Свойства и характеристика лазерного излучения

1. Монохроматичность (одинаковые частота (ν = 1/Т), период (Т = 1/ ν) и длина волны (λ = υT); визуально: одноцветность).

2. Лазерный луч полностью поляризован. Свет, у которого электрические колебания (вектор напряженности электрического поля ) совершаются только в одной плоскости, называется поляризованным.

3. Когерентность. Когерентными называются волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз (Δφ).

4. Острая направленность излучения (угол расходимости луча лазера очень мал, порядка 10^-4 рад).

5. Большая мощность излучения (~ 10⁷ Вт) и плотность потока энергии (интенсивности света) достигает 10⁹ Вт/см².

6. Напряженность электрического поля в световой волне достигает 10¹¹ В/см.

 

Применение лазерного излучения

1. Нагревание плазмы для осуществления термоядерной реакции.

2. Резка и сверление отверстий в металлах.

3. Проведение различных операций и диагностики в медицине.

4. Ускорение химических реакций.

5. Использование в связи, телевидении. Исключается возможность подслушивания. Большая плотность передачи информации.

6. Использование в военной, авиационной и космической технике.

 

Устройство лазера

 

Блок-схема лазера

(оптического квантового генератора)

 

 

Пульт управления

Блок конденсаторов

Выпрямительный блок

Блок поджига

Излучающая головка (лазер)

 

 

Рис. 4

 

Пульт управления включает в работу всю схему и контролирует её.

Выпрямительный блок – обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный, которым заряжается блок конденсаторов.

Блок конденсаторов предназначен для накопления электрической энергии.

Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный объем в лампах вспышки.

Излучающая головка преобразует электрическую энергию в лазерное излучение.

Лазер состоит из трех основных частей (рис. 5):

активной среды;

резонатора;

устройства накачки.

 

 

Резонатор

Активная среда

Устройство накачки

 

З₁                                         З₂

Рис. 5

 

Активная среда – это совокупность атомов, молекул или ионов, излучающих электромагнитные волны в оптическом диапазоне.

В качестве активной среды используются:

1. Газы и газовые смеси (газовые лазеры).

2. Кристаллы и стекла с примесью определённых ионов (твёрдотельные лазеры).

3. Растворы неорганических соединений редкоземельных элементов или сложных органических соединений (жидкостные лазеры).

4. Полупроводники(полупроводниковые лазеры) и др.

Резонатор - это устройство, предназначенное для создания мощного, направленного луча. Резонатор, как правило, представляет собой систему плоскопараллельных или сферических зеркал, одно из которых является полупрозрачным и служит для выхода лазерного пучка. Между зеркалами помещается активная среда. Расстояние между зеркалами резонатора подбирается так, что при работе лазера между ними образуется система стоячих волн, т.е. выполняется условие резонанса для той длины волны, которая генерируется данным лазером. В резонаторе усиливаются волны, распространяющиеся вдоль оси лазера. Все остальные колебания быстро затухают.

Устройство накачки. Как известно, излучение атомов происходит при переходе электронов с верхних на нижние энергетические уровни. Следовательно, атом активной среды должны быть возбуждены или накачены – с помощью источника энергии.

Процесс перевода атомов в возбуждённое состояние называется накачкой. Накачку можно осуществить несколькими способами:

1. внешним излучением (оптическая накачка).

2. бомбардировкой электронами атомов среды при газовом разряде.

3. передачей энергии возбуждения от неизлучающих атомов излучающим при тепловых столкновениях (этот способ накачки осуществляется в гелий-неоновом лазере).

Рассмотрим несколько конкретных примеров лазеров.

 

Гелий - неоновый лазер

 

В качестве активного вещества применяется смесь газов— гелия и неона (Р_He = 1 мм. рт. ст + P_Ne = 0,1 мм. рт. ст.) в разрядной трубке. Возбуждение осуществляется за счет тлеющего разряда (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Схема гелий-неонового лазера: 1 − разрядная трубка; 2 − зеркала, одно прозрачно, другое полупрозрачно (8-10% пропускания); 3 − высоковольтный источник тока (1,5 кВ).

 

На рис. 7 показаны некоторые, интересующие нас уровни энергии атомов. Для получения индуцированного лазерного излучения, используется инверсная заселённость уровней 3S и 2P неона. Инверсная заселённость достигается следующим образом.

Смесь газов гелия (парциальное давление – 1 мм. рт. ст.) и неона (0,1 мм. рт. ст.) помещается в газоразрядную трубку. Внешний электрический источник поддерживает в трубке тлеющий разряд. Атомы гелия, соударяясь с электронами разряда, переходят в возбуждённое состояние 2S. Обратный переход маловероятен, т.к. состояние 2S метастабильно («почти стабильно»), время жизни атомов гелия в этом состоянии велико τ = 10 ^–3 с.

 

Nе Не     W,эВ          t = 10^-3 с                                t = 10^-6 с     3s 21                  2s                                       лазерное                                                    t = 10^-8 с  излучение 2p 20   электрон-ные удары 19   18                                                                                          1s 17                                                               диффузия к                                                                        стенкам 16   15                        основное состояние атома 0         гелий                                 неон

Рис. 7

 

До истечения времени жизни, атомы гелия успевают столкнутся с атомами неона и путём неупругого удара отдают запасённую энергию. Это приводит к возбуждению атома неона до уровня 3S. При переходе 3S — 2P происходит излучение фотонов красного цвета. Время жизни электронов на уровне 2P относительно невелико (10 ^–8  с против 10 ^–6с на уровне 3S), поэтому они быстро покидают это уровень, переходя в состояние 1S. Таким образом, в среднем на уровне 3S накапливается больше электронов, чем на уровне 2р, т.е. осуществляется инверсная заселённость. Случайный фотон, энергия которого соответствует разности энергий на уровнях 3S и 3P, может вызвать лавинообразное нарастающее индуцированное излучение.

Переходу 2P - 1S сопутствует спонтанное излучение. Уровень 1S также метастабильный, переход атомов неона в основное состояние происходит путём соударения их со стенками газоразрядной трубки. Поэтому трубки лазера имеют, как правило небольшой диаметр (около 5 мм). Энергия, выделенная при переходах 2P - 1S и 1S – основное состояние – это энергия потерь, объективно необходимая для обеспечения работы лазера.