Лазеры

Школа №24

Р Е Ф Е Р А Т

по физике

ЛАЗЕРЫ

Работу выполнил

ученик 10 «В» класса

Азлецкий Олег Олегович

Учитель:

Мезина Ольга Олеговна

Краснодар, 2000

Содержание.

Введение

Лазеры

Индуцированное излучение

Лазеры

Свойства лазерного излучения

Принцип действия лазеров

Трёхуровневая система

Устройство рубинового лазера

Классификации лазеров и их характеристики

Твердотельный лазер

Газовый лазер

Жидкостный лазер

Полупроводниковый лазер

Химический лазер

Ультрафиолетовый лазер

Лазер на свободных электронах

Лазер на ИАГ

Апротонный жидкостный лазер

Лазер на парах меди

Заключение

Литература

3

5

5

6

6

6

8

9

10

14

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

ВВЕДЕНИЕ

B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических иссле¬дованиях, в машиностроении, в медицине, в вычисли¬тельной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что ла¬зеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершен¬ствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических, химических, биологических.

B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет исполь¬зование лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высо¬томеры, локаторы, системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излу¬чения используется лазер.

В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для соз¬дания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в ка¬честве активного вещества.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопас¬ности посадки самолетов в сложных условиях.

В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обра¬ботка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.

В пищевой промышленности исследуются возможно¬сти применения лазеров для улучшения качества хлебо¬продуктов, ускорения производства безалкогольных на¬питков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предва¬рительная обработка режущего инструмента и подшип¬ников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.

Огромные средства направ¬ляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

ЛАЗЕРЫ.

На вопрос о том, что такое лазер1, академик Н.Г. Басов отвечал так: «Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».

Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуци¬рованного (вынужденного) излуче¬ния света атомами. Под индуци¬рованным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возник¬шая при индуцированном излучении световая волна не отличается от вол¬ны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вы¬нужденное излучение означает пере¬ход атома из высшего энергетиче¬ского состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излу¬чении, а под влиянием внешнего воздействия.

1 Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление света при помощи индуцированного излучения»).

Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для уси¬ления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Ба¬сов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцирован¬ного излучения для создания микро¬волнового генератора радиоволн с длиной волны =1,27 см.

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исклю¬чительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет не¬зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз¬ком интервале спектра кратковре¬менно (в течение промежутка време¬ни продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощ¬ность излучения Солнца равна толь¬ко 7•103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер¬вал =10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. На¬пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

h=E2–E1

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

2 2

1 1

а б Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

=E2–E1h

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в