Лазер физика: материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ : лазер.

Лазер (оптический квантовый генератор) – выдающееся достижение физики XX века. Уникальные свойства лазерного луча находят применение в самых разнообразных сферах – от мощных промышленных агрегатов до мелкой бытовой техники.

Слово laser образовано первыми буквами фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Дословный перевод таков: “усиление света с помощью вынужденной эмиссии излучения”. В русском языке используется более короткий термин вынужденное излучение или индуцированное излучение (слово “эмиссия” опускается). Явление индуцированного излучения, которое мы сейчас обсудим, составляет физическую основу действия любого лазера.

Рассмотрим два энергетических состояния атома: основное состояние с энергией и возбуждённое состояние с энергией .

Если возбуждённый атом предоставлен сам себе, то он переходит в основное состояние самопроизвольно. Момент перехода предсказать невозможно, и потому излучение в этом случае называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов является некогерентным, поскольку атомы излучают совершенно независимо друг от друга.

Оказывается, однако, что атом можно заставить излучить фотон, вынудив соскок электрона с верхнего уровня на нижний. Это произойдёт под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода . Эффект аналогичен явлению резонанса при вынужденных колебаниях; в качестве вынуждающей силы выступает при этом электромагнитное поле. Излучение атома, вызванное внешним электромагнитным полем, называется

Рис. 1. Индуцированное излучение:

Левая часть рисунка соответствует начальной ситуации, когда на возбуждённый атом, находящийся в состоянии с энергией , падает фотон, энергия которого в точности равна разности энергий возбуждённого и основного состояний.

Средняя часть рисунка показывает вынужденный переход атома в основное состояние: под воздействием падающего фотона электрон соскакивает с верхнего уровня на нижний.

В правой части рисунка мы видим результат этого соскока. Падающий фотон никуда не делся, а атом, перейдя в основное состояние, излучил ещё один фотон, тождественный падающему фотону. Таким образом, вместо одного падающего фотона “на входе” возникло два фотона-близнеца “на выходе”.

Итак, в результате индуцированного излучения атом испускает монохроматическую волну, совпадающую с падающей волной по частоте и фазе. Эти две волны, интерферируя, усиливают друг друга! Именно этот эффект усиления света используется в лазере.

Для усиления света, проходящего через некоторую среду, одного только индуцированного излучения атомов среды недостаточно. Нужно ещё создать

Когда свет идёт через вещество, возникают два противоположных эффекта.

1. Cвет поглощается атомами среды, находящимися в основном состоянии. Эти атомы переходят в возбуждённое состояние.

2. Свет усиливается за счёт индуцированного излучения возбуждённых атомов. Испуская фотоны, эти атомы возвращаются в основное состояние.

Возникает вопрос: какой эффект перевешивает?

В обычных условиях большинство атомов вещества находятся в основном состоянии, меньшая их часть – в возбуждённом. В таком случае мы имеем нормальную населённость энергетических уровней (рис. 2, слева).

Рис. 2. Два типа населённости уровней

Если свет проходит через среду с нормальной населённостью, то большая часть атомов поглощает свет; индуцированное излучение создаётся малым количеством атомов. В результате число фотонов уменьшается со временем, и световой поток ослабляется.

Можно, однако, создать условия, когда большинство атомов среды находится в возбуждённом состоянии.

Если свет подходящей частоты распространяется в среде с инверсной населённостью, то фотоны чаще налетают на возбуждённые атомы, чем на невозбуждённые, так что индуцированное излучение фотонов преобладает над их поглощением. По мере прохождения света количество фотонов нарастает, и свет усиливается.

Как же создать в среде инверсную населённость? Нельзя ли просто направить на вещество мощный поток света и освещать до тех пор, пока больше половины атомов не перейдёт в возбуждённое состояние?

Добиться этого и в самом деле можно, но проблема состоит в том, что двумя энергетическими уровнями тут не обойдёшься. Действительно, поглощая фотоны, атомы будут переходить из основного состояния в возбуждённое состояние ; но те же самые фотоны падающего света будут вынуждать и обратные переходы с уровня на уровень , сопровождающиеся индуцированным излучением. Следовательно, число возбуждённых атомов с энергией не может превысить числа атомов в основном состоянии .

Классической схемой создания в среде инверсной населённости является система из трёх знергетических уровней , и , в которой состояние является основным, состояние – “короткоживущим” , а состояние – “долгоживущим”. Такие уровни имеются в кристаллах рубина.

Работа трёхуровневой системы показана на рис. 3. В начальной ситуации большинство атомов находится в основном состоянии .

Рис. 3. Инверсная населённость в трёхуровневой системе

Мощная вспышка лампы переводит большую часть атомов среды в возбуждённое состояние с энергией . Но электроны атомов не задерживаются на этом энергетическом уровне. Состояние обладает малым временем жизни , равным примерно с; по истечении данного промежутка времени электроны соскакивают с уровня вниз – но не назад на уровень , а на промежуточный уровень .

Переход не сопровождается излучением – энергия этого перехода передаётся тепловым колебаниям кристаллической решётки.

Итак, в результате вспышки лампы атомы из основного состояния транзитом через уровень переводятся на метастабильный уровень , и благодаря большому времени жизни этого уровня начинают на нём накапливаться. Если переходы совершаются достаточно быстро, то на уровне окажется больше половины атомов среды – возникает инверсная населённость данного уровня!

Ну а затем достаточно небольшого числа спонтанных переходов , и излучённые фотоны вызовут лавину таких же, но теперь уже индуцированных лазерных переходов . Число фотонов, порождённых лазерными переходами, стремительно нарастает и создаёт импульс лазерного излучения.

Таким образом, луч лазера генерируется в ходе согласованного “сброса” многих атомов с уровня на уровень . Атомы при этом излучают синхронно , “в такт”, и волны, излучённые атомами, идентичны друг другу по частоте и фазе. Излучение лазера, будучи результатом наложения таких идентичных волн, получается

В общих чертах схема устройства лазера выглядит следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Устройство лазера

В атомах активной среды 1 создаётся инверсная населённость в результате вспышки 2. Активной средой может служить, например, кристалл рубина или какое-либо другое подходящее вещество.

На торцах активной среды стоят непрозрачное зеркало 3 и полупрозрачное зеркало 4. Эти зеркала обеспечивают, как говорят,

А именно, происходит вот что. После вспышки, как мы уже говорили, создаётся инверсная населённость, и достаточно нескольких спонтанно излучённых фотонов при лазерном переходе , чтобы началось их лавинообразное размножение в результате индуцированного излучения. Но при отсутствии зеркал эта лавина не успеет затронуть весьма большое количество возбуждённых атомов – возникший импульс уже покинет пределы активной среды.

Чтобы этого не произошло, световой импульс разумно завернуть назад и погонять некоторое время внутри активной среды, заставляя высвечиваться всё большее и большее количество атомов – и тем самым всё более усиливая лазерный луч. Вот для этого и нужны зеркала на торцах. Одно зеркало, естественно, должно быть полупрозрачным и частично выпускать излучение наружу – мы ведь хотим использовать луч лазера для каких-то целей 🙂

Зеркала выполняют ещё одну важную функцию: благодаря им лазерный луч имеет очень малую расходимость. Дело в том, что лучи, отклоняющиеся от оси цилиндра, рано или поздно выйдут через боковую цилиндрическую поверхность, а лучи, идущие параллельно оси, будут циркулировать туда-сюда сколько угодно и максимально усиливаться. Вот почему лазерный луч даёт маленькое световое пятно даже на удалённых предметах.

Физика лазеров

 ПРЕДПРИЯТИЕ ГОСКОРПОРАЦИИ “РОСАТОМ”

Главная / Деятельность /Исследования /Физика лазеров /

Физика лазеров Днем рождения лазерно-физических исследований во ВНИИЭФ принято считать 13 марта 1963 года. Именно в этот день научный руководитель ВНИИЭФ Ю. Б. Харитон провел совещание, где Я. Б. Зельдович изложил физику вынужденного излучения и объяснил, почему основные свойства лазерного излучения определяются механизмом этого явления. На совещании также присутствовали специалисты по оптическим свойствам ударных волн – С. Б. Кормер и Г. А. Кириллов, которые активно приступили к развитию нового направления. В 1965 г. к Ю. Б. Харитону обратился лауреат Нобелевской премии в области физики Н. Г. Басов с предложением провести совместные исследования возможности создания лазеров с максимально достижимой энергией излучения на базе фотодиссоционных лазеров. При обсуждении этих вопросов Ю. Б. Харитон высказал идею использовать для накачки лазеров свечение фронта ударной волны в благородных газах, возбуждаемой взрывом обычного взрывчатого вещества (ВВ). Н. Г. Басов с этим предложением согласился, после чего начались совместные исследования сотрудников Физического института Академии Наук (ФИ АН) и ВНИИЭФ по созданию мощных лазеров. В последующие годы во ВНИИЭФ проведены исследования различных типов мощных лазеров и их применений. В настоящее время Институт лазеро-физических исследований (ИЛФИ) осуществляет научно-техническую деятельность и международное сотрудничество по следующим направлениям: исследования в области лазерного термоядерного синтеза; исследования свойств высокотемпературной плазмы; разработка и создание мощных фотодиссоционных, химических, газодинамических, кислород-йодных и твердотельных лазерных систем; применение лазерных технологий в медицине, экологии и других областях науки и техники. Во взрывных фотодиссоционных лазерах (ВФДЛ) для создания инверсии в атомах йода используется излучение фронта ударной волны, генерируемой в инертном газе взрывом ВВ. 1970 г. – в кооперации с ФИАН и ГОИ был создан лазер мегаджоульного уровня энергии при длительности импульса ~ 100 мкс. Реализация этого проекта стала яркой иллюстрацией возможностей, которые открывает сочетание разрушительной силы взрыва и тонких когерентных свойств лазерного излучения. 1974–2002 гг. – за счет оптимизации лазерной среды (оптические неоднородности были уменьшены на порядок) и разработки нового типа резонатора с нерезонансной обратной связью и угловым селектором удалось создать ВФДЛ, который до сих пор находит широкое применение в исследовательских программах. Разработка устройств обращения волнового фронта (ОВФ) для компенсации оптических неоднородностей позволила получить на ВФДЛ практически дифракционную расходимость излучения и создать лазеры с рекордной силой излучения. Возможности по концентрации энергии излучения ВФДЛ с ОВФ наглядно продемонстрированы на установке “Лямбда” (в рамках проекта МНТЦ), где излучение взрывного лазера было сфокусировано в пятно размером порядка длины волны излучения (~ 1,5 мкм) и достигнута интенсивность излучения 3.1018 Вт/см2. Для наносекундных импульсов это значение является рекордным. 1970 – 1980 гг. – по инициативе Ю.Б. Харитона и С.Б. Кормера были начаты исследования в области создания мощных химических лазеров (ХЛ), инверсия населенности в которых формируется в результате цепной химической реакции фтора с водородом (дейтерием). В результате проведенных экспериментальных работ была изучена физика химических лазеров, получены рекордные значения удельной энергии лазерного излучения, приходящейся на единицу объема активной среды. Совместно с РНЦ “Прикладная химия” во ВНИИЭФ был создан и испытан самый мощный в мире импульсный химический лазер. 1982-2002 гг. – анализ показал, что существенно большей перспективой применения обладают неуничтожаемые системы, работающие в импульсно-периодическом режиме. Результатом исследований стал химический лазер с энергией излучения в импульсе несколько кДж, расходимостью излучения, близкой к дифракционной, техническим КПД ~ 70 % (самым высоким для лазеров вообще), частотой следования импульсов 1–4 Гц. 1985-2005 гг. – продуктивными оказались работы по изучению лазеров на нецепной реакции фтора с водородом (дейтерием), где в качестве фторсодержащего вещества применялся гексафторид серы SF6, диссоциирующий в электрическом разряде. Для обеспечения длительной и безопасной работы лазера в импульсно-периодическом режиме созданы установки с замкнутым циклом смены рабочей смеси. Показана возможность получения в электроразрядном лазере на нецепной химической реакции расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу, частоты следования импульсов до 1200 Гц и средней мощностью излучения несколько сотен Вт. В газодинамических лазерах (ГДЛ) источником энергии излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, равновесно нагретого до высоких температур. Исследования ГДЛ развернулись в 1974 году. Была создана экспериментальная установка, в которой нагрев газа осуществлялся с помощью электрического взрыва. Рекордные удельные энергетические характеристики излучения ГДЛ достигнуты благодаря изобретению соплового блока с оригинальной системой смешения нагретого азота с рабочей молекулой (С02) и газом релаксантом (Не, Н20). Полученные удельные энергетические характеристики ГДЛ превосходят соответствующие удельные характеристики электроразрядных лазеров и близки к максимальным характеристикам лучших химических лазеров. Химический кислород-йодный лазер КИЛ-10 – единственный к настоящему времени химический лазер на электронных переходах. Основу КИЛ составляет генератор молекулярного синглетного кислорода, энергия возбуждения которого при столкновениях передается с высокой эффективностью атомам йода. Работы по КИЛ начались в 1981 году. Уже через год была получена мощность излучения 180 Вт, в 1986 году – 900 Вт. В 1991 году на установке с дозвуковым потоком газа была достигнута мощность излучения около 5 кВт при удельном съеме энергии 400 Дж/г и химической эффективности ~24 %. В 1995-1999 гг. был создан новый тип генератора синглетного кислорода с закрученным потоком газа. В 1999 году была успешно испытана сверхзвуковая модель КИЛ. В 2007 году выведен на полномасштабный режим работы стенд КИЛ-10. Синглетный кислород производится в оригинальном, защищенном патентом РФ N 2307434 химическом генераторе синглетного кислорода (ГСК) с уникальными характеристиками: химическая эффективность – до 85 %, удельная производительность синглетного кислорода – до 24 ммоль/с·см2. Выходная мощность стенда КИЛ-10 превосходит мощность любого из известных по научным публикациям Европейского непрерывного кислород–йодного лазера. Судя по опубликованным работам, полученная химическая эффективность КИЛ является рекордной. В результате активной работы сотрудников института в кооперации со многими учреждениями страны в РФЯЦ-ВНИИЭФ появилось целое семейство мощных моноимпульсных установок “Искра”. В 1989 году была запущена 12-канальная установка “Искра-5” мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии (по мощности ее превосходила лишь установка “Нова” в США). “Искра-5” стала основой экспериментального комплекса, включающего в себя камеру взаимодействия с фокусирующей оптикой и средства диагностики плазмы. На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. На установке также решаются задачи тестирования программ радиационной газовой динамики, разрабатываемых во ВНИИЭФ. Эксперименты на установке “Искра-5” не только привели к важным результатам, перечисленным выше, но и выявили ограниченность ее возможностей. В 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ выступил с предложением о создании лазерной установки нового поколения с энергией, на порядок превышающей энергию установки “Искра-5”. Под руководством Р.И. Илькаева, Г.А. Кириллова и С.Г. Гаранина был разработан концептуальный проект неодимовой установки со следующими параметрами: энергия лазерного излучения 300 кДж на длине волны 351 нм, число каналов 128, длительность лазерного импульса (1-3) нс, форма лазерного импульса – профилированная. Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений по физике горячей и плотной плазмы. Впоследствии характеристики данной установки были уточнены с учетом последних достижений лазерной техники и технологии, нового понимания физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Это позволит увеличить число каналов и обеспечит в камере взаимодействия существенно более высокую энергию лазерного излучения. Установка получила название “УФЛ-2М”. При создании лазера такого класса, как “УФЛ-2М”, на первом этапе для проверки и отработки основных научно-технических решений необходимо создать менее масштабную установку, являющуюся прототипом основной системы. Прототипом базового модуля установки “УФЛ-2М” является четырехканальная неодимовая установка “Луч”, запущенная в РФЯЦ-ВНИИЭФ в 2001 году при участии ведущих институтов страны. Для повышения КПД и снижения стоимости лазера используется четырехпроходная схема усиления, в которой импульс четыре раза проходит через активные лазерные элементы (Nd пластины). Четыре лазерных канала объединены в блоки (2×2) с единой системой накачки на основе ксеноновых ламп. В поперечном сечении лазерный пучок представляет собой квадрат с размером 20×20 см. Установка “Луч” располагается в специальном здании, в помещении площадью ~ 600 кв.м и классом чистоты N 7 ИСО. Внутри имеются сверхчистые боксы для силовых усилителей и оптики с классом чистоты N 5 ИСО. Проведены эксперименты по исследованию усиления импульса излучения длительностью τ0,5=4 нс в штатном режиме. Выходная энергия канала составила ~ 3,5 кДж при коэффициенте усиления слабого сигнала g = 0,045 см-1, что близко к расчетно-ожидаемой в условиях экспериментов. Выполненные работы по созданию установки “Луч” и исследованию усиления лазерного излучения позволили подтвердить основные научно-технические решения, закладываемые в схему установки “УФЛ-900”. В последние годы наблюдается стремительный прогресс в разработке и создании твердотельных лазерных систем с импульсами фемтосекундной длительности (1фс=10-15с) субпетаваттной и петаваттной мощности. С вводом в строй установки “Луч” открывается уникальная возможность получения на базе канала этой установки сверхмощных (~ ПВт) лазерных импульсов. В РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно с ИПФ РАН разработана петаваттная лазерная система со сверхкороткой длительностью импульса на основе параметрического усиления широкополосных чирпированных лазерных импульсов. Накачка выходного параметрического усилителя (кристалл DKDP световой апертурой 300мм и толщиной 55мм) производится преобразованным во вторую гармонику (λнак = 527 нм) излучением лазерного канала установки “Луч” (Енак~0,5–1,5кДж, τнак=2,5нс). В четырех каскадах параметрического усиления получен коэффициент усиления 1011. Энергия пучка на выходе оконечного параметрического усилителя составила Есигн=100Дж на λсигн=911нм. Для компрессии импульса применяются четыре дифракционные решетки размером 240×380мм с плотностью штрихов 1200мм-1. Длительность скомпрессированного импульса составляет τ~ 60 фс, что соответствует мощности лазерного излучения Рвых~ 1,2 ПВт. Для фокусировки лазерного пучка на мишень применяется внеосевое параболическое зеркало диаметром 320мм с фокусным расстоянием 800мм и собственным кружком рассеяния ~ 10 мкм по уровню 80 % энергии, что обеспечивает интенсивность лазерного пучка на мишени I ~ (1020 – 1021) Вт/см2. В РФЯЦ-ВНИИЭФ разрабатывается электроразрядный лазер, работающий в УФ- и ИК- диапазонах спектра, на основе рабочей камеры и источника энергопитания серийного экспериментального лазера CL-5000 (ЦФП ИОФ РАН, г. Троицк) и нового электродного узла с многосекционным разрядным промежутком. Для лазерных сред на основе XeF, KrF, N2, HF, DF, СО2 получены рекордно высокие частоты следования импульсов при низкой скорости прокачки газа (< 19 м/с). Управление работой лазера осуществляется от компьютера. Стабильность энергии импульсов излучения XeF-, KrF-, N2-лазеров составила σ2 ≤ %. Исследования, направленные на использование ядерной энергии для накачки лазеров, ведутся во ВНИИЭФ с конца 60-х годов. В 1972 году прошли первые успешные эксперименты по получению генерации в смесях инертных газов атмосферного давления при их возбуждении осколками деления урана в нейтронных полях исследовательских ядерных реакторов. В других организациях России и в США исследования по прямой ядерной накачке лазерных сред были проведены спустя несколько лет, и с тех пор они практически лишь повторяли полученные во ВНИИЭФ и опубликованные в открытой печати результаты. На базе ядерных реакторов ВНИИЭФ в Институте ядерной и радиационной физики создано несколько экспериментальных комплексов для проведения исследований по проблемам прямой ядерной накачки. Основные комплексы созданы на базе реакторов ВИР-2М и БИГР. Выработана концепция реактора-лазера (РЛ) как автономного ядерно-физического устройства, совмещающего функции лазерной системы и ядерного реактора и осуществляющего прямое преобразование энергии ядерных реакций в лазерное излучение… подробнее>>>

Основы лазерной физики — Американский клуб изучения лазеров

На этой странице изложены основы лазеров ^[1-4] только в той мере и в той степени, в которой это необходимо для понимания основных строительных блоков медицинского лазера для широкого спектра применений, включая хирургия мягких и твердых тканей, а также терапевтическое применение. Основы взаимодействия лазера и ткани в рамках лазерной хирургии мягких тканей описаны на странице «Основы лазерной хирургии». Восхитительное введение в оптику, относящееся к теме этой страницы (например, электромагнитный спектр, единицы измерения интенсивности света, плотность потока и т. д.), можно найти на этих легкодоступных и настоятельно рекомендуемых страницах Википедии: Свет, Солнечный свет, Электромагнитный спектр и излучение черного тела.

Фотоны и электромагнитные волны

Согласно квантовой механике, свет состоит из частиц, называемых фотонами. Фотон характеризуется своей частотой f (измеряется в Гц = 1/сек), поскольку он движется со скоростью света c (299 792 458 м/сек ^[5] ) и несет удельную энергию E = hf (где ч = 6,62607015 × 10 ⁻³⁴ Дж x сек — постоянная Планка ^[1-4] ), а также имеет импульс и определенную поляризацию.

Согласно электромагнитной теории, свет состоит из электрических и магнитных волн, которые колеблются с частотой f и движутся со скоростью света c , как в квантовой механике. Поляризация электромагнитной волны определяется ориентацией плоскости, в которой колеблется электрическое поле.

При рассмотрении лазерного излучения, генерируемого атомами и молекулами, наиболее полезно рассматривать Свет с точки зрения поглощенных фотонов (см. 9).0009 Рисунок 1 ) или испускаемый (см. Рисунок 2 и 3 ) атомами или молекулами.

Рис. 1. Поглощение света атомом.

Рис. 2. Спонтанное излучение света атомом.

Рис. 3. Вынужденное излучение света атомом.

Однако при рассмотрении лазерных резонаторов лучше всего рассматривать Свет с точки зрения волн, как показано на рис. 4 , где форма зеркал резонатора соответствует форме волновых фронтов лазерного луча при отражении от зеркальные поверхности. Корпускулярно-волновой дуализм внутри лазерного резонатора выражается в форме волнового фронта электромагнитных волн, который состоит из множества отдельных синхронизированных фотонов (т. е. когерентных) с той же энергией (или частотой, т. е. монохроматических), которые генерируются атомы или молекулы внутри лазерного резонатора.

Рис. 4. Мода резонатора лазера, волновой фронт которой соответствует форме зеркал резонатора.

Поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение

Рассмотрим электрон внутри атома, имеющий два энергетических состояния (или орбиты), разделенных hf , как показано на рис. 1 .

Если такой электрон находится в более низком из двух энергетических состояний, и если фотон с энергией hf поглощается таким атомом, то электроны в более низком энергетическом состоянии перепрыгнут в более высокое энергетическое состояние.

Однако, если электрон находится в более высоком из двух энергетических состояний, фотон с энергией hf может спонтанно испуститься таким атомом, и электроны перепрыгнут из более высокого энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние, как показано на рис. Рисунок 2 . Такое излучение света называется спонтанным излучением.

Помимо Поглощения Света ( Рисунок 1 ) и Спонтанного Излучения Света ( Рисунок 2 ), возможен третий способ взаимодействия Света с атомами (или молекулами), впервые описанный Альбертом Эйнштейном. ^[1-4]

Предположим, что электрон внутри атома находится в более высоком из двух состояний, и на такой атом воздействует фотон с энергией, которая соответствует разнице между двумя состояниями в атоме, как показано на рис. Рисунок 3 . Тогда падающий фотон, не поглощаясь атомом, будет стимулировать: (1) электрон к переходу в более низкое энергетическое состояние, при этом падающий фотон не будет поглощен, и (2) атом излучает такой же фотон в в том же направлении, что и исходный фотон. Такое излучение фотонов известно как стимулированное излучение.

Обратная заселенность, усиление света и активная среда

Достаточное количество атомов (или молекул), возбужденных до более высоких энергетических состояний, см. рис. 2 и 3 , называется обратной заселенностью и является необходимым условием для света Усиление, тогда как один фотон может привести к лавине множества идентичных фотонов, движущихся в одном направлении. Среда атомов (или молекул) с инверсной заселенностью также называется активной средой, что является необходимым условием для работы ЛАЗЕРА – усиление света за счет стимулированного излучения.

ЛАЗЕР

Активная среда и оптический резонатор являются двумя обязательными компонентами работающего ЛАЗЕРА.

Активная среда и механизм возбуждения/накачки

Активная среда может быть создана с помощью различных так называемых механизмов накачки, например возбуждение атомов или молекул фотонами высокой энергии (так называемая оптическая накачка) или электронами высокой энергии (так называемая электрическая накачка).

На рис. 5 показана активная среда, помещенная между двумя зеркалами, образующими оптический резонатор.

Рис. 5. Активная среда внутри двухзеркального лазерного резонатора может создавать лазерный луч, распространяющийся через частично отражающее зеркало резонатора.

Высокоэффективный насосный механизм, являющийся ключом к созданию мощного лазера. Например, механизм накачки лазера CO ₂ , ^[6,7,8] , изобретенный Кумаром Пателем, почетным членом Американского клуба лазерных исследований, основан на правильном выборе (1) газов (CO ₂ , N ₂ , He, Xe) для активной среды и 2) электрические параметры плазмы, создающей активную среду. Электрическая накачка передает до 80% энергии электронов плазмы в N ₂ колебательных состояний молекул, которые, в свою очередь, возбуждают верхние энергетические уровни генерации молекулы CO ₂ . Атомы He поддерживают наименьшую заселенность на нижнем уровне энергии генерации молекулы CO ₂ за счет эффективного отвода тепла из активной среды. Атомы Xe оптимизируют энергию электронов в плазме, чтобы обеспечить наиболее эффективное возбуждение молекул N ₂ (упомянутых выше), так что электрооптический КПД лазера CO ₂ может превышать 20%.

Оптический резонатор

Самый простой и часто самый практичный оптический резонатор состоит из двух зеркал, одно из которых представляет собой 100% отражающее зеркало с вогнутой поверхностью, а другое — частично отражающее зеркало с плоской поверхностью. Коэффициент пропускания частичного отражателя рассчитан на соответствие оптическому усилению (или оптическому усилению) световой энергии, когда она проходит через активную среду туда и обратно. Лазеры со слабым оптическим усилением (CO ₂ , эксимерные или гелий-неоновые лазеры) требуют относительно длинной активной среды, в то время как лазеры с сильным оптическим усилением (твердотельные или полупроводниковые лазеры) имеют более короткую активную среду.

По мере удаления лазерного луча от лазера его диаметр увеличивается, как показано на рис. 5 , а интенсивность луча уменьшается (что является очень важной характеристикой с точки зрения Правил лазерной безопасности). Такой расходящийся лазерный луч может быть легко коллимирован и сфокусирован соответствующими линзами, как показано на рис. 6 .

Лазерный луч: монохроматический, когерентный, коллимационный и мощность коллимировать с помощью соответствующей линзы). Наиболее важным практическим свойством лазерного луча для хирургии является его способность фокусироваться, чтобы максимизировать мощность лазерного луча и плотность энергии в фокусе, как показано на рисунке 9.0009 Рисунок 6

Рисунок 6. В отличие от света от нелазерных источников, лазерный луч может быть коллимирован и эффективно сфокусирован в фокусное пятно очень малого диаметра.

Однако не только монохроматичность и коллимация делают лазерную хирургию практичной. Это также высокая мощность лазера, которая вместе с возможностью фокусировки лазерного луча может привести к эффективной и быстрой вапоризации тканей, необходимой в хирургии. Ни один из нелазерных источников света не обладает эффективностью, типичной для лазеров, что является чрезвычайно ценным свойством лазеров для практических применений, требующих мощности, превышающей несколько ватт для хирургии мягких тканей (и превышающей сотни ватт мощности). для промышленного применения лазеров).

Ссылки

1. Зигман А. (1986). Лазеры. Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги.
2. Салех БЭА, Тейх МЦ. (1991). Основы фотоники. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли.
3. Эндо М, Вальтер РФ. (2007). Газовые лазеры. Бока-Ратон, Флорида. КПР Пресс.
4. Вердейен Дж.Т. (1989). Лазерная электроника. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси. Прентис Пресс.
5. Свет. Википедия (по состоянию на май 2020 г. ).
6. К. Кумар Н. Патель. Википедия (по состоянию на апрель 2020 г.).
7. Углекислый лазер. Википедия (по состоянию на апрель 2020 г.).
8. Премия Кумара Пателя в области лазерной хирургии. Американский клуб лазерных исследований (по состоянию на апрель 2020 г.).

Лазерная физика | JILA – Изучение границ физики

 объединенный институт  и

• • Главная
  • О JILA
  • История
  • Карты и туристическая информация
  • Социальные сети
  • Для СМИ
9
• Research Topics
• Science Publications
• Graduate Student Theses
• JILA Light & Matter Publication
• Science Support/Technical Facilities
• JILA Centers
• • Research Groups
  • Other JILA Faculty
  • Leadership and Administrative/Technical Персонал
• • JILA Impact
  • Образование и информационно-разъяснительная работа
  • Сообщество
• • Research Highlights
  • JILA News
  • Science Events Calendar
  • Events List (Filter by Type)
  • Science Events Calendar (mobile)
• • Prospective Students
  • Postdoctoral Researchers
  • Visiting Fellows
  • Diversity
  • Вакансии
• Сделать подарок

Физики JILA манипулируют светом для создания сверхкоротких лазерных импульсов и когерентных источников света на экзотических длинах волн.