Современные лазерные технологии

метки: Лазерный, Применение, Технология, Лазер, Использование, Современный, Техник, Перспективный

Введение бесспорна — мир меняется и новые данные по исследуемому вопросу несут насущный характер.

Анализ явлений, подразумеваемых тематикой Современные лазерные технологии особенно актуален в наши дни.

Если анализировать степень научной разработанности Современные лазерные технологии, сразу можно сказать, что данное явление исследовали как отечественные, так и зарубежные ученые, есть много разработок и в Интернете. Однако, все эти исследования, описанные в периодике, учебниках и монографиях, не создают полной и четкой картины, особенно на сегодняшний день.

Научное значение темы Современные лазерные технологии определяется в оптимизации и каталогизации имеющейся научной базы по изучаемой научной проблеме, и данное независимое авторское исследование станет еще одним штрихом к созданию полной научной картины по существу.

Данная тематика, несмотря на наличие большого круга научных разработок и мнений, имеет и ряд отсутствующих разработок и нерешенных вопросов. Логично предположить, что данная работа помимо учебной, будет иметь как теоретическую, так и практическую значимость.

Объект работы — Современные лазерные технологии.

Предмет исследования — система отношений в части Современные лазерные технологии.

Цель работы — полное раскрытие темы Современные лазерные технологии как в пространственном, так и во временном периодах.

Задачи исследования:

1. Рассмотреть теоретические вопросы по теме «Современные лазерные технологии»;

2. Выявить научную проблематику данной темы;

3. Показать пути решения и рассчитать их значения в прогнозе;

4. Сделать выводы и предложения.

1. История возникновения лазеров

Лазер (Laser) — это аббревиатура: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света путем вынужденного излучения. Это оптический квантовый генератор, устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды.

Впервые, упоминание о неком подобии лазера было сделано в романе английского писателя Герберта Уэллса «Война Миров». По сюжету романа марсиане, захватившие Землю, уничтожали человечество и технику с помощью невидимого теплового луча, обладающего огромной разрушительной силой и передающегося на большие расстояния. Позже, писатель Алексей Толстой в романе «Гиперболоид Инженера Гарина» приблизительно описал устройство аппарата, позволяющего передавать тепловую энергию на большие расстояния. Фантазия авторов дала многим ученым почву для размышления о создании высокой технологии будущего.

Информационные технологии в современном бизнесе

... технологии Информационные технологии - двигатель современного бизнеса, поэтому мы должны сконцентрировать своё внимание на их роли и содержании. Информационная часть современного информационного бизнеса состоит из следующих элементов: терминалы, компьютеры, оптическая аппаратура, лазерные ... Информационные технологии использовались в связи со сложностью и дороговизной только в научных центрах ...

Непосредственно история изобретения лазера началась в 1916 году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, где прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

В 1928 году, Ланденбург, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения, отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы. В 1955 году Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор — усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

А в 1958 году Александр Прохоров использовал для создания лазера резонатор Фабри — Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В 1960 г., американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм.

В том же году доктор Леон Голдман впервые использовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов.

В 1983 г. Андерсон и Парриш предложили метод селективного фототермолиза, который основан на способности биотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны, что приводит к их локальной деструкции.

2.1 Индуцированное излучение

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора — оптического квантового генератора или лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики. В основу лазеров было положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на так называемые высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов. Значительное усиление света достигается тогда, когда угол очень мал. Тогда свет испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг друга.

Свет. Основные светотехнические величины и единицы

... волны, их свойства различны и поэтому различают: волны на поверхности жидкости; – упругие волны (звук, сейсмические волны); объёмные волны (распространяющиеся в толще среды); электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи); гравитационные волны; волны ... переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, ...

2.2 Принцип действия лазеров

Лазерное излучение — есть свечение объектов при нормальных температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

hv=E ₂ -E₁ ,

где hv — величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E ₂ — энергия высшего энергетического уровня,

E ₁ — энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

,

где v — частота волны,

Е ₂ — Е₁ — разница энергий высшего и низшего уровней,

h — длина волны.

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

2.3 Основные свойства лазерного луча

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция — это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн. Тогда источники волн можно назвать когерентными. Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е ₁ — напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ — вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Краткий реферат по физике лазеры

... не появились лазеры, не существовало способов получения плотностей энергии, которые превышали бы плотность энергии источника света. Возможность существования ... по физике. Успехи в развитии квантовой электроники позволили Т. Мейману в 1960 году создать первый лазер ... длин волн, в котором могут работать различные газовые лазеры, простирается от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного, по существу ...

Е = Е ₁ + Е₂

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной — интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E ² .

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I ₁ + I₂ + I₁₂ ,

где I ₁ — интенсивность света первого пучка, I₂ — интенсивность света второго пучка. Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

I ₁₂ = 2 (E₁ * E₂ ).

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что

I = I ₁ + I₂ ,

то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки не когерентны между собой, следовательно не когерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому

I I ₁ + I₂ .

В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других — меньше интенсивностей I ₁ и I₂ . Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.

Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии — концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10 ^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Лазеры и их применение в медицине

... разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а ...

2.4 Гигантский импульс

Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности. Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора — специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом — поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров — создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс — гигантский импульс. Его длительность составляет 10 ^-8 с., а максимальная мощность 10⁸ Вт.

2.5 Характеристики некоторых типов лазеров

Разнообразие лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

o Рубиновый лазер.

Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl ₂ O₃ (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr₂ Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr⁺³ . В решетке кристалла А₂ О₃ ион Сг⁺³ замещает ион Аl⁺³ . Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна—в зеленой, другая—в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг⁺³ : чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг⁺³ достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е ₁ и Е₁ ‘ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения 1 = 692,8 нм и малый — для 1 ?= 694,3 нм.

Реферат газовые лазеры

... спонтанного излучения, наблюдаемых в природе. Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т.е. на уровне угловых секунд. Лазеры различаются: ... режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно- периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с ...

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr ⁺ , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr⁺³ очень быстро в результате перехода переходят на уровни Е₁ , Е₁ ‘. При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е₁ , Е₁ ‘ метастабильны. Время жизни на уровне Е₁ равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е₁ , Е₁ ‘ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е₀ (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

o Газовый лазер.

Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 — из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

Лазерное излучение (2)

... зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом мишени; · Повышенный шум и вибрация на рабочем месте, возникающие при работе лазера (лазерной установки); Повышенный уровень ионизирующего рентгеновского излучения от газоразрядных ... самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий — ниодимовые лазеры (длина волны излучения равна 632,8 нм; 1,15 и 3,39 ...

o Гелий-неоновый лазер.

Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм — в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2 ³ S и 2² S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, — около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

o С0 ₂ -лазер с замкнутым объемом.

Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO ₂ — лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO₂ передается от молекул азота N₂ , которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N ₂ является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см ^-1 , что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO₂ . Ввиду метастабильности возбужденного состояния N₂ при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N₂ с CO₂ происходит резонансная передача энергии возбуждения от N₂ к CO₂ . Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO₂ . Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

Лазерные терапевтические приборы

... в клетках подвергнутых потоку нейтронов или гамма - радиации. Это позволяет использовать лазерное излучение в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине, как профилактический, так и ... называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ) , в англоязычной литературе Low Level Laser Therapy (LLLT) В терапии разных болезней широко применяются газовые гелий-неоновые лазеры (ГНЛ). ГНЛ ...

При работе CO ₂ — лазера происходит распад молекул CO₂ на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO₂ -лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О ?? CO₂ .

Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO ₂ , N₂ , Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO₂ -лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

o Проточный СО ₂ -лазер.

Важной модификацией является проточный СО ₂ -лазер, в котором смесь газов CO₂ , N₂ , Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

o Неодимовый лазер.

Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Совершенно условно она изображена пятью черточками. Атомы совершают е переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, помеченный цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм.

Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень «не работает». Энергия выделяется в виде некогерентного излучения.

o Т-лазер.

Во многих практических приложениях важную роль играет СO ₂ -лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер).

Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO₂ в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

o Газодинамические лазеры.

Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO ₂ и N₂ при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Изобретение лазера в физике

... лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами. 4. Характеристики некоторых типов лазеров В настоящее время имеется ... линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер. Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение ...

o Лазеры на красителях.

Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 ^-11 —10^-12 с) переходит на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е₁ сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров,

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разрешением).

Лазеры позволяют также осуществить избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро — в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

При обсуждении практических применения лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение (как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применение лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают с так называемым информативным применением лазеров — для передачи и обработки информации, для осуществления контроля измерений.

3.1 Применение лазерного луча в промышленности и технике

Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности.

Начиная с 1964 года малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке воздействия. Пример такого способа сверления — пробивка отверстий в часовых камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 — 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 — 0,5 Дж. и длительностью около 10 ^-4 с. Производительность установки в автоматическом режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности механического сверления.

Лазер используется и при изготовлении сверхтонких проволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов. При изготовлении проволок применяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры).

Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!).

Зато совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.

Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.

Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария — перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку и должным образом фокусирую его, можно осуществить сварочную работу.

Лазеры с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой. Например, пусть требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длины волны. Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10 ^-3 см^-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу.

Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов.

В настоящее время в мире существует несколько десятков лазерных локационных систем. Многие из них уже имеют космическое значение. Они осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева. Погрешность измерения при использовании данной системы составляет 40 см.

Проведение таких исследований организуется для того, чтобы поточнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени, например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную важность.

Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны.

Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабые стороны. Например, не так просто при помощи остронаправленного луча лазера обнаружить объект, так как время обзора контролируемой области пространства оказывается слишком большим. Поэтому оптические локационные системы используются вместе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры цели и осуществляет слежение за ней.

Большой интерес представляют последние разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качеством изображения.

Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения.

3.2 Применение лазеров в медицине

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

• Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;
• Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;
• Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;
• Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;
• Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;
• Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;
• Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

3.2.1 Лазер в офтальмологии

В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине — лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многих других “глазных центрах” стран содружества

Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01 — 0,1 Дж, длительность порядка — 0,1 с.) Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.

Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

Лазерное облучение — облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению

Лазерная коагуляция — разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.

Лазерная хирургия — наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением.

3.3 Лазеры в вычислительной технике

Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграцию в микроэлектронных переключательных схемах (оптоэлектроника):

• в качестве логических элементов (да — нет);
• для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные лазеры

Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания, очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических систем.

Достижимым оказывается времена переключения примерно 10-10с(соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с.

3.3.1 Лазерные технологии — средство записи и обработки информации

В настоящее время лазерные технологии активно используются как средство записи и обработки больших объёмов информации. И здесь следует отметить появление принципиально нового вида носителя информации — компакт-диска. Как мы знаем, в аудио- и видеокассетах, которые до недавнего времени были, пожалуй, самым распространённым средством сохранения данных, использовались магнитные явления. В компакт-диске же применён другой подход.

Сам диск (CD-ROM или DVD-ROM) представляет собой пластину круглой формы, на одной стороне которого нанесена маркировка диска. Другая же сторона является рабочей и на первый взгляд она абсолютно гладкая. Однако, это не так, так как если бы это было так, то ни о каком сохранении информации не могло бы идти и речи. Внутри специального устройства рабочая поверхность диска как бы сканируется лазерным лучом небольшой мощности (как правило 0,14 мВт при длине волны 790 нм.).

При таком сканировании определяется, что находится внутри пятна лазерного луча — углубление или нет? Не вдаваясь в компьютерную технику можно только сказать, что наличие углубления (или пита) соответствует логической единице, а во всех компьютерных технологиях используются только два состояния — НОЛЬ и ЕДИНИЦА. Далее используя специальные таблицы можно расшифровать последовательность этих нулей и единиц и получить исходную информацию.

Запись таких дисков производится также при помощи лазеров, но здесь речь идёт о гораздо большей мощности лазера.

Благодаря тому, что выжигание питов на поверхности диска производится при помощи лазера, можно достичь очень большой плотности записи информации, так как диаметр лазерного луча, а следовательно и пита очень мал.

По-моему, это очень прогрессивная технология. На современные DVD диски можно записать огромный объем информации — свыше 5 Гб (До 10 полнометражных фильма).

Плюс ко всему, диски гораздо компактнее магнитных кассет. Я, в данный момент, не вижу явных конкурентов у данной технологии хранения информации.

Другое направление в сохранении информации — голография — метод, позволяющий сохранить информацию о внешнем виде любого объёмного тела с очень высокой точностью.

3.3.2 Лазерный принтер

Для печати в вычислительной технике и в других случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их в более высокой скорости печати, по сравнению с обычными способами печати.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т. д.) и служат для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей(6 или больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт), инжекторный лазер.

3.3.3 Оптическая цифровая память

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к которым предъявляются следующие требования:

• Более высокая емкость запоминающего устройства;
• Более высокая эффективность хранения архивных материалов;
• Лучшее соотношение между ценой и производительностью.

Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.

3.3.4 Лазерная связь и локация

Средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает направленный луч (расходимостью ок.10?), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ок.2-3?).

Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот 100Мгц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов.

Первые сведения применения лазерной локации относятся в 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м).

Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследования инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п.

3.3.5 Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов

Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы, которые в основном и определяют точность системы. Лазерные гироскопы обладают достаточно высокой точностью, большим диапазоном измерения угловых скоростей, малым собственным дрейфом, невосприимчивостью к линейным перегрузкам. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета (воздушной и путевой), высотомеры. Лазерные курсоглиссадные системы обеспечиваю безопасность полетов, связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничения по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. В близи взлетно-посадочного полотна установленные лазерные лучи создают геометрическую картину, позволяющую судить о правильности выдерживания траектории посадки.

3.3.6 Лазерные системы управления оружием

Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система состоит из лазерного целеуказателя и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

4.1 Возникновение голографии

Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта на каком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка).

Однако информация, содержащаяся в фотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновой фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью отсутствует информация о фазах волн.

Голография позволяет устранить этот недостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентична первоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методом полной записи волны.

Для того чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию.

Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947 году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английский физик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.

4.2 Способы голографирования

Говоря о процессе создания голографического изображения, необходимо выделить этапы голографирования:

Регистрация как амплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектом наблюдения. Эта регистрация происходит на фотопластинках, которые называют голограммами.

Извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого голограмму просвечивают световым пучком.

Для осуществления этих этапов на практике существует несколько способов. Наиболее распространенные из них — метод плоской волны и метод встречных пучков.

Запись голограммы с помощью плоской волны.

Стандартная интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле, которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения, необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным в пространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве, будет обладать этими свойствами.

Если добавить к исследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты, например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной), то на всём пространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарное распределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то есть стационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать на фотопластинке.