При каждом прохождении через активную среду световой пучок усиливается. Если сделать одно из зеркал полупрозрачным, то часть когерентного светового потока будет выходить наружу. Это и есть оптический квантовый генератор – лазер (Light Am­plification by Stimulated Emission of Radi­ation).
22.3. Устройство лазера и особенности лазерного излучения

Лазер обязательно имеет три основных компонента (рис. 22.6): активную среду 1, устройство накачки 2 для создания инверсной населенности в активной среде, оптический резонатор 3 длявы­деления в пространстве единого направления движения пучка фотонов и формирования выходящего светового пучка.



Рис. 22.6. Компоненты оптического квантового генератора (лазера)

Активная среда; Устройство накачки;

Резонатор; Брюстеры

Назначение этих трех компонентов лазера ясно из вышеизложенного материала. Добавим, что существуют лазеры, работающие в непрерывном или в импульсном режимах. Во втором случае заднее зеркало резонатора делается вращающимся или совершающим колебательное движение относительно положения, когда оно в точности параллельно другому зеркалу резонатора. При этом в течение короткого промежутка времени зеркало проходит через это положение, и тогда лазер генерирует импульс и излучает накопленную в активной среде энергию. Так можно достичь больших плотностей излучаемой энергии. Напр., если лазер в непрерывном режиме работы излучает световой поток мощностью 1 мВт (1 мДж/с), то, излучая этот же 1 милливатт за время 100 микросекунд, т.е. за 10^-4 с, мы получаем энергию в импульсе в 10000 раз большую, чем при работе лазера в непрерывном режиме за этот же промежуток времени.

В настоящее время в промышленных технологиях находят применение лазерные импульсы длительностью 10^-7 – 10^-9 с, при этом энергия, излучаемая в импульсе, достигает 10⁹ Дж.

Назначение четвертого компонента конструкции лазеров мы рассмотрим далее.

Привлекательность лазерного излучения обусловлена исключительностью некоторых его свойств. Мы остановимся на трех из этих исключительных особенностей.

---

22.3.1. Высокая монохроматичность лазерного излучения

Эта особенность лазерного пучка связана с тем, что кванты hν вынужденного излучения образуются, как правило, при переходе атома между двумя определенными энергетическими состояниями E₂ и Е₁, т.е. имеют строго определенную энергию и, след., длину волны λ.
hс /λ = E₂ – Е₁. → λ = hс /(E₂ – Е₁).

Степень монохроматичности выходного пучка лазерного излучения зависит от постоянства энергетических уровней E₂ и Е₁. Так, напр., для излучения видимого диапазона (частота 10¹⁵ Гц) ширина полосы генерации газового лазера составляет очень малую величину, примерно 100 – 500 Гц, однако сейчас созданы лазеры с шириной полосы генерации единицы герц.

Правда, в некоторых типах лазеров генерируются также и другие длины волн, это излучение, как правило, не используется и считается паразитным. Такой режим работы лазера называется многомодовым. Однако в ряде случаев применяются многомодовые лазеры с перестройкой генерации рабочей моды.

Существуют также газовые лазеры ИК-диапазона, излучающие полосатый спектр, состоящий из множества близко расположенных линий. Такое излучение применяется в ИК-спектроскопии.
22.3.2. Малая расходимость лазерного пучка

Это свойство лазерного излучения обусловлено наличием резонатора. Генерация излучения лазера происходит тогда, когда усиливающаяся лавина квантов вынужденного излучения многократно отражается от зеркал резонатора. Для этого кванты должны двигаться строго вдоль продольной оси лазера и падать на зеркала строго перпендикулярно.



Рис. 22.7. К объяснению малой расходимости

лазерного пучка
В объеме активной среды лазера одновременно могут образовываться большое число лавин квантов вынужденного излучения, имеющих различные направления распространения и разные плоскости поляризации. Однако те из них, которые падают на боковые поверхности объема активной среды, а также те, которые падают на зеркала резонатора не перпендикулярно (на рис. 22.7 показаны красным цветом), отражаясь, гасятся стенками. В результате из выходного окна лазера выходит узкий пучок с малым углом расходимости α.

Угол расходимости зависит от соотношения расстояния между зеркалами резонатора к диаметру зеркала. Чем длиннее лазер, тем меньше расходится пучок на выходе. Кроме того, коротковолновое излучение расходится в меньшей степени, чем длинноволновое.

---

При лазерном зондировании Луны на ее поверхности наблюдалось пятно диаметром 30 км. Оценим угол расходимости пучка, которым производилось зондирование. Расстояние до Луны – 384467 км.

α ≈ tg α ≈ 20 / 384467 = 5,2 ^. 10^-5 рад = 16,1 " .
22.3.3. Плоская поляризованность лазерного пучка

Выходящий из резонатора световой пучок не является плоско-поляризованным. В начальный момент работы лазера направление поляризации в различных усиливаемых лавинах может быть различным, в принципе – любым. Если на пути лазерного пучка поставить пластинку прозрачного стекла под углом полной поляризации (углом Брюстера), то отраженный пучок будет полностью поляризован перпендикулярно плоскости падения (показано красным цветом), а прошедший пучок – частично поляризован в перпендикулярной плоскости (рис. 22.8).



Рис. 22.8. К объяснению плоской поляризованности

лазерного пучка

1. 
   Полупрозрачное зеркало резонатора;
   
2. 
   Брюстер.
   

Пунктиром показан узел непрозрачного зеркала резонатора
Отраженный пучок после отражения гасится, прошедший – отражается от зеркала резонатора и снова проходит через пластину, называемую на жаргоне оптиков брюстером. Этот процесс проходит многократно, при этом степень поляризации пучка возрастает. Брюстеры (их два, перед каждым зеркалом резонатора) играют роль поляризационного прибора стопа Столетова, только в данном случае свет проходит не через стопу пластин один раз, а многократно через две пластины, непрерывно увеличивая при каждом прохождении степень своей поляризации. В итоге выходящий пучок лазера практически полностью плоско поляризован.
22.4. Классификация лазеров

В настоящее время выпускается большое разнообразие лазерных устройств. что создает необходимость привести их некоторую классификацию, хотя бы для наиболее широко распространенных типов.

1) По виду активной среды: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые (инжекционные), лазеры на парах металлов, эксимерные лазеры, лазеры на свободных электронах.

2) По режимам работы: непрерывный и импульсный режимы.

3) По излучаемому диапазону длин волн: лазеры видимого излучения, ультрафиолетового, инфракрасного диапазонов. Предпринимаются попытки создать лазер рентгеновского излучения.

---

4). По излучаемой мощности: лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10⁶ Вт (мегаватт), называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10⁵…10³ Вт лазеры классифицируются как средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

5). По назначению:

- технологические лазеры для обработки конструкционных материалов, это высокомощные или средней мощности газовые или твердотельные лазеры, как правило, ИК-диапазона;

- лазеры для проведения фотохимических реакций, это тоже технологические лазеры, как правило, жидкостные, на органических красителях;

- лазерные измерительные системы (расстояний, размеров деталей, физико-химических свойств вещества, атмосферы);

- лазеры для передачи и обработки информации (напр., для волоконной оптики), это полупроводниковые, твердотельные, газовые лазеры видимого или ИК-диапазонов, малой мощности;

- лазеры медицинского назначения, это лазеры малой мощности, газовые, твердотельные, полупроводниковые;

- лазеры для проведения научных исследований в различных областях науки;

- мощные лазерные системы военного назначения;

- лазеры для управляемых ядерных реакций.

Существуют еще и другие параметры, по которым классифицируются лазеры, напр., какие-то конструктивные особенности, к.п.д.

Под коэффициентом полезного действия лазера понимается отношение оптической мощности, генерируемой на рабочей длине волны, к подводимой электрической мощности. У твердотельных лазеров к.п.д. составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1 – 15%, у полупроводниковых 40 – 60%.

Эта обширная классификация позволяет представить широкое разнообразие применений лазерного излучения в современной жизни.

Лазеры генерируют излучение в видимой, инфракрасной и ближней уль­трафиолетовой областях (в оптическом ди­апазоне). Наиболее распространенными из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые¹.
22.4.1. Твердотельные лазеры

Среди импульсных твердотельных лазеров более распространены устройства на рубине и стекле, легированном ионами неодима. Длина волны излучения неодимового лазера λ = 1,06 мкм (ближний ИК диапазон), у рубинового лазера – 0,694 мкм (излучение красного цвета).

Активная среда твердотельного лазера представляет собой стержень с плоскопараллельными торцами. Длина стержня рубинового лазера составляет обычно единицы см, диаметр – порядка 1 см. Стержни из неодимового стекла достигают длины 100 см, а диаметр – 4 – 5 см. Энергия импульса генерации неодимового лазера составляет примерно 1 кДж при длительности импульса 10

---

^-3 сек. У рубинового лазера энергия в импульсе достигает ста джоулей, при такой же длительности импульса, что и у неодимового.

Для эффективной накачки твердотельных лазеров используются ксеноновые лампы, помещенные в специальное отражающее устройство в форме эллиптического цилиндра с отражающей внутренней поверхностью (рис. 22.9).

Две оси эллиптического цилиндра F₁ и F₂ интересны тем, что луч, вышедший из любой точки одной оси, напр., F₁, после зеркального отражения от эллиптического цилиндра обязательно пройдет через вторую ось F₂. Вдоль одной оси (F₁ на рис, 22.9) располагают лампу накачки (в форме стержня), вдоль второй оси – стержень активной среды. В этом случае все излучение лампы накачки обязательно проходит через активную среду.



Рис. 22.9. Накачка твердотельных лазеров
Рубиновый лазер, созданный в 1960 году в США Теодором Мейманом, был первым твердотельным лазером.

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Аl₂О₃, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов алюминия (0,03 – 0,05)% замещены трехвалентными ионами хрома Cr³⁺. Излучение происходит при переходах между двумя уровнями в ионах хрома.

Рис. 22.10. Теодор Мейман и сконструированный им рубиновый лазер

В рубиновом лазере инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме (рис. 22.10), предложенной в 1955 г. Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым. Под действием лампы накачки атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на вышележащий уровень 3. Так как время жизни атомов хрома

в возбужденных состояниях мало (меньше 10^-7 с), то в дальнейшем происходят либо спонтанные переходы 31 (они не­значительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с пере­дачей избытка энергии решетке кристалла рубина.

Рис. 22.11. Трехуровневая схема возбуждения рубинового лазера

Переход 21 запрещен так называемыми правила­ми отбора по спину2, поэтому длительность возбуж­денного состояния 2 атомов хрома может достигать 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

---

Смотрите также файлы

• Мой дед уходил на войну, За Родину шел воевать.docx

• Литература, используемая при проведении занятия Учебник спасателя С. К. Шойгу Основы доврачебной помощи М. 89.docx

• 4 Бухгалтерский.docx

• азастан Республикасыны Білім жне ылым министрлігі Алматы аласы. Білім басармасыны Алматы электрмеханикалы колледжі.docx

• Методические рекомендации к выполнению курсового проекта по пм04. Организация работ по санитарному содержанию, благоустройству общего имущества и прилегающей территории объектов жилищнокоммунального хозяйства по специальности 43..doc