Лазеры. Основы устройства и их применение

ЛАЗЕР. 1)Краткие исторические данные. Лазе р , источник электромагнитн ого излучения видимого , инфракрасного и ультрафиоле тового диапазонов , основанный на вынужденном и злучении атомов и мо лекул . Слово " лазер " составлено из начальных букв (аббревиат ура ) слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате вынужде нного излучения ". Первый лазер был соз дан в 1960 году - и сразу началось бурное развитие лазерной техники . В сравнительно кор откое время появились различные типы лазеров и лазерных устройств предназначенных для решения конкретных научных и технических з адач. 2)Строение лазера Лазер - источни к света. По сравнению с другими исто чниками света лазер обладает рядом уникальных свойств , связанных с когерентностью и высокой направленностью его и злучения . Излучение "нелазерных " источников света не имеет этих особенностей. ”Сердце лазера” - его активный элемент . У одних лазеров он представляет собой кристаллический или стеклянный стержень ци линдрической формы . У других - это отпаянная стеклянная трубка , внутри которой находится специально подобранная газовая смесь . У третьих - кювета со специальной жидкост ью . Соответственно различают лазеры твердотельные , газовые и жидкостные. При нагревани и любое те ло начинает испускать тепло . Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника , т . е . заполняет телесный угол 2p рад. Формирование направленного пучка от та кого источника , осуществляемое с помощью сист емы диа фрагм или оптических систем , со стоящих из линз и зеркал , всегда сопровожд ается потерей энергии . Никакая оптическая сис тема не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую , чем в самом источнике света. 3)Принцип р аботы ла зера. Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно ) перейти на один из нижележащих уровней энергии , излучив при этом квант света (см . Атом ) . Световые волны , излучаемые нагретыми телами , формируются именн о в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул . Спонтанное излучение разл ичных атомов некогерентно . Однако , помимо спон танного ис пускания , существуют излучательные акты др . рода . При распространении в с реде световой волны с частотой v, соответствующ ей разности каких-либо двух энергетических ур овней E 1 , E 2 атомов или молекул среды ( hn = E 2 - E 1 , где h - Планка постоянная ) , к спонтанному испусканию частиц до бавляются др . радиационные процессы . Атомы , нах одящиеся на нижнем энер гетическом уровне E 1 , в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E 2 ( рис . 2 , а ) . Чи сло таких переходов пропорционально r ( n ) N 1 , где r ( n ) - спектральная плотност ь излучения в эрг /см 3 , N 1 - концентрация атомов , находящихся на уровне E 1 (населён ность уровня ). Атомы , находящиеся на верхнем энергетическом уровне E 2 , под действием кванто в hn вынужденно пере ходят на уровень E 1 ( рис . 2 , б ) . Ч исло таких переходов пропорционально r ( n ) N 2 , где N 2 - концентрация атомов на уровне E 2 . В р езультате переходов E 1 ? E 2 волна теряет энергию , ослабляется . В результ ате же переходов E 2 ? E 1 световая волна усиливается . Результирующее изменение эне ргии световой волны определяется разностью ( N 2 - N 1 ). В условиях термодинамического равновесия населённ ость н ижнего уровня N 1 всегда больше населённости вер хнего N 2 . Поэтому волна теряет больше энергии , чем приобретает , т . е . имеет место погло щение света . Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия , когда возникает инв ерсия насел ённостей уровней E 1 и E 2 , при которой N 2 > N 1 . При этом вынужден ные переходы E 2 ? E 1 преобладают и поставляют в световую волну больше энергии , чем теряется в результате переходов E 1 ? E 2 . Световая волна в этом случае не ослабляется , а усиливаетс я . 4)Виды лазе ров. Руб иновый лазер работает в импульсном режиме . Существуют также лазеры непрерывно го действия. В газовых лазерах этого т ипа рабочим веществом является , газ . Атомы рабочего вещества возбуж даются электрическим раз рядом. Применяются и пол упроводн ико вые лазеры непрерывного действия . Они созд аны впервые в нашей стра не . В них эне ргия для излучения заимствуется от электричес кого тока. Созданы о чень мощные газоди намические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт . В этих ла зерах «перен аселенность» верхних энергетичес ких уровней создается ! при расширении и адиабатном о хлаждении сверхзвуковых газовых потоков , нагретых до нескольких тысяч кельвин. 5)Применение лазеров. Лазеры используют во многих с ферах деятельности . Ведь лазер это удивит ельный источник света . Лазеры , конечно , при желании могут применяться в качестве экстравагантных светильников . Однако использовать лазерный луч в целях освещения нерациональ но. Большие возможност и открываются перед лазерной техникой в б иологии и медицине. Лазерный луч применя ется не только в хирургии (например , при операциях на сетчатке глаза ) как скальпель , но и в терапии . Интенсивно развиваются методы лазерной ло кации и связи . Локация Луны с помощью рубиновых Л . и спец . уголковых отражателей , доставленн ых на Луну , позволила увеличить точность измерения расстояний Земля - Луна до нескольких см. Получены обнадёживающие результаты в направленном стимулировании химических реакц ий . С помощью Л . можно селективно возбужда ть одно из собственных колебаний молекул ы . Оказалось , что при этом молекулы способны вступать в реакции , которые нельзя или затруднительно стимулировать обычным наг ревом. С помощью лазерной техники интенсивно разрабатыв аются оптические методы обработки передачи и хранения информации , методы го лографичес кой записи информации , цветное проекционное телевидение. 6)Зак лючение. За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники . созданы разнообразные лазеры , а также приборы , основан ные на их использовании . Лазеры теперь применяются в локации и в связи , в космосе и на земле , в медицине и строи тельстве , в вычислительной технике и промышле нности , в военной технике . Появилось новое научное направление - голография , становление и развитие кото р ой также немыслимо без лазеров. Создание лазеров - пример того , как р азвитие фундаментальной науки приводит к гига нтскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии .