Газовые лазеры

Презентация по теме:
«Лазер»
Выполнили ученики
11»Б» класса: Монаков Алексей
Труфанова Екатерина
Черных Оксана
Коршикова Светлана
Понятие «Лазер»

ЛА́ЗЕР -(оптический
квантовый генератор)
(аббревиатура слов английской
фразы: Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation —
усиление света в результате
вынужденного излучения)источник оптического
когерентного излучения,
характеризующегося высокой
направленностью и большой
плотностью энергии. Существуют
газовые лазеры, жидкостные и
твердотельные (на
диэлектрических кристаллах,
стеклах, полупроводниках)
Предпосылки к созданию
лазера


Фактически предпосылки к появлению лазеров появились еще в начале 20-ого
столетия. Например, Альберт Эйнштейн в своих трудах предполагал, что
вынужденное излучение существует, затем эта теория была обоснована квантовыми
физиками в конце 1920-ых – начале 1930-ых годов на основании экспериментов
Ладенбурга и Копферманна 1928-ого года. В 1950-ых годах произошел прорыв
преобразовании энергии накачки, и в 1954 году появился мазер (прародитель
лазера, микроволновой генератор), став основой для развития лазера. Первый
лазер в лабораторных условиях был продемонстрирован в 1960-ом году.
Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн создал теоретические основы для
последующего изобретения лазера и квантового генератора..
В конце 1920-ых годов ученый Рудольф В. Линдберг подтвердил существование
явлений стимулируемой эмиссии и отрицательного поглощения. В конце 1930-ых
годов Валентин Фабрикант предсказал использование стимулируемой эмиссии для
усиления коротких волн, в то время как в середине 1940-ых годов ученый У. Лэмб
нашел очевидную стимулируемую эмиссию в водородных спектрах и произвел
первую демонстрацию стимулируемой эмиссии, а спустя три года Альфред Кастлер
предложил использовать метод оптической накачки. Этот метод был
экспериментально подтвержден через два года учеными Бросселем, Кастлером и
Винтером.
История создания

В 1952 г. Н.Г. Басов и А.М.
Прохоров впервые в мире
обосновали возможность
создания усилителей и
генераторов электромагнитного
поля за счет индуцированного
излучения квантовыми
системами, находящимися в
состоянии инверсной
населенности. В 1955 г. они же
предложили эффективный метод
получения инверсной
населенности при селективной
накачке трехуровневой системы,
который теперь широко
используется в лазерах и
квантовых усилителях. В этот
период были созданы
принципиально новые приборы квантовые генераторы (мазеры) и
малошумящие усилители
радиочастотного диапазона.
История создания

За открытие нового принципа
генерации и усиления
электромагнитного излучения на
основе квантовых систем в 1959
г. Н.Г. Басову и А.М. Прохорову
была присуждена Ленинская
премия. В 1964 г. им же
совместно с американским
ученым Ч. Таунсом
присуждается Нобелевская
премия по физике за
фундаментальные исследования
в области квантовой
электроники, приведшие к
созданию мазеров и лазеров.
Разработав
к 1956 г. первые
приборы квантовой электроники
- мазеры - и успешно
использовав их для стандартов
частоты, Н.Г. Басов выступает с
инициативой создания
квантовых генераторов света лазеров. В качестве активных
сред впервые в мире
предлагается использовать
полупроводники при различных
методах возбуждения, в том
числе при инжекции через р-n-p
переход (1961 г.). Этот метод
привел к появлению самых
распространенных и широко
используемых в науке и технике
инжекционных (диодных)
лазеров.
Принцип работы

Атомы вещества, поглощая энергию,
например, при нагревании вещества,
переходят в возбужденное состояние.
Их электроны поднимаются на верхний
энергетический уровень E1; через
какое-то время они вновь опускаются на
основной уровень E0, отдавая энергию
в виде квантов электромагнитного
излучения. Частота излучения
определяется разностью энергий этих
двух уровней:
E1 – E0 = h,

В обычной среде излучение отдельных
атомов происходит самопроизвольно,
независимо друг от друга, в разные
моменты времени и в разных
направлениях. Количество атомов
обычного вещества в основном
состоянии больше, чем в возбужденном.

Вещество, предназначенное для
лазерной генерации, имеет
большинство атомов в
возбужденном состоянии. Такая
ситуация называется инверсной
населенностью. Чтобы она
осуществилась, атомы вещества
должны непрерывно получать
энергию, а их электроны
достаточно долго находиться на
верхних энергетических уровнях
(такие уровни называются
метастабильными). С
метастабильного уровня электрон,
как правило, не успевает
опуститься сам — его
«сбрасывает» вниз пролетевший
мимо фотон той же частоты


Лазер состоит из трех основных
компонентов:
активная среда, в которой осуществляется
инверсная населенность атомных уровней и
происходит генерация, система накачки,
создающая инверсную заселенность, и
оптический резонатор — устройство,
создающее положительную обратную связь.
Активная среда — смесь газов, паров или
растворов, кристаллы и стекла сложного
состава. Компоненты активной среды
подобраны так, что энергетические уровни
их атомов образуют квантовую систему, в
которой есть хотя бы один метастабильный
уровень, обеспечивающий инверсную
населенность.

Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную
среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку
обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в
твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет
вспомогательного лазера, в полупроводниковых —
электрический ток или поток электронов.
Оптический
резонатор — пара зеркал, параллельных одно
другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет
отверстие; через него из лазера выходит световой луч.
Резонатор выполняет две задачи.
За счет отражения фотонов в
зеркалах он заставляет
световую волну многократно
проходить по активной среде,
повышая эффективность ее
использования.
В момент начала генерации
лазера в нем одновременно и
независимо появляется
множество волн. После
отражения от зеркал резонатора
усиливаются по преимуществу те,
для которых выполняется условие
образования стоячих волн: на
длине резонатора укладывается
целое число полуволн. Все
остальные частоты будут
подавлены, излучение станет
когерентным.
Процесс генерации

Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти
сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных
направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора,
порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро
покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора,
отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду,
вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация
начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее
усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери,
которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние
света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той
энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.
Режимы генерации


В зависимости от конструкции, способа накачки и
состава активной среды лазеры излучают либо в
непрерывном, либо в импульсном режиме.
Непрерывное излучение дают газовые лазеры,
импульсное — твердотельные;
полупроводниковые и жидкостные лазеры могут
работать как в том, так и в другом режиме.
Импульсный режим генерации обычно
обусловлен импульсным режимом накачки
(лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если
не приняты специальные меры, в активной
среде возникает режим свободной генерации,
при котором за время продолжения вспышки в
активной среде успевает возникнуть целая серия
импульсов. Чтобы лазер в каждом акте
генерации излучал отдельный импульс, перед
одним из зеркал его резонатора ставят
оптический затвор, который открывается на
время 10-4 — 10-10 с, в момент, когда активная
среда уже находится в состоянии инверсной
заселенности. Вся энергия, накопленная в среде
(от долей джоуля до нескольких сот джоулей),
излучается в виде очень короткого,
длительностью до фемтосекунд (10-15 с) и
соответствующей мощностью порядка гигаватт
(109 Вт), так называемого гигантского импульса.
Затвором
для получения сверхкоротких
лазерных импульсов может, например,
служить кювета с раствором веществ,
которые под действием светового
импульса на короткое время становятся
прозрачными.
Типы лазеров

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения
лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов —
твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в
каждом из которых имеются свои особенности, связанные с
конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место
занимают т. н. квантовые усилители — лазеры, состоящие из
активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель
ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную
генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту
энергии излучения.
Твердотельные лазеры

Рабочим веществом этих лазеров служат
кристаллы или стекла, активированные
посторонними ионами. Широко
используются лазеры на кристалле
рубина — оксида алюминия (Al2O3), в
котором около 0,05% атомов алюминия
замещены ионами хрома Cr3+, на алюмоиттриевом гранате (Y3Al5O12), на
стеклах с примесью ионов неодима
(Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и
др. Вынужденное излучение различных
частот дают более 250 кристаллов и
около 20 стекол. Для их накачки
используют лампы-вспышки.
Твердотельные лазеры работают как
правило в импульсном режиме с частотой
повторения импульсов от долей герца до
десятков мегагерц. Энергия отдельного
импульса достигает нескольких джоулей.

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР - усовершенствованная схема конструкции Т.Меймана
(1960). Основные его элементы - цилиндрический рубиновый стержень с
плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в
устройстве Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 - посеребренный
торец стержня (глухое зеркало); 2 - рубиновый стержень; 3 - охлаждающая
жидкость; 4 - газоразрядная лампа накачки; 5 - кожух (трубка) охлаждения; 6 слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).
Газовые лазеры

Источником вынужденного излучения в
газах служат возбужденные нейтральные
атомы, молекулы или
слабоионизованная тлеющим
электрическим разрядом плазма. Число
возникающих в столбе разряда
электрон-ионных пар в точности
компенсирует потери заряженных частиц
на стенках газоразрядной трубки.
Поэтому количество возбужденных
атомов постоянно, а их излучение как
правило непрерывно. Поскольку газовая
среда весьма однородна, световой луч в
ней рассеивается слабо и на выходе
расходится очень мало. Мощность
излучения газовых лазеров в
зависимости от типа и конструкции
может составлять от милливатт до
десятков киловатт. Семейство газовых
лазеров наиболее многочисленно.
Жидкостные лазеры


Их активной средой служат растворы органических соединений,
комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu),
неорганические жидкости. Эти материалы в определенной мере
сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов
(большая однородность). При необходимости рабочие параметры
среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы
через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается
облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной
лампы.
Лазеры на красителях — наиболее распространенный тип
жидкостных лазеров. Активной средой служат органические
красители на основе бензола и ряда других соединений. Мощность
излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в
пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором.
Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так
и последовательности ультракоротких импульсов длительностью
до 210-13с.
Жидкостные лазеры
Полупроводниковые лазеры

Активной средой лазеров служат
полупроводниковые кристаллы
(GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии
от всех других активных сред,
уровни энергии в которых
дискретны и поэтому генерируют
монохроматичное излучение,
полупроводники имеют довольно
широкие энергетические зоны; их
излучение происходит в широком
диапазоне длин волн и обладает
малой когерентностью. В активной
среде движутся либо избыточные
электроны (n-проводимость, от
англ. negativ — отрицательный)
либо дырки, их нехватка (pпроводимость, от positiv —
положительный). При их
рекомбинации в слое p-n-p
перехода энергия электрического
тока непосредственно
преобразуется в излучение.
Накачка производится электрическим
током, пучками быстрых электронов,
световым потоком. Лазеры имеют очень
высокий КПД (до 50%, а отдельные модели
— около 100%) и большой коэффициент
усиления. Благодаря этому размеры
активного элемента лазеров исключительно
малы (менее 1 мм). Широкий набор
полупроводниковых материалов дают
возможность получать излучение в
диапазоне длин волн от 0,3 до 40 мкм.
Лазеры разных типов работают и в
непрерывном, и в импульсном режиме,
развивая мощность от долей мВт до 1 МВт
(только в импульсе).

Лазеры на свободных
электронах

Действие лазеров основано на излучении электронов, которые колеблются под
действием внешнего магнитного и/или электрического поля и перемещаются с
околосветовой скоростью в направлении излучаемой волны. Из-за эффекта
Доплера частота излучения во много раз превышает частоту колебаний
электронов и попадает в диапазон длин волн от рентгеновского (менее 6 нм) до
СВЧ-радиоизлучения. Наиболее коротковолновое излучение дают лазеры, в
которых колебательные движения электронам сообщает поле мощной
электромагнитной волны (комптоновский лазер или скаттрон) или периодическое
поле т. н. ондулятора (предложен академиком В.Л.Гинзбургом в 1947). Возможны
и другие способы получения вынужденного излучения — вращение электронов в
однородном магнитном поле (т. н. циклотронный резонанс), колебания в
неоднородном электростатическом поле, различные виды черенковского
излучения. Частота излучения лазеров на свободных электронах может плавно
меняться в широких пределах простым изменением скорости движения
электронов.
Применение лазеров

Широкое применение лазеров обусловлено
свойствами их излучения — малой
расходимостью луча, монохроматичностью и
когерентностью излучения.
Полупроводниковые лазеры используются в
качестве прицелов ручного оружия и указок, в
проигрывателях компакт-дисков, как мощные
источники света в маяках. Газовые лазеры
применяются в геодезических нивелирах,
дальномерах и теодолитах; в метрологии —
как эталоны частоты и времени; для записи
голограмм.

Лазеры на красителях и других рабочих
средах используются для
зондирования атмосферы. Мощные
технологические лазеры на парах
металлов и молекулах (в основном на
CO2) — для резки, сварки и обработки
материалов. Эксимерные лазеры
применяются в медицине для
терапевтического воздействия и
хирургического вмешательства. Лазеры
используют для осуществления
термоядерной реакции (т. н.
«инерциальный способ»), сортировки
изотопов, в тонких физических и
химических экспериментах.