Лазеры. Строение и применение

Реферат

По физике

На тему: «Лазеры. Строение и применение»      
 
 
 
 

Исполнитель:              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2006 год

Содержание:  

1. Введение.  

2. История возникновения  лазеров.  

3. Оптические  квантовые генераторы – уникальные  источники света.          

3.1. Индуцированное  излучение.        

3.2. Принцип действия  лазеров.        

3.3. Основные  свойства лазерного луча                    

3.3.1. Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность.                  

3.3.2. Гигантский  импульс.          

3.4. Характеристики  некоторых типов лазеров.  

4. Практическое  применение оптических квантовых  генераторов.          

4.1. Применение  лазерного луча в промышленности  и технике        

4.2. Применение  лазеров в медицине.                    

4.2.1. Лазер в  офтальмологии.          

4.3. Лазеры в  вычислительной технике.                    

4.3.1. Лазерные  технологии – средство записи  и обработки информации.                  

4.3.2. Лазерный  принтер.                  

4.3.3. Оптическая  цифровая память.                  

4.3.4. Лазерная  связь и локация.                  

4.3.5. Лазерные  системы навигации и обеспечения  безопасности полетов.                  

4.3.6. Лазерные  системы управления оружия.  

5. Голография.          

5.1. Возникновение  голографии.        

5.2. Способы голографирования.         

5.3. Применение  голографии.  

6. Заключение.  

7. Список литературы.

1.Введение.

    Световой  луч! С давних времен человек в  своих мечтах видел в нем надежного  и мощного помощника, свободно проникающего в темницы, разрушающего любые преграды, способного защитить от любого врага. К всемогущему лучу обращались и  многие писатели-фантасты. Всемирно известны романы “Война миров” Г. Уэллса и “Гиперболоид инженера Гарина” А. Толстого. Но в  этих романах световой луч оказывался в руках сил зла, которые использовали лучи для разрушения. Люди же мечтали  о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. И этой мечте суждено было сбыться. Реальностью стали лазеры, которые  успешно “трудятся” в клиниках, на заводах, на строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях.

    Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер  появился в 1960 году, и с тех пор  происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы  разнообразные типы лазеров и  лазерных устройств, предназначенных  для решения конкретных  научных и технических задач. Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства, непрерывно расширяется область использования лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов.

    Цель  данного реферата – узнать и понять самому, а также ознакомить окружающих с таким изобретением, как лазер. Узнать: когда и кем он был изобретен, принцип его действия, его разновидности, область применения, а также перспективы  развития данной технологии.

2.История  возникновения лазеров.

3.Оптические  квантовые генераторы  – уникальные  источники света.

3.1. Индуцированное излучение.  

    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.

    В основу лазеров было положено явление  индуцированного излучения, существование  которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той  частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на так называемые высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся  на этих уровнях, если таковые имеются  в среде.

    Характерная особенность этого излучения  заключается в том, что испускаемый  свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним  по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

    Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней  мере большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение.

    Пространство  между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов. Значительное усиление света достигается тогда, когда угол a очень мал. Тогда свет испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг  друга.   

3.2. Принцип действия  лазеров.  

    Лазерное  излучение - есть свечение объектов при  нормальных температурах. Но обычных  условиях большинство атомов находятся в 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:   

    hv=E₂-E₁,   

    где hv - 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   

     ,  

    где v - частота волны,     

      Е₂ - Е₁ -  разница энергий высшего и низшего уровней,     

      h - длина волны.  

эта волна  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.   

3.3. 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. 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. Тогда источники волн можно  назвать когерентными.

    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

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.

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

    I = I₁ + I₂ + I₁₂,

    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).

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 ¹ 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.

3.3.1. Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность.   

    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.

    Мощность  лазера. Лазеры являются самыми мощными  источниками светового излучения. В узком интервале спектра  кратковременно (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.

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

    Метод модулированной добротности. Чтобы  увеличить число атомов, участвующих  почти одновременно в усилении светового  потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы  накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации  лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

    Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система  выйдет из условия генерации. Продолжительность  зависит от многих факторов, но обычно составляет 10^-7 —10^-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

    Более частое повторение импульсов может  быть достигнуто модуляцией добротности  с помощью ячейки Керра (быстродействующий  модулятор света). Ячейку Керра и  поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию  лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована  так, чтобы при наложении на нее  напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается  в такой момент времени, чтобы  начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания  этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса  физики опытом с турмалином.

    Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим  методам модуляции добротности.

3.3.2 Гигантский импульс  

    Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым  называют импульс, обладающей очень  большой энергией при сверхмалой длительности.

    Сама  по себе идея создания гигантского  импульса проста при использовании  оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10^-8 с., а максимальная мощность 10⁸ Вт.  

3.4 Характеристики некоторых  типов лазеров.  

    Разнообразие  лазеров. В настоящее время имеется  громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими  характеристиками. Нет необходимости  все их описывать. Поэтому здесь  даётся краткое описание лазеров, которые  достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

o       Рубиновый лазер. 

Первым  квантовым генератором  света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

    Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl₂O₃ (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr₂Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr⁺³. В решетке кристалла А₂О₃ ион Сг⁺³ замещает ион Аl⁺³. Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна—в зеленой, другая—в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг⁺³: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг⁺³ достигает 1%.

    Наряду  с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких  энергетических уровня Е₁ и Е₁^’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения 1  = 692,8 нм и малый — для 1 = 694,3 нм. 

    При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr⁺, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr⁺³ очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е₁, Е₁^’. При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е₁, Е₁^’ метастабильны. Время жизни на уровне Е₁ равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е₁, Е₁^’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е₀ (это уровень невозбужденных атомов).

    Кристалл  рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр  d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

    Один  из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение  луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

o       Газовый лазер.

Для таких  лазеров в качестве активного  вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

o       Гелий-неоновый лазер.

Активной  средой является газообразная смесь  гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими  уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия  передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

    Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных  переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится  в видимой части спектра, а  волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

    При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2³S и 2²S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, — около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

o       С0₂-лазер с замкнутым объемом.

Молекулы  углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных  и вращательных уровней энергии. Используемый в CO₂ - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO₂ передается от молекул азота N₂, которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

    Возбужденное  состояние молекулы азота N₂ является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см ^-1, что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO₂. Ввиду метастабильности возбужденного состояния N₂ при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N₂ с CO₂ происходит резонансная передача энергии возбуждения от N₂ к CO₂. Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO₂. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).