Лекция 1 Введение в специальность Оптика лазеров И

Лекция 1 Введение в специальность “Оптика лазеров” И. М. Белоусова Санкт-Петербург 2011

Открытие физических принципов квантовой электроники в 1954 году – одно из самых выдающихся достижений науки ушедшего века, придавшее значительный импульс развитию современной цивилизации. Венцом этого достижения, безусловно, является создание в 1960 году лазера – источника высококогерентного оптического излучения. Академик О. Н. Крохин

История открытия и создания лазера 16 мая 1960 года в США американским ученым Теодором Майманом в исследовательской лаборатории фирмы Хьюз (Hughes Research Laboratories) был запущен первый лазер Лазер – “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, что означает “усиление света вынужденным испусканием излучения”. Фото первого лазера 7 июля 1960 г. – пресс-конференция в отеле Дельмонто, Нью-Йорк Создатель первого лазера – Теодор Майман (1927 -2007) “Лазер – это луч жизни, а не смерти” Источник когерентного света на кристалле рубина (Теодор Майман, “Лазерная Одиссея”, Laser Precs, 2000, c. 128) Газетные заголовки 3

Предпосылки создания лазера Основа создания лазеров Вынужденное излучение Теория поглощения и испускания света Испускаемый фотон не отличим от фотона, атомами, созданная Эйнштейном в 1916 г. который вызвал его появление. Частота, фаза, направление распространения Взаимодействие фотонов с системой совпадает с фотоном, вызвавшим его (атомы и молекулы) излучение. Вынужденное излучение – когерентно поглощение спонтанное излучение вынужденное излучение Спонтанное излучение – имеет случайный характер: фазы, направление распространения, поляризация световых волн, излучаемых различными атомами, не согласованы друг с другом Вместо одного фотона → два, т. е. возможно усиление Необходимое условие Термодинамическое равновесие Формула Больцмана N 2= N 1 exp[-(E 2 -E 1)/k. T] В обычных условиях N 2<N 2 1 4

Мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (усиление микроволн с помощью индуцированного излучения) 1954 год В СССР Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и в США (независимо) Ч. Таунс – высказали идею и экспериментально осуществили генератор радиоволн на основе вынужденного излучения. Год начала квантовой электроники 1964 год Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Ч. Таунс получили совместно Нобелевскую премию “За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на принципах мазеров и лазеров” NH 3 λ = 1. 26 см Е= 2·10 -3 э. В k. T = К Вращательные уровни Конструкция молекулярного генератора (диссертация Н. Г. Басова, 1956 г. ). 1 – источник Энергетические уровни молекул Молекула аммиака NH 3 Сортировка молекул по вращательным состояниям молекулярного пучка, 2 – сортирующая система, 3 – резонатор, 4 – вакуумная рубашка, охлаждаемая жидким азотом, 5 – торцевая ловушка отработанного пучка 5 молекул, 6 – диафрагма для формирования молекулярного пучка

Дважды Герой Социалистического труда, Лауреат Ленинской и Нобелевской премий, академик Александр Михайлович Прохоров Николай Геннадьевич Басов

Структурная схема лазера. Первые лазеры. Основные элементы лазера Первый лазер США Маймана (1960 г. ) 1. Активная среда Первый газовый лазер (1961 г. ) (He-Ne) А. Джаван (США) 3. Резонатор 2. Источник накачки 1. Активная среда с инверсной населенностью уровней, в которой происходит вынужденное излучение (атомы, молекулы) 2. Источник накачки, создающий инверсную населенность уровней в активной среде 3. Резонатор – обеспечивает обратную связь и генерацию когерентного излучения Схема рубинового лазера Активная среда: смесь газов He+Ne Длина разрядной (Р=5 тор) трубки L=100 см Осциллограмма излучения рубинового лазера (0. 5 мс/дел). а) до порога; б) после порога 1. Рубиновый стержень Al 2 O 3+Cr 3+ (0. 05) 2. Зеркала резонатора – алюминий, нанесенный на торцы стержня 3. Источник накачки: спиральная ксеноновая лампа Eпор=(CU 2/2) ≈ 1 к. Дж λ=694, 3 нм Накачка - СВЧ-разряд (30 МГц) Резонатор (многослойные диэлектрические зеркала R ≥ 99% λген=1, 15 мкм (первые опыты) λген=632, 8 мкм (красный луч) 7

Первые работы в СССР по созданию лазеров Работы по созданию лазеров были начаты и интенсивно велись, начиная с конца 1960 года в: • Физическом институте Академии Наук СССР (г. Москва) (ФИАН) • Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова (ГОИ им. С. И. Вавилова) (г. Ленинград) Первый в СССР лазер был запущен 2 июня 1961 г. в ГОИ им. С. И. Вавилова в отделе Академика А. А. Лебедева, лаб. М. П. Ванюкова Л. Д. Хазовым с участием И. М. Белоусовой. В ФИАН СССР лазер был запущен 18 сентября 1961 г. (М. Д. Галанин, А. М. Леонтович, З. А. Чижикова) 8

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» Предпосылки создания лазера в ГОИ им. С. И. Вавилова Наличие глубокого научного задела в областях: • Спектроскопии и люминисценции в т. ч. кристаллов (Д. С. Рождественский, П. П. Феофилов, А. Н. Теренин). • Физической оптики и импульсных источников света (А. А. Лебедев, М. П. Ванюков, А. М. Бонч-Бруевич, А. А. Мак, С. И. Левиков). • Первоклассной школы в области оптотехники, технологии, конструирования (В. П. Линник, Е. Н. Царевский, И. А. Тельтевский). • Активных сред для лазеров (В. Т. Славянский, А. И. Стожаров, Г. О. Карапетян).

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» Первый в СССР лазер – рубиновый – запущен в ГОИ им. С. И. Вавилова 2 июня 1961 года ст. н. сотр. Л. Д. Хазовым в отделе А. А. Лебедева с участием И. М. Белоусовой Л. Д. Хазов Из рабочего дневника Л. Д. Хазова

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» В 1961 году в ГОИ начаты работы в области газовых лазеров. Генерация He-Ne-лазера 1962 г. Создан He-Ne-лазер с резонатором плоскость-сфера. Экспериментальная установка генератора с резонатором плоскость-сфера Качество обработки поверхности плоского зеркала Головка резонатора с подвижным плоским зеркалом, точность юстир. ± 1 с И. А. Елькина (Синицына) О. Б. Данилов

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» Выпущены первые статьи 1961 год.

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» 7 октября 1963 года Впервые осуществлена передача телевизионного изображения по лучу He-Ne-Лазера в атмосфере на 1300 метров между ГОИ и ЛВИК им. Можайского Протокол работы комиссии сотрудников ГОИ и ЛВИКА по установлению факта передачи телевизионной информации с помощью лазера

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» В 1964 год. Первая выставка разработанных в СССР лазеров. • Газовые лазеры и передача телевидения (ГОИ им. С. И. Вавилова) • Полупроводниковые лазеры (НИИПФ) • Твердотельные лазеры (ГОС-1000 -ГОИ-ЛОМО) • Применение лазеров: дальномеры Посещение выставки Ген. секретарем ЦККПСС Н. С. Хрущевым. Первое постановление ЦККПСС и Сов. Министров СССР о развитии лазерной техники в СССР

Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им С. И. Вавилова» 1965 год Луч лазера над Москвой Многоканальная линия связи. Передача 300 телефонных каналов по лучу He-Ne-лазера от МГУ до Красногорского оптико-механического завода (33 км). ГОИ, ЛВИКА, КМЗ, ЦНИИС

Основные классы лазеров 1. Твердотельные лазеры 2. Газовые и химические лазеры 3. Жидкостные лазеры 4. Полупроводниковые лазеры 5. Волоконные лазеры 6. Лазеры на основе нанотехнологий Каждый из этих типов лазеров имеет свои особенности и области применений. 16

Основные параметры лазеров, достигнутые в настоящее время 1. Широкий спектральный диапазон генерации от ВУФ до субмиллиметрового диапазона λ λ 10÷ 20 Å 1, 965 мм CH 3 CN рентгеновские (вращательные лазеры переходы молекул) 2. Монохроматичность, когерентность излучения Стабильность частоты Δν/ν=10 -15 Когерентность до 30000 км 3. Направленность излучения Малая угловая расходимость 10 -5÷ 10 -6 рад На расстоянии 1000 км Dпятна = 1 метр 4. Режим работы: непрерывный, импульсный, частотно-импульсный 5. Энергия генерации: 106 Дж ФЛ-импульсный режим 6. Мощность генерации: несколько Мега. Ватт (кислород-йодный лазер) 7. Пиковая мощность (комбинированные твердотельные лазеры + усилители газовые лазеры): 1 Пета. Ватт при длительности импульсов: 1 фс (10 -15 с) 17

Области применения лазеров Прецизионные измерения, включая машиностроение, оптику, геофизику, геодезию; Оптические линии связи; Дальнометрия, локация, высокоточное оружие Информационные технологии Промышленные технологии Медицина и биология Лазерный термоядерный синтез Лазерный мониторинг поверхности Земли и атмосферы Передача энергии на большие расстояния. Лазерное оружие. Лазерные двигатели. Нанотехнологии, нанолитография Фундаментальные исследования в физике, химии, и биологии. Лазерная химия. Лазерное разделение изотопов. Лазерная спектроскопия 18

Применение лазеров в технологических процессах Особенности лазерной технологии Лазеры для технологии Газовые лазеры на двуокиси углерода (СО 2) мощность Р≥ 1÷ 5 к. Вт длина волны излучения λ = 10, 6 мкм 1. Высокая плотность Твердотельные лазеры с диодной накачкой мощности Волоконные лазеры Р ~ 10÷ 50 к. Вт λ =1, 06 мкм 2. Малые участки облучения, локализация воздействия • Резка (малая угловая Импульсно-периодический режим лазеров 107÷ 108 Вт/см 2 расходимость лазерного предпочтительна газолазерная резка (струя кислорода). Резка сложных излучения) профильных деталей из металла, диэлектрика, стекла и др. 3. Возможность широкого Например – алюминиевый лист варьирования параметров h = 5 мм P = 3 к. Вт υ = 1. 4 м/мин стеклотекстолит установки 4. Дистанционность h = 10 мм P = 2 к. Вт υ = 1. 4 м/мин • Сварка (105 Вт/см 2) непрерывный режим 5. Работа при атмосферном Высокая точность, ровность, чистота шва, отсутствие большой зоны давлении и в вакууме прогрева, т. е. деформации. 6. Возможность обработки Например, сталь h = 1 мм P = 1, 2 к. Втυ = 1 м/мин практически любых Применяется: в авиационной, автомобильной, судостроительной промышленности материалов (металл, Фирма «Фольксваген» - 600 сварочных лазерных установок диэлектрик, строительные • Пробивание отверстий, сверление материалы) 106÷ 107 Вт/см 2 τ = 10 -4÷ 10 -3 с Недостатки: дороговизна, Применение: инжекторы двигателей, упрочнение деталей, гравировка и др. • Очистка поверхностей сложность в эксплуатации • Обработка интегральных схем

Глобальная система оптоволоконной связи Оптоволоконная (волоконно-оптическая) связь использует в качестве носителя информации – электромагнитное излучение – лазерное излучение и в качестве направляющих систем – волоконно-оптические кабели. Основа передачи: высокая информативность достигается большой частотой лазерного излучения ν ~1014÷ 1015 Гц Необходимо при передаче информации модулированными сигналами Частота модуляции должна быть в 10 – 100 раз меньше частоты несущей частоты. Например: при передаче одного телевизионного канала необходима полоса ~ 107 Гц, следовательно, несущая должна быть ν н≥ 108÷ 109 Гц. В настоящее время освоена ёмкость одного оптоволоконного канала такая, что одновременно можно передавать 106 телефонных разговоров и 104 телевизионных программ • потери в оптическом кварцевом волокне доведены до 0. 2 д. Б/км на λ 1. 55 мкм, то есть затухание сигнала составляет ~100 раз на 100 км. Долговечность. Невозможность перехвата сигнала. Лазеры для волоконно-оптической связи λ = 0. 8 мкм Ga. As – первые лазеры Современные модули LFO-1 на основе высокоэффективных MQW In. Ga. As. P / In. P (1. 3 мкм) и Al. Ga. In. P / Ga. As (λ 1. 55 мкм) мощностью 1÷ 3 м. Вт в неохлаждаемом исполнении.

Лазерные системы для военной техники • Лазерные дальномеры • Лазерные локаторы • Лазерные системы наведение • Лазерное оружие США (с 1996 г. ) – создание самолётного лазерного комплекса противоракетной обороны, программа ABL (Airborne Laser – лазер воздушного базирования). На основе химического кислородйодного лазера непрерывного действия P – несколько МВт Комплекс оснащён системой формирования и наведения лазерного излучения на цели. 21

Энергетическая лазерно-оптическая система космического базирования на основе фуллеренкислород-йодного лазера Состав орбитальной лазерной энергетической системы : ð Орбитальный фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ) мощностью 1 ГВт, размещаемый на геостационарной орбите высотой ~36 000 км ð Зеркальный космический концентратор солнечной энергии пленочного типа суммарной площадью 2, 56 кв. км ð Лазерно-оптическая адаптивная система формирования угловой расходимости до 10 -7 радиан и сверхточного наведения на Землю (10 -8 радиан) ð Энергетическая наземная станция приема и преобразования лазерного луча в электрическую энергию КПД преобразования солнечной энергии в лазерный луч – 30% КПД преобразования лазерного излучения в электрическую энергию 70% 22

Список рекомендуемой литературы а) основная литература: 1. Т. Г. Мейман. Лазерная одиссея. М. Печатные традиции. 2010. 224 с. 2. В. И. Дудкин, Л. Н. Пахомов. Квантовая электроника. Приборы и их применение. М, Техносфера. 2006 г. 3. П. Г. Крюков. Фемтосекундные импульсы, Введение в новую область физики, М, Физматлит, 2008. 4. Н. Г. Гоголева. Применение лазеров в науке, технике и медицине. Учебное пособие, Спб, Изд. СПб. ГЭТУ “ЛЭТИ”, 2007. 5. С. Вудс, М. Дака, Г. Флин. Волоконные лазеры средней мощности и их применение. Фотоника, 2008, № 4, с. 6 -10. 6. Г. А. Кириллов. Исследование поведения вещества в экстремальных условиях, Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ 2008 г. , 210 с. 7. Кириленко А. В. Основы информационной культуры. Библиография. Вып. 1: учеб. пособие / А. В. Кириленко; под ред. Е. Г. Расплетиной. – СПб. : СПб. ГУ ИТМО, 2008. - 156 с. б) дополнительная литература: 7. Н. В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. М. , Наука, физ-мат. лит, 1988. 8. Ю. А. Ананьев. Оптические резонаторы и лазерные пучки. 1990 г. 264 с. 9. Н. Г. Басов, П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов. Полупроводниковые лазеры, УФН, 1986, т. 148, с. 36. 10. И. Р. Шен. Принципы нелинейной оптики. М. , 1989. 11. Адаптивная оптика. Сборник статей. Пер. с англ. под ред. Э. А. Витриченко. Изд. ”Мир”, Москва, 1980, 454 с. 12. В. В. Блинов, В. М. Вакуленко, И. Б. Ковш, Ю. Я. Устинов. Мощные лазеры для технологических применений, Б. 2. 2. 2. 4 “Физические основы квантовой электроники”. М. , ВНИИТИ, Итоги науки и техники, Электроника, т. 28, 1991, 138 с. 13. Справочник по лазерам под ред. А. М. Прохорова, М. , 1978 14. Ч. Пул-мл. , Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. 2 издание, М. , Техносфера, 2006. 15. А. А. Мак, И. М. Белоусова, В. М. Киселев, А. С. Гренишин, О. Б. Данилов, Е. Н. Соснов. Преобразование солнечной энергии в лазерное излучения с использованием фуллерен-кислород-йодного лазера с солнечной накачкой. Оптический журнал, т. 76, № 4, 2009, с. 4 -24. 16. Серебряков В. А. Лазерные технологии в медицине. Опорный конспект лекций. – СПб: СПб. ГУ ИТМО, 23 2010. – 268 с.