутримышечно. Для лечения поверхностных панарициев (паронихия, подногтевого, подкожного) в амбулаторных условиях применяют углекислотный Л.; при этом достигается стерилизующий эффект и отмечается малая степень повреждения окружающих тканей. Подкожный панариций небольших размеров облучают расфокусированным лучом лазера. Рану не ушивают. Перевязки проводят через 3 дня. При операции по поводу вросшего ногтя лучом лазера испаряют гипергрануляции бокового ногтевого валика, рассекают ногтевую пластинку и иссекают мягкие ткани до заднего ногтевого валика. Испаряют матрикс удаленной части ногтевой пластинки, затем мягкие ткани под сохраняющейся ногтевой пластинкой, предлежащие к надкостнице. Швы накладывают на ногтевой валик и ноготь. Перевязки после операции проводят через день. Швы снимают на 9—11-й день после операции. Сроки лечения больных при использовании лазерного излучения сокращаются в 2—2,5 раза и составляют 10—12 дней.В хирургических отделениях поликлиник наиболее целесообразно использовать установки «Скальпель-1» и «Ромашка-2», так как они занимают сравнительно немного места и достаточно мобильны, а их мощность вполне достаточна для выполнения практически всех амбулаторных вмешательств. Время, необходимое для подготовки установки к работе, не превышает 2 мин. Для выполнения амбулаторной операции с Л. требуется от 10 до 20 мин. Лазеры в офтальмологии. Прозрачность оптических сред глазного яблока предопределяет практически неограниченные возможности воздействия лазерного излучения на любые его внутренние отделы. Применение Л. является одним из эффективных способов лечения ряда заболеваний глаз. Лазерная коагуляция сетчатки при диабетической ретинопатии — способ, позволяющий остановить, а в ряде случаев вызвать обратное развитие ретинальной неоваскуляризации, облитерацию микроаневризм и новообразованных сосудов сетчатки. резорбцию жестких экссудатов и ретинального отека. Своевременное лазерное лечение обеспечивает положительный эффект у 2/3 больных (рис. 3). Эффективной мерой лечебного воздействия при макулопатии транссудативного типа также является лазерная коагуляция, в результате которой устраняются условия, поддерживающие в центральной части сетчатки транссудативное расслоение клеточных элементов. Резорбция транссудата сопровождается восстановлением сниженного центрального зрения. Окклюзии центральных ретинальных сосудов (чаще вен) и их ветвей сопровождаются выраженной экстравазацией элементов крови с формированием стойкого отека сетчатки. Интенсивная и довольно обширная лазерная коагуляция пораженной сетчатки способствует частичному и даже полному восстановлению кровообращения, установлению ретинохориоидального дренирования отечной сетчатки и постепенной редукции отека. В результате предотвращается микрокистозное перерождение сетчатки. Лазерная иридэктомия, используемая при узкоугольной глаукоме, почти полностью вытеснила из практики хирургическую иридэктомию. Она не уступает последней по эффективности, но значительно превосходит ее по степени безопасности.Расширилось использование лазерной терапии при открытоугольной глаукоме. Наряду с гониопунктурой успешно применяют и другие способы улучшения оттока внутриглазной жидкости — лазерную трабекулопластику и лазерный циклотрабекулоспазис, а также способы. направленные на снижение продукции внутриглазной жидкости — лазерную транссклеральную циклокоагуляцию. Эффективность лазерной терапии первичной открытоугольной глаукомы приближается к 80%. Мембраны в области зрачка при афакии и артифакии (вторичные катаракты), являясь весьма распространенным последствием современных хирургических вмешательств по поводу катаракты, успешно устраняются с помощью лазерного излучения. Использование при этом импульсных лазеров на неодимовом гранате устраняет необходимость повторного оперативного вмешательства. Возможна лазерная дисцизия оптических препятствий в стекловидном теле, эпиретинальных мембран и ретиновитреальных тяжей, выполняемая как транспупиллярно, так и с помощью лазерных витреальных зондов. Лазерная коагуляция с целью блокирования и ограничения разрывов сетчатки и ее нераспространенных отслоек считается паллиативным методом лечения, за которым почти неизбежно следует радикальное оперативное вмешательство. Лазерная ретинотомия (с использованием импульсных Л. на неодимовом гранате) позволяет отсекать клапан ретинального разрыва, в сочетании с традиционной отграничивающей лазерной коагуляцией позволяет осуществлять безоперационное лечение определенной категории свежих разрывов и ограниченных отслоек сетчатки, а также их профилактику.Лазерная коагуляция (с использованием фотоингибиторов) язвенных инфекционных поражений роговицы (в т.ч. вирусных) зарекомендовала себя как наиболее эффективный метод скорейшей ликвидации острой фазы этих заболеваний. Углекислотный Л. достаточно эффективен при удалении доброкачественных и ряда злокачественных новообразований конъюнктивы глазного яблока и век, а также кожи век. Излучение этого Л. обеспечивает бескровность, асептичность иссечения тканей и блокирует диссеминацию опухолевых клеток. Лазеры в оториноларингологии используются с терапевтической и хирургической целью. Гелий-неоновый Л. применяют при лечении больных с упорно протекающими воспалительными процессами в полости носа, околоносовых пазухах, в глотке, гортани, наружном и среднем ухе (рис. 4), например, при остром гайморите облучают как слизистую оболочку среднего носового хода, так и область передней стенки верхнечелюстной пазухи. Гелий-неоновый Л. используют также при лечении вазомоторного ринита, невралгии тройничного нерва, синдроме Сладера, при фурункуле носа, хроническом фарингите. Отмечено благоприятное влияние низкоэнергетического Л. на процессы заживления в тонзиллярных нишах после тонзиллэктомии, операций на сосцевидном отростке и тимпанопластики. Биостимулирующее действие лазерного излучения повышает жизнеспособность неотимпанального лоскута. Терапевтический эффект лазерного эндоназального воздействия получен у больных с хроническим аденоидитом. Отечественные аппараты «Ромашка-2», «Саяны МТ» применяют для проведения хордотомии, иссечения регионарных лимфатических узлов, рассечения щитовидного хряща для подхода к полости гортани. Лазерное излучение используют для «выжигания» остатков лимфоидной ткани в тонзиллярных нишах, выпаривания гранул лимфоидной ткани при гипертрофических фарингитах, для удаления гипертрофированных участков слизистой оболочки у больных гиперпластическими ларингитами. Наблюдается лечебный эффект при вмешательствах по поводу лейкоплакий и пахидермий гортани, рубцовых стенозах и мембранах гортани. Профессиональные вредности. При работе с Л. профессиональными вредностями являются прямое, зеркально или диффузно отраженное лазерное излучение, высокая яркость плазменного факела и ламп накачки, шум, аэрозоли и газы, являющиеся продуктами деструкции обрабатываемых материалов. В лазерных установках, предназначенных для технологических и медицинских целей, предусматриваются устройства, предотвращающие воздействие на обслуживающий персонал прямого лазерного излучения. Однако при нарушении правил техники безопасности не исключается возможность действия на персонал прямого или зеркально отраженного лазерного излучения, что нередко приводит к повреждениям различной тяжести кожи и глаз. Вредное влияние на функцию зрения работающих с Л. могут оказывать световые вспышки ламп накачки, обусловленные их разэкранированием или недостаточной экранировкой, яркость плазменного факела, образующегося при взаимодействии лазерного луча с обрабатываемым материалом. Их опасность для органа зрения связана с прозрачностью передних сред глаза для электромагнитных излучений видимой и ближней инфракрасной областей спектра и фокусированием излучения на сетчатке, в связи с чем плотность энергии на ней во много раз возрастает. Возможность повреждения сетчатки и сосудистой оболочки глаза зависит от энергии лазерного излучения, времени воздействия, светового пятна на сетчатке. Выраженность патоморфологических изменений и клиническая картина расстройств функции зрения могут быть различными: от незначительных морфофункциональных изменений до частичной или полной потери зрения. Наиболее типичными являются точечные хориоретинальные ожоги без нарушения зрения. Повреждения передних отделов глаза могут возникать при более высоких уровнях энергии лазерного излучения. Ожоги кожи возможны при уровнях энергии лазерного излучения в несколько Дж․см-2. Подобные повреждения у лиц, работающих с Л., при соблюдении гигиенических требований практически не встречаются. Систематическое воздействие лазерного излучения с интенсивностью, не вызывающей повреждающих эффектов, но превышающей предельно допустимый уровень (ПДУ), может привести к общим неспецифическим функциональным и биохимическим изменениям в организме. При случайном облучении глаз и кожи лазерной энергией большой плотности пострадавший должен немедленно обратиться к врачу. Принципы оказания первой помощи в этих случаях такие же, как и при ожогах глаз и кожи другой этиологии (см. Глаз, Ожоги). Работа лазерных установок может сопровождаться постоянным Шумом от вспомогательного оборудования, достигающим 70—85 дБ, или импульсным шумом за счет взаимодействия лазерного излучения с объектом исследования или обработки. В воздух рабочей зоны могут поступать различные аэрозоли и газы, образующиеся от взаимодействия с обрабатываемыми материалами, степень вредности которых определяется их концентрацией и химическим составом (см. Профессиональные вредности). В числе мер профилактики вредного действия Л. на обслуживающий персонал наибольшее внимание уделяется строгому соблюдению санитарных норм, и правил, периодическому контролю за уровнями лазерного излучения и сопутствующих факторов на рабочих местах. При превышении ПДУ лазерного излучения в рабочей зоне необходимо проведение организационных, инженерно-технических и санитарно-гигиенических мероприятий, использование средств коллективной и индивидуальной защиты. Эффективными мерами защиты являются изоляция или экранирование зоны взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами, применение щитков и очков со специальными светофильтрами (см. Очки). Профилактическое значение имеют чернение, матирование и другие покрытия облучаемых поверхностей и инструментов, снижающие коэффициент отражения лазерного излучения; создание достаточно высоких уровней освещенности производственных помещений; устройство дымоотсосов для удаления аэрозолей и газов. Работы, связанные с обслуживанием Л., включены в списки работ с вредными условиями труда. Работающие подлежат предварительным и ежегодным периодическим медосмотрам с обязательным участием офтальмолога, терапевта и невропатолога. Библиогр.: Елисеенко Е.И. Морфология репаративных процессов при воздействии непрерывного лазерного излучения. Сов. мед., № 1, с. 20, 1987, библиогр.; Жохов В.П. и др. Гигиена труда и профилактика профпатологии при работе с лазерами, М., 1980; Краснов М.М. Микрохирургия глауком, с. 216, М., 1980; Лазерные методы лечения в офтальмологии, под ред. М.М. Краснова, М., 1984, библиогр.; Лазеры в хирургии, под ред. О.К. Скобелкина, М., 1989; Пальцев Ю.П. и Кармолин А.Л. Гигиенические проблемы безопасного использования лазеров, М., 1983.Рис. 2. Хирургическая обработка трофической язвы с применением лазерной установки «Скальпель-1». Рис. 4. Использование гелий-неонового лазера в лечении заболевания уха. Рис. 1. Лечение длительно не заживающей раны низкоэнергетическим лазером. Рис. 3. Проведение офтальмологической операции с применением лазерной микрохирургической установки «Ромашка-2». dic.academic.ru Лазер ВикипедияЛазер (лаборатория NASA). Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм.Ла́зер (от англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это 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 и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. Основные даты[ | код]ru-wiki.ru III. Типы лазеров.Министерство общего и профессионального образования РФ. Московский Государственный Строительный Университет. Кафедра Физики. Курсовая работа на тему: "Физика Лазеров" Выполнил студент ЭОУС-1-2 Моносов А.Л Научный руководитель Прокофьева Н.И Москва 1998. Содержание.
III. Типы лазеров. 1. Классификация лазеров. 1) Твердотельные лазеры. 2) Жидкостные лазеры. 3) Фотодиссоционные лазеры. 4) Газоразрядные лазеры. 5) Молекулярные лазеры. 6) Химические лазеры.
-2-
Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями". Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором" (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под -3- руководством Ч. Таунса). Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой "L" (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой. Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А. М. Прохоров сказал: " Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне". Упомянутые А. М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечном счете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом -4- диапазонах. В конце статьи авторы писали: "Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн". Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имели серебрянное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика. В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г. Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. Так начинается новый, "лазерный" период оптики.
1. Принцип работы лазера. Принципиальная схема лазера крайне проста (рис. 1): активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо "накачать" активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки). -5- Схема работы лазера (рис.1).
Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом приточном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы). В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть "цепная реакция" размножения одинаковых фотонов, "летящих" абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных Схематическое изображение среды с инверсной населенностью уровней энергии (рис.2). -6- атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии (рис. 2). Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы, как уже говорилось выше, А. Эйнштейном в 1916 г. Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная населенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения. При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. Направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо "снимать" инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды(рис.3). -7- Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. На рис. 3 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться на столько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используется в большинстве существующих лазеров.
Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения. При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 107 - 108 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе. Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 10-4 радиана, т. е. На уровне угловых секунд. Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас -8- к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча - его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно не осуществимые без использования лазера. 1. Классификация лазеров. Классификация лазеров (рис.4).
В таблице на рис.4 перечислены типы лазеров, активные среды и -9- применяемые способы накачки. Классификация лазеров производится с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки. Из указанных на рисунке способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа - оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах - при давлении 1 … 10 мм рт. ст. Соответствующие типы лазеров (на атомных переходах, ионные, молекулярные) объединяют общим термином газоразрядные лазеры. Наряду с твердотельными, жидкостными и полупроводниковыми, газоразрядные лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники. Рассматривая способы накачки, надо иметь в виду, что один и тот же способ может допускать, в свою очередь, два вида накачки - импульсную и непрерывную. Так, для оптической накачки используют как газоразрядные импульсные лампы, так и лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют как импульсные разряды, так и стационарные (квазистационарные). При импульсной накачки энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импульсами, а при непрерывной накачке - непрерывно, стабильно. Импульсная накачка обладает рядом преимуществ по сравнению с непрерывной. При импульсивной накачке, когда инверсия реализуется лишь в течение некоторых промежутков времени, может оказаться не существенным требование быстрого очищения нижнего рабочего уровня. Возникновение инверсии в начале импульса возбуждения (рис.5): 1 - заселенность нижнего рабочего уровн;2 - заселенность верхнего рабочего уровня; 3- импульс возбуждения -10- Предположим, что при включении светового импульса накачки скорость с какой заселяется верхний рабочий уровень, оказывается выше скорости заселения нижнего рабочего уровня. В этом случае лазер может работать за счет инверсии, возникающей вначале импульса возбуждения. Подобная ситуация показана на рис.5. Из рисунка видно, что инверсия реализуется в начале импульса возбуждения импульса - в течение промежутка времени t1. Ясно, что в данном случае скорость очищения нижнего рабочего уровня несущественна. Приведенный пример поясняет, почему при использовании импульсной накачки возможно получение генерации в большом числе активных сред и небольшом числе переходов в данной среде, нежели при непрерывной накачке. Говоря о преимуществах импульсной накачки, надо отметить и тот факт, что ее легче реализовать с технической точке зрения. Непрерывный и при том достаточно стабильный подвод энергии возбуждения к активной среде, как правило, технически сложнее импульсивного. Кроме того, при импульсной накачке обычно отпадает необходимость в принудительном охлаждении нагревающегося активного элемента. Импульсная накачка позволяет реализовать различные импульсные режимы генерации - когда лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или в виде последовательности импульсов. При этом удается осуществлять исключительно сильную концентрацию во времени и пространстве излучаемой световой энергии. Так, например, реализованы режим генерации мощных сверхкоротких световых импульсов, имеющих длительность 10-11 … 10-12 с и мощностью до 1012 Вт. А сейчас рассмотрим некоторые типы лазеров. studfiles.net
dic.academic.ru Типы и характеристики лазеровТипы и характеристики лазеровФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МИИТ) Институт транспортной техники и систем управления Кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Реферат по дисциплине: «Электрофизические и электрохимические методы обработки» Тема: «Типы и характеристики лазеров» Введение Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, всякий мальчишка теперь знает слово лазер. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах - квантовой электроники - академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических. Замечательные свойства лазеров - исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме - уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение. Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов. Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода - вывода информации. 1. Классификация лазеров Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения. Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым. Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере. Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах. В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией. 2. Характеристики лазеров Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, целина. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов. Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму. Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов. Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью. Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры. 2.1 Твердотельные лазеры Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр - 4-5 см. Энергия импульса генерации такого стержня - 1000 дж за 10-3 сек. Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10-3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц. Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт. Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения. Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования. 2.2 Жидкостные лазеры Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии. Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот. Еще один вид жидкостных лазеров - устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек). 2.3 Газовые лазеры Существует много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения. Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц). Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока. Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В. К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм. Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1. Рис. 1 - Принцип устройства СО2-лазера Разновидность СО2-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт. К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм. Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2. Рис. 2 - Электроионизационная накачка Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа. Особый тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области. 2.4 Полупроводниковые лазеры Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К. Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%. Рис. 3 - Поперечная накачка электронным пучком Рис. 4 - Продольная накачка электронным пучком Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход (рис. 5), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019см-3. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД довольно высок - 50-60%. Рис. 5 - Принцип устройства инжекционного лазера усилитель генератор луч волна Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения. Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал. В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1-100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10-3 до 10-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощность составляет 109 Вт для наносекундных импульсов и 1012 Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов. 2.5 Лазеры на красителях Лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов). В качестве накачки сегодня обычно применяют другой лазер, например Nd: YAG с диодной накачкой, или Аргоновый лазер. Очень редко можно встретить лазер на красителях с накачкой лампой-вспышкой. Основная особенность лазеров на красителях - очень большая ширина контура усиления. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях. Существует две возможности использовать такую большую рабочую область лазера: перестройка длины волны на которой происходит генерация -> лазерная спектроскопия, генерация сразу в широком диапазоне -> генерация сверх коротких импульсов. В соответствии с этими двумя возможностями различаются и конструкции лазеров. Если для перестройки длины волны используется обычная схема, только добавляются дополнительные блоки для термостабилизации и выделения излучения со строго определённой длиной волны (обычно призма, дифракционная решётка, или более сложные схемы), то для генерации сверх коротких импульсов требуется уже гораздо более сложная установка. Изменяется конструкция кюветы с активной средой. Из-за того, что длительность импульса лазера в конечном итоге составляет 100÷30·10?15 (свет в вакууме успевает пройти лишь 30÷10мкм за это время), инверсия населённости должна быть максимальна, этого можно добиться только очень быстрой прокачкой раствора красителя. Для того чтобы это осуществить применяют специальную конструкцию кюветы со свободной струёй красителя (краситель прокачивается из специального сопла со скоростью порядка 10м/с). Наиболее короткие импульсы получаются при использовании кольцевого резонатора. 2.6 Лазер на свободных электронах Вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе - периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора. В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях - у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов - ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур - есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL. Теги: Типы и характеристики лазеров Реферат Информатика, ВТ, телекоммуникацииПросмотров: 50167Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Типы и характеристики лазеровdiplomba.ru Лазер - MoiKompas.ru С самого момента разработки, лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века.Спектроскопия Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (10-16 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляеются спектроскопические исследоваения этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов. Измерение расстояния до Луны Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров. Продолжение Лазерная терапия – медицина будущего Успешное лечение лазерной терапией применяется практически при всех болезнях, заявили сегодня на научной конференции, посвященной применению лазеров в медицине. Достижения лазерного излучения трудно переоценить - более 100 методик лазерного лечения дали положительный результат, на данный момент опубликовано более 2500 работ с описанием позитивных эффектов лазерной терапии, из 370 исследований по применению лазеров в стоматологии в 90 % случаев наблюдается положительный результат. Солнечный свет, главная составляющая лазерных технологий, является основополагающим для нормального функционирования всех систем организма, он действует корригирующим образом на все регуляторные системы человеческого организма, говорят ученые. На выставке действующих лазеров было представлено более 20 аппаратов. С помощью света реально вылечить полный спектр заболеваний, считает Анатолий Коробов – главный разработчик лазерных аппаратов. «Сейчас мы ориентируем наши работы на профилактику заболеваний. Я считаю, не нужно доводить свою болезнь до того, чтобы требовалось применение крутых мер. Значительно проще и экономически выгодней предотвратить развитие заболевания, как делают во всех цивилизованных странах», - говорит Коробов. В России применение лазеров в медицине началось еще в 70-е годы прошлого века. Не смотря на удачные исследования и эксперименты в области лазерной терапии, эти технологии используются далеко не везде. Разработчики лазерных аппаратов не скрывают, что испытывают постоянное давление со стороны фармацевтических фирм, которым не выгодно внедрение новых технологий. moikompas.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
