Lasersko zračenje ima sljedeća fizička svojstva:

1. Visoka prostorna i vremenska koherentnost. To znači da se određeni fazni odnosi između pojedinih valova održavaju neko vrijeme, ne samo u određenoj točki prostora, već i između oscilacija koje se javljaju u različitim točkama. Ova dosljednost procesa omogućuje fokusiranje snopa laserskog zračenja u točku promjera jednakog valnoj duljini tog zračenja. To vam omogućuje povećanje već visokog intenziteta laserske zrake.

2. Strogo monokromatsko zračenje. Raspon valnih duljina Δλ koje emitira laser doseže vrijednost od ~ 10 -15 m (u prosjeku Δλ< 10 -11).

3. Visoka gustoća fluksa energije. Na primjer, neodimijski laser generira impulse s trajanjem od 3·10 -12 s i energijom od 75 J, što odgovara snazi ​​od 2,5·10 13 W (snaga hidroelektrane Krasnoyarsk je 6·10 9 W )! Usporedbe radi, također napominjemo da je intenzitet sunčeve svjetlosti na površini Zemlje samo 10 3 W/m 2, dok laserski sustavi mogu proizvesti intenzitet do 10 20 W/m 2.

Neobična svojstva laserskog zračenja nalaze široku praktičnu primjenu. U industriji se laseri koriste za obradu, rezanje i mikrozavarivanje čvrstih materijala (na primjer, bušenje kalibriranih rupa u dijamantu), brzu i točnu detekciju grešaka površinske obrade itd. U znanosti se lasersko zračenje koristi za proučavanje mehanizam kemijskih reakcija i dobivanje ultračistih tvari; za odvajanje izotopa i proučavanje visokotemperaturne plazme; za ultraprecizna daljinska mjerenja pomaka, indeksa loma, tlaka i temperature (u astronomiji). Visoka koherentnost laserskog zračenja omogućila je implementaciju temeljno nove metode snimanja i restauracije slike, koja se temelji na interferenciji valova i difrakciji. Ova metoda dobivanja trodimenzionalne slike nazvana je holografija (od grčke riječi holos - sve). Sastoji se od sljedećeg (slika 7): objekt 2 postavlja se ispred zaslona fotodetektora (fotoploče) 3. Translucentno zrcalo 4 dijeli lasersku zraku na referentni 7 i signalni 8 val. Referentni val 7, fokusiran lećom 5, reflektira se zrcalom 6 izravno na fotografsku ploču. Signalni val 8 pogađa fotodetektor nakon refleksije od objekta 2. Jer valovi 7 i 8 su koherentni, zatim se međusobno preklapajući, tvore interferencijski uzorak na fotografskoj ploči. Nakon razvijanja fotodetektora dobiva se hologram - "negativ" interferencijskog uzorka zbrajanja dva koherentna svjetlosna vala 7 i 8.

Kada je hologram osvijetljen svjetlosnim valom identičnim referentnom valu pod odgovarajućim kutom, dolazi do difrakcije ovog vala "čitanja" na "difrakcijskoj rešetki", što je interferencijski uzorak snimljen na hologramu. Kao rezultat, slika objekta registrirana na hologramu se obnavlja (postaje vidljiva).

Ako fotodetektor ima debljinu fotoosjetljivog sloja usporedivu s udaljenosti između susjednih interferencijskih pruga, dobiva se konvencionalni dvodimenzionalni, ravni hologram, ali ako je debljina sloja mnogo veća od udaljenosti između pruga, trodimenzionalni (volumetrijski) dobije se slika.

Također je moguće obnoviti sliku iz volumetrijskog holograma u bijeloj svjetlosti (sunčeva svjetlost ili svjetlost obične žarulje sa žarnom niti) - sam hologram iz kontinuiranog spektra "odabire" valnu duljinu koja može vratiti sliku snimljenu na hologramu.

Razmotrimo glavne učinke interakcije laserskog zračenja s materijom i biološkim objektima.

Toplinski učinak. Kada lasersko zračenje apsorbira tvar, ljudsko tkivo, životinje i biljke, značajan dio energije elektromagnetskog polja prelazi u toplinu. U biološkim tkivima, apsorpcija se događa selektivno, jer Strukturni elementi uključeni u tkanine imaju različite indekse apsorpcije i refleksije. Toplinski učinak laserskog zračenja određen je intenzitetom svjetlosnog toka i stupnjem njegove apsorpcije od strane tkiva. U tom slučaju promjene koje se javljaju u tkivima slične su opeklini. Međutim, za razliku od opeklina, granice područja lokalnog povećanja temperature jasno su definirane. To je zbog vrlo malog presjeka laserske zrake, kratkog trajanja ekspozicije i slabe toplinske vodljivosti bioloških tkiva. Najosjetljiviji na povišenje temperature su enzimi koji se zagrijavanjem prvi uništavaju, što pak dovodi do usporavanja biokemijskih reakcija u stanicama. Uz dovoljan intenzitet laserskog zračenja može doći do koagulacije (nepovratne denaturacije) proteina i potpunog uništenja tkiva.

Učinak utjecaja. Stvaranje topline u području zahvaćenom laserskom zrakom događa se u milijuntim, pa čak i stomilijuntim dijelovima sekunde. Trenutačno isparavanje čestica tkiva i njihovo brzo volumetrijsko širenje uzrokuje naglo povećanje tlaka u zoni grijanja. Zbog toga se u tekućim komponentama stanica i tkiva pojavljuje udarni val koji se širi nadzvučnom brzinom (~1500 m/s) i može izazvati oštećenja.

Električni fenomeni. Lasersko zračenje je po svojoj prirodi elektromagnetsko polje. Ako je električna komponenta ovog polja dovoljno velika, djelovanje laserske zrake će uzrokovati ionizaciju i ekscitaciju atoma i molekula. U biološkim tkivima to može dovesti do selektivnog razaranja kemijskih veza u molekulama, stvaranja slobodnih radikala i kao posljedica toga do raznih patoloških procesa kod životinja i ljudi. Pretpostavlja se da uzrokuju kemijske mutacije, pojavu raka i biološko starenje.

Gore navedena svojstva laserskog zračenja i učinci njegove interakcije s biološkim tkivima određuju jedinstvene mogućnosti korištenja lasera u eksperimentalnoj biologiji i medicini.

Usmjerena na promjer od samo nekoliko mikrona, laserska zraka postaje istraživački i mikrokirurški alat na staničnoj razini. Zračenjem pojedinih dijelova kromosoma možete izazvati promjene u nasljeđu. Takva laserska zraka omogućuje odcjepljivanje pojedinih fragmenata iz makromolekule i "šivanje" novih na njihovo mjesto. Primjenom lasera tehnički je moguće riješiti niz problema u citologiji, citogenetici, embriologiji i drugim područjima biološke znanosti.

Glavna područja primjene lasera u medicini su kirurgija, oftalmologija i onkologija.

U kirurgiji se koriste CO 2 laseri snage 30 ÷ 100 W koji rade u kontinuiranom načinu rada. Svojstva laserske zrake da uništavaju biološko tkivo, u kombinaciji s koagulacijom proteina, omogućuju disekcije bez krvi. Laserski skalpel ima niz prednosti u odnosu na tradicionalni skalpel. Glavni problemi operacije su bol, krvarenje i sterilitet. Ovi se problemi mogu vrlo jednostavno riješiti korištenjem lasera: lasersko zračenje, za razliku od konvencionalnog skalpela, ne može unijeti infekciju, ono sterilizira secirano tkivo, čak i ako je već zaraženo gnojnicom; nema gubitka krvi, jer su krvne žile trenutno začepljene zgrušanom krvlju; Laserski skalpel ne vrši mehanički pritisak na tkivo, što smanjuje osjećaj boli. Osim toga, uz pomoć suvremenih endoskopa i fleksibilnih svjetlovoda (optičkih vlakana) lasersko zračenje može se uvesti u unutarnje šupljine, što omogućuje zaustavljanje unutarnjeg krvarenja i isparavanje gnoja bez otvaranja organa. Za kirurške svrhe naša je zemlja stvorila instalacije "Scalpel-1" (P = 30 W) i "Romashka-1" (P = 100 W).

U oftalmologiji se koriste pulsirajući rubinski laseri (trajanje pulsa 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), koji omogućuju izvođenje niza složenih operacija bez ugrožavanja integriteta oka: zavarivanje odvojene mrežnice. na žilnicu (oftalmokoagulator); liječenje glaukoma bušenjem rupe promjera 50-100 nm laserskom zrakom za odvod tekućine u svrhu smanjenja očnog tlaka; liječenje određenih vrsta katarakte i drugih defekata šarenice. Za liječenje glaukoma stvorena je instalacija Yatagan-1.

U onkologiji se lasersko zračenje koristi za izrezivanje i nekrotizaciju stanica malignih tumora. Kod nekrotizacije malignih tumora koristi se selektivnost apsorpcije laserskog zračenja različitim tkivima. Na primjer, neki pigmentirani tumori (melanom, hemangiom) apsorbiraju lasersko zračenje mnogo intenzivnije od okolnih tkiva. Istodobno, toplina se munjevito oslobađa u mikroskopskom volumenu tkiva uz stvaranje udarnog vala. Ovi čimbenici uzrokuju uništavanje malignih stanica. Uz pulsirajuću ekspoziciju, temperatura tkiva na dubini od 4-5 mm raste na 55-60 0 C. Kada se koriste laseri koji rade u kontinuiranom načinu rada, temperatura se može povećati do 100 0 C. Fokusirano lasersko zračenje koristi se za utjecaj na tumore (d = 1,5 ÷3 mm na površini predmeta) s intenzitetom I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Utvrđeno je da lasersko zračenje ima niz prednosti u odnosu na rendgensku terapiju koja se koristi u liječenju raka kože: opterećenje zračenjem značajno je smanjeno, a troškovi smanjeni nekoliko puta. Zračenjem manjeg intenziteta moguće je suzbiti rast stanica raka (laserska terapija). U tu svrhu koristi se posebna laserska instalacija "Pulsator-1" ili argonski laseri snage do 1 W. Rak kože može se izliječiti laserom u 97% slučajeva.

U usporedbi s drugim izvorima svjetlosti, laser ima niz jedinstvenih svojstava povezanih s koherencijom i visokom usmjerenošću njegovog zračenja. Zračenje "ne-laserskih" izvora svjetlosti nema ove karakteristike. Snaga koju emitira zagrijano tijelo određena je njegovom temperaturom T. Najveća moguća vrijednost toka zračenja postignuta za apsolutno crno tijelo je W = 5,7 × 10-12xT 4 W/cm 2. Snaga zračenja brzo raste s porastom T i za visoke T doseže vrlo velike vrijednosti. Dakle, svaki 1 cm 2 površine Sunca (T = 5800 K) emitira snagu W = 6,4 × 10 3 vata. Međutim, zračenje iz toplinskog izvora širi se u svim smjerovima od izvora. Formiranje usmjerenog snopa iz takvog izvora, izvedeno pomoću sustava dijafragmi ili optičkih sustava koji se sastoje od leća i zrcala, uvijek je popraćeno gubitkom energije. Nijedan optički sustav ne omogućuje postizanje veće snage zračenja na površini osvijetljenog objekta nego u samom izvoru svjetlosti.

Usporedi li se intenzitet laserskog zračenja s intenzitetom zračenja apsolutno crnog tijela u istim spektralnim i kutnim intervalima, tada se dobivaju fantastično visoke temperature, milijarde ili više puta veće od stvarno ostvarivih temperatura toplinskih izvora svjetlosti. Uz to, niska divergencija zračenja omogućuje korištenjem konvencionalnih optičkih sustava koncentraciju svjetlosne energije u zanemarivo malim volumenima, stvarajući enormne gustoće energije. Koherencija i usmjerenost zračenja otvaraju temeljno nove mogućnosti za korištenje svjetlosnih zraka tamo gdje nelaserski izvori svjetlosti nisu primjenjivi.

Usmjerenost laserskog zračenja uvelike je određena činjenicom da se u otvorenom rezonatoru mogu pobuditi samo valovi koji su usmjereni duž osi rezonatora ili pod vrlo malim kutovima prema njoj. S visokim stupnjem prostorne koherencije, kut divergencije laserske zrake može se približiti granici određenoj difrakcijom. Tipične vrijednosti su: za plinske lasere (0,5-5)x10 -3 radijana, za lasere u čvrstom stanju (2-20)x10 -3 radijana, za poluvodičke lasere (5-50)x10 -2 radijana.

Osim toga, zračenje toplinskog izvora je nemonokromatsko; ono ispunjava široki raspon valnih duljina. Na primjer, spektar sunčevog zračenja obuhvaća ultraljubičasto, vidljivo i infracrveno područje valnih duljina. Za povećanje monokromatičnosti zračenja koriste se monokromatori koji omogućuju izdvajanje relativno uskog područja iz kontinuiranog spektra ili se koriste niskotlačni izvori svjetlosti s izbojem u plinu koji proizvode diskretne atomske ili molekularne uske spektralne linije. Intenzitet zračenja u spektralnim linijama, međutim, ne može premašiti intenzitet zračenja apsolutno crnog tijela, čija je temperatura jednaka temperaturi ekscitacije atoma i molekula. Dakle, u oba slučaja postiže se monokromatizacija zračenja uz cijenu enormnih gubitaka energije. Što je spektralna linija uža, emitira se manje energije.

Temeljna razlika između lasera i svih ostalih izvora svjetlosti, koji su u biti izvori optičkog šuma, jest visok stupanj koherentnosti laserskog zračenja. Stvaranjem lasera u optičkom području pojavili su se izvori zračenja, slični koherentnim generatorima signala poznatim u radijskom području, koji se mogu uspješno koristiti u svrhu komunikacije i prijenosa informacija, a po mnogim svojim svojstvima - usmjerenosti zračenja, frekvenciji prijenosa pojas, niska razina buke, koncentracija energije tijekom vremena itd. - superiorniji od klasičnih radijskih uređaja.

U slučaju lasera koji radi u višemodnom modu, monokromatičnost je povezana s brojem generiranih modova i može biti nekoliko gigaherca. U pulsirajućem načinu rada, minimalna širina linije ograničena je obrnuto trajanjem impulsa.

Visoki stupanj monokromatičnosti laserskog zračenja uvjetuje visoku spektralnu gustoću energije – visok stupanj koncentracije svjetlosne energije u vrlo malom spektralnom području. Visoka monokromatičnost olakšava fokusiranje laserskog zračenja, budući da kromatska aberacija leće postaje beznačajna. Koherentnost. Laseri imaju izuzetno visok stupanj koherencije zračenja, vremenske i prostorne, u usporedbi s drugim izvorima svjetlosti.

Trenutačno laseri pokrivaju područje od ultraljubičastih do submilimetarskih valova, prvi uspjesi su postignuti u stvaranju lasera X-zraka, a stvoreni su frekvencijski podesivi laseri.

Zbog svoje visoke usmjerenosti, laserski izvori svjetlosti imaju vrlo visoku svjetlinu, što znači da se na meti može proizvesti vrlo visok intenzitet svjetlosti. Dakle, helij-neonski laser sa snagom od samo 10 mW i divergencijom zračenja od 3 × 10 -4 radijana s površinom snopa od 0,1 cm 2 ima svjetlinu od 10 6 W / (cm 2 * steradijan), što je višestruko veće od sjaja Sunca (130 W/(cm 2 steradijana)).

Navedena svojstva čine lasere jedinstvenim izvorima svjetlosti i određuju mogućnost njihove brojne primjene.

Dizajn lasera i svojstva stimulirane emisije određuju razliku između laserskog zračenja i zračenja konvencionalnih izvora svjetlosti. Lasersko zračenje (LR) karakteriziraju sljedeća važna svojstva.

1. Vrlo koherentan. Zračenje je visoko koherentan,što je zbog svojstava stimulirane stimulirane emisije. U ovom slučaju ne dolazi samo do vremenske, već i do prostorne koherencije: fazna razlika u dvije točke ravnine okomite na smjer širenja ostaje konstantna (slika a) (kao rezultat prostorne koherencije, zračenje se može fokusirati u vrlo mali volumen).

2. Monokromatski. Lasersko zračenje je izrazito monokromatski, odnosno sadrži valove gotovo iste frekvencije (fotoni imaju istu energiju). To je zbog činjenice da je stimulirana emisija povezana s duplikacijom fotona (svaki stimulirani foton potpuno je sličan izvornom). U tom slučaju nastaje elektromagnetski val konstantne frekvencije. Širina spektralne linije je 0,01 nm. Na sl. c prikazuje shematsku usporedbu širine linije laserske zrake i zrake običnog svjetla.

Prije pojave lasera, zračenje s određenim stupnjem monokromatičnosti moglo se dobiti pomoću uređaja - monokromatora, koji razlikuju uske spektralne intervale (uske pojaseve valnih duljina) od kontinuiranog spektra, ali je svjetlosna snaga u takvim pojasima mala.

3. Visoka snaga, visoki napon. Pomoću lasera možete osigurati vrlo visoku snagu monokromatskog zračenja - do 10 5 W u kontinuiranom načinu rada. Snaga pulsirajućih lasera je nekoliko redova veličine veća. Ovako neodimijski laser generira puls s energijom E= 75 J, čije trajanje t= 3·10 –12 s. Snaga impulsa jednaka je R= E/t= 2,5 10 13 W (za usporedbu: hidroelektrična energija R~ 10 9 W).

4. Visok intenzitet. U pulsirajućim laserima, intenzitet laserskog zračenja je vrlo visok i može doseći ja= 10 14 -10 16 W/cm 2 (usp. intenzitet sunčeve svjetlosti u blizini zemljine površine ja= 0,1 W/cm2).

5. Visoka svjetlina. Za lasere koji rade u vidljivom području, svjetlina lasersko zračenje (intenzitet svjetlosti po jedinici površine) je vrlo visok. Čak i najslabiji laseri imaju svjetlinu od 10 15 cd/m 2 (za usporedbu: svjetlost Sunca L~ 10 9 cd/m2).

6. Pritisak. Kada laserska zraka pogodi površinu, to jest tlak (p). Uz potpunu apsorpciju laserskog zračenja koje pada okomito na površinu, stvara se tlak R= ja/s, gdje ja– intenzitet zračenja, S– brzina svjetlosti u vakuumu. Kod totalne refleksije tlak je dvostruko veći. Na intenzitetu ja= 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2, R= 3,3·10 9 Pa = 33000 atm.

7. Mali kut divergencije u snopu. Kolimacija. Zračenje je kolimirano, odnosno sve su zrake u snopu gotovo međusobno paralelne (slika 6). Na velikim udaljenostima, laserska zraka samo malo povećava promjer (za većinu lasera kut divergencije je 1 lučna minuta ili manje). Budući da je kut divergencije mali, intenzitet laserske zrake lagano opada s udaljenošću. Visoka usmjerenost omogućuje prijenos signala na velike udaljenosti s malim prigušenjem njihovog intenziteta.

8. Polarizacija. Lasersko zračenje potpuno je polarizirani.

SAVEZNA AGENCIJA ZA ŽELJEZNIČKI PROMET

PRORAČUN SAVEZNE DRŽAVE

OBRAZOVNA USTANOVA VISOKOG STRUČNOG OBRAZOVANJA

"MOSKVSKO DRŽAVNO SVEUČILIŠTE ZA KOMUNIKACIJE"

Institut za tehnologiju prometa i sustave upravljanja

Zavod za tehnologiju prometnog strojarstva i popravak željezničkih vozila

Esej

u disciplini: “Elektrofizičke i elektrokemijske metode obrade”

Tema: “Vrste i karakteristike lasera”

Uvod

Izum lasera ubraja se među najistaknutija dostignuća znanosti i tehnologije 20. stoljeća. Prvi laser pojavio se 1960. godine i odmah je krenuo brzi razvoj laserske tehnologije. U kratkom vremenu stvorene su različite vrste lasera i laserskih uređaja namijenjenih rješavanju specifičnih znanstvenih i tehničkih problema. Laseri su već zauzeli jaku poziciju u mnogim sektorima nacionalnog gospodarstva. Kako je primijetio akademik A.P. Aleksandrov, svaki dječak sada zna riječ laser . Pa ipak, što je laser, zašto je zanimljiv i koristan? Jedan od utemeljitelja znanosti o laserima - kvantne elektronike - akademik N.G. Basov na ovo pitanje odgovara ovako: Laser je uređaj u kojem se energija, primjerice toplinska, kemijska, električna, pretvara u energiju elektromagnetskog polja – laserske zrake. Takvom pretvorbom neminovno se gubi dio energije, ali ono što je bitno jest da je dobivena laserska energija neusporedivo kvalitetnija. Kvaliteta laserske energije određena je njezinom visokom koncentracijom i sposobnošću prijenosa na značajnu udaljenost. Laserska zraka može se fokusirati u sićušnu točku promjera veličine valne duljine svjetlosti i proizvesti gustoću energije koja trenutno premašuje gustoću energije nuklearne eksplozije.

Uz pomoć laserskog zračenja već je moguće postići najviše vrijednosti temperature, tlaka i jakosti magnetskog polja. Konačno, laserska zraka je najsadržajniji nositelj informacija i, u toj ulozi, temeljno novo sredstvo za njihov prijenos i obradu. . Široka uporaba lasera u suvremenoj znanosti i tehnologiji objašnjava se specifičnim svojstvima laserskog zračenja. Laser je generator koherentne svjetlosti. Za razliku od drugih izvora svjetlosti (na primjer, žarulje sa žarnom niti ili fluorescentne svjetiljke), laser proizvodi optičko zračenje koje karakterizira visok stupanj reda u svjetlosnom polju, ili, kako se kaže, visok stupanj koherencije. Takvo zračenje je izrazito monokromatsko i usmjereno. Danas laseri uspješno rade u modernoj proizvodnji, noseći se sa širokim spektrom zadataka. Laserska zraka koristi se za rezanje tkanina i rezanje čeličnih limova, zavarivanje karoserija automobila i najsitnijih dijelova elektroničke opreme te bušenje rupa u krhkim i supertvrdim materijalima. Štoviše, laserska obrada materijala omogućuje povećanje učinkovitosti i konkurentnosti u odnosu na druge vrste obrade. Područje primjene lasera u znanstvenim istraživanjima – fizikalnim, kemijskim, biološkim – stalno se širi.

Izvanredna svojstva lasera - iznimno visoka koherencija i usmjerenost zračenja, sposobnost generiranja koherentnih valova visokog intenziteta u vidljivom, infracrvenom i ultraljubičastom području spektra, postizanje visoke gustoće energije u kontinuiranom i pulsirajućem načinu rada - već u zoru kvantne elektronike ukazao je na mogućnost široke primjene lasera u praktične svrhe. Laserska tehnologija se od svog osnutka razvija iznimno velikom brzinom. Pojavljuju se novi tipovi lasera, a istodobno se usavršavaju stari: stvaraju se laserske instalacije sa skupom karakteristika potrebnih za razne specifične namjene, kao i razne vrste uređaja za upravljanje snopom, a mjerna tehnologija se usavršava. i više. To je bio razlog dubokog prodora lasera u mnoge sektore nacionalnog gospodarstva, a posebno u strojarstvo i izradu instrumenata.

Posebno treba istaknuti da razvoj laserskih metoda ili drugim riječima laserskih tehnologija značajno povećava učinkovitost suvremene proizvodnje. Laserske tehnologije omogućuju najpotpuniju automatizaciju proizvodnih procesa.

Dostignuća laserske tehnologije danas su golema i impresivna. Sutra obećava još veća postignuća. Mnoge su nade povezane s laserima: od stvaranja trodimenzionalne kinematografije do rješavanja takvih globalnih problema kao što su uspostavljanje zemaljskih i podvodnih optičkih komunikacija ultra-dugog dometa, razotkrivanje misterija fotosinteze, provedba kontrolirane termonuklearne reakcije, pojava sustava s velikim količinama memorije i uređaja za unos i izlaz informacija velike brzine.

1. Klasifikacija lasera

Uobičajeno je razlikovati dvije vrste lasera: pojačala i generatore. Lasersko zračenje pojavljuje se na izlazu pojačala kada se na njegov ulaz primi mali signal na prijelaznoj frekvenciji (i sam je već u pobuđenom stanju). Upravo taj signal potiče pobuđene čestice na oslobađanje energije. Dolazi do intenziviranja poput lavine. Dakle, na ulazu postoji slabo zračenje, a na izlazu pojačano zračenje. S generatorom je situacija drugačija. Zračenje na prijelaznoj frekvenciji više se ne dovodi na njegov ulaz, već se aktivna tvar pobuđuje i, štoviše, prepobuđuje. Štoviše, ako je aktivna tvar u prekomjerno pobuđenom stanju, tada se značajno povećava vjerojatnost spontanog prijelaza jedne ili više čestica s gornje razine na nižu. To rezultira stimuliranom emisijom.

Drugi pristup klasifikaciji lasera vezan je za agregatno stanje aktivne tvari. S ove točke gledišta, laseri mogu biti u čvrstom stanju (na primjer, rubin, staklo ili safir), plin (na primjer, helij-neon, argon itd.), tekućina; ako se kao aktivna tvar koristi spoj poluvodiča , tada se laser naziva poluvodič.

Treći pristup klasifikaciji vezan je za metodu ekscitacije djelatne tvari. Razlikuju se sljedeći laseri: s pobudom optičkim zračenjem, s pobudom protokom elektrona, s pobudom sunčevom energijom, s pobudom energijom eksplozivnih žica, s pobudom kemijskom energijom, s pobudom nuklearnim zračenjem. Laseri se razlikuju i po prirodi emitirane energije i spektralnom sastavu. Ako se energija emitira pulsno, onda se govori o pulsnim laserima; ako je kontinuirana, onda se laser naziva kontinuiranim valom. Postoje i mješoviti laseri, kao što su poluvodički laseri. Ako je lasersko zračenje koncentrirano u uskom rasponu valnih duljina, tada se laser naziva monokromatskim; ako je koncentrirano u širokom rasponu, onda se naziva širokopojasni laser.

Druga vrsta klasifikacije temelji se na konceptu izlazne snage. Laseri s kontinuiranom (prosječnom) izlaznom snagom većom od 106 W nazivaju se laserima velike snage. S izlaznom snagom u rasponu od 105...103 W imamo lasere srednje snage. Ako je izlazna snaga manja od 10-3 W, onda se govori o laserima male snage.

Ovisno o dizajnu rezonatora s otvorenim zrcalom, razlikuju se laseri s konstantnom Q i laseri s Q-sklopkom - u takvom laseru jedno od zrcala može se postaviti, posebice, na os elektromotora koji rotira ovo ogledalo. U tom se slučaju faktor kvalitete rezonatora povremeno mijenja od nule do maksimalne vrijednosti. Ovaj laser se naziva Q-moduliran laser.

2. Karakteristike lasera

Jedna od karakteristika lasera je valna duljina emitirane energije. Raspon valnih duljina laserskog zračenja proteže se od područja X-zraka do dalekog infracrvenog, tj. od 10-3 do 102 mikrona. Izvan područja od 100 µm nalazi se, figurativno govoreći, djevičansko tlo . Ali proteže se samo na milimetarsko područje, kojim svladavaju radiooperateri. Ovo neizgrađeno područje se kontinuirano smanjuje, a nadamo se da će njegov razvoj biti završen u skoroj budućnosti. Udio koji se može pripisati različitim vrstama generatora nije isti. Najširi raspon imaju plinski kvantni generatori.

Druga važna karakteristika lasera je energija impulsa. Mjeri se u džulima, a najveću vrijednost postiže kod poluprovodničkih generatora - oko 103 J. Treća karakteristika je snaga. Plinski generatori koji emitiraju kontinuirano imaju snagu od 10-3 do 102 W. Milliwatt generatori struje koriste mješavinu helija i neona kao aktivni medij. CO2 generatori imaju snagu oko 100 W. Kod poluprovodničkih generatora razgovor o snazi ​​ima posebno značenje. Na primjer, ako uzmemo 1 J izračene energije koncentrirane u intervalu od jedne sekunde, tada će snaga biti 1 W. Ali trajanje zračenja rubin generatora je 10-4 s, dakle, snaga je 10 000 W, tj. 10 kW. Ako se trajanje impulsa smanji na 10-6 s pomoću optičkog zatvarača, snaga je 106 W, tj. megavat Ovo nije granica! Možete povećati energiju u impulsu na 103 J i smanjiti njegovo trajanje na 10-9 s i tada će snaga doseći 1012 W. A ovo je velika snaga. Poznato je da kada intenzitet snopa dosegne 105 W/cm2 na metalu, metal se počinje taliti, pri intenzitetu od 107 W/cm2 metal počinje ključati, a pri 109 W/cm2 lasersko zračenje počinje snažno ionizirati pare. tvari, pretvarajući ih u plazmu.

Druga važna karakteristika lasera je divergencija laserske zrake. Plinski laseri imaju najuži snop. To je vrijednost od nekoliko lučnih minuta. Divergencija snopa lasera u čvrstom stanju je oko 1...3 kutna stupnja. Poluvodički laseri imaju otvor zračenja: u jednoj ravnini oko jedan stupanj, u drugoj - oko 10...15 kutnih stupnjeva.

Sljedeća važna karakteristika lasera je područje valne duljine u kojem je koncentrirano zračenje, tj. monokromatski. Plinski laseri imaju vrlo visoku monokromatičnost, ona iznosi 10-10, tj. znatno veći od žarulja s izbojem u plinu, koje su se prije koristile kao frekvencijski standardi. Solid-state laseri, a posebno poluvodički laseri, imaju značajan frekvencijski raspon u svom zračenju, tj. nisu izrazito monokromatski.

Vrlo važna karakteristika lasera je učinkovitost. Za čvrsta stanja kreće se od 1 do 3,5%, za plinove 1...15%, za poluvodiče 40...60%. Istodobno se poduzimaju sve moguće mjere za povećanje učinkovitosti lasera, jer niska učinkovitost dovodi do potrebe za hlađenjem lasera na temperaturu od 4...77 K, a to odmah komplicira dizajn opreme.

2.1 Solid-state laseri

Solid-state laseri se dijele na pulsne i kontinuirane lasere. Među pulsirajućim laserima češći su uređaji na bazi rubina i neodimijskog stakla. Valna duljina neodimijskog lasera je l = 1,06 µm. Ovi uređaji su relativno velike šipke, čija duljina doseže 100 cm, a promjer je 4-5 cm Generacija impulsne energije takve šipke je 1000 J u 10-3 s.

Rubinski laser također se odlikuje visokom snagom pulsa; njegova energija je stotine džula. Brzina ponavljanja pulsa može doseći nekoliko kHz.

Najpoznatiji laseri s kontinuiranim valovima izrađeni su na kalcijevom fluoritu s primjesom disprozija i laseri na itrij-aluminijskom granatu koji sadrži nečistoće atoma metala rijetkih zemalja. Valna duljina ovih lasera je u rasponu od 1 do 3 mikrona. Snaga impulsa je približno 1 W ili djelić toga. Laseri s itrijevim aluminijskim granatom mogu dati snagu impulsa do nekoliko desetaka vata.

U pravilu, laseri u čvrstom stanju koriste višemodni način rada. Jednomodno lasersko zračenje može se dobiti uvođenjem selektirajućih elemenata u šupljinu. Ova odluka je uzrokovana smanjenjem snage generiranog zračenja.

Poteškoća u proizvodnji lasera u čvrstom stanju leži u potrebi za uzgojem velikih pojedinačnih kristala ili taljenjem velikih uzoraka prozirnog stakla. Ove poteškoće su prevladane proizvodnjom tekućih lasera, gdje je aktivni medij tekućina u koju su uneseni elementi rijetke zemlje. Međutim, tekući laseri imaju brojne nedostatke koji ograničavaju njihov raspon uporabe.

2.2 Tekući laseri

Tekući laseri nazivaju se laseri s tekućim aktivnim medijem. Glavna prednost ove vrste uređaja je mogućnost cirkulacije tekućine i, sukladno tome, hlađenja. Kao rezultat toga, više energije se može dobiti u pulsnom i kontinuiranom načinu rada.

Prvi tekući laseri proizvedeni su korištenjem kelata rijetkih zemalja. Nedostatak ovih lasera je niska razina dostižne energije i kemijska nestabilnost kelata. Zbog toga ti laseri nisu korišteni. Sovjetski znanstvenici predložili su korištenje anorganskih aktivnih tekućina u laserskom mediju. Laseri temeljeni na njima odlikuju se visokim pulsnim energijama i daju prosječne pokazatelje snage. Tekući laseri koji koriste takav aktivni medij sposobni su generirati zračenje s uskim frekvencijskim spektrom.

Druga vrsta tekućih lasera su uređaji koji rade na otopinama organskih boja, karakterizirani širokim spektralnim linijama luminiscencije. Takav laser može osigurati kontinuirano ugađanje emitiranih valnih duljina svjetlosti u širokom rasponu. Prilikom zamjene boja pokriva se cijeli vidljivi spektar i dio infracrvenog. Izvor pumpe u takvim uređajima obično su laseri u čvrstom stanju, ali je moguće koristiti plinske svjetiljke koje daju kratke bljeskove bijele svjetlosti (manje od 50 μsec).

2.3 Plinski laseri

Postoje mnoge sorte. Jedan od njih je fotodisocijacijski laser. Koristi plin čije se molekule pod utjecajem optičkog pumpanja disociraju (razbijaju) na dva dijela od kojih je jedan u pobuđenom stanju i služi za lasersko zračenje.

Veliku skupinu plinskih lasera čine laseri s izbojem u plinu, kod kojih je aktivni medij razrijeđeni plin (tlak 1-10 mm Hg), a pumpanje se vrši električnim izbojem, koji može biti žarni ili lučni i stvara se istosmjernom strujom ili visokofrekventnom izmjeničnom strujom (10 -50 MHz).

Postoji nekoliko vrsta lasera s izbojem u plinu. U ionskim laserima, zračenje nastaje prijelazom elektrona između energetskih razina iona. Primjer je argonski laser koji koristi jednosmjerno strujno lučno pražnjenje.

Atomski prijelazni laseri generiraju se prijelazima elektrona između atomskih energetskih razina. Ovi laseri proizvode zračenje valne duljine od 0,4-100 mikrona. Primjer je helij-neonski laser koji radi na mješavini helija i neona pod tlakom od oko 1 mm Hg. Umjetnost. Za pumpanje se koristi tinjajuće pražnjenje, stvoreno konstantnim naponom od približno 1000 V.

Laseri s izbojem u plinu također uključuju molekularne lasere, u kojima zračenje nastaje iz prijelaza elektrona između energetskih razina molekula. Ovi laseri imaju širok raspon frekvencija koji odgovara valnim duljinama od 0,2 do 50 µm.

Najčešći laseri molekularnog ugljičnog dioksida (CO2 laseri). Može proizvesti snagu do 10 kW i ima prilično visoku učinkovitost od oko 40%. Nečistoće dušika, helija i drugih plinova obično se dodaju glavnom ugljičnom dioksidu. Za pumpanje se koristi istosmjerna struja ili visokofrekventno tinjajuće pražnjenje. Laser s ugljikovim dioksidom proizvodi zračenje valne duljine od oko 10 mikrona. Shematski je prikazano na sl. 1.

Riža. 1 - Princip rada CO2 lasera

Vrsta CO2 lasera je plinsko-dinamički. U njima se inverzna naseljenost potrebna za lasersko zračenje postiže zahvaljujući činjenici da plin, prethodno zagrijan na 1500 K pri tlaku od 20-30 atm, ulazi u radnu komoru, gdje se širi, a njegova temperatura i tlak naglo padaju. Takvi laseri mogu proizvoditi kontinuirano zračenje snage do 100 kW.

U molekularne lasere ubrajamo tzv. excimer lasere, kod kojih je radni medij inertni plin (argon, ksenon, kripton i dr.) ili njegova kombinacija s klorom ili fluorom. U takvim laserima pumpanje se ne provodi električnim pražnjenjem, već protokom takozvanih brzih elektrona (s energijom od stotina keV). Emitirani val je najkraći, npr. 0,126 mikrona za argonski laser.

Veće snage zračenja mogu se postići povećanjem tlaka plina i korištenjem pumpanja pomoću ionizirajućeg zračenja u kombinaciji s vanjskim električnim poljem. Ionizirajuće zračenje je struja brzih elektrona ili ultraljubičasto zračenje. Takvi se laseri nazivaju elektroionizacijski ili laseri na komprimirani plin. Laseri ove vrste shematski su prikazani na sl. 2.

Riža. 2 - Elektroionizacijsko pumpanje

Pobuđene molekule plina pomoću energije kemijskih reakcija proizvode se u kemijskim laserima. Ovdje se koriste smjese nekih kemijski aktivnih plinova (fluor, klor, vodik, klorovodik itd.). Kemijske reakcije u takvim laserima moraju se odvijati vrlo brzo. Za ubrzanje se koriste posebna kemijska sredstva koja se dobivaju disocijacijom molekula plina pod utjecajem optičkog zračenja, ili električnog izboja, ili elektronskog snopa. Primjer kemijskog lasera je laser koji koristi mješavinu fluora, vodika i ugljičnog dioksida.

Posebna vrsta lasera je plazma laser. Aktivni medij u njemu je visokoionizirana plazma para zemnoalkalijskih metala (magnezij, barij, stroncij, kalcij). Za ionizaciju se koriste strujni impulsi snage do 300 A pri naponu do 20 kV. Trajanje impulsa 0,1-1,0 μs. Zračenje takvog lasera ima valnu duljinu od 0,41-0,43 mikrona, ali može biti i u ultraljubičastom području.

2.4 Poluvodički laseri

Iako su poluvodički laseri u čvrstom stanju, obično se svrstavaju u posebnu skupinu. U ovim laserima koherentno zračenje nastaje zbog prijelaza elektrona s donjeg ruba vodljivog pojasa na gornji rub valentnog pojasa. Postoje dvije vrste poluvodičkih lasera. Prvi ima pločicu čistog poluvodiča, koju pumpa snop brzih elektrona s energijom od 50-100 keV. Također je moguće optičko pumpanje. Kao poluvodiči koriste se galijev arsenid GaAs, kadmijev sulfid CdS ili kadmijev selenid CdSe. Pumpanje snopom elektrona uzrokuje jako zagrijavanje poluvodiča, uzrokujući pogoršanje laserskog zračenja. Stoga takvi laseri zahtijevaju dobro hlađenje. Na primjer, galijev arsenidni laser obično se hladi na temperaturu od 80 K.

Pumpanje elektronskim snopom može biti poprečno (slika 3) ili uzdužno (slika 4). Tijekom transverzalnog pumpanja, dva suprotna lica poluvodičkog kristala su polirana i igraju ulogu zrcala optičkog rezonatora. U slučaju uzdužnog pumpanja koriste se vanjska ogledala. S longitudinalnim pumpanjem, hlađenje poluvodiča je značajno poboljšano. Primjer takvog lasera je kadmijev sulfidni laser koji generira zračenje valne duljine od 0,49 μm i ima učinkovitost od oko 25%.

Riža. 3 - Poprečno pumpanje snopom elektrona

Riža. 4 - Uzdužno pumpanje snopom elektrona

Druga vrsta poluvodičkih lasera je tzv. injekcijski laser. Sadrži p-n spoj (slika 5), ​​koji tvore dva degenerirana nečistoća poluvodiča, u kojem je koncentracija donorskih i akceptorskih nečistoća 1018-1019 cm-3. Lice okomite na ravninu pn spoja su polirane i služe kao zrcala optičkog rezonatora. Na takav se laser dovodi istosmjerni napon pod čijim se utjecajem spušta potencijalna barijera u pn spoju i injektiraju elektroni i šupljine. U prijelaznom području počinje intenzivna rekombinacija nositelja naboja pri čemu elektroni prelaze iz vodljivog u valentni pojas i dolazi do laserskog zračenja. Galijev arsenid se uglavnom koristi za injekcijske lasere. Zračenje ima valnu duljinu od 0,8-0,9 mikrona, učinkovitost je prilično visoka - 50-60%.

Riža. 5 - Princip dizajna injekcijskog lasera

pojačalo generator beam wave

Minijaturni injekcijski laseri s linearnim dimenzijama poluvodiča od oko 1 mm daju snagu zračenja u kontinuiranom načinu rada do 10 mW, au pulsirajućem mogu imati snagu do 100 W. Za postizanje velike snage potrebno je snažno hlađenje.

Treba napomenuti da postoji mnogo različitih značajki u dizajnu lasera. Samo u najjednostavnijem slučaju, optički rezonator se sastoji od dva planparalelna zrcala. Također se koriste složenije izvedbe rezonatora s različitim oblicima zrcala.

Mnogi laseri uključuju dodatne uređaje za kontrolu zračenja smještene unutar ili izvan šupljine. Uz pomoć ovih uređaja laserska zraka se skreće i fokusira te se mijenjaju različiti parametri zračenja. Valna duljina različitih lasera može biti 0,1-100 mikrona. Kod pulsirajućeg zračenja trajanje impulsa kreće se od 10-3 do 10-12 s. Impulsi mogu biti pojedinačni ili ponavljani s brzinom ponavljanja do nekoliko gigaherca. Ostvariva snaga je 109 W za nanosekundne impulse i 1012 W za ultrakratke pikosekundne impulse.

2.5 Laseri s bojom

Laseri koji kao laserski materijal koriste organske boje, obično u obliku tekuće otopine. Oni su unijeli revoluciju u lasersku spektroskopiju i postali začetnici nove vrste lasera s trajanjem impulsa kraćim od pikosekunde (Ultrashort Pulse Lasers).

Danas se obično koristi drugi laser kao pumpa, na primjer Nd:YAG laser s diodnom pumpom ili Argon laser. Vrlo je rijetko pronaći laser za boju koji pumpa bljeskalica. Glavna značajka lasera s bojom je vrlo velika širina petlje pojačanja. Dolje je tablica parametara za neke lasere s bojom.

Postoje dvije mogućnosti korištenja tako velikog laserskog radnog područja:

podešavanje valne duljine na kojoj dolazi do generiranja -> laserska spektroskopija,

generiranje odjednom u širokom rasponu -> generiranje izrazito kratkih impulsa.

Dizajni lasera razlikuju se prema ove dvije mogućnosti. Ako se za prilagodbu valne duljine koristi konvencionalna shema, dodaju se samo dodatne jedinice za toplinsku stabilizaciju i izbor zračenja sa strogo definiranom valnom duljinom (obično prizma, difrakcijska rešetka ili složenije sheme), zatim mnogo složenija instalacija. potreban je za generiranje iznimno kratkih impulsa. Izmijenjen je dizajn kivete s aktivnim medijem. Zbog činjenice da je trajanje laserskog pulsa u konačnici 100 ÷30·10 ?15 (svjetlost u vakuumu uspijeva putovati samo 30 ÷ 10 µm tijekom tog vremena), inverzija naseljenosti trebala bi biti maksimalna, to se može postići samo vrlo brzim pumpanjem otopine boje. Da bi se to postiglo, koristi se posebna izvedba kivete sa slobodnim mlazom boje (boja se pumpa iz posebne mlaznice brzinom od oko 10 m/s). Najkraći impulsi dobivaju se pri uporabi prstenastog rezonatora.

2.6 Laser slobodnih elektrona

Vrsta lasera u kojem se zračenje stvara monoenergetskim snopom elektrona koji se šire u ondulatoru - periodnom sustavu otklonskih (električnih ili magnetskih) polja. Elektroni, izvodeći periodične oscilacije, emitiraju fotone, čija energija ovisi o energiji elektrona i parametrima ondulatora.

Za razliku od plinskih, tekućih ili lasera u čvrstom stanju, gdje se elektroni pobuđuju u vezanim atomskim ili molekularnim stanjima, FEL izvor zračenja je snop elektrona u vakuumu koji prolazi kroz niz posebno smještenih magneta - ondulator (wiggler), tjerajući snop se kreće duž sinusne putanje, gubeći energiju, koja se pretvara u tok fotona. Rezultat je meko rendgensko zračenje, koje se koristi, primjerice, za proučavanje kristala i drugih nanostruktura.

Promjenom energije elektronskog snopa, kao i parametara ondulatora (jačina magnetskog polja i udaljenosti između magneta), moguće je mijenjati frekvenciju laserskog zračenja koje proizvodi FEL u širokom rasponu , što je glavna razlika između FEL-a i lasera drugih sustava. Zračenje koje proizvodi FEL koristi se za proučavanje nanometarskih struktura - postoji iskustvo u dobivanju slika čestica većih od 100 nanometara (taj je rezultat postignut rendgenskom mikroskopijom s rezolucijom od oko 5 nm). Nacrt za prvi laser slobodnih elektrona objavio je 1971. John M. J. Madey kao dio svog doktorskog projekta na Sveučilištu Stanford. Godine 1976. Mady i kolege demonstrirali su prve eksperimente s FEL-om, koristeći elektrone od 24 MeV i 5-metarski wiggler za pojačavanje zračenja.

Snaga lasera bila je 300 mW, a učinkovitost samo 0,01%, no pokazalo se da ova klasa uređaja radi, što je dovelo do ogromnog interesa i naglog povećanja broja razvoja na području FEL-a.

Podučavanje

Trebate pomoć u proučavanju teme?

Naši stručnjaci savjetovat će vam ili pružiti usluge podučavanja o temama koje vas zanimaju.
Pošaljite svoju prijavu naznačite temu upravo sada kako biste saznali o mogućnosti dobivanja konzultacija.