Что такое накачка в лазерах

Устройство лазера. Принцип действия лазера.

3) оптического резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.

Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки. Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.

В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом.

Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

Оптический резонатор представляет собой систему из двух зеркал 1 и 2 (рис. 24.5). В простейшем случае это обращенные друг к другу параллельные (или вогнутые) зеркала на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Те фотоны, которые движутся под углами к оси кристалла, выходят из активной среды через боковую поверхность.

Движущиеся вдоль оптической оси фотоны после многократного отражения от зеркал и усиления потока фотонов в активной среде выходят через полупрозрачное зеркало 2. В результате создается строго направленный световой пучок когерентных фотонов – лазерное излучение. Отметим, что усиление излучения при одном проходе между зеркалами должно превосходить пороговое значение, т.е. потери энергии из-за излучения, вышедшего через зеркало 2, за один проход. Чем больше пропускание этого зеркала, тем больше должно быть пороговое усиление активной среды.

Как следует из (24.23), для эффективного усиления света надо увеличить путь света в активной среде.

Для получения усиления вышедшие из резонатора электромагнитные волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции результирующая амплитуда стала максимальной. Это условие, очевидно, удовлетворяется в том случае, если любая волна, вернувшаяся в исходную точку на поверхности выходного зеркала, а также в любую точку активной среды, будет находиться в той же фазе, что и первичная волна независимо от числа испытанных ею отражений.

Для этого оптическая длина пути, проходимого волной между двумя возвращениями, должна удовлетворять условию:

, (24.27)

где т = 1, 2, 3. Действительно, поскольку оптическая разность хода d и разность фаз связаны между собой соотношением , то условие (24.27) можно переписать в виде:

Т. е. каждая из волн запаздывает по отношению к предыдущей на фазу, равную 2π, другими словами, все выходящие из генератора волны находятся в одной и той же фазе, что обеспечивает в результате взаимной интерференции максимальную амплитуду выходящих волн. Однако роль резонатора заключается не только в увеличении длины пути света в активной среде. Он также позволяет получить высокопараллельное и очень близкое к монохроматическому излучение.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды (9.28), соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Дело в том, что энергетические уровни в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину. Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым.

Принцип действия лазера.

Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер, созданный в США (1960 г.) Т. Мейманом.

В качестве активной среды использовался рубин (окись алюминия (А1 ₂ О ₃), в некоторых узлах решетки которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома (Сr +++ ). Обычно концентрация ионов хрома в А1 ₂ О ₃, составляет (0,03-0,5)%. Кристалл рубина имеет розовый цвет. В зависимости от концентрации ионов хрома цвет рубина меняется от светло-розового (при 0,03% содержания ионов хрома) до темно-розового (при 0,5% содержания ионов хрома).

Изготовленный из такого рубина цилиндр 3 (рис 24.5) диаметром

(0,4 – 2) см, длиной (3 – 20) см располагается между зеркалами 1 и 2 резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным, чтобы не происходило рассеяние излучения. В качестве источника возбуждения используется лампа накачки 4, имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг цилиндра 3.

Рис. 24.5 Рис. 24.6

Устройство накачки представляет собой мощную импульсную газоразрядную лампу, питающуюся от источника высокого постоянного напряжения через конденсатор постоянной емкости.

Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго перпендикулярно оси кристалла. Если нанести специальный слой серебра на эти торцы, то они будут играть роль зеркал резонатора.

При интенсивном облучении рубина светом лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3(рис. 24.6). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше 10 -7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3®1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на метастабильный уровень 2с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина.

Переход 2®1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2атомов хрома порядка 10 -3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно возникший при спонтанных переходах, в принципе может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно излученные фотоны распространяются в разных направлениях и в конечном итоге выходят из активной среды. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность.

Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать (рис 24.7).

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, т.е. лазерного излучения с высокими когерентными свойствами. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе (10 6 –10 9 ) Вт.

Одним из наиболее распространенных лазеров является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10 2 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10: 1. Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает высокой монохроматичностью.

Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10 –4 Гц.

Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δ ν ≈ 2·10 3 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·10 11 м. На рис. 24.8 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Накачка лазерного перехода E ₄ → E ₃ в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E ₂. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состояние, и передают им свою энергию. Уровень E ₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E ₂ гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E ₄ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E ₃. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Система накачки лазера

совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии источника накачки и передачи ее к лазерному активному элементу.

Telegram
Whatsapp
Вконтакте
Одноклассники
Email

Научные статьи на тему «Система накачки лазера»

Лазеры на гетеропереходах

Классификация лазеров Определение 1 Лазер — это устройство, которое преобразует энергию накачки.
Основными элементами лазера являются рабочая среда (активная), оптический резонатор и система накачки.
Полупроводниковые лазеры. Лазеры на красителях. Газовые лазеры. Лазеры на свободных электронах.
Инверсная населенность в инжекционном лазере создается посредством накачки его активной среды электрическим.
Для поддержания инверсной населенности нужно затрачивать энергию накачки, которая поступает от источника

Исследование системы накачки лазера на красителях

Рассмотрена конструкция лазера на красителях имеющей систему накачки с применением полупроводниковых лазеров. Краситель был изготовлен растворением отломков от CD-диска на ацетоне. Для системы накачки использовали 10 параллельно подключенных полупроводниковых лазерных диодов CdS. Измерения показали, что предлагаемая конструкция может дать стабильное лазерное излучение с мощностью до 30 Вт.Dye laser having pumping systems using semiconductor lasers have been considered. The dye after dissolution of CD disk fragments in acetone has been made. For dumpingsystem we use 10 parallel connected semiconductor laser diodes CDs. The carrying out measurements showed that the proposed ourselves construction allows reaching laser radiation power up to 30 Vt.

Лазеры

Принципы усиления света Волны света, распространяясь в веществе, могут передавать энергию атомарным системам.
Систему накачки. Оно создаёт инверсию в активной среде. Оптический резонатор.
Примеры лазеров Рубиновый лазер.
Накачка рубина реализуется светом мощных вспышек ламп.
Данный факт облегчает получение инверсии и увеличивает эффективность накачки.

Твердотельные лазеры с накачкой мощными лазерными диодами, используемые в системах обеспечения безопасности

Постановка задачи: рассматриваются мощные лазерные диоды, используемые для накачки твердотельных лазеров, описываются характеристики лазерных диодов и твердотельных лазеров на их основе, показаны особенности конструктивного исполнения и возможности их применения в системах безопасности. Цель работы: показать конкретные устройства, выполненные на основе этих лазеров для применения в системах обеспечения безопасности: лазерные целеуказатели, активно-импульсные телевизионные приборы ночного видения, антиснайперские лазерные приборы разведки и целеуказания, многоканальные системы. Используемые методы: сравнительный научно-технический анализ возможностей твердотельных лазеров с диодной накачкой и устройств обеспечения безопасности на их основе. Новизна: впервые показаны в систематизированном виде технические характеристики твердотельных лазеров с диодной накачкой и устройства обеспечения безопасности с их использованием. Все эти приборы имеют исполнение либо в виде удерживаемых в руках, .

Что такое лазер?

Лазер — полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

Лазеры вызывают восторг и неизменно ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства кажутся сверхъестественными, что умело использовали создатели таких популярных блокбастеров, как «Люди X» или «Звездные войны», где джедаи эффектно сражаются на лазерных мечах.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

1-я стадия — выключенный лазер.

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

2-я стадия — момент после включения.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

3-я стадия — возникновение луча.

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Для лазерного излучения необходима так называемая « активная среда » . Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда. Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную « линейку » в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Современные научные исследования

Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10 –9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные. Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч « высвечивает » себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

11.1. Накачка газовых активных сред

Наиболее общий метод возбуждения в газовых лазерах – непрерывный или импульсный электрический разряд. Разряд поддерживается в газоразрядной трубке из кварцевого стекла или керамики, заполненной газовой активной средой. Инверсная населенность уровней и усиление в газовой среде возникают в электрическом разряде в процессах соударений атомов, молекул и электронов и последующей релаксации возбужденных состояний.

В некоторых особых случаях для накачки газовых активных сред применяют химическое возбуждение, газодинамические процессы и накачку оптическим излучением или пучком электронов.

В газовых активных средах обычно реализуется наиболее эффективная четырехуровневая схема накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен иметь малое время жизни по сравнению с верхним.

Существуют газовые активные среды, для которых это условие не выполняется. Это лазеры на самоограниченных переходах, в которых нижний лазерный уровень — долгоживущий. В таких средах значительное усиление возникает лишь на короткое время после начала разряда. Поэтому их необходимо возбуждать коротким импульсным электрическим разрядом.

Наиболее распространенный способ накачки – тлеющий разряд. Тлеющим разрядом называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

Схема устройства для исследования тлеющего разряда в воздухе показана на рис. 11.1.а. Из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов потенциал электрического поля вдоль разрядной трубки с тлеющим разрядом изменяется неравномерно. Большое падение потенциала происходит вблизи катода. В основной части разряда – положительном столбе падение напряжения невелико.

При атмосферном давлении и приложенном к электродам постоянном напряжении в несколько киловольт тлеющий разряд в газоразрядной трубке не возникает.

Однако, если давление газа в трубке длиной 30 … 50 см, уменьшить до 2…3 мм рт. ст., то тлеющий разряд возникает. Для зажигания непрерывного тлеющего разряда на электроды трубки, к которым приложено постоянное напряжение, подают высоковольтный поджигающий электрический импульс. Схематический вид газоразрядной трубки показан на рис. 11.1,б. На этом же рисунке приведено распределение электрического потенциала в разряде.

Внутри работающей газоразрядной трубки можно выделить несколько областей. Непосредственно вблизи катода существует темное пространство 1, где энергия электронов, исходящих из катода, недостаточна для возбуждения атомов и молекул газа. Тонкая светящаяся полоска 2 связана с возбуждением атомов и молекул газа без их ионизации. В области 3 начинается ионизация атомов и молекул. Свечение в области 4 называют тлеющим. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. В область 5 электроны, испускаемые катодом, уже не долетают, поэтому здесь существует так называемое фарадеево темное пространство. Перечисленные выше пять областей называют катодными частями разряда.

Область 6 представляет собой остов разряда – положительный столб разряда. Для положительного столба разряда характерна относительно высокая степень ионизации газа и, связанная с ней высокая проводимость. Эту область и используют в лазерах в качестве активной среды. Плотность тока в тлеющем разряде составляет

10 -3 … 10 -1 А/см 2 . Концентрация активных частиц равна 10 9 … 10 11 . Степень ионизации газа, составляет менее сотых долей процента.

Получение инверсной населенности между энергетическими уровнями газа, состоящего из атомов или молекул одного сорта, в газовом разряде обычно трудно достижимо. Для получения усиления в газовой среде, как правило, используют смеси различных газов. В разряде возбуждаются частицы специально подобранного буферного газа, которые передают энергию возбуждения генерирующим активным частицам. Для эффективной резонансной передачи энергии спектральные контуры возбужденного состояния донорного газа и активных частиц должны перекрываться. Роль буферного газа заключается также в снижении концентрационного тушения люминесценции лазерного перехода.

Буферный газ понижает температуру газовой смеси и уменьшает постоянную времени нижнего лазерного уровня. Естественно, при создании лазера соотношение газов в смеси, длину и диаметр газоразрядной трубки оптимизируют для получения максимальной мощности и эффективности генерации.

Рис. 11.1. Схема газоразрядной трубки. Распределение электрического напряжения вдоль трубки в случае тлеющего разряда.

Стационарный тлеющий разряд можно возбуждать также переменным током с частотой 10 … 50 Мгц. В этом случае электроды находятся вне газоразрядной трубки, а поджигать разряд высоковольтным импульсом не требуется.

По типу активных частиц газоразрядные лазеры разделяют на три класса: лазеры на нейтральных атомах, на ионах и молекулярные лазеры.

Возбуждение ионных лазеров осуществляют в дуговым разряде. Дуговой разряд происходит при плотностях тока в сотни А/см 2 и при относительно низких рабочих напряжениях 10… 100 В. Степень ионизации газа в дуговом разряде сравнительно высокая – более процента.

Для получения лазерной генерации на переходах нейтральных атомов широко применяют импульсный электрический разряд. В результате лавинной ионизации в импульсном разряде плотность тока может достигать тысяч А/см 2 . По окончании импульсного разряда происходят рекомбинационные процессы, происходящие с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов, и термолизация электронов. Эти процессы приводят к импульсной генерации в условиях высокого коэффициента усиления, которая однако быстро прекращается из за насыщения усиления вследствие заполнения нижнего лазерного уровня в процессе генерации. Импульсный разряд с крутым передним фронтом применяют для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах. Для получения усиления длительность фронта разряда должна быть соизмерима с излучательным временем жизни верхнего лазерного уровня, которое обычно находиться в наносекундном временном диапазоне.

Существенный недостаток почти всех газовых лазеров – сравнительно низкая эффективность возбуждения, составляющая единицы или доли процента от вложенной электрической энергии. Исключение составляют лазеры на двуокиси углерода, кпд которых достигает 20%. Сравнительно высокая эффективность этих лазеров обусловлена тем, что инверсная населенность создается между колебательными уровнями молекул СО₂, находящихся в основном состоянии, и возбуждать более высоко лежащие уровни не требуется.