Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Лазеры и их применение

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………..………………………….…………………..………….3

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ.……………………...…....4

1.1. К ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА……….……………………….…….4

1.2. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ……………………………………………………………………….7

1.3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА……..............................5

1.4. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ……………………………………….…..14

1.4.1. ЛАЗЕР НА РУБИНЕ …………………………..................................14

1.4.2. ЛАЗЕР НА ГРАНАТЕ С НЕОДИМОМ ………………………..….16

1.4.3. ЛАЗЕРЫ НА СТЕКЛАХ ………………………………………..…..17

1.5. ЛАЗЕРЫ НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ…….11

1.6. ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ........ 12

1.6.1. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР………………………............................20

1.7.ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР……………………………………………….....18

1.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР………………………………….…22

1.9 ПЛАЗМЕННЫЕ ЛАЗЕРЫ……………………………………………..…23

2.ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ…………..……......................................................24

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ……….24

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ………………………...…..27

2.3 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ………………….28

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ………………..……………………………………………......29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………...………………………………….…….……32

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………...33

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящена изучению оптических квантовых генераторов (лазеров). Выбор мною данной темы обусловлен тем, что в настоящее время лазеры и лазерные системы широко применяются во многих областях науки и техники.

Целью настоящей работы является изучение лазерных технологий, что предполагает решение следующих задач:

рассмотреть принцип работы различных типов лазеров;
узнать способы повышения мощности лазерного излучения;
рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для данной работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 К ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Эти своеобразное название «лазер» является сокращением полного названия: laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном (индуцированном) излучении. Это был первый шаг на пути к созданию лазера. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, который в 1939г. указал на возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. В 1951г. В. А. Фабрикант вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного излучения. Данный способ отличался тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям.

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот. В мае 1952г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США амер. физиком Ч. Таунсом.

В 1954г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, был разработан и создан независимо и одновременно в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч. Таунса). Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

В 1955г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количеств водорода и гелия. В 1958г. А. М. Прохоров и независимо от него амер. физики А. Шавлов и Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных, а открытых резонаторов. Конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки, и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения.

В 1959г. в свет вышла работа Н. Г. Басова, Б. М.Вула, Ю. М. Попова с теоретическим обоснование идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания.

Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. В 1960г. Т. Мейман опубликовал в двух научных журналах сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о появлении первого «оптического мазера» – лазера на рубине. В том же 1960г. амер. физикам А. Джанаву, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957г.

1.2 ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора — оптического квантового генератора или лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики.

Представление о квантовых энергетических уровнях было введено в физику Н. Бором в 1913г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) излучения и резонансного (избирательного) поглощения света атомами. В 1919г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует еще и третий процесс – вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне , если таковые имеются в среде.

Характерная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. совпадает с ним по всем признакам — по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты, какие уводит из него резонансное поглощение. Поэтому на опыте проявляется только разность поглощенного и вынужденного излучения. Поглощают свет атомы, находящиеся на нижнем из двух участвующих в игре уровней, излучают же атомы, находящиеся на верхнем уровне. Ввиду этого, если среда содержит на нижнем уровне больше атомов, чем на верхнем, то преобладает поглощение и световой пучок ослабляется средой. Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладает вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет.

Процесс вынужденного излучения является обратным процессу, в котором электромагнитные волны, или фотоны, поглощаются атомными системами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона превращается во внутреннюю энергию атома. В результате атом переходит в «возбужденное» квантовое состояние. Позднее он может излучать эту энергию спонтанно, испустив фотон и вернувшись в «основное» или в какое-либо промежуточное состояние. В течение времени, когда атом все еще возбужден, его можно вынудить испустить фотон, если с ним столкнется внешний фотон, имеющий энергию, точно равную энергии возбуждения. В результате появления нового фотона, или волны, число фотонов увеличивается на тот фотон, который испустил предварительно возбужденный атом. Еще более важно и замечательно то, что эта волна испускается точно в фазе с волной, которая запустила ее.

Рисунок 1- Процесс создания вынужденного излучения.

Вынужденное излучение фотонов (внизу) является основой действия лазера, в противоположность поглощению (вверху) и спонтанному излучению (в середине). Когда атом в «основном» состоянии (черный кружок вверху слева) поглощает фотон (волнистая цветная стрелка), он возбуждается, или переходит в более высокое состояние (белый кружок вверху справа). Возбужденный атом (в середине слева) может спонтанно излучить энергию, испуская фотон и возвращаясь в основное состояние (в середине справа). Возбужденный атом (внизу слева) можно заставить испустить фотон при соударении с внешним фотоном. Тогда в дополнение к вынуждающему фотону появляется второй фотон с той же самой длиной волны (снизу справа), и атом возвращается в основное состояние. Это явление лежит в основе действия лазера (рисунок 1).

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия, определяемая формулой (1):

hν=E₂-E₁, (1)

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E₂ - энергия высшего энергетического уровня,

E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

, (2)

где v - частота волны,

Е₂ - Е₁ - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны.

Волна, описываемая уравнением (2) будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

Вынужденные переходы получили очень важное практическое применение. На их основе созданы молекулярные генераторы и усилители в сантиметровом диапазоне радиоволн (мазеры), а также оптические квантовые генераторы (лазеры) – источники света в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях, обладающие уникальными свойствами.

1.3 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.2(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 2(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

а б

рис 2.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е₁ - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда, согласно принципу суперпозиции, напряженность поля в точке А равна:

Е = Е₁ + Е₂ (3)

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E² (4)

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I₁ + I₂ + I₁₂, (5)

где I₁ - интенсивность света первого пучка, I₂ - интенсивность света второго пучка. Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно:

I₁₂ = 2 (E₁ * E₂) (6)

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I₁ + I₂, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно, некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I <> I₁ + I₂. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других – меньше интенсивностей I₁ и I₂. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10³ Вт/см², причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10^-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². Если задача заключается в преодолении порога в 10¹⁷ Вт/см², то прибегают к различным методам повышения мощности.

Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

1.4 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Выбор рабочего вещества для оптических квантовых генераторов определяется, главным образом, возможностью достижения инверсной населенности для некоторой пары уровней энергии. Режим генерации наступает в том случае, когда эффект усиления света компенсирует потери энергии за счет процессов рассеяния, перепоглощения и т.п. для генерации света используются как кристаллы, так и жидкости и газы. Несмотря на существенные различия в системах энергетических уровней, во временах жизни возбужденных состояний различных соединений, используемых в различных лазерах, основные принципы действия квантовых генераторов света одинаковы.

Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляют собой диэлектрический кристалл или стекло, в которые введены в виде примеси специальные ионы, играющие роль активных центров. В твердотельных лазерах используется только оптическая накачка.

В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу в виде смеси активатор (активные центры). Используются как кристаллические, так и аморфные матрицы. В настоящее время эффект вынужденного испускания обнаружен примерно у 300 диэлектрических кристаллов, активированных примесями ионов переходных групп. Наиболее широко используются так называемые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой. К ним относятся, в частности, кристалл окиси алюминия (Al₂O₃), активированный ионами хрома (Cr³⁺), а также кристалл иитрий-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂), активированный ионами неодима (Nd³⁺). Первый кристалл есть активный элемент лазера на рубине, а второй – лазера на гранате с неодимом. Указанные лазеры являются, пожалуй, наиболее широко применяемыми твердотельными лазерами.

1.4.1 ЛАЗЕР НА РУБИНЕ

Первый квантовый генератор света был создан в 1961 г. Мейманом на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 (корунд), в который при его выращивании введена окись хрома Cr2O3 обычно в количестве нескольких сотых долей процента. Окись хрома изоморфно входит в кристаллическую решетку корунда. В результате введения примеси ионов хрома прозрачный кристалл корунда приобретает розовую окраску.

Рубину придают форму цилиндрического стержня с диаметром 0,1-2 см и длиной от 2 до 20 см и больше. Концы стержня тщательно отполированы. Они могут служить зеркалами и тогда их серебрят. В результате стержень и два параллельных друг другу зеркала на его торцах образуют оптических резонатор. Зеркала могут быть и внешними, тогда серебрение не нужно. Для освещения рубинового стержня применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов (напряжение 2-3кВ). Длительность вспышки порядка одной миллисекунды. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня (рисунок 3).

Рисунок 3 – Лазерная установка.

Рубиновый лазер получает энергию от импульсной лампы, которая является источником энергии накачки. Испускаемый луч выходит через частично посеребренный торец рубинового кристалла. Другой торец кристалла полностью покрыт серебром. Луч создается при многократном отражении от торцов кристалла. Для охлаждения рубина используется жидкий азот, хотя рубин может работать и при комнатной температуре. Показана только передняя сторона кожуха лазерной установки (справа).

Она может быть и прямолинейной. Тогда применяют зеркальные осветители, имеющие форму эллиптических цилиндров с внутренними отражающими поверхностями. Лампа-вспышка располагается вдоль одной из фокальных линий цилиндра; отраженный свет концентрируется на рубиновом стержне, помещаемом вдоль другой фокальной линии. На рис.4 показано как реализуется оптическая накачка твердотельного лазера. Источник накачки (например, газоразрядная лампа-вспышка) имеет форму прямого цилиндра и помещается параллельно активному элементу. И лампа накачки, и активный элемент находятся внутри отражателя, отражающая поверхность которого представляет собой боковую поверхность цилиндра с основанием в форме эллипса. Сделаем мысленно сечение плоскостью, перпендикулярной к оси активного элемента. В этом сечении поверхность отражателя есть эллипс; активный элемент и лампа-вспышка находятся в фокусах эллипса. Известно, что световые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллиптической поверхности приходят в другой фокус. В результате накачивающее излучение оказывается максимально сфокусированным на активном элементе.

Рисунок 4 - Практическая реализация оптической накачки в твердотельном лазере

На практике применяют отражатели разных конструкций. Используется, например, двухламповый отражатель; по сравнению с одноламповым такой отражатель позволяет повысить мощность выходного излучения. В конструкциях твердотельного лазера роль зеркал оптического резонатора выполняют специально обработанные торцы активного элемента; в этом случае длина резонатора совпадает с длиной активного элемента.

1.4.2 ЛАЗЕР НА ГРАНАТЕ С НЕОДИМОМ

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, активированном ионами неодима, является в настоящее время наиболее широко применяемым твердотельным лазером. Он имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования световых импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме. КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов.

Для накачки рассматриваемого лазера применяют криптоновые лампы. Иногда в кристаллическую решетку граната дополнительно вводят еще одну примесь – ионы хрома, что позволяет применять для накачки ксеноновые лампы. Возбужденные ионы хрома передают энергию возбуждения активным центрам – ионам неодима.

1.4.3 ЛАЗЕРЫ НА СТЕКЛАХ

Достаточно широко применяются лазеры на стеклах, активированных редкоземельными элементами, в частности неодимом. Используются различные стекла: боратные (на основе оксида бора), свинцовые (на основе окислов свинца), фосфатные (на основе окислов фосфора), фтористые (на основе фторида бериллия), кварцевые и др. стеклянные активные элементы относительно дешевы, легко изготавливаются в виде длинных стержней, оптически однородны; они допускают введение активатора в больших концентрациях. Главный недостаток стекол – их низкая теплопроводность, вследствие чего они используются лишь в импульсных режимах с относительно низкой частотой следования импульсов.

1.5 ЛАЗЕРЫ НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ

В жидкостных лазерах в качестве активной среды используются жидкости: либо растворы органических красителей, либо специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Различают два типа таких специальных жидкостей – металлоорганические (хелатные) и неорганические (апротонные). В жидкостных лазерах применяют оптическую накачку.

Среди жидкостных лазеров наиболее широко применяются лазеры на растворах органических красителей. Активная среда таких лазеров представляет собой жидкий растворитель (вода, метанол, этанол, толуол, бензол, ацетон и др.), в котором находятся молекулы органического красителя, играющие роль активных центров.

Красители – сложные органические соединения, характеризующиеся широкими полосами поглощения в видимой и ближней ультрафиолетовых областях спектра. В настоящее время лазерная генерация получена более чем на 200 различных красителях. Общий диапазон длин волн, генерируемых различными красителями, составляет 0,3 … 1,3 мкм. Подбирая соответствующие красители, можно получить когерентное излучение любой длины волны из указанного диапазона.

Для возбуждения красителей применяют как лазерную, так и нелазерную (ламповую) накачку. В первом случае в качестве источника накачивающего излучения используется вспомогательный лазер; во втором – газоразрядная лампа. При лазерной накачке накачивающее излучение имеет либо частоту рабочего перехода вспомогательного лазера, либо вдвое (втрое) высокую частоту. В последнем случае говорят, что используется вторая (третья) гармоника излучения вспомогательного лазера.

В качестве вспомогательного лазера часто применяют лазер на стекле с неодимом, а также на гранате с неодимом. При этом реализуется импульсная лазерная накачка. Она может осуществляться либо по поперечной, либо по продольной схеме. При поперечной импульсной накачке накачивающее лазерное излучение распространяется перпендикулярно к направлению, в котором происходит генерация излучения красителя, а при продольной – параллельно. В качестве примера на рисунке 5 показан один из вариантов продольной схемы накачки.

Рисунок 5 - Схема продольной накачки лазера на красителе.

Кювета с красителем находится внутри резонатора, у которого одно из зеркал заменено призмой полного внутреннего отражения. Выходное зеркало резонатора полностью непрозрачно для накачивающего излучения. Накачивающее излучение, распространяясь вдоль оси резонатора 00, попадает через призму в кювету с красителем и возбуждает молекулы красителя. Генерируемое в красителе излучение выходит через выходное зеркало резонатора.

Наряду с импульсной применяют также непрерывную лазерную накачку. Для этого часто используют аргоновый ионный лазер. Накачивающее излучение фокусируют в растворе красителя в пределах области 10 мкм. Чтобы краситель не перегревался, его быстро прокачивают через зону генерации. Прокачка красителя важна и в других отношениях, например, с точки зрения удаления из зоны генерации продуктов фотораспада.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10—50 кГц.