Принцип работы лазера и его применение

Принцип работы лазера и его применение» Выполнил: Студент гр. 06 - 206 Пороскун Е.С. Москва 1. Особенности лазерного излучения 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.Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление света в результате вынужденного излучения”. Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера это вынужденное испускание излучения.

Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы) В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона.

Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов.При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов.

Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное.

Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г. Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов.

Произойдет усиление спонтанного излучения.На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А.Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе. При одновременном рождении ( принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины.

В результате мы получим потоки квантов света ,но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном.Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией ,совпадающей с энергией данного перехода в атоме.

В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи.Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал.

Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал.При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала.

На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки.Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = О,05% хрома.

При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки.При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня.

На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома. Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов,и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса==0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы.

Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ. С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды.

В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время. В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения.Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =10Вт. Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения. При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины.

При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться.

На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10-1*10 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе. Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения.

Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча - его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями. 2. Лазерная технология Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п. Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима.

С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки.

Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм. Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом.

В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.

При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов.

Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов.Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100мч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч. 6. Применение лазеров в военной технике (лазерная локация) а) наземная локация Как сообщает печать, за рубежом разрабатывается ряд стационарных лазерных локаторов.

Эти локаторы предназначены для слежения за ракетами на начальном этапе полета, а также для слежения за самолетами и спутниками.Большое значение придается лазерному локатору, включенному в систему ПРО и ПКО. По проекту американской системы именно оптический локатор обеспечивает выдачу точных координат головной части или спутника в систему лазерного поражения цели. Локатор типа "ОПДАР" предназначен для слежения за ракетами на активном участке их полета.

Тактические требования определяют незначительную дальность действия локатора, поэтому на нем установлен газовый лазер, работающий на гелий-неоновой смеси, излучающий электромагнитную энергию на волне 0.6328мкм при входной мощности всего 0.01Вт. Лазер работает в непрерывном режиме, но его излучение модулируется с частотой 100МГц. Передающая оптическая система собрана из оптических элементов по схеме Кассагрена, что обеспечивает очень незначительную ширину расходимости луча. Локатор монтируется на основании, относительно которого он может с помощью следящей системы устанавливаться в нужном направлении с высокой точностью.

Эта следящая система управляется сигналами, которые поступают через кодирующее устройство. Разрядность кода составляет 21 единицу двоичной информации, что позволяет устанавливать локатор в нужном направлении с точностью около одной угловой секунды.Приемная оптическая система имеет диаметр входной линзы 300мм. В ней установлен интерференционный фильтр, предназначенный для подавления фоновых помех, а также устройство, обеспечивающее фазовое детектирование отраженной ракетой сигналов.

В связи с тем, что локатор работает по своим объектам, то с целью увеличения отражательной способности ракеты на нее устанавливается зеркальный уголковый отражатель, который представляет собой систему из пяти рефлекторов, обеспечивающих распределение упавшей на них световой энергии таким образом, что основная ее часть идет в сторону лазерного локатора.

Это повышает эффективность отражающей способности ракеты в тысячи раз. Локатор имеет три устройства слежения по углам: точный и грубый датчики по углам и еще инфракрасную следящую систему. Технические данные первого датчика определяются в основном оптическими характеристиками приемо-передающей системы. А так как диаметр входной оптической системы равен 300мм и фокусное расстояние равно 2000м, то это обеспечивает угловую разрешающую способность 80 угловых секунд.Сканирующее устройство имеет полосу пропускания 100Гц. Второй датчик имеет оптическую систему с диаметром 150мм и меньшее фокусное расстояние.

Это дает разрешающую способность по углу всего 200 угловых секунд, т.е. обеспечивает меньшую точность, чем первый. В качестве приемников излучения оба канала оснащены фотоумножителями, т.е. наиболее чувствительными элементами из имеющихся. Перед приемником излучения располагается интерференционный фильтр с полосой пропускания всего в 1.5 ангстрема.Это резко снижает долю приходящего излучения от фона. Полоса пропускания согласована с длиной волны излучения лазера, чем обеспечивается прохождение на приемник только своего лазерного излучения.

Локатор позволяет работать в пределах от 30 до 30000м. Предельная высота полета ракеты 18000м. Сообщается, что этот локатор обычно располагается от ракеты на расстоянии около 1000м и на линии, составляющей с плоскостью полета ракеты 45 градусов.Измерение параметров движения ракеты с такой высокой точностью на активном участке полета дает возможность точно рассчитать точку ее падения.

Локатор для слежения. Рассмотрим локатор созданный по заказу НАСА и предназначенный для слежения за спутниками. Он предназначался для слежения за собственными спутниками и работал совместно с радиолокатором, который выдавал координаты спутника с низкой точностью. Эти координаты использовались для предварительного наведения лазерного локатора, который выдавал координаты с высокой точностью.Целью эксперимента было определение того, насколько отклоняется истинная траектория спутника от расчетной чтобы узнать распределение поля тяготения Земли по всей ее сфере. Для этого на полярную орбиту был запущен спутник "Эксплорер-22". Его орбита была рассчитана с высокой точностью, но в качестве исходных данных вложили информацию, что поле тяготения определяется формой Земли, т.е. использовали упрощенную модель.

Если же теперь в процессе полета спутника наблюдалось уменьшение высоты его относительно расчетной траектории, то очевидно, что на этом участке имеются аномалии в поле тяготения.

По спутнику "Эксплорер-22" была, по сообщению НАСА, проведена серия экспериментов и часть этих данных была опубликована. В одном из сообщений говорится, что на расстоянии 960 км. ошибка в дальности составляла 3м. Минимальный угол, считываемый с кодируемого устройства, был равен всего пяти угловым секундам.Интересно, что в это время появилось сообщение, что американцев опередили в их работе французские инженеры и ученые.

Сотрудники лаборатории Сан-Мишель де Прованс провели серию экспериментов по наблюдению за тем же спутником, используя лазерный локатор своего производства.