Физика лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования РФ.

Московский Государственный Строительный Университет.

Кафедра Физики.

Курсовая работа на тему:

"Физика Лазеров"

Выполнил студент ЭОУС-1-2 Моносов А.Л

Научный руководитель Прокофьева Н.И

Москва 1998

Содержание

1. История создания лазера

2. Физика лазера

2.1 Принцип работы лазера

2.2 Некоторые уникальные свойства лазера

3. Типы лазеров

3.1 Классификация лазеров

3.1.1 Твердотельные лазеры

3.1.2 Жидкостные лазеры

3.1.3 Фотодиссоционные лазеры

3.1.4 Газоразрядные лазеры

3.1.5 Молекулярные лазеры

3.1.6 Химические лазеры

4. Лазерная Технология

Библиография

лазер свет жидкостный газоразрядный

1. История создания лазера

Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.

Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями".

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором" (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.

В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).

Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой "L" (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А. М. Прохоров сказал: " Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне".

Упомянутые А. М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечном счете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.

В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали: "Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн".

Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имели серебрянное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.

В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г.

Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.

Так начинается новый, "лазерный" период оптики.

2. Физика Лазера

2.1 Принцип работы лазера

Принципиальная схема лазера крайне проста (рис. 1): активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо "накачать" активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Рис. 1 Схема работы лазера

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом приточном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

В результате этого взаимодействия возбужденный 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 (рис. 2).

Рис. 2 Схематическое изображение среды с инверсной населенностью уровней энергии

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов 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, как уже говорилось выше, А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная населенность 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 ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает 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 направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды (рис.3).

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. На рис. 3 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся 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 на столько эффективной, что излучение "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 используется в большинстве существующих лазеров.

2.2 Некоторые уникальные свойства лазерного излучения

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 10⁷ - 10⁸ раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 10^-4 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 не осуществимые без использования лазера.

3. Типы лазеров

3.1 Классификация лазеров

Рис. 4 Классификация лазеров

В таблице на рис.4 перечислены типы лазеров, активные среды и применяемые способы накачки. Классификация лазеров производится с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки.

Из указанных на рисунке способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа - оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах - при давлении 1 … 10 мм рт. ст. Соответствующие типы лазеров (на атомных переходах, ионные, молекулярные) объединяют общим термином газоразрядные лазеры. Наряду с твердотельными, жидкостными и полупроводниковыми, газоразрядные лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники.

Рассматривая способы накачки, надо иметь в виду, что один и тот же способ может допускать, в свою очередь, два вида накачки - импульсную и непрерывную. Так, для оптической накачки используют как газоразрядные импульсные лампы, так и лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют как импульсные разряды, так и стационарные (квазистационарные). При импульсной накачки энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импульсами, а при непрерывной накачке - непрерывно, стабильно.

Импульсная накачка обладает рядом преимуществ по сравнению с непрерывной. При импульсивной накачке, когда инверсия реализуется лишь в течение некоторых промежутков времени, может оказаться не существенным требование быстрого очищения нижнего рабочего уровня.

Рис. 5 Возникновение инверсии в начале импульса возбуждения: 1 - заселенность нижнего рабочего уровн; 2 - заселенность верхнего рабочего уровня; 3- импульс возбуждения

Предположим, что при включении светового импульса накачки скорость с какой заселяется верхний рабочий уровень, оказывается выше скорости заселения нижнего рабочего уровня. В этом случае лазер может работать за счет инверсии, возникающей вначале импульса возбуждения. Подобная ситуация показана на рис.5. Из рисунка видно, что инверсия реализуется в начале импульса возбуждения импульса - в течение промежутка времени t1. Ясно, что в данном случае скорость очищения нижнего рабочего уровня несущественна.

Приведенный пример поясняет, почему при использовании импульсной накачки возможно получение генерации в большом числе активных сред и небольшом числе переходов в данной среде, нежели при непрерывной накачке. Говоря о преимуществах импульсной накачки, надо отметить и тот факт, что ее легче реализовать с технической точке зрения. Непрерывный и при том достаточно стабильный подвод энергии возбуждения к активной среде, как правило, технически сложнее импульсивного. Кроме того, при импульсной накачке обычно отпадает необходимость в принудительном охлаждении нагревающегося активного элемента.

Импульсная накачка позволяет реализовать различные импульсные режимы генерации - когда лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или в виде последовательности импульсов. При этом удается осуществлять исключительно сильную концентрацию во времени и пространстве излучаемой световой энергии. Так, например, реализованы режим генерации мощных сверхкоротких световых импульсов, имеющих длительность 10^-11 … 10^-12 с и мощностью до 10¹² Вт.

А сейчас рассмотрим некоторые типы лазеров.

3.1.1 Твердотельные лазеры

Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляет собой диэлектрический кристалл или стекло, в которые введены (в виде примеси) специальные ионы, играющие роль активных центров. В твердотельных лазерах применяется только оптическая накачка. Примерами таких лазеров являются: лазер на рубине и лазер на гранате с неодимом.

Уже отмечалось, что впервые лазерная генерация была осуществлена на рубине. Благодаря большой механической прочности и теплопроводности кристаллов рубина, возможность выращивания кристаллических образцов с высоким оптическим качеством лазеры на рубине до сих пор широко используются на практике.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, активированным ионами неодима, является в настоящее время наиболее широко применяемым твердотельным лазером. Он имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования световых импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме. КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов.

3.1.2 Жидкостные лазеры

В жидкостных лазерах в качестве активной среды используются жидкости: либо растворы органических красителей, либо специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов (например, Eu³⁺, Nd³⁺). Различают два типа таких специальных жидкостей - металлорганические (хелатные) и неорганические (апротные). В жидкостных лазерах применяют оптическую накачку.

Среди жидкостных лазеров наиболее широко применяются лазеры на растворах органических красителей. Активная среда таких лазеров представляет собой жидкий растворитель (вода, этанол, метанол, толуол, ацетон и др.), в котором находятся молекулы органического красителя, играющие роль активных центров.

Красители - сложные органические соединения, характеризующиеся широкими полосами поглощения в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Для химического строения молекул красителей характерно сочетание бензольных, пипридиновых, азиновых и других колец, располагающихся в одной плоскости. Наиболее эффективно высвечивающиеся красители распределяют по следующим восьми классам: ксантены, полемитины, оксазины, кумарины, антрацены, акридины, азины, фталоцианины. В настоящее время лазерная генерация получена более чем на 200 различных красителях. Общий диапазон длин волн, генерируемых различными красителями, составляет 0,3 … 1,3 мкм. Подбирая соответствующие красители, можно получить когерентное излучение любой длины волны из указанного диапазона.

3.1.3 Фотодиссоционные лазеры

Различается два типа фотодиссоционных лазеров. В первом типе в роли активного центра выступает один из продуктов диссоциации молекулы (тот, который оказывается в возбужденном состоянии). В этом случае говорят о возбуждении в первичных фотопроцессах. Во втором типе фотодиссоционных лазеров возбужденные активные центры образуются в результате химических реакций, в которые вступают продукты диссоциации молекулы (возбуждение в процессе вторичных химических реакций). В последнем случае используется термин фотохимический лазер.

3.1.4 Газоразрядные лазеры

Лазеры на разряженных активных средах (с давлением 1…10 мм рт. ст.), возбуждаемых самостоятельным электрическим разрядом, называют газоразрядными. Различают три типа таких лазеров: лазеры, генерирующие на переходах между энергетическими уровнями ионов (лазеры на ионизированных газах, или ионные лазеры); лазеры, генерирующие на переходах между уровнями нейтральных атомов (лазеры на атомных переходах); лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (лазеры на молекулярных переходах, или молекулярные лазеры). Активными центрами в указанных трех типах лазеров являются соответственно свободные ионы, свободные атомы, свободные молекулы.

Ионные лазеры генерируют, главным образом, в видимой, а также в ближней ультрафиолетовой области спектра (примерно от 0,3 до 1 мкм). Лазеры на атомных переходах генерируют в более широком диапазоне длин волн - от 0,4 до 100 мкм; основное число рабочих переходов попадает в диапазон 1 … 20 мкм.

Наиболее широк диапазон длин волн излучения, генерируемого молекулярными лазерами. Лазеры, работающие на переходах между вращательными уровнями, соответствующие одному и тому же электронному и колебательному состоянию молекулы (чисто вращательные переходы), генерируют в инфракрасной области примерно от 10 мкм до нескольких сотен микрометров. Молекулярные лазеры, работающие на переходах между колебательными уровнями (колебательно-вращательные переходы), генерируют инфракрасное излучение, в основном, в диапазоне 5 … 50 мкм. Молекулярные лазеры могут генерировать также на переходах между электронными состояниями молекул; в этом случае излучение попадает в видимую или ультрафиолетовую область спектра (примерно, от 1 до 0,2 мкм).

Активная среда газоразрядного лазера - плазма, образующаяся при возникновении электрического разряда. Если время нарастания импульса тока меньше времени установления равновесия в плазме, то говорят об импульсном разряде. Наряду с импульсными используются стационарные (квазистационарные) разряды. В газоразрядных лазерах применяют два типа стационарных разрядов - дуговой (в ионных лазерах) и тлеющий (в лазерах на атомных переходах в молекулярных лазерах). Дуговой разряд - сильноточный высокотемпературный разряд с относительно высокой степенью ионизации плазмы. Плотность тока в разряде составляет 10² … 10³ А/см², температура разряда 10³ К; степень ионизации плазмы (отношение концентрации свободных электронов в плазме к концентрации тяжелых частиц) больше единицы. Тлеющий разряд - слаботочный разряд (плотность тока 10^-3 … 0,1 А/см²) с низкой степенью ионизации плазмы (10^-3); температура разряда соответствует комнатной.

В зависимости от способа возбуждения стационарные разряды разделяются на высокочастотные и постоянного тока. Первые возбуждаются переменным током с частотой 10 … 50 МГц; в этом случае электроды находятся вне газоразрядной трубке (рис.6,а). Вторые возбуждаются постоянным током (электроды находятся внутри газоразрядной трубки; рис.6,б).

Рис. 6 Расположение электродов при высокочастотном возбуждении разряда (а) и при возбуждении током (б)

3.1.4 Молекулярные лазеры

Молекулярный лазер на двуокиси углерода (СО₂-лазер). Газоразрядный СО₂-лазер позволяет получать высокую мощность генерации в непрерывном режиме (до 10 кВт); он характеризуется относительно высоким КПД (до 40%). Активная среда СО₂-лазера - газовая смесь, состоящая из двуокиси углерода, молекулярного азота и различных добавок (гелий, пары воды и др.). Активные центры - молекулы СО₂, излучающие на переходах между колебательными уровнями основного электронного состояния. Азот играет роль буферного газа, молекулы которого резонансно передают энергию возбуждения молекулам СО₂. Для возбуждения СО₂-лазеров обычно используют тлеющий разряд.

На рис.7,а схематически показан один из первых вариантов СО₂-лазера с высокочастотном тлеющим разрядом. Лазер имеет системы прокачки двуокиси углерода и (отдельно) азота. Молекулы азота сначала попадают в область электрического разряда и возбуждаются в результате столкновений с электронами. Затем возбужденные молекулы азота попадают в рабочий объем, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО₂. При столкновениях молекул азота и двуокиси углерода происходит резонансная передача энергии возбуждения от азота к двуокиси углерода, т. е. происходит возбуждение активных центров. В данном варианте СО₂-лазера электроны в разряде возбуждают только молекулы азота, а затем, уже в другой области пространства, возбужденные молекулы азота передают энергию активным центрам.

В последующих вариантах СО₂-лазера применялся разряд в смеси СО₂+N₂. При этом, как правило, использовался тлеющий разряд постоянного тока. Схема такого СО₂-лазера показана на рис.7,б. Как и предыдущая, данная схема основана на прокачке газа через рабочий объем. Прокачка позволяет избежать нежелательного изменения химического состава активной среды, происходящего, в частности в результате реакция 2СО₂ - 2СО+О₂. В настоящее время широко применяют отпаянные СО₂-лазеры (без прокачки газовой смеси). Срок срок службы таких трубок может быть достаточно большим до 1000 ч и более.

Рис. 7 Два варианта СО₂-лазера: а - с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора (1 - система прокачки двуокиси углерода, 2 - система прокачки азота, 3 - область высокочастотного тлеющего разряда, 4 - рабочий объем резонатора, 5 - выходное зеркало резонатора); б - с совмещением областей разряда и рабочего объема резонатора (А - анод, К - катод, 1 - рабочий объем резонатора, 2 - выходное зеркало резонатора)

Особое место среди молекулярных лазеров занимают так называемые эксимерные лазеры. Для возбуждения этих лазеров используется, как правило, не разряд, а пучок быстрых электронов из ускорителя. Эксимерные лазеры генерируют на переходах между электронными состояниями молекул; генерируемое излучение попадает в ультрафиолетовую область спектра. В качестве активных центров используются так называемые разлетные молекулы - молекулы, основное электронное состояние которых является неустойчивым. Это означает, что такие молекулы могут существовать лишь в возбужденных электронных состояниях. Переходя из возбужденного электронного состояния в основное, они тут же диссоциируют (как говорят, происходит разлет молекул на атомы).

Известно, что атомы инертных газов "не желают" образовывать молекулы. Для создания, например, молекул Ar₂, Kr₂, Xe₂ надо затратить энергию. Эти молекулы возникают только в возбужденных электронных состояниях; они являются разлетными молекулами.

Использование разлетных молекул в качестве активных центров весьма заманчиво. Верхним рабочим уровнем такой молекулы является электронно-возбужденное состояние, а нижним - основное электронное состояние. Очевидно, что инверсия на рабочем переходе будет наблюдаться при любом количестве молекул, созданных накачкой на верхнем рабочем уровне (в электронно-возбужденном состоянии). Как только молекула переходит на нижний рабочий уровень, она тут же покидает его вследствие разлета на атомы. Активная среда на разлетных молекулах - это среда с постоянно пустующим нижним рабочем уровнем.

Эксимерные лазеры генерируют на переходах молекул инертных газов и галоидов инертных газов (Ar₂, Kr₂, Xe₂, XeF, XeCl, KrF, ArCl и др.). В эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие значения генерируемых длин волн.

3.1.6 Химические лазеры

Химические соединения - богатые накопители энергии. Эта энергия может частично высвобождаться при перестройке химических связей в экзоэнергетических реакциях. Весьма заманчиво преобразовать указанную энергию в энергию когерентного оптического излучения. Химические лазеры как раз и являются устройствами, в которых осуществляется такое преобразовании энергии. В существующих химических лазерах реализуется генерация на колебательных (точнее, колебательно-вращательных) переходах молекул. Нижняя граница диапазона длин волн генерация этих лазеров составляет примерно 2 мкм. Исследуются возможности создания химических лазеров видимого диапазона (лазеров, генерирующих на переходах между электронными состояниями молекул).

4. 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 непрерывном режиме. В таких технологических процесса применяют лазеры сравнительно не высокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-переодического 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 XeCl (длина волны = 308 нм) удается получить разрешение в фотолиграфической 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 длинной волны рентгеновского излучения (~ 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

Второй вид лазерной технологии основан на применение лазеров с большой средней мощностью: от 1 кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применения вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроение, 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 100 м/ч при расходе электроэнергии 10 кВт. ч.

С развитием все более мощной лазерной техники энергия лазерного излучения стала все шире использоваться наряду с другими традиционными видами энергии (энергией электрического тока, механической энергией, энергией химических процессов).

Библиография.

"Энциклопедический словарь юного физика". Главный редактор Мигдал А. Б.

"Энциклопедический словарь юного техника". Главный редактор Хачатуров Т. С.

"Книга о лазерах". Транковский С. Д.

"Лазеры и их применение". Тарасов Л. В.

"Принципы лазеров". О. Звелто.

Размещено на Allbest.ru