Ваше сообщение отправлено. Мы Вам перезвоним!
Вторая индустриализация России

Перезвоните мне!

Закрыть
Главная » Еще технологии » Лазерные технологии » Лазер, принцип действия и его устройство

Лазер, принцип действия и его устройство

  • Array

Лазер, принцип действия и его устройство.

 



 

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов.

 

Лазер

Принцип действия (работы) лазера

Инверсная заселенность. Создание когерентного лазерного излучения

Конструкция лазера

Технические характеристики лазера

 


Лазер:

XX век подарил человечеству множество изобретений и открытий, и одним из величайших среди них считается лазер. Если несколько десятков лет назад он был воплощением произведений фантастов, то сегодня его использование актуально во многих сферах и отраслях промышленности, медицины, производства.

Свое название изобретение получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (light amplification by stimulated emission of radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Впервые возможность создания лазера как устройства была предсказана еще Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Ученый спрогнозировал, что атомы молекул при достаточном воздействии из вне способны изменять свое энергетическое состояние и переходить с высшего энергетического состояния на низшее. В результате такого перехода определенная часть энергии переходит в свободное состояние – это и есть вынужденное излучение, являющееся основой работы лазеров.

По своей сути лазер или оптический квантовый генератор – это устройство, где на квантово-механический эффект, коим является вынужденное излучение, воздействует внешнее электромагнитное излучение, в результате чего освободившаяся энергия (тепловая, световая, электрическая, химическая и прочая) образует световой луч. Он (световой луч) тоже представляет собой энергию, и превращается в потоки излучения:

– когерентного, т.е. согласованного (скоррелированного) протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты;

– монохроматического, т.е.  обладающего очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны);

– поляризованного, т.е. с направленным колебанием векторов напряженности электрического и магнитного полей;

– и узконаправленного характера.

Потоки света и излучение лазера имеют две формы:

– непрерывную (с неизменной амплитудой и постоянной мощностью);

– импульсную (экстремально высокие – пиковые мощности достигаются постепенно).

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10-9 до 10-3 м.

 


Принцип действия (работы) лазера:

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.

Если кратко, то суть данного явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света. Этим явление вынужденного (индуцированного) излучения отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Теперь объясним данное явление более подробно.

Как известно, строение атома схоже со строением Солнечной системы: в центре расположена большая звезда (в данном случае – ядро с положительным зарядом), а вокруг нее по соответствующим орбитам вращаются планеты (отрицательно заряженные электроны). Если электроны находятся в спокойном состоянии, их расположение соответствует низкому энергетическому уровню E0 (т.н. основное состояние), где затраты энергии минимальны и им достаточно просто поглощать попадающее на них излучение. Как только атом подвергается воздействию постороннего излучения, возникает дополнительная энергия, возбуждающая электроны и заставляющая переходить их на более высокий энергетический уровень или уровни (E1, E2 … En). Поглощение энергии происходит не хаотично, а строго определенными дозами – квантами, при этом атом старается избавиться от ее излишков и начинает отдавать энергию, чтобы вновь вернуться в состояние покоя, на низкий энергетический уровень. Отдача, как и поглощение, тоже проводится порциями. Эти порции – кванты или фотоны света – обладают собственной энергией – разницей между энергиями выделения и поглощения. Так возникает как спонтанное, так и вынужденное (индуцированное) излучение.

Следует иметь в виду, что атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10–8 секунды), в какой-то момент времени он самостоятельно вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон.

Излучение энергии атомом возможно:

– самостоятельно, если он возбужден;

– под воздействием излучения извне.

При этом потоки света, образующиеся в обоих случаях, схожи между собой, а значит, длина волны, вызвавшая возбуждение атома, равна самой вызванной (индуцированной) волне. И чем больше будет воздействие на атом, тем больше электронов перейдут на высший энергетический уровень и тем выше окажется индуцированное излучение.

Существуют сосредоточения атомов, чье большое количество электронов находится на высоком энергетическом уровне. Оно (сосредоточение атомов) представляет собой инверсную систему. Ее уникальностью является тот факт, что излучение в данной системе гораздо сильнее поглощения, и именно эта особенность предоставила ученым возможность создать лазер посредством искусственного образования подобных систем.

Вне инверсной системы случайные кванты также способны как провоцировать излучение атомов находящихся в возбужденном состоянии, так и поглощаться ими, если те «спокойны».

Однако для получения нужного индуцированного и когерентного потока света необходимо, чтобы число возбужденных частиц имело превосходящее количество (существовала инверсионная заселенность), что в состоянии, когда все макроскопические величины постоянны (т.е. когда все атомы находятся в состоянии покоя), исключено. Получить нужное возбужденное состояние атомов и соответственно создать вынужденное (индуцированное) когерентное излучение позволяют системы накачки активной среды лазера.

Накачка воздействует на активную среду лазера, коими могут выступать различные вещества, дающие ему итоговое название:

– твердые – некоторые драгоценные камни (рубин, гранат), стекла, включающие неодим;

– жидкие – растворы солей неодимов, анилиновых красителей;

– газообразные – гелий и неон, углекислый газ, аргон, а также водяной пар низкого давления;

плазма;

– полупроводниковые материалы.

Активная среда при этом помещается между параллельными друг другу зеркальными стеклами резонатора.

 

Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:

Перемещаясь по уровням атома, электроны создают (выделяют) его энергию: чем они выше, тем она больше, а опускаясь – поглощают ее. Чем выше энергия атома, тем больше он возбужден, но это отражается и на его устойчивости – она слабеет. В определенный момент времени электроны все же изменят уровень на более низкий, выделив фотон – электромагнитное излучение. Учитывая, что такой переход спонтанный, выделяемое излучение происходит разобщенно, поэтому и образующийся луч является несогласованным.

Если же излучение (выделение энергии) проводится направленно, при воздействии электромагнитной волны, чья частота близка к частоте перехода атома, возникнет иной эффект. Полученный резонанс дестабилизирует атом и все электроны «упадут» с верхних «ярусов» на нижние. При таком спровоцированном воздействии световая волна будет идентична первичной волне по всем трем параметрам:

– частоте;

– направленности;

– фазе.

Все образующиеся волны имеют согласованное (когерентное) направление, и суммарно они увеличивают интенсивность излучения, т.е. количество его квантов.

Заселенность – это количество атомов на определенном энергетическом уровне (En). Если заселенность более высокого уровня (Е2) выше, чем ниже расположенного (Е1), образуется инверсная заселенность. Так и активное вещество – это среда, где возбужденных атомов больше, чем тех, что находятся в состоянии покоя. Если подобная среда будет подвержена воздействию электромагнитной волны, электроны поднимутся на выше расположенные уровни, и возникнет усиленное этим воздействием излучение. Причина проста – каждый квант электромагнитной волны порождает идентичный фотон, эти два образуют четыре фотона, те – восемь и так далее. Все это приводит к появлению фотонной лавины.

Однако данная ситуация весьма условна и возможна лишь в идеальных условиях. В реальных же существуют факторы, провоцирующие утрату электромагнитной волной энергии: ее поглощают примеси, которые содержит активная среда, она рассеивается в ее неоднородных слоях и т.д. Усилить же ее можно путем продления длины пробега в активной среде, что возможно весьма условно. Поэтому был создан резонатор: многократно отражаясь от двух параллельно расположенных зеркал, волна проходит достаточное расстояние для получения нужного уровня усиления, но при условии, что сохранится инверсионная заселенность.

Обеспечивать нужное число электронов на высоких уровнях возможно при использовании отдельного источника энергии – что означает, что необходимо проводить накачку активной среды источниками энергии. Подобные источники энергии могут быть самыми разными: протекающая химическая реакция, установленная электрическая лампа, направленный разряд электроэнергии и прочие. Есть и определенные условия:

– накопление электронов на верхних слоях атомах. Их должно скопиться не менее половины от общего числа;

– уровень энергии. Он должен превысить определенные показатели, иначе потери превысят накачку, что приведет к малой мощности на выходе.

После достижения состояния инверсии, некоторые электроны начнут спонтанный спуск на более низкий энергетический уровень, при котором возникнут кванты (фотоны). Те фотоны, которые были выпущены под углом к оси резонатора, вызовут короткий цикл излучений в выбранном направлении и исчезнут из активной среды. Те фотоны, чье движение будет направлено вдоль оси резонатора, смогут бесконечное количество раз отразиться в зеркалах резонатора, что и приведет к появлению согласованного (когерентного) излучения.

 

Конструкция лазера:

Независимо от названия, все лазеры имеют три основных составляющих:

1. активная среда – рабочее вещество, чей состав позволяет создать инверсионную заселенность;

2. система накачки – это источник энергии, непосредственно увеличивающий число электронов на верхних уровнях атома. Исходя из типа активной среды это:

– газоразрядные лампы-вспышки и устройства с фокусированным солнечным излучением – для лазеров с твердыми веществами и полупроводниковыми материалами;

– электрический разряд – для жидких сред и газов;

– химические реакции – химические генераторы;

– сильный прямой ток сквозь электронно-дырочный переход или пучок электронов – для полупроводниковых лазеров;

3. оптический резонатор – устройство, представляющее собой два параллельно расположенных зеркала, одно из которых непрозрачно, а другое – полупрозрачно. В случае если лазер функционирует в режиме усилителя, данная составляющая все же может отсутствовать.

Лазер, принцип действия и его устройство

Рис. 1. Конструкция лазера

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер

На Рис. 1 приведена конструкция (схема) лазера. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — система накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

 

Технические характеристики лазера:

Параметрами, характеризующими работу оптического квантового генератора – лазера являются:

– длина излучаемой волны (ДВ) в микрометрах (мкм);

– режим работы (РР);

– мощность излучения (МИ) в мегаваттах (мВт);

– частота повторения импульсов (ЧПИ) в герцах (Гц);

– длительность импульса (ДИ) в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс), пикосекундах (пс), фемтосекундах (фс);

– расходимость излучения (РИ) в миллирадианах (мрад);

– коэффициент полезного действия (КПД) в процентах (%).

Сравнительную характеристику основных лазеров можно оценить по данным таблицы.

Тип лазера Активная среда ДВ, мкм РР МИ, мВт ЧПИ, Гц ДИ, мкс РИ, мрад КПД, %
Газовый Гелий-Неон 0,63 непрерывный 0,5-50 0,7-3,5 0,01-0,1
Двуокись углерода – Азот 10,6 непрерывный 1 – 1,5·104 до 25 до 20
10,6 импульсный 10 – 5·103 до 2,5·104 0,006-1 до 7 до 6
Аргон 0,33-0,53 непрерывный 0,01-20 0,5-1,5 0,01-0,1
Фторид криптона 0,249 импульсный 20-250 до 103 4·10-3 – 1 0,1-6 0,03-2
Жидкостный Органические красители 0,25-1,01 импульсный 0,1-3 108 <1 пс 1,4-1,5 30-60
Твердотельный Алюмо-иттриевый гранат с неодимом 1,06 непрерывный 0,05 – 103 Вт 1-3
импульсный свободной генерации 20-600

Вт

1-300 Гц 0,1-10 нс 3-24 1-2
импульсный с модулированной добротностью 2-100 мВт 0,1-100 Гц 2-25 мс 0,3-3 0,4-1
режим синхронизации мод 0,02-2 ГВт 10 Гц 30-150 пс 0,3-0,7 не  более  0,01
Рубин 0,6943 импульсный свободной генерации 1-38 0,016-5 Гц 0,3-3 мс 3-18 0,1-1
импульсный с модулированной добротностью 0,02-1 0,017-1 Гц 12-30 нс 0,3-1 до 0,1
Полупроводниковый Арсенид галия 0,8 – 0,9 непрерывный 5-40 2-40 1-30
Арсенид алюминия-галия 100-400 10-20
Арсенид галия-индия, в т.ч с примесями алюминия 1-3-1,5 непрерывный 1-5 10-20
Селенид свинца, сульфид свинца 4-15 непрерывный с глубоким охлаждением 0,1 1 около 5

Как видно из таблицы, одно и то же вещество активной среды, но с добавлением примесей или изменением режима работы, может изменять свои параметры, что всегда учитывается при эксплуатации устройства.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 







карта сайта

 

comments powered by HyperComments