ЛАЗЕРЫ Гиперболоид инженера Гарина Гл авн ая

ЛАЗЕРЫ

Гиперболоид инженера Гарина Гл авн ая ь ит ош уч ол и п ик иб опт Я! койка. З ес ЕЛЬ А ич Н. Н етр дам ето М еом и г кой та ч лу . То лст ого .

ЛАЗЕР. ПРИНЦЫП РАБОТЫ оптический квантовый генератор; аббревиатура от начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission Radiation усиление света в результате вынужденного излучения),

Вынужденное излучение В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность перехода атома с высшего энергетического состояния в низшее под влиянием внешнего воздействия. Такое излучение называется вынужденным излучением и лежит в основе работы лазеров.

Спонтанное и вынужденное излучение

Лазер, двухуровневая модель

Лазер, трёхуровневая модель Схема рабочей лазерной среды с тремя энергетическим и уровнями Под действием энергии накачки (например, светового потока) атомы с основного уровня Е 0 поднимаются на верхний, неустойчивый уровень Е 2. Оттуда они быстро опускаются на уровень Е 1, отдавая часть своей энергии на нагрев вещества. С этого уровня атом возвращается в основное состояние Е 0, излучая квант частоты ν = (Е 1 - Е 0)/h. Вернуться он может либо самопроизвольно, либо под воздействием пролетающего кванта той же частоты ν. В этом случае говорят об индуцированном когерентном излучении.

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ История развития методов генерации электромагнитного излучения показала, что за последние сто лет происходило неуклонное повышение его частоты

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ ИДЕИ Валентин Александрович Фабрикант в 1939 году впервые указал на возможность усиливать свет за счет вынужденного, или индуцированного, излучения

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ ИДЕИ Николай Геннадьевич Басов (слева) и Александр Михайлович Прохоров создали строгую теорию процессов в молекулярных генераторах

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо американец Ч. Таунс изобрели квантовый микроволновый генератор (1954). БАСОВ Николай Геннадиевич ПРОХОРОВ ТАУНС Александр Михайлович Чарльз 1963

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ Т. Г. Мейман в 1960 г. создал квантовый оптический генератор – лазер на кристалле рубина (длиной 1 см). А. Джаван (США) в 1960 г. создал первый газовый лазер (на смеси Не-Ne). Первый полупроводниковый лазер построил американский физик Р. Холл в 1962 году. Первые параметрические лазеры были созданы в 1965 году одновременно Дж. Джодмейкером и Р. Миллером (США), С. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР). Первый лазер на красителях был построен в 1966 году.

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ Жорес Иванович Алферов - автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров

ЛАЗЕР. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ Мазер, Первый построенный Н. Г. отечественный Басовым и А. М. рубиновый лазер со Прохоровым, имел снятым кожухом. медный резонатор Видны лампадлиной 12 см и вспышка и батарея генерировал питающих ее излучение частотой конденсаторов 6— 8 к. Гц

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Главный элемент лазера – активная среда, для образования которой используют различные методы накачки. Разработаны лазеры на основе газовых, жидкостных и твердотельных активных сред (в том числе на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках)

СВОЙСТВА ЛАЗЕРА источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой степенью монохроматичности, направленностью и большой плотностью энергии.

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Жидкостный лазер на красителях. Справа - насос, прокачивающий жидкость через холодильник Газодинамический лазер в лаборатории Мощный газовый лазер длиной несколько метров Полупроводниковые лазеры

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Первым квантовым генератором, «прародителем» всей квантовой электроники, стал мазер, работающий на молекулах аммиака NH 3. Принцип его работы заключался в следующем. Пучок молекул в источнике проходит через высокочастотное электромагнитное поле, где часть их переходит в возбужденное состояние. Далее пучок из смеси молекул поступает в фокусирующее устройство — систему из четырех электродов, создающих четырехполярное электрическое поле. В нем на молекулы в возбужденном состоянии действуют силы, направленные к центру системы, а на молекулы в основном состоянии — силы, направленные наружу. В результате в сфокусированном пучке остаются только возбужденные молекулы, которые попадают в резонатор. В резонаторе возникают незатухающие колебания радиочастоты, которые выходят через волновод. «Лишние» молекулы аммиака из прибора откачиваются.

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления. Перед началом работы производится поджиг — молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом. Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами — полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение

Схема гелий-неонового лазера: 2 3 3 3 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0, 1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1– 2 %.

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Газодинамический лазер — разновидность лазера газового, — напоминающий реактивный двигатель. Сгорающее в нем топливо создает поток горячих газов, ионы и молекулы которых возбуждены нагревом до тысячи с лишним градусов. Поток проходит через сопло и резонатор, где охлаждается и отдает энергию в виде непрерывного излучения мощностью до сотен киловатт

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора — между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛАЗЕРА

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Полупроводниковый лазер излучает за счет квантовых p-n—переходов между зоной проводимости (p) и валентной зоной (n). Излучающая область лазера исключительно мала — порядка 10 -11 сантиметра (длина около 1 мм, толщина порядка 2 мкм), но энергия излучения достигает 10 Вт. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия Ga. As

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Параметрический лазер работает за счет преобразования мощной световой волны одной частоты, проходящей через нелинейный кристалл, в излучение меньших частот. Кристалл помещен между зеркалами, играющими роль резонатора. Меняя расстояние между зеркалами, можно при постоянной длине волны накачки менять частоту лазерного излучения в широких пределах

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях, налитых в кювету. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Накачка производится либо мощными лампами, либо лазерным излучением. Нагревающаяся в процессе работы жидкость прокачивается через холодильник. Лазеры на неорганических жидкостях по своим параметрам сходны с твердотельными лазерами

Применение лазеров Военное дело (лазерная локация, лазерные системы слежения, наведения и т. д. ) Медицина (хирургия, офтальмология, терапия) Связь Информационные технологии Искусство (зрелищные шоу) Голография Лазерная сварка, пайка и резка металлов Лазерный термоядерный синтез Лазерный катализ