Laserové žiarenie má nasledujúce fyzikálne vlastnosti:

1. Vysoká priestorová a časová súdržnosť. To znamená, že určitý čas sa udržujú určité fázové vzťahy medzi jednotlivými vlnami, a to nielen v danom bode priestoru, ale aj medzi osciláciami vyskytujúcimi sa v rôznych bodoch. Táto konzistencia procesov umožňuje sústrediť lúč laserového žiarenia do bodu s priemerom rovným vlnovej dĺžke tohto žiarenia. To umožňuje zvýšiť už aj tak vysokú intenzitu laserového lúča.

2. Prísne monochromatické žiarenie. Rozsah vlnových dĺžok Δλ emitovaných laserom dosahuje hodnotu ~ 10 -15 m (v priemere Δλ< 10 -11).

3. Vysoká hustota energetického toku. Napríklad neodýmový laser generuje impulzy s trvaním 3·10 -12 s a energiou 75 J, čo zodpovedá výkonu 2,5·10 13 W (výkon vodnej elektrárne Krasnojarsk je 6·10 9 W )! Pre porovnanie ešte uvádzame, že intenzita slnečného žiarenia na zemskom povrchu je len 10 3 W/m 2, pričom laserové systémy dokážu vyprodukovať intenzitu až 10 20 W/m 2.

Nezvyčajné vlastnosti laserového žiarenia nachádzajú široké praktické uplatnenie. V priemysle sa lasery používajú na spracovanie, rezanie a mikrozváranie pevných materiálov (napríklad dierovanie kalibrovaných otvorov v diamante), vysokorýchlostnú a presnú detekciu defektov povrchového spracovania atď. Vo vede sa laserové žiarenie používa na štúdium mechanizmus chemických reakcií a získavanie ultračistých látok; na separáciu izotopov a štúdium vysokoteplotnej plazmy; pre ultra presné diaľkové merania posunov, indexov lomu, tlaku a teploty (v astronómii). Vysoká koherencia laserového žiarenia umožnila implementovať zásadne novú metódu záznamu a obnovy obrazu, založenú na vlnovej interferencii a difrakcii. Tento spôsob získavania trojrozmerného obrazu sa nazýval holografia (z gréckeho slova holos – všetko). Pozostáva z nasledovného (obr. 7): objekt 2 je umiestnený pred tienidlom fotodetektora (fotoplatňa) 3. Priesvitné zrkadlo 4 rozdeľuje laserový lúč na referenčnú 7 a signálnu 8 vlnu. Referenčná vlna 7 zaostrená šošovkou 5 sa odráža zrkadlom 6 priamo na fotografickú platňu. Signálna vlna 8 dopadne na fotodetektor po odraze od objektu 2. Pretože vlny 7 a 8 sú koherentné, potom sa navzájom prekrývajú a vytvárajú interferenčný obrazec na fotografickej platni. Po vyvolaní fotodetektora sa získa hologram - „negatív“ interferenčného obrazca pridania dvoch koherentných svetelných vĺn 7 a 8.

Keď je hologram osvetlený svetelnou vlnou identickou s referenčnou vlnou pod príslušným uhlom, dochádza k difrakcii tejto „čítacej“ vlny na „difrakčnej mriežke“, čo je interferenčný obrazec zaznamenaný na holograme. V dôsledku toho sa obraz objektu zaregistrovaný na holograme obnoví (stane sa pozorovateľným).

Ak má fotodetektor hrúbku fotocitlivej vrstvy porovnateľnú so vzdialenosťou medzi susednými interferenčnými prúžkami, získa sa konvenčný dvojrozmerný plochý hologram, ale ak je hrúbka vrstvy oveľa väčšia ako vzdialenosť medzi prúžkami, trojrozmerný (objemový) získa sa obrázok.

Je tiež možné obnoviť obraz z objemového hologramu v bielom svetle (slnečné svetlo alebo svetlo bežnej žiarovky) - hologram sám „vyberá“ zo spojitého spektra vlnovú dĺžku, ktorá dokáže obnoviť obraz zaznamenaný na holograme.

Uvažujme o hlavných účinkoch interakcie laserového žiarenia s hmotou a biologickými objektmi.

Tepelný efekt. Keď je laserové žiarenie absorbované hmotou, ľudským tkanivom, zvieratami a rastlinami, značná časť energie elektromagnetického poľa sa mení na teplo. V biologických tkanivách dochádza k absorpcii selektívne, pretože Štrukturálne prvky obsiahnuté v tkaninách majú rôzne absorpčné a reflexné indexy. Tepelný účinok laserového ožarovania je určený intenzitou svetelného toku a stupňom jeho absorpcie tkanivom. V tomto prípade sú zmeny, ktoré sa vyskytujú v tkanivách, podobné popáleninám. Na rozdiel od popálenia sú však hranice oblasti lokálneho zvýšenia teploty jasne definované. Je to spôsobené veľmi malým prierezom laserového lúča, krátkym trvaním expozície a zlou tepelnou vodivosťou biologických tkanív. Najcitlivejšie na zvýšenie teploty sú enzýmy, ktoré sa pri zahrievaní zničia ako prvé, čo následne vedie k spomaleniu biochemických reakcií v bunkách. Pri dostatočnej intenzite laserového ožarovania môže dôjsť ku koagulácii (nevratnej denaturácii) bielkovín a úplnej deštrukcii tkaniva.

Účinok nárazu. K tvorbe tepla v oblasti ovplyvnenej laserovým lúčom dochádza v milióntinách a dokonca sto milióntinách sekundy. Okamžité vyparovanie častíc tkaniva a ich rýchla objemová expanzia spôsobuje prudký nárast tlaku v ohrievacej zóne. V dôsledku toho sa v tekutých zložkách buniek a tkanív objaví rázová vlna, ktorá sa šíri nadzvukovou rýchlosťou (~1500 m/s) a môže spôsobiť poškodenie.

Elektrické javy. Laserové žiarenie je svojou podstatou elektromagnetické pole. Ak je elektrická zložka tohto poľa dostatočne veľká, pôsobenie laserového lúča spôsobí ionizáciu a excitáciu atómov a molekúl. V biologických tkanivách to môže viesť k selektívnej deštrukcii chemických väzieb v molekulách, tvorbe voľných radikálov a v dôsledku toho k rôznym patologickým procesom u zvierat a ľudí. Predpokladá sa, že spôsobujú chemické mutácie, výskyt rakoviny a biologické starnutie.

Vyššie uvedené vlastnosti laserového žiarenia a účinky jeho interakcie s biologickými tkanivami určujú jedinečné možnosti využitia laserov v experimentálnej biológii a medicíne.

Laserový lúč, zaostrený na priemer len niekoľko mikrónov, sa stáva výskumným a mikrochirurgickým nástrojom na bunkovej úrovni. Ožarovaním určitých častí chromozómov môžete spôsobiť zmeny v dedičnosti. Takýto laserový lúč umožňuje oddeliť jednotlivé fragmenty z makromolekuly a „prišiť“ na ich miesto nové. Použitie laserov umožnilo technicky riešiť množstvo problémov v cytológii, cytogenetike, embryológii a ďalších oblastiach biologických vied.

Hlavnými oblasťami použitia laserov v medicíne sú chirurgia, oftalmológia a onkológia.

V chirurgii sa používajú CO 2 lasery s výkonom 30 ÷ 100 W, pracujúce v kontinuálnom režime. Vlastnosti laserového lúča na zničenie biologického tkaniva v kombinácii s koaguláciou proteínov umožňujú bezkrvné pitvy. Laserový skalpel má oproti tradičnému skalpelu množstvo výhod. Hlavnými problémami operácie sú bolesť, krvácanie a sterilita. Tieto problémy sa dajú veľmi jednoducho vyriešiť použitím lasera: laserové žiarenie na rozdiel od bežného skalpelu nemôže zaviesť infekciu, sterilizuje vypreparované tkanivo, aj keď je už infikované hnisaním; nedochádza k strate krvi, pretože krvné cievy sú okamžite upchaté zrazenou krvou; Laserový skalpel nevyvíja mechanický tlak na tkanivo, čo znižuje pocit bolesti. Navyše pomocou moderných endoskopov a flexibilných svetlovodov (vláknovej optiky) je možné zaviesť laserové žiarenie do vnútorných dutín, čím je možné zastaviť vnútorné krvácanie a odparovať hnisanie bez otvorenia orgánov. Na chirurgické účely naša krajina vytvorila inštalácie „Scalpel-1“ (P = 30 W) a „Romashka-1“ (P = 100 W).

V oftalmológii sa používajú pulzné rubínové lasery (trvanie impulzu 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), ktoré umožňujú vykonávať množstvo zložitých operácií bez narušenia integrity oka: zváranie oddelenej sietnice do cievovky (oftalmokoagulátor); liečba glaukómu prepichnutím otvoru s priemerom 50-100 nm laserovým lúčom na odtok tekutiny s cieľom znížiť vnútroočný tlak; liečba niektorých typov šedého zákalu a iných defektov dúhovky. Na liečbu glaukómu bola vytvorená inštalácia Yatagan-1.

V onkológii sa laserové žiarenie používa na excíziu a nekrotizáciu buniek zhubných nádorov. Pri nekrotizácii malígnych nádorov sa využíva selektivita absorpcie laserového žiarenia rôznymi tkanivami. Napríklad niektoré pigmentové nádory (melanóm, hemangióm) absorbujú laserové žiarenie oveľa intenzívnejšie ako okolité tkanivá. Zároveň sa v mikroskopickom objeme tkaniva uvoľňuje teplo rýchlosťou blesku za vzniku rázovej vlny. Tieto faktory spôsobujú deštrukciu malígnych buniek. Pri pulznej expozícii stúpne teplota tkaniva v hĺbke 4-5 mm na 55-60 0 C. Pri použití laserov pracujúcich v kontinuálnom režime je možné teplotu zvýšiť až na 100 0 C. Na ovplyvnenie nádorov sa používa fokusované laserové žiarenie (d = 1,5 ÷ 3 mm na povrchu predmetu) s intenzitou I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Zistilo sa, že laserové žiarenie má v porovnaní s röntgenovou terapiou používanou na liečbu rakoviny kože množstvo výhod: radiačná záťaž sa výrazne zníži a náklady sa niekoľkokrát znížia. Pomocou menej intenzívneho žiarenia je možné potlačiť rast rakovinových buniek (laserová terapia). Na tento účel sa používa špeciálna laserová inštalácia „Pulsator-1“ alebo argónové lasery s výkonom do 1 W. Rakovina kože sa dá vyliečiť laserom v 97% prípadov.

V porovnaní s inými zdrojmi svetla má laser množstvo unikátnych vlastností súvisiacich s koherenciou a vysokou smerovosťou jeho žiarenia. Žiarenie „nelaserových“ svetelných zdrojov tieto vlastnosti nemá. Výkon vyžarovaný zahriatym telesom je určený jeho teplotou T. Najvyššia možná hodnota toku žiarenia dosiahnutá pre absolútne čierne teleso je W = 5,7 × 10-12xT 4 W/cm 2. Výkon žiarenia rýchlo rastie so zvyšujúcim sa T a pre vysoké T dosahuje veľmi veľké hodnoty. Každý 1 cm 2 povrchu Slnka (T = 5800 K) teda vyžaruje výkon W = 6,4 × 10 3 wattov. Žiarenie z tepelného zdroja sa však šíri všetkými smermi od zdroja. Vytváranie smerovaného lúča z takéhoto zdroja, uskutočňované pomocou systému clonových alebo optických systémov pozostávajúcich zo šošoviek a zrkadiel, je vždy sprevádzané stratou energie. Žiaden optický systém neumožňuje získať na povrchu osvetleného predmetu väčší výkon žiarenia ako v samotnom zdroji svetla.

Ak sa intenzita laserového žiarenia porovná s intenzitou žiarenia absolútne čierneho telesa v rovnakých spektrálnych a uhlových intervaloch, potom sa získajú fantasticky vysoké teploty, miliardy alebo viackrát vyššie ako skutočne dosiahnuteľné teploty tepelných svetelných zdrojov. Nízka divergencia žiarenia navyše umožňuje pomocou konvenčných optických systémov koncentrovať svetelnú energiu v zanedbateľne malých objemoch, čím vznikajú obrovské energetické hustoty. Koherencia a smerovosť žiarenia otvárajú zásadne nové možnosti využitia svetelných lúčov tam, kde nie sú použiteľné nelaserové svetelné zdroje.

Smerovosť laserového žiarenia je do značnej miery určená skutočnosťou, že v otvorenom rezonátore môžu byť excitované iba vlny, ktoré sú nasmerované pozdĺž osi rezonátora alebo vo veľmi malých uhloch k nemu. S vysokým stupňom priestorovej koherencie môže byť uhol divergencie laserového lúča blízko k limitu určenému difrakciou. Typické hodnoty sú: pre plynové lasery (0,5-5)x10-3 radiány, pre pevnolátkové lasery (2-20)x10-3 radiány, pre polovodičové lasery (5-50)x10-2 radiány.

Žiarenie tepelného zdroja navyše nie je monochromatické, vypĺňa široký rozsah vlnových dĺžok. Napríklad spektrum slnečného žiarenia pokrýva ultrafialové, viditeľné a infračervené rozsahy vlnových dĺžok. Na zvýšenie monochromatičnosti žiarenia sa používajú monochromátory, ktoré umožňujú izolovať relatívne úzku oblasť zo spojitého spektra, alebo sa používajú nízkotlakové svetelné zdroje s plynovou výbojkou, ktoré vytvárajú diskrétne atómové alebo molekulárne úzke spektrálne čiary. Intenzita žiarenia v spektrálnych čiarach však nemôže presiahnuť intenzitu žiarenia absolútne čierneho telesa, ktorého teplota sa rovná excitačnej teplote atómov a molekúl. V oboch prípadoch sa teda dosiahne monochromatizácia žiarenia za cenu enormných strát energie. Čím užšia je spektrálna čiara, tým menej energie sa vyžaruje.

Zásadným rozdielom medzi lasermi a všetkými ostatnými zdrojmi svetla, ktoré sú v podstate zdrojmi optického šumu, je vysoký stupeň koherencie laserového žiarenia. S vytvorením laserov v optickej oblasti sa objavili zdroje žiarenia, podobné generátorom koherentných signálov známym v rádiovej oblasti, ktoré sa dajú úspešne použiť na účely komunikácie a prenosu informácií a v mnohých ich vlastnostiach - smerovosť žiarenia, vysielaná frekvencia pásmo, nízka hladina hluku, koncentrácia energie v čase a pod. - nadradený klasickým rádiovým zariadeniam.

V prípade lasera pracujúceho v multimódovom režime monochromatickosť súvisí s počtom generovaných režimov a môže byť niekoľko gigahertzov. V impulznom prevádzkovom režime je minimálna šírka čiary obmedzená prevrátenou hodnotou trvania impulzu.

Vysoký stupeň monochromatičnosti laserového žiarenia určuje vysokú hustotu spektrálnej energie – vysoký stupeň koncentrácie svetelnej energie vo veľmi malom spektrálnom rozsahu. Vysoká monochromatickosť uľahčuje zaostrenie laserového žiarenia, pretože chromatická aberácia šošovky je zanedbateľná. Súdržnosť. Lasery majú v porovnaní s inými zdrojmi svetla extrémne vysoký stupeň koherencie žiarenia, časovej a priestorovej.

V súčasnosti lasery pokrývajú rozsah od ultrafialových až po submilimetrové vlny, prvé úspechy sa dosiahli pri vytváraní röntgenových laserov a vznikajú frekvenčne laditeľné lasery.

Vďaka svojej vysokej smerovosti majú laserové svetelné zdroje veľmi vysoký jas, čo znamená, že v cieli môže byť produkovaná veľmi vysoká intenzita svetla. Hélium-neónový laser s výkonom iba 10 mW a divergenciou žiarenia 3 × 10 -4 radiánov s plochou lúča 0,1 cm 2 má teda jas 10 6 W / (cm 2 * steradián), ktorý je mnohonásobne vyšší ako jas Slnka (130 W/(cm 2 steradiány)).

Vyššie uvedené vlastnosti robia lasery jedinečnými svetelnými zdrojmi a určujú možnosti ich početných aplikácií.

Konštrukcia lasera a vlastnosti stimulovanej emisie určujú rozdiel medzi laserovým žiarením a žiarením bežných svetelných zdrojov. Laserové žiarenie (LR) sa vyznačuje nasledujúcimi dôležitými vlastnosťami.

1. Vysoko koherentné.Žiarenie je vysoko koherentné,čo je spôsobené vlastnosťami stimulovanej stimulovanej emisie. V tomto prípade dochádza nielen k časovej, ale aj priestorovej koherencii: fázový rozdiel v dvoch bodoch roviny kolmých na smer šírenia zostáva konštantný (obr. a) (v dôsledku priestorovej koherencie môže byť žiarenie zaostrené v veľmi malý objem).

2. Jednofarebné. Laserové žiarenie je vysoko monochromatické, to znamená, že obsahuje vlny takmer rovnakej frekvencie (fotóny majú rovnakú energiu). Je to spôsobené tým, že stimulovaná emisia je spojená s duplikáciou fotónov (každý stimulovaný fotón je úplne podobný pôvodnému). V tomto prípade sa vytvorí elektromagnetická vlna konštantnej frekvencie. Šírka spektrálnej čiary je 0,01 nm. Na obr. c ukazuje schematické porovnanie šírky čiary laserového lúča a lúča obyčajného svetla.

Pred príchodom laserov bolo možné žiarenie s určitým stupňom monochromatičnosti získavať pomocou prístrojov – monochromátorov, ktoré rozlišujú úzke spektrálne intervaly (úzke pásma vlnovej dĺžky) od spojitého spektra, ale svetelný výkon v takýchto pásmach je nízky.

3. Veľká sila. Pomocou lasera môžete poskytnúť veľmi vysoký výkon monochromatického žiarenia - až 10 5 W v nepretržitom režime. Výkon pulzných laserov je o niekoľko rádov vyšší. Takto neodymový laser generuje pulz s energiou E= 75 J, trvanie ktorého t= 3·10 –12 s. Impulzný výkon sa rovná R= E/t= 2,5 10 13 W (pre porovnanie: vodná energia R~ 109 W).

4. Vysoká intenzita. V pulzných laseroch je intenzita laserového žiarenia veľmi vysoká a môže dosiahnuť ja= 10 14 -10 16 W/cm 2 (porovnaj intenzitu slnečného žiarenia v blízkosti zemského povrchu ja= 0,1 W/cm2).

5. Vysoký jas. Pre lasery pracujúce vo viditeľnom rozsahu, jas laserové žiarenie (intenzita svetla na jednotku povrchu) je veľmi vysoké. Aj najslabšie lasery majú jas 10 15 cd/m 2 (pre porovnanie: jas Slnka L~ 109 cd/m2).

6. Tlak. Keď laserový lúč zasiahne povrch, má tlak (p). Pri úplnej absorpcii laserového žiarenia dopadajúceho kolmo na povrch vzniká tlak R= ja/s, kde ja- intenzita žiarenia, s- rýchlosť svetla vo vákuu. Pri úplnom odraze je tlak dvakrát vyšší. Pri intenzite ja= 1014 W/cm2 = 1018 W/m2, R= 3,3-109 Pa = 33000 atm.

7. Malý uhol divergencie v lúči. Kolimácia.Žiarenie je kolimovaný, to znamená, že všetky lúče v lúči sú navzájom takmer rovnobežné (obr. 6). Na veľkú vzdialenosť sa priemer laserového lúča zväčšuje len mierne (pre väčšinu laserov je uhol divergencie 1 oblúková minúta alebo menej). Pretože uhol divergencie je malý, intenzita laserového lúča so vzdialenosťou mierne klesá. Vysoká smerovosť umožňuje prenos signálov na veľké vzdialenosti s malým útlmom ich intenzity.

8. Polarizácia. Laserové žiarenie je úplne polarizované.

FEDERÁLNA AGENTÚRA ŽELEZNIČNEJ DOPRAVY

FEDERÁLNY ŠTÁTNY ROZPOČET

VZDELÁVACIA INŠTITÚCIA VYŠŠIEHO ODBORNÉHO VZDELÁVANIA

"MOSKOVSKÁ ŠTÁTNA UNIVERZITA KOMUNIKÁCIÍ"

Ústav dopravnej techniky a riadiacich systémov

Katedra technológie dopravnej techniky a opráv koľajových vozidiel

Esej

v odbore: „Elektrofyzikálne a elektrochemické metódy spracovania“

Téma: "Druhy a vlastnosti laserov"

Úvod

Vynález lasera sa radí medzi najvýznamnejšie úspechy vedy a techniky 20. storočia. Prvý laser sa objavil v roku 1960 a okamžite začal rýchly vývoj laserovej technológie. V krátkom čase vznikli rôzne druhy laserov a laserových zariadení, určené na riešenie konkrétnych vedeckých a technických problémov. Lasery si už získali pevné postavenie v mnohých odvetviach národného hospodárstva. Ako poznamenal akademik A.P. Alexandrov, každý chlapec už pozná slovo laser . A predsa, čo je laser, prečo je zaujímavý a užitočný? Jeden zo zakladateľov vedy o laseroch - kvantovej elektroniky - akademik N.G. Basov odpovedá na túto otázku takto: Laser je zariadenie, v ktorom sa energia, napríklad tepelná, chemická, elektrická, premieňa na energiu elektromagnetického poľa – laserového lúča. Pri takejto premene sa istá energia nevyhnutne stratí, ale dôležité je, že výsledná energia lasera je neporovnateľne kvalitnejšia. Kvalita laserovej energie je určená jej vysokou koncentráciou a schopnosťou prenášať na značnú vzdialenosť. Laserový lúč môže byť zaostrený do malého bodu s priemerom rádovo vlnovej dĺžky svetla a produkovať hustotu energie, ktorá v súčasnosti prevyšuje hustotu energie jadrového výbuchu.

Pomocou laserového žiarenia už bolo možné dosiahnuť najvyššie hodnoty teploty, tlaku a intenzity magnetického poľa. Napokon, laserový lúč je najpriestrannejším nosičom informácie a v tejto úlohe zásadne novým prostriedkom na jej prenos a spracovanie. . Široké využitie laserov v modernej vede a technike sa vysvetľuje špecifickými vlastnosťami laserového žiarenia. Laser je generátor koherentného svetla. Na rozdiel od iných svetelných zdrojov (napríklad žiaroviek alebo žiariviek) laser produkuje optické žiarenie vyznačujúce sa vysokým stupňom usporiadania vo svetelnom poli alebo, ako sa hovorí, vysokým stupňom koherencie. Takéto žiarenie je vysoko monochromatické a smerové. V súčasnej dobe lasery úspešne pracujú v modernej výrobe a zvládajú širokú škálu úloh. Laserový lúč sa používa na rezanie tkanín a rezanie oceľových plechov, zváranie karosérií automobilov a zváranie najmenších častí elektronických zariadení a dierovanie do krehkých a supertvrdých materiálov. Navyše laserové spracovanie materiálov umožňuje zvýšiť efektivitu a konkurencieschopnosť v porovnaní s inými typmi spracovania. Oblasť použitia laserov vo vedeckom výskume – fyzikálnom, chemickom, biologickom – sa neustále rozširuje.

Pozoruhodné vlastnosti laserov - výnimočne vysoká koherencia a smerovosť žiarenia, schopnosť generovať koherentné vlny vysokej intenzity vo viditeľnej, infračervenej a ultrafialovej oblasti spektra, získavanie vysokej hustoty energie v kontinuálnom aj pulznom režime - už na úsvite kvantovej elektroniky naznačili možnosť širokého spektra aplikácií laserov na praktické účely. Od svojho vzniku sa laserová technológia vyvíja mimoriadne vysokým tempom. Objavujú sa nové typy laserov a zároveň sa zdokonaľujú staré: vytvárajú sa laserové inštalácie so súborom charakteristík nevyhnutných pre rôzne špecifické účely, rôzne typy zariadení na riadenie lúča a viac sa zdokonaľuje meracia technika. a viac. To bol dôvod hlbokého prieniku laserov do mnohých odvetví národného hospodárstva, najmä do strojárstva a výroby nástrojov.

Zvlášť treba poznamenať, že rozvoj laserových metód alebo inak povedané laserových technológií výrazne zvyšuje efektivitu modernej výroby. Laserové technológie umožňujú najkompletnejšiu automatizáciu výrobných procesov.

Dnešné úspechy laserovej technológie sú obrovské a pôsobivé. Zajtrajšok sľubuje ešte väčšie úspechy. S lasermi sa spája veľa nádejí: od vytvorenia trojrozmernej kinematografie až po vyriešenie takých globálnych problémov, ako je vytvorenie pozemnej a podvodnej optickej komunikácie s ultra dlhým dosahom, odhalenie tajomstiev fotosyntézy, implementácia riadenej termonukleárnej reakcie, vznik systémov s veľkým množstvom pamäť a vysokorýchlostné informačné vstupné a výstupné zariadenia.

1. Klasifikácia laserov

Je zvykom rozlišovať dva typy laserov: zosilňovače a generátory. Laserové žiarenie sa objaví na výstupe zosilňovača, keď je na jeho vstupe prijatý malý signál na prechodovej frekvencii (a sám je už v excitovanom stave). Práve tento signál stimuluje excitované častice, aby uvoľnili energiu. Nastáva zosilnenie podobné lavíne. Na vstupe je teda slabé žiarenie a na výstupe zosilnené žiarenie. S generátorom je situácia iná. Na jeho vstup sa už neprivádza žiarenie na prechodovej frekvencii, ale dochádza k excitácii a navyše prebudeniu účinnej látky. Okrem toho, ak je účinná látka v nadmernom vzrušení, pravdepodobnosť spontánneho prechodu jednej alebo viacerých častíc z hornej úrovne na nižšiu sa výrazne zvyšuje. Výsledkom je stimulovaná emisia.

Druhý prístup ku klasifikácii laserov súvisí s fyzikálnym stavom účinnej látky. Z tohto hľadiska môžu byť lasery pevné (napríklad rubínový, sklenený alebo zafírový), plynové (napríklad hélium-neón, argón atď.), kvapalné, ak sa ako aktívna látka použije polovodičový prechod; , potom sa laser nazýva polovodičový.

Tretí prístup ku klasifikácii súvisí so spôsobom excitácie účinnej látky. Rozlišujú sa tieto lasery: s budením optickým žiarením, s budením prúdom elektrónov, s budením slnečnou energiou, s budením vďaka energii vybuchujúcich drôtov, s budením chemickou energiou, s budením pomocou jadrového žiarenia. Lasery sa vyznačujú aj povahou emitovanej energie a jej spektrálnym zložením. Ak je energia vyžarovaná pulzne, potom hovoria o pulzných laseroch, ak je kontinuálna, potom sa laser nazýva laser s kontinuálnou vlnou. Existujú aj lasery so zmiešaným režimom, ako sú polovodičové lasery. Ak je laserové žiarenie koncentrované v úzkom rozsahu vlnových dĺžok, potom sa laser nazýva monochromatický, ak je koncentrovaný v širokom rozsahu, potom sa nazýva širokopásmový laser.

Ďalší typ klasifikácie je založený na koncepcii výkonu. Lasery s trvalým (priemerným) výstupným výkonom vyšším ako 106 W sa nazývajú vysokovýkonné lasery. S výstupným výkonom v rozsahu 105...103 W máme lasery stredného výkonu. Ak je výstupný výkon menší ako 10-3 W, potom hovoria o nízkovýkonných laseroch.

V závislosti od konštrukcie rezonátora s otvoreným zrkadlom sa rozlišuje medzi lasermi s konštantným Q a Q-spínaným laserom - v takomto laseri môže byť jedno zo zrkadiel umiestnené najmä na osi elektromotora, ktorý sa otáča. toto zrkadlo. V tomto prípade sa faktor kvality rezonátora periodicky mení z nuly na maximálnu hodnotu. Tento laser sa nazýva Q-modulovaný laser.

2. Charakteristika lasera

Jednou z charakteristík laserov je vlnová dĺžka vyžarovanej energie. Rozsah vlnových dĺžok laserového žiarenia siaha od röntgenovej oblasti až po ďaleko infračervené, t.j. od 10-3 do 102 mikrónov. Za oblasťou 100 µm leží, obrazne povedané, panenskej pôdy . Ale siaha len do milimetrovej plochy, ktorú ovládajú radisti. Táto nezastavaná oblasť sa neustále zmenšuje a je nádej, že jej rozvoj bude v blízkej budúcnosti ukončený. Podiel, ktorý možno pripísať rôznym typom generátorov, nie je rovnaký. Najširší rozsah majú plynové kvantové generátory.

Ďalšou dôležitou charakteristikou laserov je pulzná energia. Meria sa v jouloch a najväčšiu hodnotu dosahuje v polovodičových generátoroch – asi 103 J. Treťou charakteristikou je výkon. Plynové generátory, ktoré vyžarujú nepretržite, majú výkon od 10-3 do 102 W. Milliwattové generátory energie využívajú ako aktívne médium zmes hélia a neónu. Generátory CO2 majú výkon asi 100 W. Pri polovodičových generátoroch má rozprávanie o sile osobitný význam. Napríklad, ak vezmeme 1 J vyžiarenej energie sústredenej v intervale jednej sekundy, potom bude výkon 1 W. Trvanie žiarenia rubínového generátora je však 10-4 s, preto je výkon 10 000 W, t.j. 10 kW. Ak sa trvanie impulzu skráti na 10-6 s pomocou optickej uzávierky, výkon je 106 W, t.j. megawatt Toto nie je limit! Energiu v impulze môžete zvýšiť na 103 J a skrátiť jeho trvanie na 10-9 s a potom výkon dosiahne 1012 W. A to je veľká sila. Je známe, že keď intenzita lúča dosiahne na kove 105 W/cm2, kov sa začne topiť, pri intenzite 107 W/cm2 začne kov vrieť a pri 109 W/cm2 laserové žiarenie začne silne ionizovať pary. látky, čím sa premenia na plazmu.

Ďalšou dôležitou charakteristikou lasera je divergencia laserového lúča. Plynové lasery majú najužší lúč. Je to hodnota niekoľkých oblúkových minút. Divergencia lúča pevnolátkových laserov je asi 1...3 uhlových stupňov. Polovodičové lasery majú lalokovú apertúru žiarenia: v jednej rovine asi jeden stupeň, v druhej - asi 10...15 uhlových stupňov.

Ďalšou dôležitou charakteristikou lasera je rozsah vlnových dĺžok, v ktorom je žiarenie koncentrované, t.j. monochromatické. Plynové lasery majú veľmi vysokú monochromatickosť, je to 10-10, t.j. výrazne vyššia ako u plynových výbojok, ktoré sa predtým používali ako frekvenčné štandardy. Pevné lasery a najmä polovodičové lasery majú vo svojom vyžarovaní značný frekvenčný rozsah, t.j. nie sú vysoko monochromatické.

Veľmi dôležitou vlastnosťou laserov je účinnosť. Pre tuhé látky sa pohybuje od 1 do 3,5 %, pre plyny 1...15 %, pre polovodiče 40...60 %. Zároveň sa prijímajú všetky možné opatrenia na zvýšenie účinnosti laserov, pretože nízka účinnosť vedie k potrebe chladenia laserov na teplotu 4...77 K a to okamžite komplikuje konštrukciu zariadení.

2.1 Pevné lasery

Pevné lasery sa delia na pulzné a kontinuálne lasery. Medzi pulznými lasermi sú bežnejšie zariadenia na báze rubínového a neodýmového skla. Vlnová dĺžka neodýmového lasera je l = 1,06 µm. Tieto zariadenia sú pomerne veľké tyče, ktorých dĺžka dosahuje 100 cm a priemer je 4 až 5 cm. Generačná energia impulzu takejto tyče je 1000 J za 10 až 3 sekundy.

Rubínový laser sa tiež vyznačuje vysokým pulzným výkonom s trvaním 10-3 sekúnd, jeho energia je stovky joulov. Frekvencia opakovania impulzov môže dosiahnuť niekoľko kHz.

Najznámejšie kontinuálne vlnové lasery sa vyrábajú na fluorite vápenatom s prímesou dysprózia a lasery na ytrium-hlinitom granáte, ktorý obsahuje nečistoty atómov kovov vzácnych zemín. Vlnová dĺžka týchto laserov je v rozsahu od 1 do 3 mikrónov. Impulzný výkon je približne 1 W alebo jeho zlomok. Ytrium hliníkové granátové lasery dokážu poskytnúť pulzný výkon až niekoľko desiatok wattov.

Pevnolátkové lasery spravidla používajú multimódový režim laserového žiarenia. Jednorežimový laser je možné dosiahnuť zavedením selekčných prvkov do dutiny. Toto rozhodnutie bolo spôsobené znížením výkonu generovaného žiarenia.

Ťažkosti pri výrobe pevnolátkových laserov spočívajú v potrebe pestovania veľkých monokryštálov alebo tavenia veľkých vzoriek priehľadného skla. Tieto ťažkosti sa podarilo prekonať výrobou kvapalinových laserov, kde aktívne médium predstavuje kvapalina, do ktorej sa zavádzajú prvky vzácnych zemín. Kvapalné lasery však majú množstvo nevýhod, ktoré obmedzujú rozsah ich použitia.

2.2 Kvapalné lasery

Kvapalné lasery sa nazývajú lasery s kvapalným aktívnym médiom. Hlavnou výhodou tohto typu zariadenia je schopnosť cirkulovať kvapalinu a podľa toho ju ochladiť. V dôsledku toho je možné získať viac energie v pulznom aj nepretržitom režime.

Prvé tekuté lasery boli vyrobené s použitím chelátov vzácnych zemín. Nevýhodou týchto laserov je nízka úroveň dosiahnuteľnej energie a chemická nestabilita chelátov. V dôsledku toho sa tieto lasery nepoužívali. Sovietski vedci navrhli použitie anorganických aktívnych kvapalín v laserovom médiu. Lasery založené na nich sa vyznačujú vysokými pulznými energiami a poskytujú indikátory priemerného výkonu. Kvapalné lasery využívajúce takéto aktívne médium sú schopné generovať žiarenie s úzkym frekvenčným spektrom.

Ďalším typom kvapalinových laserov sú zariadenia, ktoré pracujú s roztokmi organických farbív, ktoré sa vyznačujú širokými spektrálnymi luminiscenčnými čiarami. Takýto laser je schopný poskytovať nepretržité ladenie vyžarovaných vlnových dĺžok svetla v širokom rozsahu. Pri výmene farbív je pokryté celé viditeľné spektrum a časť infračerveného. Zdrojom pumpy v takýchto zariadeniach sú zvyčajne pevnolátkové lasery, ale je možné použiť aj plynové lampy, ktoré poskytujú krátke záblesky bieleho svetla (menej ako 50 μs).

2.3 Plynové lasery

Existuje veľa odrôd. Jedným z nich je fotodisociačný laser. Využíva plyn, ktorého molekuly sa vplyvom optického čerpania disociujú (rozpadnú) na dve časti, z ktorých jedna je v excitovanom stave a využíva sa na laserové žiarenie.

Veľkú skupinu plynových laserov tvoria lasery s plynovým výbojom, v ktorých je aktívnym médiom zriedený plyn (tlak 1-10 mm Hg) a čerpanie sa uskutočňuje elektrickým výbojom, ktorý môže byť žeravý alebo oblúkový a vzniká jednosmerným prúdom alebo vysokofrekvenčným striedavým prúdom (10 -50 MHz).

Existuje niekoľko typov laserov s plynovým výbojom. V iónových laseroch vzniká žiarenie prechodmi elektrónov medzi energetickými hladinami iónov. Príkladom je argónový laser, ktorý využíva jednosmerný oblúkový výboj.

Atómové prechodové lasery vznikajú prechodom elektrónov medzi energetickými hladinami atómov. Tieto lasery produkujú žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,4-100 mikrónov. Príkladom je héliovo-neónový laser pracujúci na zmesi hélia a neónu pod tlakom asi 1 mm Hg. čl. Na čerpanie sa používa žeravý výboj, vytvorený konštantným napätím približne 1000 V.

Medzi lasery s plynovým výbojom patria aj molekulárne lasery, v ktorých žiarenie vzniká prechodom elektrónov medzi energetickými hladinami molekúl. Tieto lasery majú široký frekvenčný rozsah zodpovedajúci vlnovým dĺžkam od 0,2 do 50 µm.

Najbežnejší z molekulárnych laserov na oxid uhličitý (CO2 lasery). Dokáže produkovať výkon až 10 kW a má pomerne vysokú účinnosť okolo 40 %. Do hlavného oxidu uhličitého sa zvyčajne pridávajú nečistoty dusíka, hélia a iných plynov. Na čerpanie sa používa jednosmerný prúd alebo vysokofrekvenčný žeravý výboj. Laser s oxidom uhličitým vytvára žiarenie s vlnovou dĺžkou asi 10 mikrónov. Schematicky je to znázornené na obr. 1.

Ryža. 1 - Princíp CO2 lasera

Typ CO2 laserov je plynodynamický. V nich je inverzná populácia potrebná pre laserové žiarenie dosiahnutá tým, že plyn, predhriaty na 1500 K pri tlaku 20-30 atm, vstupuje do pracovnej komory, kde expanduje a jeho teplota a tlak prudko klesajú. Takéto lasery dokážu produkovať kontinuálne žiarenie s výkonom až 100 kW.

Medzi molekulárne lasery patria takzvané excimerové lasery, v ktorých je pracovným médiom inertný plyn (argón, xenón, kryptón a pod.), prípadne jeho kombinácia s chlórom alebo fluórom. V takýchto laseroch sa čerpanie neuskutočňuje elektrickým výbojom, ale prúdom takzvaných rýchlych elektrónov (s energiou stoviek keV). Vyžarovaná vlna je najkratšia, napríklad 0,126 mikrónu pre argónový laser.

Vyššie výkony žiarenia je možné dosiahnuť zvýšením tlaku plynu a použitím čerpania ionizujúceho žiarenia v kombinácii s vonkajším elektrickým poľom. Ionizujúce žiarenie je prúd rýchlych elektrónov alebo ultrafialového žiarenia. Takéto lasery sa nazývajú elektroionizačné lasery alebo lasery so stlačeným plynom. Lasery tohto typu sú schematicky znázornené na obr. 2.

Ryža. 2 - Elektroionizačné čerpanie

V chemických laseroch sa vyrábajú excitované molekuly plynu využívajúce energiu chemických reakcií. Používajú sa tu zmesi niektorých chemicky aktívnych plynov (fluór, chlór, vodík, chlorovodík atď.). Chemické reakcie v takýchto laseroch musia prebiehať veľmi rýchlo. Na urýchľovanie sa používajú špeciálne chemické prostriedky, ktoré sa získavajú disociáciou molekúl plynu vplyvom optického žiarenia, alebo elektrického výboja, alebo elektrónového lúča. Príkladom chemického lasera je laser využívajúci zmes fluóru, vodíka a oxidu uhličitého.

Špeciálnym typom lasera je plazmový laser. Aktívnym prostredím v ňom je vysoko ionizovaná plazma pár kovov alkalických zemín (horčík, bárium, stroncium, vápnik). Na ionizáciu sa používajú prúdové impulzy so silou do 300 A pri napätí do 20 kV. Trvanie impulzu 0,1-1,0 μs. Žiarenie takéhoto lasera má vlnovú dĺžku 0,41-0,43 mikrónov, ale môže byť aj v ultrafialovej oblasti.

2.4 Polovodičové lasery

Hoci sú polovodičové lasery v tuhom stave, zvyčajne sa zaraďujú do špeciálnej skupiny. V týchto laseroch vzniká koherentné žiarenie v dôsledku prechodu elektrónov zo spodného okraja vodivého pásu k hornému okraju valenčného pásu. Existujú dva typy polovodičových laserov. Prvý má doštičku z čistého polovodiča, ktorý je čerpaný lúčom rýchlych elektrónov s energiou 50-100 keV. Možné je aj optické čerpanie. Ako polovodiče sa používajú arzenid gália GaAs, sulfid kademnatý CdS alebo selenid kademnatý CdSe. Čerpanie elektrónovým lúčom spôsobuje silné zahrievanie polovodiča, čo spôsobuje zhoršenie laserového žiarenia. Preto takéto lasery vyžadujú dobré chladenie. Napríklad gálium arzenidový laser sa zvyčajne ochladí na teplotu 80 K.

Čerpanie elektrónovým lúčom môže byť priečne (obr. 3) alebo pozdĺžne (obr. 4). Pri priečnom čerpaní sú dve protiľahlé plochy polovodičového kryštálu leštené a zohrávajú úlohu zrkadiel optického rezonátora. V prípade pozdĺžneho čerpania sa používajú vonkajšie zrkadlá. Pri pozdĺžnom čerpaní sa výrazne zlepšuje chladenie polovodiča. Príkladom takéhoto lasera je sulfidový laser kademnatý, ktorý generuje žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,49 μm a má účinnosť asi 25 %.

Ryža. 3 - Priečne čerpanie elektrónovým lúčom

Ryža. 4 - Pozdĺžne čerpanie elektrónovým lúčom

Druhým typom polovodičového lasera je takzvaný vstrekovací laser. Obsahuje p-n prechod (obr. 5), tvorený dvoma degenerovanými prímesovými polovodičmi, v ktorých je koncentrácia donorových a akceptorových prímesí 1018-1019 cm-3. Plochy kolmé na rovinu pn prechodu sú leštené a slúžia ako zrkadlá optického rezonátora. Na takýto laser sa privádza jednosmerné napätie, pod vplyvom ktorého sa znižuje potenciálová bariéra v pn prechode a vstrekujú sa elektróny a diery. V prechodovej oblasti začína intenzívna rekombinácia nosičov náboja, pri ktorej sa elektróny presúvajú z vodivého pásma do valenčného a dochádza k laserovému žiareniu. Arzenid gália sa používa hlavne pre vstrekovacie lasery. Žiarenie má vlnovú dĺžku 0,8-0,9 mikrónov, účinnosť je pomerne vysoká - 50-60%.

Ryža. 5 - Princíp konštrukcie vstrekovacieho lasera

zosilňovač generátor lúčová vlna

Miniatúrne vstrekovacie lasery s lineárnymi rozmermi polovodičov okolo 1 mm poskytujú výkon žiarenia v kontinuálnom režime až 10 mW a v pulznom režime môžu mať výkon až 100 W. Získanie vysokého výkonu vyžaduje silné chladenie.

Treba poznamenať, že v dizajne laserov existuje veľa rôznych funkcií. Len v najjednoduchšom prípade je optický rezonátor zložený z dvoch planparalelných zrkadiel. Používajú sa aj zložitejšie konštrukcie rezonátorov s rôznymi tvarmi zrkadiel.

Mnohé lasery obsahujú ďalšie zariadenia na kontrolu žiarenia umiestnené buď vo vnútri alebo mimo dutiny. Pomocou týchto zariadení sa laserový lúč vychyľuje a zaostruje a menia sa rôzne parametre žiarenia. Vlnová dĺžka rôznych laserov môže byť 0,1-100 mikrónov. Pri pulznom žiarení sa trvanie pulzu pohybuje od 10-3 do 10-12 s. Impulzy môžu byť jednotlivé alebo opakované s frekvenciou opakovania až niekoľko gigahertzov. Dosiahnuteľný výkon je 109 W pre nanosekundové impulzy a 1012 W pre ultrakrátke pikosekundové impulzy.

2,5 farbiace lasery

Lasery, ktoré používajú organické farbivá ako laserový materiál, zvyčajne vo forme kvapalného roztoku. Priniesli revolúciu do laserovej spektroskopie a stali sa zakladateľom nového typu laserov s dobou trvania impulzu kratšou ako pikosekunda (Ultrashort Pulse Lasers).

Dnes sa ako čerpací zvyčajne používa iný laser, napríklad diódový Nd:YAG laser, alebo argónový laser. Je veľmi zriedkavé nájsť farbiaci laser čerpaný bleskovou lampou. Hlavnou črtou farbivových laserov je veľmi veľká šírka zosilňovacej slučky. Nižšie je uvedená tabuľka parametrov pre niektoré farbiace lasery.

Existujú dve možnosti využitia takejto veľkej pracovnej plochy lasera:

ladenie vlnovej dĺžky, pri ktorej dochádza ku generovaniu -> laserová spektroskopia,

generácie naraz v širokom rozsahu -> generovanie extrémne krátkych impulzov.

Dizajn lasera sa líši podľa týchto dvoch možností. Ak sa na úpravu vlnovej dĺžky používa konvenčná schéma, pridávajú sa iba ďalšie jednotky na tepelnú stabilizáciu a výber žiarenia s presne definovanou vlnovou dĺžkou (zvyčajne hranol, difrakčná mriežka alebo zložitejšie schémy), potom je inštalácia oveľa zložitejšia. je potrebný na generovanie extrémne krátkych impulzov. Dizajn kyvety s aktívnym médiom je zmenený. Vzhľadom na to, že trvanie laserového impulzu je nakoniec 100 ÷30·10 ?15 (svetlo vo vákuu dokáže prejsť iba 30 ÷ 10 µm počas tejto doby), inverzia populácie by mala byť maximálna, čo sa dá dosiahnuť len veľmi rýchlym čerpaním roztoku farbiva. Aby sa to dosiahlo, používa sa špeciálna konštrukcia kyvety s voľným prúdom farbiva (farbivo sa čerpá zo špeciálnej dýzy rýchlosťou asi 10 m/s). Najkratšie impulzy sa získajú pri použití prstencového rezonátora.

2.6 Voľný elektrónový laser

Typ lasera, v ktorom je žiarenie generované monoenergetickým zväzkom elektrónov šíriacim sa vo vlnovitom – periodickom systéme vychyľovania (elektrických alebo magnetických) polí. Elektróny, ktoré vykonávajú periodické oscilácie, emitujú fotóny, ktorých energia závisí od energie elektrónov a parametrov undulátora.

Na rozdiel od plynových, kvapalinových alebo pevnolátkových laserov, kde sú elektróny excitované vo viazaných atómových alebo molekulárnych stavoch, je zdrojom žiarenia FEL zväzok elektrónov vo vákuu prechádzajúci cez sériu špeciálne umiestnených magnetov - undulátor (wiggler), ktorý núti lúč, aby sa pohyboval po sínusovej trajektórii, pričom stráca energiu, ktorá sa premieňa na prúd fotónov. Výsledkom je mäkké röntgenové žiarenie, ktoré sa využíva napríklad na štúdium kryštálov a iných nanoštruktúr.

Zmenou energie elektrónového lúča, ako aj parametrov undulátora (sila magnetického poľa a vzdialenosť medzi magnetmi) je možné meniť frekvenciu laserového žiarenia produkovaného FEL v širokom rozsahu. , čo je hlavný rozdiel medzi FEL a lasermi iných systémov. Žiarenie produkované FEL sa používa na štúdium nanometrových štruktúr - existujú skúsenosti so získavaním obrazov častíc malých ako 100 nanometrov (tento výsledok bol dosiahnutý pomocou röntgenovej mikroskopie s rozlíšením asi 5 nm). Návrh prvého laseru s voľnými elektrónmi publikoval v roku 1971 John M. J. Madey ako súčasť svojho doktorandského projektu na Stanfordskej univerzite. V roku 1976 Mady a kolegovia demonštrovali prvé experimenty s FEL s použitím 24 MeV elektrónov a 5-metrového wigglera na zosilnenie žiarenia.

Výkon lasera bol 300 mW a účinnosť bola iba 0,01 %, ale ukázalo sa, že táto trieda zariadení funguje, čo viedlo k obrovskému záujmu a prudkému nárastu počtu vývojov v oblasti FEL.

Doučovanie

Potrebujete pomôcť so štúdiom témy?

Naši špecialisti vám poradia alebo poskytnú doučovacie služby na témy, ktoré vás zaujímajú.
Odošlite žiadosť s uvedením témy práve teraz, aby ste sa dozvedeli o možnosti získania konzultácie.