Главная
Лазеры физика: Атомная физика

Лазеры физика: Атомная физика

Лазеры – Класс!ная физика

Подробности
Просмотров: 759

«Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч.
При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством.
Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние.
Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.
С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции.
Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки» – академик Н.

Г. Басов.

Слово лазер образовано сочетанием первых букв слов английского выражения «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.
Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.
Характерной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией; таким образом, падающая и излученная волны являются когерентными.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольный, как при обычном излучении, а переход под влиянием внешнего воздействия.

Лазеры

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.
В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см.

За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в 1959 г. была присуждена Ленинская премия.
В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в США был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света.

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10

-5 рад).
На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью.
В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.
Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света.
В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13

с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7 • 103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру.
На узкий же интервал Δλ = 10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего 0,2 Вт/см2.
Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров

В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии.

Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается.
За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в более высокое энергетическое состояние.
При этом у светового пучка отнимается энергия, равная разности энергий между уровнями 2 и 1:

hν = Е2 – Е1.

На рисунке (a) схематически представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды.
Электрон находится на нижнем уровне.

На рисунке (б) изображен возбужденный атом, поглотивший энергию.
Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон.

Если возбудить бо́льшую часть атомов среды, тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения.
Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.
На рисунке (а) изображены возбужденный атом и волна, а на рисунке (б) схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

Трехуровневая система

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов.
В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа.
Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно.
Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных.
Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает в них индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях).


На рисунке изображены три энергетических уровня.
Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково.
На уровне 3 система «живет» очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристаллической решетке.)
«Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с.
Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением.
Это используется в лазерах.
После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором «живет» сравнительно долго.
Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина.
Рубин — это красный кристалл оксида алюминия Аl2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%).

Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

Устройство рубинового лазера

Из кристалла рубина изготовляют стержень с плоскопараллельными торцами.
Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет.

Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы.
Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».
В результате самопроизвольных переходов 2 —> 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений.
Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли.

Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов.
Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным.
Через полупрозрачный торец выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа.

Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Другие типы лазеров

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме.
Существуют также лазеры непрерывного действия.
В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ.
Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия.
Они созданы впервые в нашей стране.
В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт.
В этих лазерах «перенаселенность» верхних энергетических уровней возникает при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвинов.

Применение лазеров

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.
Лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски).
Огромная мощность лазерного луча используется для испарения различных материалов в вакууме, для сварки и т. д.
С помощью луча лазера проводят хирургические операции: например, «приваривают» отслоившуюся от глазного дна сетчатку; помогают человеку получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча.

Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояния до предметов измеряются с точностью до нескольких миллиметров.
Такая точность недоступна для радиолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективным может быть использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

В настоящее время лазеры настолько широко используются, что перечислить все области их применения не представляется возможным.

Создание лазеров — пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Кратко об атомной физике и элементарных частицах»

Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда — Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика — Лазеры — Краткие итоги главы

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>>> 

8.7: Лазеры – Физика LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    4539
    • OpenStax
    • OpenStax
    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Описывать физические процессы, необходимые для производства лазерного излучения
    • Объясните разницу между когерентным и некогерентным светом
    • Опишите применение лазеров в проигрывателях компакт-дисков и Blu-Ray

    Лазер — это устройство, излучающее когерентный и монохроматический свет. Свет когерентный, если фотоны, из которых состоит свет, синфазны, и монохроматический , если фотоны имеют одну частоту (цвет). Когда газ в лазере поглощает излучение, электроны поднимаются на разные энергетические уровни. Большинство электронов немедленно возвращаются в основное состояние, но другие задерживаются в так называемом 9-фазном состоянии.0044 метастабильное состояние . Можно поместить большинство этих атомов в метастабильное состояние, состояние, называемое инверсией населенностей .

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Физика лазера. Падающий фотон с частотой f вызывает каскад фотонов с той же частотой.

    Когда фотон энергии возмущает электрон в метастабильном состоянии (рисунок \(\PageIndex{1}\)), электрон падает на более низкий энергетический уровень и испускает дополнительный фотон, и два фотона уходят вместе. Этот процесс называется вынужденное излучение . Это происходит с относительно высокой вероятностью, когда энергия налетающего фотона равна разности энергий между возбужденным и «девозбужденным» энергетическими уровнями электрона (\(\Delta E = hf\)). Следовательно, входящий фотон и фотон, произведенный девозбуждением, имеют одинаковую энергию, hf . Эти фотоны сталкиваются с большим количеством электронов в метастабильном состоянии, и процесс повторяется. Результатом является каскад или цепная реакция подобных девозбуждений. Лазерный свет является когерентным, потому что все световые волны в лазерном свете имеют одинаковую частоту (цвет) и одну и ту же фазу (любые две точки вдоль линии, перпендикулярной направлению движения, находятся на «одной и той же части» волны). Схематическая диаграмма когерентной и некогерентной световой волны дана на рисунке \(\PageIndex{2}\).

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Когерентная структура световых волн содержит световые волны одинаковой частоты и фазы. Некогерентная картина световых волн содержит световые волны разных частот и фаз.

    Лазеры используются в самых разных областях, таких как связь (оптоволоконные телефонные линии), развлечения (лазерные световые шоу), медицина (удаление опухолей и прижигание сосудов сетчатки) и розничная торговля (считыватели штрих-кодов). . Лазеры также могут быть изготовлены из широкого спектра материалов, включая твердые тела (например, кристалл рубина), газы (гелий-газовая смесь) и жидкости (органические красители). Недавно из желатина даже создали лазер — съедобный лазер! Ниже мы подробно обсудим два практических приложения: проигрыватели компакт-дисков и проигрыватели Blu-Ray.

    Проигрыватель компакт-дисков

    Проигрыватель компакт-дисков считывает цифровую информацию, хранящуюся на компакт-диске (CD). Компакт-диск представляет собой пластиковый диск диаметром 6 дюймов, на поверхности которого имеются небольшие «выпуклости» и «ямки» для кодирования цифровых или двоичных данных (рис. \(\PageIndex{3}\)). Бугорки и ямки появляются вдоль очень тонкой дорожки, которая идет по спирали наружу от центра диска. Ширина дорожки меньше 1/20 ширины человеческого волоса, а высота бугров еще меньше.

    Рисунок \(\PageIndex{3}\): Компакт-диск — это пластиковый диск, на поверхности которого для кодирования цифровой информации используются выпуклости. Поверхность диска содержит несколько слоев, в том числе слой алюминия и слой поликарбонатного пластика.

    CD-проигрыватель использует лазер для считывания этой цифровой информации. Лазерный свет подходит для этой цели, потому что когерентный свет может быть сфокусирован на невероятно маленьком пятне и, следовательно, различать бугры и ямки на компакт-диске. После обработки компонентами проигрывателя (включая дифракционную решетку, поляризатор и коллиматор) лазерный свет фокусируется линзой на поверхность компакт-диска. Свет, падающий на выпуклость («землю»), просто отражается, но свет, падающий на «яму», деструктивно интерферирует, поэтому свет не возвращается (детали этого процесса не важны для данного обсуждения). Отраженный свет интерпретируется как «1», а неотраженный свет интерпретируется как «0». Результирующий цифровой сигнал преобразуется в аналоговый сигнал, а аналоговый сигнал подается на усилитель, питающий такое устройство, как наушники. Лазерная система проигрывателя компакт-дисков показана на рисунке \(\PageIndex{4}\).

    Рисунок \(\PageIndex{4}\): Проигрыватель компакт-дисков и его лазерный компонент.

    Проигрыватель Blu-Ray

    Подобно проигрывателю компакт-дисков, проигрыватель Blu-Ray считывает цифровую информацию (видео или аудио), хранящуюся на диске, и для записи этой информации используется лазер. Ямы на диске Blu-Ray намного меньше и более плотно расположены друг к другу, чем на компакт-диске, поэтому можно сохранить гораздо больше информации. В результате разрешающая способность лазера должна быть больше. Это достигается с помощью синего лазерного излучения с короткой длиной волны (\(λ=405\,нм\)) — отсюда и название «Blu-Ray». (В компакт-дисках и DVD-дисках используется красный лазерный луч.) Различные размеры ячеек и аппаратные конфигурации проигрывателя компакт-дисков, DVD и Blu-Ray показаны на рисунке \(\PageIndex{5}\). Размер питов диска Blu-Ray более чем в два раза меньше, чем питов на DVD или CD. В отличие от CD, диски Blu-Ray хранят данные на поликарбонатном слое, который размещает данные ближе к объективу и позволяет избежать проблем с читаемостью. Для защиты данных используется твердое покрытие, так как оно находится очень близко к поверхности.

    Рисунок \(\PageIndex{5}\): Сравнение разрешения лазера в проигрывателях компакт-дисков, DVD и Blu-Ray.

    Эта страница под названием 8.7: Lasers распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Автор
        ОпенСтакс
        Лицензия
        СС BY
        Версия лицензии
        4,0
        Программа OER или Publisher
        ОпенСтакс
        Показать оглавление
        нет
      2. Теги
        1. когерентный свет
        2. лазер
        3. метастабильное состояние
        4. однотонный
        5. инверсия населения
        6. источник@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-3
        7. вынужденное излучение

      Спектра-физика

    3. Решения
              • Приложения
                        • Ресурсы
                          • 9Поддержка
                                      • Контакты

                                        • Глубокий опыт применения

                                          ns УФ/зеленая микрообработка

                                          ps Микрообработка

                                          fs Микрообработка

                                          Bio-Imaging

                                          Научные исследования

                                          Последние новости

                                          • Значительное повышение цен на научные лазеры — линейка сверхбыстрых усилителей
                                            Подробнее
                                          • MKS представляет новый зеленый импульсный лазер >70 Вт для микрообработки
                                            Подробнее
                                          • MKS представляет революционный фемтосекундный УФ-лазер мощностью >50 Вт для круглосуточной микрообработки критически важных материалов
                                            Подробнее
                                          • MKS расширяет линейку лазеров для квантовых приложений
                                            Подробнее
                                          • MKS запускает универсальный зеленый пикосекундный лазер мощностью >50 Вт
                                            Подробнее

                                          Присоединяйтесь к нам

                                          Революционная лазерная технология

                                          Сверхбыстрые лазеры (фс/пс)

                                          Импульсные лазеры (нс)

                                          Лазеры непрерывного действия (CW)

                                          подразделение MKS Instruments Photonics Solution . Ассортимент продукции Spectra-Physics состоит из широкого спектра лазеров для прецизионных промышленных и научных исследований. Продукты Spectra-Physics сочетают в себе революционные лазерные технологии с глубоким опытом применения, чтобы обеспечить революционную производительность и снизить общую стоимость владения. Лазеры Spectra-Physics расширяют возможности и производительность наших клиентов в области полупроводников, промышленных технологий, наук о жизни и здоровье, а также на исследовательских рынках — от производственного цеха и завода по производству полупроводников до исследовательской лаборатории.

                                          MKS Instruments, Inc. (NASDAQ: MKSI) — глобальный поставщик инструментов, систем, подсистем и решений для управления технологическими процессами, которые измеряют, отслеживают, доставляют, анализируют, обеспечивают питание и контролируют критические параметры передовых производственных процессов для повышения эффективности и производительности процессов. для наших клиентов.

            • Оставить комментарий