LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Легенда

Повече от две хилядолетия историята предава от поколение на поколение легендата за подпалването на римските галери на Клавдий Марцел от Архимед по времето на Втората пуническа война /214 г. преди н. е./. Архимед използвал огледала, които фокусирали слънчевите лъчи върху корабите.

Легенда

"На 10 април следобед при достатъчно ярко слънце подпалихме борова насмолена дъска на отдалечение 150 фута само с помощта на 128 огледала: пламването стана съвършено внезапно, при това по цялата площ на дъската.“

Из мемоарите на френският естественик Жорж Бюфон – 1747г.

История

Пръв, който изказва предположение, че е възможно стимулирано излъчване на светлината, е Алберт Айнщайн (1917 г.).

История

Таунс Басов

За година на раждане на квантовата електроника се приема 1954 г., когато съветските учени Н. Г. Басов и А. М. Прохоров от физическия институт "П. Н. Лебедев" и американците Ч. Таунс, Дж. Гордън и X. Цайгер от Колумбийския университет едновременно и съвсем независимо едни от други получили с помощта на молекули стимулирано излъчване на електромагнитни трептения със свръхвисока честота. Такъв уред човечеството не било виждало до този момент. Съветските учени го нарекли молекулен генератор, а американците — мазер.

История

През юни 1960 г. в лондонското списание 'Физикъл ревю летърз" се появило съобщение от Т. Маймън, че е получил червена флуоресценция на рубинов кристал, като го осветявал със зелена светлина.

Два месеца по-късно списание "Нейчър" съобщава за работата на лазер. Принципът на действие на този уред бил еднакъв с принципа на действие на мазера, но разширен и приложен за електромагнитни вълни в оптичния диапазон, поради което Маймън просто заменил първата буква на думата мазер с "л" и тази скромна операция отбелязала началото на лазерната епоха.

Атом - структура

Електрон: Ядро: ( ) зареден (+) заряд Орбита: “обвивка”, “електронен облак” – вероятността електронът да се намира някъде около ядрото

Квантов модел Водороден атом

Разпределение на електронните “обвивки” Енергетични нива

0 -1,5 eV -3,4 eV

n = 3 n = 2 3d 3s 3p 2p 2s

-5 -10 -13,6 eV -15 E [eV]

n = 1 1s

Квантови състояния

• • •

Основно

– съответства на минимално възможна енергия. Тук атомът се намира неограничено дълго време.

Възбудено

He: t ≈ 10 -8 s .

– по-високо енергетично състояние, неустойчиво. Средна продължителност на пребиваване на атома на

Метастабилно

което средното време на живот е относително голямо: t ≈ 10 -3 s .

– енергетично състояние, за

Квантови преходи

•

Спонтанни – атомите самопроизволно преминават от възбудено в основно състояние.

•

Стимулирани – в резултат на взаимодействието на фотон с възбуден атом, той може да изпусне принудително фотон, който има същите направление, енергия и честота с падащия. Така се получава стимулирано излъчване, което е монохроматично и кохерентно.

Лазер

Принципът на действие на лазера е комбинация между квантово-механични и термодинамични процеси.

Лазерът е източник на монохроматична, кохерентна, насочена светлина, тоест лазерът изпуска тънък, добре насочен, кохерентен сноп с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост, за разлика от некохерентните източници като електрическите крушки, които излъчват вълни в почти целия електромагнитен спектър и във всички посоки.

Стимулирано поглъщане

E 2

-

Е 2 – ниво на енергия на по-висока орбита Е 1 – ниво на енергия на по-ниска орбита E 1

Спонтанно излъчване

-

E 2 Възбуденото състояние на атома е неустойчиво и почти веднага електроните се връщат на своите нормални орбити, отдавайки излишъка енергия във вид на квант светлина.

E 1 Е2 – ниво на енергия на по-висока орбита Е1 – ниво на енергия на по-ниска орбита h – височина между двете орбити c – скорост на светлината Честота на излъчвания фотон:

λ  E 2 h.c

 E 1

Стимулирано излъчване

За целта обаче е необходимо активната среда да бъде с инверсна населеност. Значителна инверсна населеност може да се получи само ако в процеса на възбуждане и генериране участват допълнителни нива на активните центрове. За да е ефективна тази схема е необходимо ниво Е3 да има кратко време на живот, а ниво Е2 - дълго време на живот.

E E 2 E 1 генериране на лазерно лъчение n 1 n 2 >n 1 n

Стимулирано излъчване

-

E 2 E 1

Лазер

Лазерът е устройство, което преобразува различни видове енергия /електрическа, светлинна, химическа, топлинна и др./ в енергия на кохерентно електромагнитно излъчване в оптичния диапазон.

Представлява успореден сноп от кохерентна светлина с голяма яркост /вълна с еднаква дължина и честота/.

Основава се на явлението “стимулирано излъчване” водещо до принудително усилване на светлинното излъчване след многократното му преминаване през прозрачна твърда, течна или газова активна среда.

Устройство на лазер

Лазерът е съставен от три главни елемента: активна среда, устройство за възбуждане на активната среда и резонатор.

огледало

Устройство на лазер

полупрозрачно огледало активна среда главна оптична ос енергия от външен източник

Активна среда

В едни лазери активната среда представлява пръчка от даден кристал или стъкло, в други стъклена тръба,пълна с газ или газова смес,в трети-кювета със специална течност.

Съответно и лазерите биват твърдотелни,газови и течни.

В активната среда се съдържат атоми,йони или молекули с подходящи нива за създаване на инверсна населеност. Тези атоми, йони или молекули се наричат активни центрове.

Устройство за възбуждане на активната среда

Устройството за възбуждане създава инверсна населеност в активната среда. След напомпването са възможни спонтанни преходи. Всеки излъчен по този начин фотон дава началото на лавинно нарастваща група принудено излъчени фотони.

Устройство за възбуждане на активната среда

Спонтанно излъчения фотон при взаимодействието си с възбуден активен център ще причини появата на двойка напълно идентични фотона. Тези два фотона ще взаимодействат с други два възбудени активни центъра. По този начин фотоните се удвояват. Посоката, честотата, фазата и поляризацията на „новородените” фотони съвпадат с тези на фотона дал началото на това лавинообразно разрастване. Тъй като спонтанно излъчените фотони са повече от един и имат произволни посоки на разпространение, то и лавинките от вторични фотони ще излизат от активната среда в най-различни посоки. За да се получи лазерен сноп с голяма мощност по направление на оста на активната среда, е необходимо да накараме част от тези лавинки да преминат многократно през нея. Това се постига чрез поставянето на активната среда в резонатор.

Устройство за възбуждане на активната среда

Най-разпространените начини за възбуждане на активната среда са два- оптичен и чрез електричен заряд. В твърдотелните и течните лазери се използва оптичното възбуждане, което може да бъде лампово или лазерно. При газообразните лазери възбуждането става чрез електричен разряд, като са възможни два механизма.Единият е сблъскване на електрон, ускорен от електрично поле, с активен център. Другият начин изисква в средата да има помощни атоми или молекули, които се възбуждат от електроните на разряда и предават своето възбуждане на активните центрове.

В някои лазери за възбуждане се използва енергията на химични или ядрени реакции.

Лазерен резонатор

Лазерният резонатор представлява две паралелни едно на друго огледала, разположени от двете страни на активната среда и обърнати с отразяващите си покрития към нея. Едното огледало е полупрозрачно и се нарича изходно. Тогава само лавинките, които разпространяват перпендикулярно на отразяващите повърхности на огледалата, ще останат в резонатора, като се движат от едно огледало на друго, усилвайки се с всяко преминаване през активната среда. Мощността на лазерния сноп ще се увеличава след всяко преминаване през активната среда, докато има възбудени активни центрове.

Свойства на лазерното лъчение -

монохроматичност

Отношение ширината на излъчения спектър към честотата на генериране на лазера ≈ 1/1 000 000.

Конкретната стойност зависи от типа на лазера и от допълнителните мерки, които са взети за стесняване на спектъра.

Причината за високата монохроматичност се състои в това, че активната среда може да усилва и генерира лъчение с честота, определена от условието Vr=(E2-E1)/h Допълнително стесняване на спектъра може да се получи, като в резонатора се постави устройство, което да има малки загуби за един или няколко резонаторни модове, попадащи в резонансната крива на лазерния преход.

Лазерът ще излъчва само спектралните модове, за които загубите са малки. Този подход се нарича СЕЛЕКЦИЯ НА МОДОВЕТЕ.

Свойства на лазерното лъчение -

кохерентност

Кохерентността е свойство, което е свързано с постоянството на фазовата разлика в различни точки на вълново поле, излъчено от даден източник. И така две електромагнитни вълни са кохерентни, ако трептенията, които извършват интензитетите на електричните им полета, са една и съща честота и постоянна фазова разлика.

Свойства на лазерното лъчение -

насоченост

Това свойство на лазерното лъчение е пряко следствие на факта, че активната среда е поставена в резонатор. В такъв резонатор могат да останат само такива електромагнитни вълни, които се разпространяват по оста на резонатора или близо до нея.

Друго свойство на лазерния сноп е, че той се разпространява праволинейно, като едва забележимо разширява своя диаметър. Мястото където снопът има най-малък диаметър, се нарича шийка на снопа. Лазерните снопове се характеризират с ъгъл на разходимост на снопа. Колкото е по-голям радиусът на снопа в шийката, толкова по-малка е разходимостта. Затова, ако е необходимо да се намали разходимостта, неговият диаметър се разширява с телескоп.

Свойства на лазерното лъчение -

яркост

Яркостта е друг параметър, по който лазерните източници значително превъзхождат другите източници на светлина. Яркостта B представлява мощността P,която се излъчва от единица площ на източника S в единица пространствен ъгъл Ом B= P/(S*Ом) Яркостта на светлинен източник, отнесен към ширината на спектралния участък, в който става излъчването, се нарича спектрална яркост B=B/ ν.

Видове лазери според активната среда твърдотелни газови течни полупроводникови според начина на възбуждане с оптично с електричен разряд според спектралната област в ИЧ област видима област в ултравиолетова област в рентгенова област според възможност за пренастройка с фиксирана честота на генериране с възможност за пренастройване според мощността на лъчението според режима на генериране маломощни с непрекъснато действие средномощни импулсни мощни импулсно периодични свръхмощни

Твърдотелни лазери Рубинов лазер

Активната среда е кристал от изкуствен рубин с примеси от хромови йони, които са активни центрове в кристала и са източник на лазерно лъчение.

Рубиновия лазер излъчва импулси с дължина на вълната 0,69 μm при max енергия ~400J. Времетраенето на импулса може да бъде от 10 ≈0,01%.

-2 до 10 -9 сравнително нисък КПД sec.

Твърдотелните лазери имат

Твърдотелни лазери Стъклени лазери с примеси на неодим

Сравнително евтини, с добри оптически характеристики. Излъчват в ИЧ област с дължина на вълната 1,06 μm и продължителност на импулса 3 ms. Имат най-голяма импулсна мощност. Генерират кратки импулси с много висока енергия.

Твърдотелни лазери YAG лазер

Лазер с активна среда итриево-алуминиев гранат. Този тип кристали са с добри топлопроводност, здравина и оптически качества.

Малката дължина на гранатовите пръчки ограничава енергетичните възможности на YAG – лазера.

Най-голямото им предимство е възможността да работят както в непрекъснат, така и в импулсен режим с висока честота на повторение на импулсите.

Газови лазери Лазери с активна среда неутрални атоми

Типичен представител на тези лазери е хелий-неоновия лазер. Използват се като градивни елементи на голям брой апаратури в промишлеността, медицината, строителството и търговията както и в системи за запис и възпроизвеждане на информация.

Газови лазери Лазери с активна среда свободни йони

За да работи йонния лазер е необходимо да се създаде голяма концентрация на йони и инверсна населеност между работните им нива. Това се постига чрез дъгов разряд с много голяма плътност на тока през газовата среда. Пример с активна среда от йонизирани атоми е аргоновият лазер. Той е най-мощния сред лазерите излъчващи във видимата част от спектъра. Основното му приложение е в медицината и фотохимията.

Газови лазери

Лазери с активна среда свободни молекули Пример за лазер от тази група е лазер с активна среда СО2, който е най-мощният промишлено произвеждан лазер и е с най-голям КПД. Намира широко приложение в металургията. Още по-мощен вариант на лазера с активна среда СО 2 е т.н. газодинамичен лазер. Той прилича на реактивен двигател. В неговата горивна камера се вкарва под налягане СО заедно с гориво(бензин,спирт). При изгарянето се получава смес от СО 2 , N и водни пари.

Молекулите са възбудени и готови за работа тъй като температурата в горивната камера достига до хиляди градуси а налягането до двадесет атмосфери. Нажежените газове изтичат през реактивна дюза, като в нея достигат свръхзвукови скорости и се охлаждат почти до нула. Преминавайки между огледалата, молекулите на газа започват да отдават енергия във вид на кванти и по този начин раждат лазерен лъч с мощност 150-200 kW, като тази мощност не е импулсна, а постоянна.

Течни лазери

Течните активни среди се приготвят лесно, сравнително евтини са и за разлика от газовите актвини среди, концентрацията на активни центрове в течностите е много по голяма и може лесно да се изменя. Най широко са разпространени багрилните лазери. Наричат се така, защото тяхната работна течност е разтвор на анилинови бои във вода, спирт, киселина и др. Течността се налива във ваничка, поставена между огледала.

Възбуждането става оптически, но вместо лампи се използват рубинови или газови лазери. Възможно е да се генерира излъчване и с импулсна лампа, но само с определени бои. Тези лазери могат да излъчват в най различна дължина на вълната - от ултравиолетово до инфрачервено излъчване, като имат интересна особеност. Принудителното излъчване в такива лазери възниква в широк диапазон дължини на вълната. За да се получи от лазера монохроматичност се поставя филтър.Течните лазери намират приложение в лабораториите за изследване структурата на веществото за определяне състоянието и замърсеността на атмосферата и на облаци на разстояние до 200км.

Полупроводникови лазери

Лазерът на основата на полупроводници се състои от два полупровдоника от различни типове, съединени заедно. На границата между двата типа се образува т.н. преходна зона. Атомите на веществото в тази зона са способни да се възбуждат при преминаване на електрически ток през зоната и да генерират светлина.

При добавяне на огледала е възможно получаването на лазерно излъчване. За огледала може да се използват полираните и посребрени граници на самия кристал полупроводник. Сред тези лазери за най-добър се смята лазера на основата на галиев арсенид. Неговото инфрачервено излъчване има мощност до около 10W, но при охлаждане до -200 o пъти. С мощността му може да се увеличи десетки Малките размери на полупродниковите лазери ги правят много удобни там, където е нужен миниатюрен източник на светлина с голяма мощност. Недостатъкът им се състои в по-малката кохерентност и монохроматичност в сравнение с другите видове лазери.

Приложение на лазерите

Отрасъл Научни изследвания Обработка на материали Електроника Медицина Военно дело Приложение Физика, химия, биология, геология, медицина и др.

Пробиване на отвори, рязане, заваряване, термична обработка, надписване Настройка на резистори, хибридни интегрални схеми, рисуване на печатни платки и др.

диагностични Терапевтични: дерматология, стоматология, хирургия, офталмология, урология и др.

Измерване на разстояния, откриване на цели, радари и др.

Авиационно разузнаване Лазери всички видове СО 2 и всички твърдотелни Nd:YAG He-Ne, Ar CO2, багрилни, He-Ne, Ar , CO2, Nd:YAG Ar Имитатори на стрелба Лазерни жироскопи He-Ne, полупроводникови He-Ne

Измерване на разстояния

Заради нищожната си разходимост лазерния лъч е удобен за изпращане на сигнали на далечни разстояния при относително малка мощност на излъчвателя. Чрез лазерна локация се измерват много точно разстояния между точки от земната повърхност и разстояния от Земята до други небесни тела. Разпространението на сигнали при земни условия е затруднено от значителното поглъщане на светлината от водни пари, твърди частици и други нехомогенности в атмосферата. Лазерите се използват при лазерна локация на спътници от Земята, при установяване на връзка между спътници и др.

Обработка на материали

Възможността за получаване на свръхвисоки температури чрез фокусиране на лазерния лъч намира приложение за пробиване на миниатюрни отвори, за топене на труднотопими материали, за изрязване на сложни детайли от дебели метални плоскости, за обработване на твърди повърхности, а също така за направа на фини и здрави спойки. Интензивно се изследва възможността чрез получените от лазерни лъчения свръхвисоки температури да се осъществи управляема термоядрена реакция.

Лазери в медицината

Лазерният лъч се използва в биологията и медицината като тънък и точно насочван, абсолютно стерилен хирургичен нож, а също и за „залепване“ на ретината на окото, за хирургическо лечение на тумори и т. н.

Лазерна връзка

Подобно на радиовълните, и лазерното лъчение може да бъде модулирано така, че чрез него да се предава информация (говор, музика, образи). Честотите на лазерната светлина са около милион пъти по-големи от радиочестотите. Ето защо чрез нея е възможно да се предава много повече информация, отколкото с една радиовълна – милиони телевизионни програми, милиарди телефонни разговори и пр. Затова лазерите намират и ще намират все по-голямо приложение в съобщителната техника (по-специално – във връзките чрез оптични кабели), в компютрите и на други места.

Запис и четене на информация

Лазерите се използват за запис и възпроизвеждане на образи и звук в едни от най-съвършените днес носители на информация - компактдисковете.

Научни изследвания

Най-широко приложение лазерите намират при оптичните методи за научни и технически изследвания – в лазерния спектрален анализ, в обемната фотография - холографията, и в много други области.

Военно дело