Лазери
Квантовігенератор, що випромінюють в діапазоні видимого та інфрачервоного випромінювання, отрималиназву лазерів. Слово В«лазерВ» є абревіатурою виразу: LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation, що означає посилення світлав результаті індукованого або, як іноді називають, вимушеного випромінюванняквантів.
Пристрій лазера
Узагальнений лазер складається з лазерноюактивного середовища, системи В«накачуванняВ» - джерела напруги та оптичногорезонатора.
Система накачування передаєенергію атомам або молекулам лазерної середовища, даючи їм можливість перейти впорушену В«метастабільний станВ» створюючи інверсію заселеності.
В·Приоптичної накачуванні використовуються фотони, забезпечувані джерелом, таким якксенонова газонаповнені імпульсна лампа або інший лазер, для передачіенергії лазерному речовині. Оптичний джерело повинен забезпечувати фотони,які відповідають допустимим рівням переходу в лазерному речовині.
В·Накачуванняза допомогою зіткнень заснована на передачі енергії лазерного речовині вВнаслідок зіткнення з атомами (або молекулами) лазерного речовини. При цьомутакож повинна бути забезпечена енергія, відповідна допустимим переходам.Зазвичай це виконується за допомогою електричного розряду в чистому газі або всуміші газів в трубці.
В·Хімічнісистеми накачування використовують енергію зв'язку, що вивільняються в результатіхімічних реакцій для переходу лазерного речовини в метастабільний стан.
Оптичний резонатор потрібнодля забезпечення потрібного зусилля в лазері і для відбору фотонів, якіпереміщаються в потрібному напрямку. Коли перший атом або молекула вметастабільному стані інверсної населеності розряджається, за рахуноквимушеного випромінювання, він ініціює розряд інших атомів або молекул,знаходяться в метастабільному стані. Якщо фотони переміщаються в напрямкустінок лазерного речовини, зазвичай представляє собою стрижень або трубу, вонигубляться, а процес посилення переривається. Хоча вони можуть відбитися від стінокстрижня або труби, але рано чи пізно вони загубляться з системи, і не будутьсприяти створенню променя.
З іншого боку, якщо один ззруйнованих атомів або молекул вивільнить фотон, паралельний осі лазерногоречовини, він може ініціювати виділення іншого фотона, і вони обидва відіб'ютьсядзеркалом на кінці генеруючого стрижня або труби. Потім, відображені фотонипроходять назад через речовину, ініціюючи подальше випромінювання в точності потому ж шляху, яке знову відіб'ється дзеркалами на кінцях лазерного речовини.Поки цей процес посилення продовжується, частина посилення завжди буде виходитичерез частково відбиває дзеркало. У міру того, як коефіцієнт посилення або прирістцього процесу перевищить втрати з резонатора, починається лазерна генерація.Таким чином, формується вузький концентрований промінь когерентного світла. Дзеркалав лазерному оптичному резонаторі повинні бути точно налаштовані для того, щобсвітлові промені були паралельні осі. Сам оптичний резонатор, тобто речовинасередовища, не повинен сильно поглинати світлову енергію.
Лазерна середу (генеруючий матеріал) -зазвичай лазери позначаються за типом використовуваного лазерного речовини. Існуютьчотири таких типу:
• тверда речовина,
• газ,
• барвник,
• напівпровідник.
Твердотільні лазери використовуютьлазерне речовина, розподілене в твердій матриці. Твердотільні лазеризаймають унікальне місце у розвитку лазерів. Першою робочою лазерної середовищембув кристал рожевого рубіна (сапфіровий кристал, легований хромом); із тихпір термін В«твердотільний лазерВ» зазвичай використовується для опису лазера, уякого активним середовищем є кристал, легований домішками іонів.Твердотільні лазери - це великі, прості в обслуговуванні пристрою,здатні генерувати енергію високої потужності. Найбільш чудовоюстороною твердотільних лазерів є те, що вихідна потужність зазвичай не постійна,а складається з великої кількості окремих піків потужності.
Одним із прикладів є Неодим - YAGлазер. Термін YAG є скороченням для кристала: алюмоіттріевий гранат,який служить як носій для іонів неодиму. Цей лазер випромінює інфрачервонийпромінь з довжиною хвилі 1064 мікрометра. Крім того, можуть використовуватися й іншіелементи для легування, наприклад ербій (лазери Er: YAG).
У газових лазерах використовуєтьсягаз або суміш газів в трубі. У більшості газових лазерів використовується сумішгелію і неону (HeNe), з первинним вихідним сигналом у 6328 нм (нм = 10-9метра) видимого червоного кольору. Вперше такий лазер був розроблений в 1961 році істав передвісником цілого сімейства газових лазерів.
Всі газові лазери досить схожі поконструкції і властивостям. Наприклад, СО2 газовий лазер випромінює довжину хвилі 10,6мікрометрів в далекій інфрачервоній області спектра. Аргоновий і кріптоновийгазові лазери працюють з кратною частотою, випромінюючи переважно у видимій частиніспектра. Основні довжини хвиль випромінювання аргонового лазера - це 488 і 514 нм.
У лазерах на барвнику використовуєтьсялазерна середу, що є складним органічним барвником в рідкому розчиніабо суспензії.
Найбільш значна особливість цихлазерів - їх В«пристосовністьВ». Правильний вибір барвника і його концентраціїдозволяє генерувати лазерне світло в широкому діапазоні довжин хвиль у видимомуспектрі або біля нього. У лазерах на барвнику зазвичай застосовується системаоптичного збудження, хоча в деяких типах таких лазерів використовуєтьсязбудження за допомогою хімічних реакцій.
Напівпровідникові (діодні) лазери -складаються з двох шарів напівпровідникового матеріалу, складених разом. Лазерний діодє діодом, випромінюючим світло, з оптичної ємністю для посилення випромінюваногосвітла від люфту в стержні напівпровідника, як показано на малюнку. Їх можнаналаштувати, змінюючи прикладається струм, температуру або магнітне поле.
Різні тимчасові режими роботилазера визначаються частотою, з якою надходить енергія.
Лазери з безперервним випромінюванням (Continuouswave, CW) працюють з постійною середньою потужністю променя.
У одноімпульсних лазерів тривалістьімпульсу зазвичай складає від декількох сотень мікросекунд до декількохмілісекунд. Цей режим роботи зазвичай називається Длінноімпульсний абонормальним режимом.
Одноімпульсние лазери з модуляцієюдобротності є результатомвнутрірезонаторного запізнювання (комірка модуляції добротності),яке дозволяє лазерної середовищі зберігати максимум потенційноїенергії. Потім, при максимально сприятливих умовах, відбуваєтьсявипромінювання одиночних імпульсів, зазвичай з проміжком часу в 10-8секунд. Ці імпульси мають високу піковою потужністю, часто в діапазоні від106 до 109 Ватт.
Імпульсні лазери періодичногодії або скануючі лазери працюють в принципі також які імпульсні лазери, але з фіксованою (або змінної) частотою імпульсів,яка може змінюватися від декількох імпульсів в секунду до такого великогозначення як 20 000 імпульсів в секунду.
Принципдії лазера
Фізичноїосновою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання.Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випроменити фотон піддією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнюєрізниці енергій рівнів атома до і після випр...
