на­качки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. воз­никает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе мо­жет инициировать (порождать) в актив­ной среде множество вынужденных пере­ходов 21, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являю­щихся копиями первичных. Таким образом зарождается лазерная генерация. Одна­ко спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фото­ны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Нужное направление преимущественного распространения фотонной лавины задается резонатором. В случае твердотельной активной среды это могут быть не отдельные зеркала, а зеркальное покрытие полированных торцов стержня.

Твердотельные лазеры отличаются большой мощностью, поэтому одно из наиболее распространенных применений этих лазеров – механическая обработка конструкционных материалов (сварка, резка, раскройка конструкционных материалов, чаще всего металлических). Импульсное лазерное воздействие применяется для поверхностного упрочнения деталей.
22.4.2. Газовые лазеры

Самым распространенным газовым лазером небольшой мощности до сих пор является гелий-неоновый лазер (рис. 22.12), активной средой в котором служит смесь гелия и неона в отношении 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Мощность гелий-неонового лазера может достигать ста милливатт. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.



Рис. 22.12. Устройство гелий-неонового лазера
Схема рабочих уровней гелий-неонового лазера приведена на рис. 22.13.



Рис. 22.13. Схема рабочих уровней гелий-неонового лазера

Е₃^Ne → Е₄^Ne(длина волны излучения λ = 3,392 мкм),

Е₂^Ne→ Е₅^Ne (λ = 1,153 мкм), Е₃^Ne → Е₅^Ne(λ = 0,632 мкм).
Возбуждение электронов при неупругих соударениях с электронами газового разряда происходит в атомах гелия. Возбужденные состояния Е₃^He

---

и Е₂^He являются метастабильными, т.е. на этих уровнях создается очень высокая концентрация электронов. Уровни энергии у атома неона Е₃^Ne и Е₂^Ne близки к соответствующим уровням энергии гелия, поэтому вследствие столкновений атомов гелия и неона энергия возбуждения передается атомам неона. Возбужденные электроны атомов неона с уровней Е₃^Ne и Е₂^Ne переходят с излучением световых квантов на уровни Е₄^Ne и Е₅^Ne, т.е. возможны излучательные переходы

Два первых из перечисленных электронных переходов дают излучение в ИК области, третий переход – в видимой области спектра (красное излучение). Именно этот переход является рабочим у гелий-неонового лазера. Гелий-неоновые лазеры применяются широко до сих пор, для проведения оптических работ, не требующих больших мощностей пучка.

В аргоновом лазере, накачка которого производится дуговым разрядом, рабочими являются переходы уровнями иона аргона.

Наиболее распространенными мощными технологическими газовыми лазерами являются лазеры на углекислом газе (СО₂-лазер, λ = 10,6 мкм), и лазер на окиси углерода (СО-лазер, λ = 5,3 мкм). Оба этих лазера могут генерировать мощность до 10 кВт.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

В какой-то мере к газовым можно отнести лазеры на парах металлов. Одним из наиболее известных является гелий-кадмиевый лазер (λ = 0,442 мкм), в котором рабочими являются уровни атомов кадмия, находящихся в парообразной фазе. Гелий применяется, так же, как и в гелий-неоновом лазере, для передачи энергии возбуждения атомам кадмия. Мощность гелий-кадмиевых лазеров обычно составляет около 100 мВт.
22.4.3. Жидкостные лазеры

Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. В настоящее время производятся жидкостные лазеры на растворах органических красителей в подходящих растворителях. Основное преимущество таких лазеров – возможность довольно быстрой перестройки генерируемой частоты, для этого надо просто заменить раствор одного красителя на раствор другого. Красители сейчас производятся химической промышленностью на весь видимый диапазон, поэтому можно получить генерацию практически любой длины волны излучения.

---

Основной недостаток жидкостных лазеров – невысокая стойкость молекул красителей к мощным световым потокам накачки. Вам знакомо свойство красок обесцвечиваться, выцветать на ярком солнечном свете, особенно в присутствии ультрафиолетового излучения – это краски для тканей, цветные фотографии, цветные принтерные отпечатки. Такому же обесцвечиванию подвергаются молекулы красителей жидкостных лазеров. Поэтому жидкая рабочая среда лазеров на красителях непрерывно прокачивается между зеркалами резонатора, чтобы не допустить длительного воздействия светового потока накачки на молекулы красителя. Это удорожает стоимость этих лазеров.

Накачка лазеров на красителях производится, как правило, другими лазерами, или мощными лампами (это ксеноновые лампы, знакомые вам по лампам-вспышкам в фотоаппаратах). Мощность жидкостных лазеров на красителях в непрерывном режиме достигает десятков ватт, в импульсном режиме – сотни джоулей на импульс. Применяются такие лазеры в физико-химической спектроскопии, в качестве эталонов длины волны светового излучения, в химической технологии – для осуществления химических реакций, которые могут протекать только тогда, когда молекулы реагентов находятся в фотовозбужденном состоянии.

В последнее время все большее распространение получают оптические методы обработки информации, вплоть до создания ЭВМ на оптических потоках. Это направление в электронике получило название фотоника. В таких системах находят применения лазеры небольшой мощности на красителях, помещенных не в жидкий растворитель, а в твердую прозрачную матрицу. Оказалось, что устойчивость молекул красителей в таких твердых матрицах выше, чем в жидких растворах, при не очень высоких мощностях накачки, что характерно для изделий фотоники.
22.4.4. Лазеры на свободных электронах

Проект первого лазера на свободных электронах (Free Electron Laser, FEL) был опубликован в 1971 году Джоном Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с лазером FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый ондулятор для усиления излучения. Мощность лазера составляла 300 мВт, при весьма низкой эффективности – всего 0,01 %. Но разработчики показали работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Рис. 22.14. Джон Мэйди 1943 – 2016

Излучение в лазере на свободных электронах генерируется ускоренным моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся через систему периодически расположенных отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Такая система получила название ондулятора (рис. 22.15). Движение электронов в этих условиях сопровождается их периодическими колебаниями, что приводит к излучению когерентной электромагнитной волны, энергия фотонов которой зависит от

---

энергии электронов и параметров ондулятора.



Рис. 22.15. Схема лазера на свободных электронах
Этим лазер на свободных электронах отличается от всех других типов оптических квантовых генераторов. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL.

_{При движении электрона со скоростью, много меньшей скорости света, частота излучения электрона определяется периодом ондулятора λW и скоростью υ движения электрона вдоль оси ондулятора, и длина волны генерируемого излучения λFEL}

(22.3)

что соответствует радиочастотному диапазону. Однако, при релятивистских скоростях формула усложняется, и длина волны излучения

(22.4)

смещается в сторону оптического диапазона. В формуле (22.4)

,

здесь В – индукция магнитного поля, m_e – масса электрона, с – скорость света, γ = [1 – (υ/c)²]^–1. При изменении энергии электронов от сотен до тысяч МэВ длины волн излучения электрона попадают в спектральные области от ультрафиолетовой до инфракрасной.

Параметры лазеров на свободных электронах впечатляют:

- импульсная мощность свыше 1 МВт;

- КПД более 10%;

- длительность импульса от 10^-12 с до бесконечности.

- диапазон перестройки от 50 нм до 1 мм.

Важным преимуществом этого типа лазеров является широкая полоса перестройки

Основным недостатком лазеров на свободных электрона является большая стоимость затрат на получение высокоскоростных (релятивистских) электронных пучков. Излучение, получаемое с помощью лазеров на свободных электронах, применяется для изучения нано-структур, находящих все более широкое применение в современной микроэлектронике.

---

---

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