Radiasi laser memiliki sifat fisik sebagai berikut:

1. Koherensi spasial dan temporal yang tinggi. Ini berarti bahwa hubungan fase tertentu antara gelombang individu dipertahankan untuk beberapa waktu, tidak hanya pada titik tertentu dalam ruang, tetapi juga antara osilasi yang terjadi pada titik berbeda. Konsistensi proses ini memungkinkan untuk memfokuskan berkas radiasi laser ke suatu titik dengan diameter yang sama dengan panjang gelombang radiasi tersebut. Hal ini memungkinkan Anda untuk meningkatkan intensitas sinar laser yang sudah tinggi.

2. Radiasi monokromatik yang ketat. Kisaran panjang gelombang Δλ yang dipancarkan laser mencapai nilai ~10 -15 m (rata-rata Δλ< 10 -11).

3. Kepadatan fluks energi yang tinggi. Misalnya, laser neodymium menghasilkan pulsa dengan durasi 3·10 -12 s dan energi 75 J, yang setara dengan daya 2,5·10 13 W (kekuatan pembangkit listrik tenaga air Krasnoyarsk adalah 6·10 9 W )! Sebagai perbandingan, kita juga mencatat bahwa intensitas sinar matahari di permukaan bumi hanya 10 3 W/m 2, sedangkan sistem laser dapat menghasilkan intensitas hingga 10 20 W/m 2.

Sifat radiasi laser yang tidak biasa dapat diterapkan secara luas. Dalam industri, laser digunakan untuk memproses, memotong, dan mengelas mikro bahan padat (misalnya, membuat lubang yang dikalibrasi pada berlian), mendeteksi cacat pemrosesan permukaan dengan kecepatan tinggi dan akurat, dll. Dalam sains, radiasi laser digunakan untuk mempelajari mekanisme reaksi kimia dan perolehan zat ultra murni; untuk memisahkan isotop dan mempelajari plasma suhu tinggi; untuk pengukuran perpindahan, indeks bias, tekanan dan suhu jarak jauh yang sangat presisi (dalam astronomi). Koherensi radiasi laser yang tinggi memungkinkan penerapan metode perekaman dan pemulihan gambar yang secara fundamental baru, berdasarkan interferensi gelombang dan difraksi. Metode memperoleh gambar tiga dimensi ini disebut holografi (dari kata Yunani holos - semua). Terdiri dari yang berikut (Gbr. 7): sebuah objek 2 ditempatkan di depan layar fotodetektor (pelat foto) 3. Cermin tembus pandang 4 membagi sinar laser menjadi referensi 7 dan gelombang sinyal 8. Gelombang referensi 7, yang difokuskan oleh lensa 5, dipantulkan oleh cermin 6 langsung ke pelat fotografi. Gelombang sinyal 8 mengenai fotodetektor setelah dipantulkan dari objek 2. Karena gelombang 7 dan 8 bersifat koheren, kemudian saling tumpang tindih, membentuk pola interferensi pada pelat fotografi. Setelah mengembangkan fotodetektor, diperoleh hologram - pola interferensi "negatif" dari penambahan dua gelombang cahaya koheren 7 dan 8.

Ketika hologram disinari oleh gelombang cahaya yang identik dengan gelombang referensi pada sudut yang sesuai, difraksi gelombang “pembacaan” ini terjadi pada “kisi difraksi”, yaitu pola interferensi yang terekam pada hologram. Hasilnya, gambar objek yang terdaftar pada hologram dipulihkan (menjadi dapat diamati).

Jika fotodetektor memiliki ketebalan lapisan fotosensitif yang sebanding dengan jarak antara pinggiran interferensi yang berdekatan, maka diperoleh hologram datar dua dimensi konvensional, tetapi jika ketebalan lapisan jauh lebih besar daripada jarak antar pinggiran, diperoleh hologram tiga dimensi (volumetrik). gambar diperoleh.

Dimungkinkan juga untuk mengembalikan gambar dari hologram volumetrik dalam cahaya putih (sinar matahari atau cahaya lampu pijar biasa) - hologram itu sendiri “memilih” dari spektrum kontinu panjang gelombang yang dapat mengembalikan gambar yang direkam pada hologram.

Mari kita perhatikan efek utama interaksi radiasi laser dengan materi dan objek biologis.

Efek termal. Ketika radiasi laser diserap oleh materi, jaringan manusia, hewan dan tumbuhan, sebagian besar energi medan elektromagnetik berubah menjadi panas. Dalam jaringan biologis, penyerapan terjadi secara selektif, karena Elemen struktural yang termasuk dalam kain memiliki indeks penyerapan dan refleksi yang berbeda. Efek termal iradiasi laser ditentukan oleh intensitas fluks cahaya dan tingkat penyerapannya oleh jaringan. Dalam hal ini, perubahan yang terjadi pada jaringan mirip dengan luka bakar. Namun, berbeda dengan luka bakar, batas area kenaikan suhu lokal ditentukan dengan jelas. Hal ini disebabkan oleh penampang sinar laser yang sangat kecil, durasi paparan yang singkat, dan konduktivitas termal jaringan biologis yang buruk. Yang paling sensitif terhadap kenaikan suhu adalah enzim, yang pertama kali dihancurkan ketika dipanaskan, yang pada gilirannya menyebabkan perlambatan reaksi biokimia dalam sel. Dengan intensitas iradiasi laser yang cukup, koagulasi (denaturasi ireversibel) protein dan kerusakan jaringan total dapat terjadi.

Efek dampak. Pembangkitan panas di area yang terkena sinar laser terjadi dalam sepersejuta bahkan sepersejuta detik. Penguapan partikel jaringan secara instan dan ekspansi volumetriknya yang cepat menyebabkan peningkatan tajam tekanan di zona pemanasan. Akibatnya, gelombang kejut muncul pada komponen cairan sel dan jaringan, yang merambat dengan kecepatan supersonik (~1500 m/s) dan dapat menyebabkan kerusakan.

Fenomena kelistrikan. Radiasi laser pada dasarnya adalah medan elektromagnetik. Jika komponen listrik medan ini cukup besar, aksi sinar laser akan menyebabkan ionisasi dan eksitasi atom dan molekul. Dalam jaringan biologis, hal ini dapat menyebabkan penghancuran selektif ikatan kimia dalam molekul, pembentukan radikal bebas dan, sebagai akibatnya, berbagai proses patologis pada hewan dan manusia. Diasumsikan menyebabkan mutasi kimia, terjadinya kanker, dan penuaan biologis.

Sifat-sifat radiasi laser yang tercantum di atas dan efek interaksinya dengan jaringan biologis menentukan kemungkinan unik penggunaan laser dalam biologi eksperimental dan kedokteran.

Difokuskan pada diameter hanya beberapa mikron, sinar laser menjadi alat penelitian dan bedah mikro pada tingkat sel. Dengan menyinari bagian kromosom tertentu, Anda dapat menyebabkan perubahan pada faktor keturunan. Sinar laser semacam itu memungkinkan pemisahan fragmen individu dari makromolekul dan “menjahit” fragmen baru sebagai gantinya. Penggunaan laser secara teknis telah memungkinkan pemecahan sejumlah masalah di bidang sitologi, sitogenetika, embriologi, dan bidang ilmu biologi lainnya.

Bidang utama penerapan laser dalam kedokteran adalah pembedahan, oftalmologi, dan onkologi.

Dalam pembedahan, laser CO 2 dengan kekuatan 30 100 W, beroperasi dalam mode berkelanjutan, digunakan. Sifat sinar laser untuk menghancurkan jaringan biologis, dikombinasikan dengan koagulasi protein, memungkinkan pembedahan tanpa darah. Pisau bedah laser memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan pisau bedah tradisional. Masalah utama pembedahan adalah nyeri, pendarahan dan kemandulan. Masalah-masalah ini dapat diatasi dengan sangat sederhana dengan menggunakan laser: radiasi laser, tidak seperti pisau bedah konvensional, tidak dapat menyebabkan infeksi; radiasi ini mensterilkan jaringan yang dibedah, meskipun sudah terinfeksi nanah; tidak terjadi kehilangan darah, karena pembuluh darah langsung tersumbat oleh darah yang menggumpal; Pisau bedah laser tidak memberikan tekanan mekanis pada jaringan, sehingga mengurangi sensasi nyeri. Selain itu, dengan bantuan endoskopi modern dan pemandu cahaya fleksibel (serat optik), radiasi laser dapat dimasukkan ke dalam rongga internal, sehingga memungkinkan untuk menghentikan pendarahan internal dan menguapkan nanah tanpa membuka organ. Untuk keperluan bedah, negara kita telah menciptakan instalasi “Scalpel-1” (P = 30 W) dan “Romashka-1” (P = 100 W).

Dalam oftalmologi, laser rubi berdenyut digunakan (durasi denyut 30 70 ns; E = 0,1 0,3 J), yang memungkinkan sejumlah operasi kompleks dilakukan tanpa mengurangi integritas mata: mengelas retina yang terlepas ke koroid (oftalmokoagulator); pengobatan glaukoma dengan cara menusuk lubang berdiameter 50-100 nm dengan sinar laser untuk mengalirkan cairan guna mengurangi tekanan intraokular; pengobatan jenis katarak tertentu dan cacat iris lainnya. Untuk pengobatan glaukoma, instalasi Yatagan-1 telah dibuat.

Dalam onkologi, radiasi laser digunakan untuk memotong dan nekrotisasi sel tumor ganas. Ketika tumor ganas nekrotikans, selektivitas penyerapan radiasi laser oleh berbagai jaringan digunakan. Misalnya, beberapa tumor berpigmen (melanoma, hemangioma) menyerap radiasi laser jauh lebih kuat dibandingkan jaringan di sekitarnya. Pada saat yang sama, panas dilepaskan dengan kecepatan kilat dalam volume jaringan mikroskopis dengan pembentukan gelombang kejut. Faktor-faktor ini menyebabkan rusaknya sel-sel ganas. Dengan paparan berdenyut, suhu jaringan pada kedalaman 4-5 mm naik menjadi 55-60 0 C. Saat menggunakan laser yang beroperasi dalam mode kontinu, suhu dapat ditingkatkan hingga 100 0 C. Radiasi laser terfokus digunakan untuk mempengaruhi tumor (d = 1,5 −3 mm pada permukaan benda) dengan intensitas I = 200 − 900 W/cm 2.

Telah ditetapkan bahwa radiasi laser memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan terapi sinar-X yang digunakan untuk mengobati kanker kulit: beban radiasi berkurang secara signifikan dan biaya berkurang beberapa kali lipat. Dengan menggunakan radiasi yang kurang intens, pertumbuhan sel kanker dapat ditekan (terapi laser). Untuk tujuan ini, unit laser khusus “Pulsator-1” atau laser argon dengan kekuatan hingga 1 W digunakan. Kanker kulit dapat disembuhkan dengan laser pada 97% kasus.

Dibandingkan dengan sumber cahaya lainnya, laser memiliki sejumlah sifat unik terkait dengan koherensi dan directivity radiasinya yang tinggi. Radiasi sumber cahaya “non-laser” tidak memiliki ciri-ciri ini. Daya yang dipancarkan oleh suatu benda yang dipanaskan ditentukan oleh suhunya T. Nilai fluks radiasi tertinggi yang mungkin dicapai untuk benda yang benar-benar hitam adalah W = 5,7 × 10-12 x T 4 W/cm 2. Kekuatan radiasi meningkat dengan cepat seiring dengan meningkatnya T dan untuk T tinggi mencapai nilai yang sangat besar. Jadi, setiap 1 cm 2 permukaan Matahari (T = 5800 K) memancarkan daya W = 6,4 × 10 3 W. Namun, radiasi dari sumber panas menyebar ke segala arah dari sumbernya. Pembentukan pancaran sinar terarah dari sumber tersebut, yang dilakukan dengan menggunakan sistem diafragma atau sistem optik yang terdiri dari lensa dan cermin, selalu disertai dengan hilangnya energi. Tidak ada sistem optik yang memungkinkan untuk memperoleh kekuatan radiasi yang lebih besar pada permukaan objek yang diterangi daripada sumber cahaya itu sendiri.

Jika intensitas radiasi laser dibandingkan dengan intensitas radiasi benda yang benar-benar hitam dalam interval spektral dan sudut yang sama, maka diperoleh suhu yang sangat tinggi, miliaran kali atau lebih tinggi daripada suhu sebenarnya yang dapat dicapai sumber cahaya termal. Selain itu, divergensi radiasi yang rendah memungkinkan, dengan menggunakan sistem optik konvensional, untuk memusatkan energi cahaya dalam volume yang sangat kecil, sehingga menciptakan kepadatan energi yang sangat besar. Koherensi dan arah radiasi membuka kemungkinan baru yang mendasar untuk penggunaan berkas cahaya di mana sumber cahaya non-laser tidak dapat diterapkan.

Arah radiasi laser sangat ditentukan oleh fakta bahwa dalam resonator terbuka hanya gelombang yang diarahkan sepanjang sumbu resonator atau pada sudut yang sangat kecil yang dapat tereksitasi. Dengan koherensi spasial tingkat tinggi, sudut divergensi sinar laser dapat dibuat mendekati batas yang ditentukan oleh difraksi. Nilai umumnya adalah: untuk laser gas (0,5-5)x10 -3 radian, untuk laser solid-state (2-20)x10 -3 radian, untuk laser semikonduktor (5-50)x10 -2 radian.

Selain itu, radiasi sumber panas bersifat non-monokromatik; ia memenuhi rentang panjang gelombang yang luas. Misalnya, spektrum radiasi matahari mencakup rentang panjang gelombang ultraviolet, sinar tampak, dan inframerah. Untuk meningkatkan monokromatisitas radiasi, monokromator digunakan, yang memungkinkan untuk mengisolasi wilayah yang relatif sempit dari spektrum kontinu, atau sumber cahaya pelepasan gas bertekanan rendah digunakan, yang menghasilkan garis spektral sempit atom atau molekul yang terpisah. Namun, intensitas radiasi dalam garis spektrum tidak boleh melebihi intensitas radiasi benda yang benar-benar hitam, yang suhunya sama dengan suhu eksitasi atom dan molekul. Jadi, dalam kedua kasus tersebut, monokromatisasi radiasi dicapai dengan mengorbankan kehilangan energi yang sangat besar. Semakin sempit garis spektralnya, semakin sedikit energi yang dipancarkan.

Perbedaan mendasar antara laser dan semua sumber cahaya lainnya, yang pada dasarnya merupakan sumber gangguan optik, adalah tingginya tingkat koherensi radiasi laser. Dengan terciptanya laser dalam jangkauan optik, sumber radiasi muncul, mirip dengan generator sinyal koheren yang familiar dalam jangkauan radio, mampu berhasil digunakan untuk tujuan komunikasi dan transfer informasi, dan dalam banyak sifatnya - directivity radiasi, frekuensi yang ditransmisikan band, tingkat kebisingan rendah, konsentrasi energi dari waktu ke waktu dan lain-lain. - Lebih unggul dari perangkat radio klasik.

Dalam kasus laser yang beroperasi dalam mode multimode, monokromatisitas terkait dengan jumlah mode yang dihasilkan dan dapat mencapai beberapa gigahertz. Dalam mode pengoperasian pulsa, lebar saluran minimum dibatasi oleh kebalikan dari durasi pulsa.

Tingkat monokromatisitas radiasi laser yang tinggi menentukan kepadatan energi spektral yang tinggi - tingkat konsentrasi energi cahaya yang tinggi dalam rentang spektral yang sangat kecil. Monokromatisitas yang tinggi memudahkan pemfokusan radiasi laser, karena aberasi kromatik lensa menjadi tidak signifikan. Koherensi. Laser memiliki tingkat koherensi radiasi, temporal dan spasial yang sangat tinggi, dibandingkan dengan sumber cahaya lainnya.

Saat ini, laser mencakup rentang gelombang ultraviolet hingga submilimeter, keberhasilan pertama telah dicapai dalam pembuatan laser sinar-X, dan laser yang dapat diatur frekuensinya.

Karena pengarahannya yang tinggi, sumber cahaya laser memiliki kecerahan yang sangat tinggi, yang berarti intensitas cahaya yang sangat tinggi dapat dihasilkan pada sasarannya. Jadi, laser helium-neon dengan daya hanya 10 mW dan divergensi radiasi 3×10 -4 radian dengan luas pancaran 0,1 cm 2 memiliki kecerahan 10 6 W / (cm 2 * steradian), yang jauh lebih tinggi dari kecerahan Matahari (130 W/(cm 2 steradian)).

Sifat-sifat yang tercantum di atas menjadikan laser sebagai sumber cahaya yang unik dan menentukan kemungkinan penerapannya yang beragam.

Desain laser dan sifat emisi terstimulasi menentukan perbedaan antara radiasi laser dan radiasi sumber cahaya konvensional. Radiasi laser (LR) dicirikan oleh sifat-sifat penting berikut.

1. Sangat koheren. Radiasi adalah sangat koheren, yang disebabkan oleh sifat emisi terstimulasi yang terstimulasi. Dalam hal ini, tidak hanya koherensi temporal, tetapi juga spasial yang terjadi: perbedaan fase pada dua titik bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat tetap konstan (Gbr. a) (sebagai hasil koherensi spasial, radiasi dapat terfokus pada volume yang sangat kecil).

2. Monokromatik. Radiasi laser adalah sangat monokromatik, artinya mengandung gelombang dengan frekuensi yang hampir sama (foton memiliki energi yang sama). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa emisi terstimulasi dikaitkan dengan duplikasi foton (setiap foton yang terstimulasi benar-benar mirip dengan foton aslinya). Dalam hal ini, gelombang elektromagnetik dengan frekuensi konstan terbentuk. Lebar garis spektral adalah 0,01 nm. Pada Gambar. c menunjukkan perbandingan skema lebar garis sinar laser dan sinar cahaya biasa.

Sebelum munculnya laser, radiasi dengan tingkat monokromatisitas tertentu dapat diperoleh dengan menggunakan perangkat - monokromator yang membedakan interval spektral sempit (pita panjang gelombang sempit) dari spektrum kontinu, tetapi kekuatan cahaya pada pita tersebut rendah.

3. Kekuatan tinggi. Dengan menggunakan laser, Anda dapat memberikan daya radiasi monokromatik yang sangat tinggi - hingga 10 5 W dalam mode berkelanjutan. Kekuatan laser berdenyut beberapa kali lipat lebih tinggi. Beginilah cara laser neodymium menghasilkan pulsa dengan energi E= 75 J, durasinya T= 3·10 –12 detik. Kekuatan pulsa sama dengan R= E/t= 2,5 10 13 W (sebagai perbandingan: pembangkit listrik tenaga air R~ 10 9 W).

4. Intensitas tinggi. Pada laser berdenyut, intensitas radiasi laser sangat tinggi dan dapat mencapai SAYA= 10 14 -10 16 W/cm 2 (lih. intensitas sinar matahari di dekat permukaan bumi SAYA= 0,1 W/cm2).

5. Kecerahan tinggi. Untuk laser yang beroperasi dalam jangkauan terlihat, kecerahan radiasi laser (intensitas cahaya per satuan permukaan) sangat tinggi. Bahkan laser yang paling lemah pun memiliki kecerahan 10 15 cd/m 2 (sebagai perbandingan: kecerahan Matahari L~ 10 9 cd/m2).

6. Tekanan. Ketika sinar laser mengenai suatu permukaan, ia telah tekanan (p). Dengan penyerapan penuh dari radiasi laser yang datang tegak lurus ke permukaan, tekanan tercipta R= SAYA/s, dimana SAYA– intensitas radiasi, Dengan– kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Dengan refleksi total, tekanannya dua kali lebih tinggi. Pada intensitas SAYA= 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2, R= 3,3·10 9 Pa = 33000 atm.

7. Sudut divergensi kecil pada berkas. Kolimasi. Radiasi adalah terkolimasi, artinya, semua sinar dalam berkas hampir sejajar satu sama lain (Gbr. 6). Pada jarak yang jauh, diameter sinar laser hanya bertambah sedikit (untuk sebagian besar laser, sudut divergensinya adalah 1 menit busur atau kurang). Karena sudut divergensinya kecil, intensitas sinar laser sedikit berkurang seiring bertambahnya jarak. Directionalitas yang tinggi memungkinkan sinyal ditransmisikan dalam jarak yang jauh dengan sedikit redaman intensitasnya.

8. Polarisasi. Radiasi laser sepenuhnya terpolarisasi.

BADAN ANGKUTAN KERETA API FEDERAL

ANGGARAN NEGARA FEDERAL

LEMBAGA PENDIDIKAN PROFESIONAL TINGGI

"UNVERSITAS KOMUNIKASI NEGARA MOSKOW"

Institut Teknologi Transportasi dan Sistem Pengendalian

Departemen Teknologi Rekayasa Transportasi dan Perbaikan Rolling Stock

Karangan

dalam disiplin: “Metode pemrosesan elektrofisika dan elektrokimia”

Topik: “Jenis dan karakteristik laser”

Perkenalan

Penemuan laser merupakan salah satu pencapaian ilmu pengetahuan dan teknologi yang paling menonjol pada abad ke-20. Laser pertama muncul pada tahun 1960, dan perkembangan pesat teknologi laser segera dimulai. Dalam waktu singkat, berbagai jenis laser dan perangkat laser diciptakan, dirancang untuk memecahkan masalah ilmiah dan teknis tertentu. Laser telah mendapatkan posisi yang kuat di banyak sektor perekonomian nasional. Seperti yang dicatat oleh Akademisi A.P. Alexandrov, setiap anak laki-laki sekarang tahu kata laser . Namun, apa itu laser, mengapa menarik dan bermanfaat? Salah satu pendiri ilmu laser - elektronika kuantum - Akademisi N.G. Basov menjawab pertanyaan ini seperti ini: Laser adalah perangkat di mana energi, misalnya panas, kimia, listrik, diubah menjadi energi medan elektromagnetik - sinar laser. Dengan konversi seperti itu, sejumlah energi pasti akan hilang, namun yang penting adalah energi laser yang dihasilkan memiliki kualitas yang jauh lebih tinggi. Kualitas energi laser ditentukan oleh konsentrasinya yang tinggi dan kemampuannya mentransmisikan dalam jarak yang cukup jauh. Sinar laser dapat difokuskan ke titik kecil dengan diameter sesuai urutan panjang gelombang cahaya dan menghasilkan kepadatan energi yang saat ini melebihi kepadatan energi ledakan nuklir.

Dengan bantuan radiasi laser, nilai suhu, tekanan, dan kekuatan medan magnet tertinggi telah dapat dicapai. Terakhir, sinar laser adalah pembawa informasi yang paling luas dan, dalam peran ini, merupakan sarana transmisi dan pemrosesan yang secara fundamental baru. . Meluasnya penggunaan laser dalam ilmu pengetahuan dan teknologi modern dijelaskan oleh sifat spesifik radiasi laser. Laser adalah generator cahaya koheren. Tidak seperti sumber cahaya lainnya (misalnya, lampu pijar atau lampu neon), laser menghasilkan radiasi optik yang ditandai dengan keteraturan tingkat tinggi dalam bidang cahaya, atau, seperti yang mereka katakan, tingkat koherensi yang tinggi. Radiasi tersebut sangat monokromatik dan terarah. Saat ini, laser berhasil digunakan dalam produksi modern, mengatasi berbagai macam tugas. Sinar laser digunakan untuk memotong kain dan memotong lembaran baja, mengelas badan mobil dan mengelas bagian terkecil pada peralatan elektronik, serta melubangi bahan yang rapuh dan sangat keras. Selain itu, pemrosesan bahan dengan laser memungkinkan peningkatan efisiensi dan daya saing dibandingkan dengan jenis pemrosesan lainnya. Ruang lingkup penerapan laser dalam penelitian ilmiah - fisik, kimia, biologi - terus berkembang.

Sifat laser yang luar biasa - koherensi dan pengarahan radiasi yang sangat tinggi, kemampuan untuk menghasilkan gelombang koheren dengan intensitas tinggi di wilayah spektrum tampak, inframerah dan ultraviolet, memperoleh kepadatan energi tinggi baik dalam mode kontinu maupun berdenyut - sudah ada sejak awal elektronik kuantum menunjukkan kemungkinan berbagai aplikasi laser untuk tujuan praktis. Sejak awal, teknologi laser telah berkembang dengan kecepatan yang sangat tinggi. Jenis laser baru bermunculan dan pada saat yang sama jenis laser lama sedang ditingkatkan: instalasi laser dengan serangkaian karakteristik yang diperlukan untuk berbagai tujuan tertentu sedang dibuat, serta berbagai jenis perangkat kontrol sinar, dan teknologi pengukuran semakin ditingkatkan. dan banyak lagi. Hal ini menyebabkan penetrasi laser yang mendalam ke banyak sektor perekonomian nasional, dan khususnya di bidang teknik mesin dan instrumen.

Perlu dicatat secara khusus bahwa pengembangan metode laser atau, dengan kata lain, teknologi laser secara signifikan meningkatkan efisiensi produksi modern. Teknologi laser memungkinkan otomatisasi proses produksi yang paling lengkap.

Pencapaian teknologi laser saat ini sungguh luar biasa dan mengesankan. Besok menjanjikan pencapaian yang lebih besar lagi. Banyak harapan yang terkait dengan laser: mulai dari penciptaan bioskop tiga dimensi hingga pemecahan masalah global seperti membangun komunikasi optik terestrial dan bawah air jarak jauh, mengungkap misteri fotosintesis, menerapkan reaksi termonuklir terkendali, munculnya sistem dengan jumlah besar. memori dan perangkat input dan output informasi berkecepatan tinggi.

1. Klasifikasi laser

Merupakan kebiasaan untuk membedakan dua jenis laser: amplifier dan generator. Radiasi laser muncul pada keluaran penguat ketika sinyal kecil pada frekuensi transisi diterima pada masukannya (dan sinyal itu sendiri sudah dalam keadaan tereksitasi). Sinyal inilah yang merangsang partikel tereksitasi untuk melepaskan energi. Terjadi intensifikasi seperti longsoran salju. Jadi, terdapat radiasi lemah pada masukan, dan radiasi diperkuat pada keluaran. Situasinya berbeda dengan generator. Radiasi pada frekuensi transisi tidak lagi disuplai ke masukannya, melainkan zat aktif tereksitasi dan, terlebih lagi, tereksitasi berlebihan. Selain itu, jika zat aktif berada dalam keadaan tereksitasi berlebihan, maka kemungkinan transisi spontan satu atau lebih partikel dari tingkat atas ke tingkat bawah meningkat secara signifikan. Hal ini menghasilkan emisi terstimulasi.

Pendekatan kedua untuk mengklasifikasikan laser berkaitan dengan keadaan fisik zat aktif. Dari sudut pandang ini, laser dapat berbentuk padat (misalnya rubi, kaca atau safir), gas (misalnya helium-neon, argon, dll.), cair jika sambungan semikonduktor digunakan sebagai zat aktif , maka laser disebut semikonduktor.

Pendekatan klasifikasi ketiga berkaitan dengan metode eksitasi zat aktif. Laser berikut dibedakan: dengan eksitasi karena radiasi optik, dengan eksitasi oleh aliran elektron, dengan eksitasi oleh energi matahari, dengan eksitasi karena energi kabel yang meledak, dengan eksitasi oleh energi kimia, dengan eksitasi menggunakan radiasi nuklir. Laser juga dibedakan berdasarkan sifat energi yang dipancarkan dan komposisi spektralnya. Jika energi dipancarkan secara berdenyut, maka disebut laser berdenyut; jika energinya kontinu, maka laser disebut laser gelombang kontinu. Ada juga laser mode campuran, seperti laser semikonduktor. Jika radiasi laser terkonsentrasi pada rentang panjang gelombang yang sempit, maka laser disebut monokromatik; jika terkonsentrasi pada rentang panjang gelombang yang luas, maka disebut laser broadband.

Jenis klasifikasi lainnya didasarkan pada konsep keluaran daya. Laser dengan daya keluaran kontinu (rata-rata) lebih dari 106 W disebut laser daya tinggi. Dengan daya keluaran di kisaran 105...103 W, kami memiliki laser berkekuatan sedang. Jika daya keluaran kurang dari 10-3 W, maka kita berbicara tentang laser berdaya rendah.

Tergantung pada desain resonator cermin terbuka, perbedaan dibuat antara laser Q-konstan dan laser Q-switched - dalam laser semacam itu, salah satu cermin dapat ditempatkan, khususnya, pada sumbu motor listrik yang berputar. cermin ini. Dalam hal ini, faktor kualitas resonator berubah secara berkala dari nol hingga nilai maksimum. Laser ini disebut laser termodulasi-Q.

2. Karakteristik laser

Salah satu karakteristik laser adalah panjang gelombang energi yang dipancarkan. Kisaran panjang gelombang radiasi laser berkisar dari daerah sinar-X hingga inframerah jauh, yaitu. dari 10-3 hingga 102 mikron. Di luar wilayah 100 µm terletak, secara kiasan, tanah perawan . Namun luasnya hanya sebatas milimeter yang dikuasai oleh operator radio. Kawasan yang belum berkembang ini terus menyusut dan diharapkan pembangunannya bisa selesai dalam waktu dekat. Bagian yang diatribusikan pada berbagai jenis generator tidaklah sama. Generator kuantum gas memiliki jangkauan terluas.

Karakteristik penting lainnya dari laser adalah energi pulsa. Ini diukur dalam joule dan mencapai nilai terbesarnya pada generator solid-state - sekitar 103 J. Karakteristik ketiga adalah daya. Generator gas yang mengeluarkan emisi terus menerus memiliki daya 10-3 hingga 102 W. Pembangkit listrik miliwatt menggunakan campuran helium-neon sebagai media aktif. Generator CO2 memiliki daya sekitar 100 W. Dengan generator solid-state, pembicaraan tentang daya memiliki arti khusus. Misalnya, jika kita mengambil 1 J energi radiasi yang dipusatkan dalam selang waktu satu detik, maka dayanya akan menjadi 1 W. Tetapi durasi radiasi generator rubi adalah 10-4 detik, oleh karena itu dayanya adalah 10.000 W, yaitu. 10kW. Jika durasi pulsa dikurangi menjadi 10-6 detik menggunakan rana optik, dayanya adalah 106 W, mis. megawatt Ini bukanlah batasnya! Anda dapat meningkatkan energi dalam pulsa menjadi 103 J dan mengurangi durasinya menjadi 10-9 detik dan kemudian daya akan mencapai 1012 W. Dan ini adalah kekuatan yang besar. Diketahui bahwa ketika intensitas sinar mencapai 105 W/cm2 pada suatu logam, logam tersebut mulai meleleh, pada intensitas 107 W/cm2 logam mulai mendidih, dan pada 109 W/cm2 radiasi laser mulai mengionisasi uap dengan kuat. zat tersebut, mengubahnya menjadi plasma.

Karakteristik penting lainnya dari laser adalah divergensi sinar laser. Laser gas memiliki sinar paling sempit. Nilainya adalah beberapa menit busur. Divergensi sinar laser solid-state adalah sekitar 1...3 derajat sudut. Laser semikonduktor memiliki bukaan lobus radiasi: di satu bidang sekitar satu derajat, di bidang lain - sekitar 10...15 derajat sudut.

Karakteristik penting berikutnya dari laser adalah rentang panjang gelombang di mana radiasi terkonsentrasi, yaitu. monokromatik. Laser gas memiliki monokromatisitas yang sangat tinggi, yaitu 10-10, yaitu. jauh lebih tinggi dibandingkan lampu pelepasan gas, yang sebelumnya digunakan sebagai standar frekuensi. Laser solid-state, dan khususnya laser semikonduktor, memiliki rentang frekuensi radiasi yang signifikan, yaitu tidak terlalu monokromatik.

Karakteristik laser yang sangat penting adalah efisiensi. Untuk keadaan padat berkisar antara 1 hingga 3,5%, untuk gas 1...15%, untuk semikonduktor 40...60%. Pada saat yang sama, semua tindakan yang mungkin diambil untuk meningkatkan efisiensi laser, karena efisiensi yang rendah menyebabkan perlunya mendinginkan laser hingga suhu 4...77 K, dan ini segera memperumit desain peralatan.

2.1 Laser keadaan padat

Laser solid-state dibagi menjadi laser berdenyut dan laser kontinu. Di antara laser berdenyut, perangkat berbahan dasar kaca rubi dan neodymium lebih umum. Panjang gelombang laser neodymium adalah l = 1,06 µm. Alat ini berupa batang yang relatif besar, panjangnya mencapai 100 cm dan diameter 4-5 cm. Energi pulsa yang dihasilkan batang tersebut adalah 1000 J dalam 10-3 detik.

Laser rubi juga dibedakan dari daya pulsanya yang tinggi; dengan durasi 10-3 detik, energinya ratusan joule. Tingkat pengulangan pulsa bisa mencapai beberapa kHz.

Laser gelombang kontinu paling terkenal dibuat dari kalsium fluorit dengan campuran disprosium dan laser pada yttrium-aluminium garnet, yang mengandung pengotor atom logam tanah jarang. Panjang gelombang laser ini berkisar antara 1 hingga 3 mikron. Daya pulsa kira-kira 1 W atau sebagian kecilnya. Laser garnet aluminium yttrium dapat memberikan daya pulsa hingga beberapa puluh watt.

Biasanya, laser solid-state menggunakan mode penguat multimode. Penguatan mode tunggal dapat diperoleh dengan memasukkan elemen terpilih ke dalam rongga. Keputusan ini disebabkan oleh penurunan daya radiasi yang dihasilkan.

Kesulitan dalam memproduksi laser solid-state terletak pada kebutuhan untuk menumbuhkan kristal tunggal yang besar atau melelehkan sampel kaca transparan dalam jumlah besar. Kesulitan-kesulitan ini telah diatasi dengan produksi laser cair, di mana media aktifnya diwakili oleh cairan yang mengandung unsur tanah jarang. Namun, laser cair memiliki sejumlah kelemahan yang membatasi jangkauan penggunaannya.

2.2 Laser cair

Laser cair disebut laser dengan media aktif cair. Keuntungan utama dari perangkat jenis ini adalah kemampuannya untuk mensirkulasikan cairan dan, karenanya, mendinginkannya. Hasilnya, lebih banyak energi dapat diperoleh baik dalam mode berdenyut maupun kontinu.

Laser cair pertama diproduksi menggunakan kelat tanah jarang. Kerugian dari laser ini adalah rendahnya tingkat energi yang dapat dicapai dan ketidakstabilan kimia dari kelat. Akibatnya, laser ini tidak digunakan. Ilmuwan Soviet mengusulkan penggunaan cairan aktif anorganik dalam media laser. Laser berdasarkan mereka dibedakan oleh energi berdenyut yang tinggi dan memberikan indikator daya rata-rata. Laser cair yang menggunakan media aktif tersebut mampu menghasilkan radiasi dengan spektrum frekuensi yang sempit.

Jenis laser cair lainnya adalah perangkat yang beroperasi pada larutan pewarna organik, yang ditandai dengan garis pendaran spektral lebar. Laser semacam itu mampu memberikan penyesuaian terus menerus pada panjang gelombang cahaya yang dipancarkan dalam rentang yang luas. Saat mengganti pewarna, seluruh spektrum tampak dan sebagian inframerah tercakup. Sumber pompa pada perangkat tersebut biasanya adalah laser solid-state, namun dimungkinkan untuk menggunakan lampu gas yang memberikan kilatan cahaya putih singkat (kurang dari 50 μdetik).

2.3 Laser gas

Ada banyak variasi. Salah satunya adalah laser fotodisosiasi. Ia menggunakan gas yang molekulnya, di bawah pengaruh pemompaan optik, berdisosiasi (pecah) menjadi dua bagian, salah satunya berada dalam keadaan tereksitasi dan digunakan untuk radiasi laser.

Sekelompok besar laser gas terdiri dari laser pelepasan gas, di mana media aktifnya adalah gas yang dijernihkan (tekanan 1-10 mm Hg), dan pemompaan dilakukan oleh pelepasan listrik, yang dapat berupa cahaya atau busur dan dibuat dengan arus searah atau arus bolak-balik frekuensi tinggi (10 -50 MHz).

Ada beberapa jenis laser pelepasan gas. Dalam laser ion, radiasi dihasilkan oleh transisi elektron antara tingkat energi ion. Contohnya adalah laser argon, yang menggunakan pelepasan busur arus searah.

Laser transisi atom dihasilkan oleh transisi elektron antara tingkat energi atom. Laser ini menghasilkan radiasi dengan panjang gelombang 0,4-100 mikron. Contohnya adalah laser helium-neon yang beroperasi pada campuran helium dan neon di bawah tekanan sekitar 1 mm Hg. Seni. Untuk pemompaan, lucutan pijar digunakan, yang dihasilkan oleh tegangan konstan sekitar 1000 V.

Laser pelepasan gas juga mencakup laser molekuler, di mana radiasi muncul dari transisi elektron antara tingkat energi molekul. Laser ini memiliki rentang frekuensi yang luas sesuai dengan panjang gelombang dari 0,2 hingga 50 µm.

Yang paling umum dari laser karbon dioksida molekuler (laser CO2). Dapat menghasilkan tenaga hingga 10 kW dan memiliki efisiensi yang cukup tinggi sekitar 40%. Kotoran nitrogen, helium dan gas lainnya biasanya ditambahkan ke karbon dioksida utama. Untuk pemompaan, digunakan pelepasan cahaya arus searah atau frekuensi tinggi. Laser karbon dioksida menghasilkan radiasi dengan panjang gelombang sekitar 10 mikron. Hal ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1.

Beras. 1 - Prinsip laser CO2

Salah satu jenis laser CO2 adalah gas-dinamis. Di dalamnya, populasi kebalikan yang diperlukan untuk radiasi laser dicapai karena fakta bahwa gas, yang dipanaskan hingga 1500 K pada tekanan 20-30 atm, memasuki ruang kerja, di mana ia mengembang, dan suhu serta tekanannya turun tajam. Laser tersebut dapat menghasilkan radiasi terus menerus dengan kekuatan hingga 100 kW.

Laser molekuler termasuk apa yang disebut laser excimer, yang media kerjanya adalah gas inert (argon, xenon, kripton, dll.), atau kombinasinya dengan klorin atau fluor. Dalam laser semacam itu, pemompaan dilakukan bukan dengan pelepasan listrik, tetapi dengan aliran elektron cepat (dengan energi ratusan keV). Gelombang yang dipancarkan adalah yang terpendek, misalnya 0,126 mikron untuk laser argon.

Kekuatan radiasi yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan meningkatkan tekanan gas dan menggunakan pemompaan menggunakan radiasi pengion yang dikombinasikan dengan medan listrik eksternal. Radiasi pengion adalah aliran elektron cepat atau radiasi ultraviolet. Laser semacam ini disebut elektroionisasi atau laser gas terkompresi. Laser jenis ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 2.

Beras. 2 - Pemompaan elektroionisasi

Molekul gas tereksitasi menggunakan energi reaksi kimia diproduksi dalam laser kimia. Campuran beberapa gas yang aktif secara kimia (fluor, klorin, hidrogen, hidrogen klorida, dll.) digunakan di sini. Reaksi kimia pada laser semacam itu harus terjadi dengan sangat cepat. Untuk percepatan, bahan kimia khusus digunakan, yang diperoleh dengan disosiasi molekul gas di bawah pengaruh radiasi optik, atau pelepasan listrik, atau berkas elektron. Contoh laser kimia adalah laser yang menggunakan campuran fluor, hidrogen, dan karbon dioksida.

Jenis laser khusus adalah laser plasma. Media aktif di dalamnya adalah plasma uap logam alkali tanah yang sangat terionisasi (magnesium, barium, strontium, kalsium). Untuk ionisasi, digunakan pulsa arus dengan kekuatan hingga 300 A pada tegangan hingga 20 kV. Durasi pulsa 0,1-1,0 s. Radiasi laser tersebut memiliki panjang gelombang 0,41-0,43 mikron, tetapi bisa juga di wilayah ultraviolet.

2.4 Laser semikonduktor

Meskipun laser semikonduktor berbentuk solid-state, laser tersebut biasanya diklasifikasikan ke dalam kelompok khusus. Dalam laser ini, radiasi koheren dihasilkan karena transisi elektron dari tepi bawah pita konduksi ke tepi atas pita valensi. Ada dua jenis laser semikonduktor. Yang pertama memiliki wafer semikonduktor murni, yang dipompa oleh berkas elektron cepat dengan energi 50-100 keV. Pemompaan optik juga dimungkinkan. Gallium arsenide GaAs, kadmium sulfida CdS atau kadmium selenida CdSe digunakan sebagai semikonduktor. Pemompaan dengan berkas elektron menyebabkan pemanasan yang kuat pada semikonduktor, menyebabkan penurunan radiasi laser. Oleh karena itu, laser semacam itu memerlukan pendinginan yang baik. Misalnya, laser galium arsenida biasanya didinginkan hingga suhu 80 K.

Pemompaan berkas elektron dapat dilakukan secara melintang (Gbr. 3) atau memanjang (Gbr. 4). Selama pemompaan melintang, dua permukaan kristal semikonduktor yang berlawanan dipoles dan berperan sebagai cermin resonator optik. Dalam hal pemompaan memanjang, kaca spion luar digunakan. Dengan pemompaan memanjang, pendinginan semikonduktor meningkat secara signifikan. Contoh laser tersebut adalah laser kadmium sulfida, menghasilkan radiasi dengan panjang gelombang 0,49 μm dan memiliki efisiensi sekitar 25%.

Beras. 3 - Pemompaan melintang dengan berkas elektron

Beras. 4 - Pemompaan memanjang dengan berkas elektron

Jenis laser semikonduktor yang kedua disebut laser injeksi. Ini berisi persimpangan p-n (Gbr. 5), dibentuk oleh dua semikonduktor pengotor yang mengalami degenerasi, di mana konsentrasi pengotor donor dan akseptor adalah 1018-1019 cm-3. Permukaan yang tegak lurus terhadap bidang sambungan pn dipoles dan berfungsi sebagai cermin resonator optik. Tegangan searah diterapkan pada laser semacam itu, di bawah pengaruhnya penghalang potensial pada sambungan pn diturunkan dan elektron serta lubang disuntikkan. Di daerah transisi, rekombinasi intens pembawa muatan dimulai, di mana elektron berpindah dari pita konduksi ke pita valensi dan terjadi radiasi laser. Gallium arsenide terutama digunakan untuk laser injeksi. Radiasinya memiliki panjang gelombang 0,8-0,9 mikron, efisiensinya cukup tinggi - 50-60%.

Beras. 5 - Prinsip desain laser injeksi

gelombang berkas pembangkit penguat

Laser injeksi miniatur dengan dimensi linier semikonduktor sekitar 1 mm memberikan daya radiasi dalam mode kontinu hingga 10 mW, dan dalam mode berdenyut dapat memiliki daya hingga 100 W. Memperoleh daya tinggi memerlukan pendinginan yang kuat.

Perlu dicatat bahwa ada banyak fitur berbeda dalam desain laser. Dalam kasus yang paling sederhana, resonator optik terdiri dari dua cermin bidang sejajar. Desain resonator yang lebih kompleks dengan bentuk cermin berbeda juga digunakan.

Banyak laser dilengkapi perangkat pengontrol radiasi tambahan yang terletak di dalam atau di luar rongga. Dengan bantuan perangkat ini, sinar laser dibelokkan dan difokuskan, dan berbagai parameter radiasi diubah. Panjang gelombang laser yang berbeda bisa 0,1-100 mikron. Dengan radiasi berdenyut, durasi denyut nadi berkisar antara 10-3 hingga 10-12 detik. Pulsanya bisa tunggal atau berulang dengan kecepatan pengulangan hingga beberapa gigahertz. Daya yang dapat dicapai adalah 109 W untuk pulsa nanodetik dan 1012 W untuk pulsa pikodetik ultrapendek.

2.5 Laser pewarna

Laser yang menggunakan pewarna organik sebagai bahan lasernya, biasanya berbentuk larutan cair. Mereka membawa revolusi pada spektroskopi laser dan menjadi pendiri jenis laser baru dengan durasi pulsa kurang dari satu pikodetik (Laser Pulsa Ultrapendek).

Saat ini, laser lain biasanya digunakan sebagai pemompaan, misalnya laser Nd:YAG yang dipompa dioda, atau laser Argon. Sangat jarang ditemukan laser pewarna yang dipompa dengan lampu flash. Fitur utama laser pewarna adalah lebar loop penguatan yang sangat besar. Di bawah ini adalah tabel parameter untuk beberapa laser pewarna.

Ada dua kemungkinan untuk menggunakan area kerja laser yang besar:

menyetel panjang gelombang di mana pembangkitan terjadi -> spektroskopi laser,

pembangkitan sekaligus dalam jangkauan luas -> pembangkitan pulsa yang sangat pendek.

Desain laser bervariasi menurut dua kemungkinan ini. Jika skema konvensional digunakan untuk mengatur panjang gelombang, hanya unit tambahan yang ditambahkan untuk stabilisasi termal dan pemilihan radiasi dengan panjang gelombang yang ditentukan secara ketat (biasanya prisma, kisi difraksi, atau skema yang lebih kompleks), maka instalasi yang jauh lebih kompleks diperlukan untuk menghasilkan pulsa yang sangat pendek. Desain kuvet dengan media aktif diubah. Karena durasi pulsa laser pada akhirnya adalah 100 30·10 ?15 (cahaya dalam ruang hampa hanya mampu menempuh jarak 30 ÷ 10 µm selama waktu ini), inversi populasi harus maksimal, hal ini hanya dapat dicapai dengan memompa larutan pewarna dengan sangat cepat. Untuk mencapai hal ini, desain kuvet khusus dengan pancaran pewarna bebas digunakan (pewarna dipompa dari nosel khusus dengan kecepatan sekitar 10 m/s). Pulsa terpendek diperoleh saat menggunakan resonator cincin.

2.6 Laser elektron bebas

Suatu jenis laser yang radiasinya dihasilkan oleh berkas elektron monoenergi yang merambat dalam undulator - sistem periodik medan pembelokan (listrik atau magnet). Elektron, melakukan osilasi periodik, memancarkan foton, yang energinya bergantung pada energi elektron dan parameter undulator.

Tidak seperti laser gas, cair, atau padat, di mana elektron tereksitasi dalam keadaan atom atau molekul terikat, sumber radiasi FEL adalah berkas elektron dalam ruang hampa yang melewati serangkaian magnet yang terletak khusus - undulator (wiggler), yang memaksa sinar bergerak sepanjang lintasan sinusoidal, kehilangan energi, yang diubah menjadi aliran foton. Hasilnya adalah radiasi sinar-X lembut, yang digunakan, misalnya, untuk mempelajari kristal dan struktur nano lainnya.

Dengan mengubah energi berkas elektron, serta parameter undulator (kekuatan medan magnet dan jarak antar magnet), frekuensi radiasi laser yang dihasilkan oleh FEL dapat diubah dalam rentang yang luas. , yang merupakan perbedaan utama antara FEL dan laser sistem lain. Radiasi yang dihasilkan oleh FEL digunakan untuk mempelajari struktur nanometer - terdapat pengalaman dalam memperoleh gambar partikel sekecil 100 nanometer (hasil ini dicapai dengan menggunakan mikroskop sinar-X dengan resolusi sekitar 5 nm). Desain laser elektron bebas pertama diterbitkan pada tahun 1971 oleh John M. J. Madey sebagai bagian dari proyek PhD-nya di Universitas Stanford. Pada tahun 1976, Mady dan rekannya mendemonstrasikan eksperimen pertama dengan FEL, menggunakan elektron 24 MeV dan jentik-jentik 5 meter untuk memperkuat radiasi.

Kekuatan lasernya adalah 300 mW dan efisiensinya hanya 0,01%, namun perangkat kelas ini terbukti berfungsi, menyebabkan minat yang sangat besar dan peningkatan tajam dalam jumlah pengembangan di bidang FEL.

bimbingan belajar

Butuh bantuan mempelajari suatu topik?

Spesialis kami akan memberi saran atau memberikan layanan bimbingan belajar tentang topik yang Anda minati.
Kirimkan lamaran Anda menunjukkan topik saat ini untuk mengetahui kemungkinan mendapatkan konsultasi.