Принцип работы лазера: Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях — и областях применения — физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

1. со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
2. с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
3. с образованием «параллельного луча», который не расходится в стороны.

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Рис. 1. Схематическое изображение идеальной волны

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение — это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово «лазер» относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер — это аббревиатура, которая расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения».

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенная схема рубинового лазера

Его основная часть — рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева — зеркало, которое полностью отражает свет, справа — зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу — это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии — энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор — являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни — это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень — это основное состояние, а все остальные — возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение — это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E₂ — E₁. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

[2]

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин «длина когерентности». Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе — от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово «лазер». Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

[4]

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры — это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Список использованной литературы

1. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник — Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
2. В.А. Касьянов углубленный уровень физика 11 класс
3. William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
4. Генденштейн Лев Элевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 класс

принцип работы и характеристики лазерного излучения

Принципы работы и механизм излучения

Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.

Основные параметры и характеристики лазерного излучения

Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e²: это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0. 135 раз меньше пика интенсивности.

Отклонение пучка.

 Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.

Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический

Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.

Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода

Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.

Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).

Класс	Описание
Класс 1	Не представляют опасности для человека.
Класс 1M	Безопасны при эксплуатации без дополнительных приборов.
Класс 2	Безопасны, если время экспозиции строго меньше 0.25 с. Для предотвращения повреждений ткани глаза рекомендуется режим естественного мигания.
Класс 2M	Безопасны, если время экспозиции строго меньше 0.25 с и не используется дополнительная оптика.
Класс 3R	Излучение мгновенно повреждает верхние покровы тела. Опасны для человека.
Класс 3B	Критически опасны. Прямой контакт глаз с излучением не допустим, наблюдение за излучением возможно только в диффузно рассеянном спектре.
Класс 4	Чрезвычайно опасно наблюдение в том числе и диффузного спектра, риск воспламенения.

Чувствительность / видность. Видность пятна лазерного излучения (глазом или другим приемником) зависит от соотношения сигнала к шуму. Отношение сигнал/шум рассчитывается как мощность сигнала лазера к фоновому излучению (шуму). Чем выше соотношение сигнал/шум, тем легче распознается пятно на матрице приемника. Пик чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны 550 нм, то есть чем ближе длина волны к этому значению, тем отчетливее и контрастнее будут восприниматься сигналы глазом – это важно для приложений, использующих преимущественно видимый диапазон. В случае, если в качестве приемника берется камера, целесообразно использовать специальные фильтры, увеличивающие соотношение сигнал/шум и объективы с ограничением поля зрения.

Также важно правильно подбирать диапазон излучения источника к спектральной чувствительности приемника. На рис. 3 показана относительная спектральная чувствительность глаза к различным длинам волн.

Рисунок 3. Относительная спектральная чувствительность глаза

Время работы. Время работы лазера или срок службы зависит от срока работы источника питания. Обычно источник подбирается таким образом, чтобы при минимальном напряжении лазер проработал как можно дольше. Теплопоглощающие радиаторы рекомендуется использовать при подводимых напряжениях, близким к предельно допустимым. Снижение температуры источника питания позволяет продлить срок службы излучающего прибора, который обычно составляет от 10 до 20 тысяч часов.

Комплектующие к лазерным системам

Проекционные головки. Проекционные головки устанавливаются на внешней части лазера и предназначены для формирования различных испытательных сигналов: одиночных линий, пересекающихся линий, мультиплетов и растровых матриц.

 

 

Пространственные фильтры. Пространственные фильтры предназначены для минимизации пространственного шума, причины которого многочисленны – пылинки на линзах, микронеровности, неоднородность покрытий и т. д, особенно часто они наблюдается в пучках, прошедших через линзы или объективы. Для очистки пучка применяют диафрагмы (пинхолы). Размер отверстия диафрагмы подбирается таким образом, чтобы основной лазерный пучок проходил через отверстие, а рассеянный свет сдерживался. В таком случае из пространственного фильтра выходит чистый, однородный пучок.

 

Лазерная оптика

. Мощности лазерного излучения могут достигать высочайших пределов, что накладывает не менее высокие требования к параметрам оптических компонентов, используемых в лазерных установках: безукоризненное качество рабочих поверхностей линз и зеркал, строгие допуски и высокий порог повреждения. Перед запуском установки рекомендуется проводить экспертизу компонентов на наличие повреждений.

 

Измерительное оборудование. Измерительное оборудование –  инструменты для проведения спецификации источников почти по любым параметрам. Наиболее часто применяются измерители мощности, визуализаторы, различные приемники излучения.

 

 

Устройства расширения пучка. В некоторых приложениях требуется произвести расширение параллельных пучков, существуют специальные приборы, которые легко справляются с этой задачей. Угол отклонения при этом останется минимальным, несмотря на увеличение диаметра.

 

Установка и юстировка лазерных источников

Варианты установки диода. Существует несколько способов установки и юстировки лазерных диодов: например, с помощью специализированных держателей. Благодаря установленным подвижкам, можно точно позиционировать прибор. Также существуют юстировочные платформы различных типов, которые наиболее широко применяются для юстировки диодов, применяемых для накачки He-Ne лазеров.

Необходимо помнить, что диоды очень чувствительны к перепадам температур, поэтому рекомендуется использовать теплоизолирующие системы.

Юстировка и позиционирование. В паспорте любого прибора содержатся все необходимые сведения и интервалы, рекомендуемые к соблюдению при юстировке, так называемая «точность наведения». Точность наведения – это угловая разность между осью распространения (вдоль которой проходит лазерный пучок) и механической осью (определяется геометрией корпуса). Контроль этих допусков часто осуществляется специальными регулировочными винтами. Рисунок 4 демонстрирует влияние ошибки точности наведения в лазере.

Рисунок 4. Ошибка наведения в лазере

Замечание. Если используется V-образная платформа, то для численной оценки точности наведения лазерной установки достаточно просто вращать корпус. Пока ошибка не будет устранена, пятно на экране будет описывать траекторию окружности. Соотношение между радиусом окружности и расстоянием от выходного зрачка до экрана и является угловой мерой ошибки наведения (на рис. 4 проиллюстрирована ошибка наведения, D – расстояние от выходного зрачка до экрана, R – радиус окружности). Оценив угол, остается повернуть источник на этот угол и перейти к следующему этапу.

Лазерные диоды и He-Ne лазеры

Подбирая источник, многие сталкиваются с выбором между диодным источником и He-Ne лазером. Разумеется, выбирая тот или иной источник, необходимо следовать требованиям конкретного приложения, конкретной установки. Ниже приведена сравнительная таблица основных параметров He-Ne лазеров и лазерных диодных модулей.

Характеристики	He-Ne лазер	Диод
Рабочая длина волны	632.8 нм	405 нм, 488 нм, 514 нм, 532 нм, 635 нм, 640 нм, 655 нм, 660 нм, 670 нм, 780 нм, 785 нм, 808 нм, 830 нм, 850 нм, 1064 нм
Размер (в корпусе)	Крупногабаритные приборы (7~25”), трудно перемещать с места на место	Компактные, легковесные, просты в переносе и сервисном обслуживании
Размер пучка	~0. 5 – 1 мм (круглый профиль)	~2.5 – 5 мм Круглый или эллиптический профиль
Выходная мощность	0.25 – 22.5 мВт	1 – 100 мВт
Расходимость пучка	~1 – 2 мрад	~0.5 – 1 мрад
Модуляция мощности	Нераспространенная функция	Присутствует в системах специального назначения
Стабилизация соотношения сигнал/шум	Высокая стабилизация	Сигнал зашумлен
Стоимость	Относительно высокая (длительный срок службы)	Относительно низкая (легко заменяемы)
Срок службы	10 – 40 тыс. часов в зависимости от модели	10 – 20 тыс. часов в зависимости от модели
Восприимчивость ко внешним условиям	Нечувствительны к перепадам температур	Длина волны и срок службы меняется в зависимости от условий и температур (рекомендуется теплоотвод)
Ассортимент комплектующих	Генераторы испытательных сигналов (преломляющие, дифракционные), и многое другое. Практически все комплектующие совместимы и легко встраиваются.	Фокусирующая оптика, генераторы испытательных сигналов и др. Замена внутренних компонентов осложнена особенностями конфигурации самого диода.
Астигматизм	Фокальное пятно «расплывается» симметрично относительно точки фокуса	Фокальное пятно «расплывается» симметрично относительно точки фокуса либо эллиптически в перпендикулярном направлении
Длина когерентности (важно в голографии, интерферометрии)	20 – 30 см	Несколько миллиметров
Поляризация (важна при выстраивании траектории)	Возможно любое состояние поляризации, в том числе линейное	Обычно излучение сильно поляризовано
Встраивание и интеграция	Источник питания поставляется как в комплекте, так и отдельно от лазера	Встраивание и подключение в основном через широкополосные выводы
Основные приложения	Голография, интерферометрия, метрология	Юстировка, машинное зрение, сканирование, анализ состава среды

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

 

 

Руководство NIF по тому, как лазеры работают

«Лазер» – это аббревиатура для L Iight A Mplification на S Timeled E Миссия R Adiation

A Laser создается, когда электроны в электроне в в рамках электрона в в рамках электронов атомы в оптических материалах, таких как стекло, кристалл или газ, поглощают энергию электрического тока или света. Эта дополнительная энергия «возбуждает» электроны настолько, что они переходят с орбиты с более низкой энергией на орбиту с более высокой энергией вокруг ядра атома.

Лазер использует квантовые свойства атомов, которые поглощают и излучают частицы света, называемые фотонами. Когда электроны в атомах возвращаются на свою нормальную орбиту — или в «основное» состояние — либо спонтанно, либо при «стимулировании» светом или другим источником энергии, в некоторых случаях даже другим лазером, они излучают больше фотонов.

Энергия света «возбуждает» электроны в атомах оптических материалов, и они переходят на орбиту с более высокой энергией. Когда электроны спонтанно возвращаются на свою нормальную орбиту или «стимулируются» светом или энергией, они испускают частицы света, называемые фотонами. Кредит: Джеймс Викболдт (Щелкните, чтобы развернуть, используйте клавиши со стрелками на клавиатуре, чтобы просмотреть все изображения.)

Свет движется волнами. Обычный видимый свет, скажем, от бытовой лампочки или фонарика, состоит из множества длин волн или цветов и является некогерентным, что означает, что гребни и впадины световых волн движутся на разных длинах волн и в разных направлениях.

В лазерном луче световые волны «когерентны», что означает, что луч фотонов движется в одном направлении на одной длине волны. Это достигается путем отправки возбужденных электронов через оптическую «усиливающую среду», такую ​​как твердый материал, такой как стекло, или газ.

Конкретная длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой, когда возбужденный электрон падает на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут быть адаптированы к материалу усиливающей среды для получения желаемого цвета луча.

Зеркало на одной стороне оптического материала лазера отражает фотон обратно к электронам. Пространство между зеркалами, или «полость», спроектировано таким образом, чтобы фотон, необходимый для определенного типа оптической усиливающей среды, возвращался обратно в среду, чтобы стимулировать излучение почти точного клона этого фотона. Они оба движутся в одном направлении и с одинаковой скоростью, чтобы отразиться от другого зеркала на другой стороне, чтобы повторить процесс клонирования.

Два становятся четырьмя, четыре становятся восемью и так далее, пока фотоны не будут достаточно усилены, чтобы все они могли двигаться мимо зеркал и оптического материала в идеальном унисоне. Думайте о них как о синхронизированных членах марширующего оркестра на Параде роз. И этот унисон придает лазеру его силу. Лазерные лучи могут оставаться четко сфокусированными на огромных расстояниях, даже до Луны и обратно.

1. Базовый лазер, такой как красный рубиновый лазер, состоит из стержня из кристаллов рубина с зеркалом на каждом конце и импульсной трубки.

2. Вспышка света от лампы-вспышки добавляет энергию внутри стержня, возбуждая атомы рубина и производя частицы света, называемые фотонами.

3. Фотоны ударяются об атомы, создавая все больше и больше фотонов, отражающихся между зеркалами внутри стержня.

4. Количество фотонов становится настолько большим, что они проходят через одно из зеркал, которое является частично отражающим, и появляется лазерный луч. Кредит: Марк Мембер и Джон Джетт

Лазеры повсюду

Лазеры существуют с 1960 года, хотя сама идея восходит к 1900 году (см. «Наследие пионеров лазеров и лазерного синтеза»).

Сегодня лазеры бывают разных размеров, форм, цветов и уровней мощности и используются для всего: от хирургии в больницах до сканеров штрих-кода в продуктовом магазине и даже для воспроизведения музыки, фильмов и видеоигр дома. . Возможно, вам сделали операцию LASIK, которая корректирует ваше зрение с помощью крошечного лазера для изменения формы роговицы вашего глаза.

Некоторые лазеры, такие как рубиновые лазеры, излучают короткие световые импульсы. Другие, такие как газовые гелий-неоновые лазеры или лазеры на жидких красителях, излучают непрерывный свет. NIF, подобно рубиновому лазеру, испускает световые импульсы длительностью всего лишь миллиардные доли секунды. Лазерный свет не обязательно должен быть видимым. Лучи NIF начинаются как невидимый инфракрасный свет, а затем проходят через специальную оптику, которая преобразует их в видимый зеленый свет, а затем в невидимый высокоэнергетический ультрафиолетовый свет для оптимального взаимодействия с целью.

Лазеры могут быть крошечными компонентами микрочипов или такими огромными, как NIF, самый большой и самый мощный лазер в мире, размещенный в здании высотой в 10 этажей и шириной в три футбольных поля.

Дополнительная информация:

Как работает NIF

45 лет лазерного лидерства

Видео: Празднование 60-летия лазера

Принципы работы лазера

Физика >> Лазер >> Принцип работы лазера

Принципы работа лазера

В В лазерах фотоны взаимодействуют с атомами тремя способами:

• Поглощение излучения
• Спонтанный эмиссия
• Стимулированный эмиссия

Поглощение излучения

Поглощение из излучение – это процесс, посредством которого электроны в земле состояние поглощает энергию от фотонов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.

электроны вращающиеся очень близко к ядру, имеют более низкую энергию уровень или более низкое энергетическое состояние, в то время как электроны, вращающиеся вокруг дальше от ядра находятся на более высоком энергетическом уровне. Электроны на нижнем энергетическом уровне нуждаются в дополнительной энергии. перейти на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия обеспечивается различными источниками энергии, такими как тепло, электричество поле или свет.

Пусть рассмотрим два энергетических уровня (E ₁ и E ₂ ) электронов. E ₁ — основное состояние или ниже энергетическое состояние электронов, а E ₂ — возбужденное состояние или более высокое энергетическое состояние электронов. Электроны в основное состояние называется электронами с меньшей энергией или основным электроны в состоянии, тогда как электроны в возбужденном состоянии называются электронами с более высокой энергией или возбужденными электронами.

В вообще говоря, электроны в более низком энергетическом состоянии не могут прыгать в более высокое энергетическое состояние. Они нуждаются в достаточном количестве энергии в порядок перехода в более высокое энергетическое состояние.

Когда фотонов или световой энергии, равной разности энергий два энергетических уровня (E ₂ – E ₁ ) падают на атом, электроны в основном состоянии набирают достаточную энергию и перескакивают из основного состояния (E ₁ ) в возбужденное состояние (E ₂ ).

поглощение излучения или света возникает только в том случае, если энергия падающего фотон точно соответствует разности энергий двух энергий уровни (E ₂ – E ₁ ).

Спонтанное эмиссия

Спонтанная эмиссия процесс, при котором электроны в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние, испуская фотоны.

электроны в возбужденном состоянии может находиться лишь непродолжительный период. время, в течение которого возбужденный электрон может оставаться при более высокой энергии состояние (E ₂ ) известно как время жизни возбужденного электроны. Время жизни электронов в возбужденном состоянии 10 ^-8 второй.

Таким образом, после короткого времени жизни возбужденных электронов они возвращаются в более низкое энергетическое состояние или основное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов.

В спонтанный излучение, электроны движутся естественным или спонтанным образом из одно состояние (более высокое энергетическое состояние) в другое состояние (более низкое энергетическое состояние), поэтому испускание фотонов также происходит естественным образом. Следовательно, мы не можем контролировать, когда возбужденный электрон будет терять энергию в виде света.

фотоны, испускаемые в процессе спонтанного излучения, составляют обычный некогерентный свет. Некогерентный свет – это пучок фотоны с частыми и случайными изменениями фазы между их. Другими словами, фотоны, испускаемые в спонтанном процесс излучения не протекает точно в том же направлении, что и падающие фотоны.

Стимулированный эмиссия

стимулированная эмиссия процесс взаимодействия падающего фотона с возбужденного электрона и заставляет его вернуться в основное состояние.

В стимулированный излучение, световая энергия поступает непосредственно к возбужденному электрон вместо подачи световой энергии в основное состояние электроны.

В отличие от спонтанное излучение, вынужденное излучение не является естественный процесс это искусственный процесс.

В спонтанный излучение, то электроны в возбужденном состоянии останутся там пока не закончится его срок службы. Закончив свою жизнь, они возвращаются в основное состояние, высвобождая энергию в форма света.

Однако, при вынужденном излучении электроны в возбужденном состоянии не нужно ждать завершения своей жизни. Альтернатива метод используется для принудительного возвращения возбужденного электрона в основное состояние до завершения их жизни. Этот Метод называется вынужденным излучением.

Когда инцидент фотон взаимодействует с возбужденным электроном, он заставляет возбужденный электрон возвращается в основное состояние. Это взволновало электрон высвобождает энергию в виде света, падая на основное состояние.

В вынужденного излучения испускаются два фотона (один дополнительный испускается фотон), один из-за падающего фотона а другой – за счет энерговыделения возбужденных электрон. Таким образом, испускаются два фотона.

стимулированный процесс излучения очень быстрый по сравнению со спонтанным эмиссионный процесс.

Все испускаемые фотоны в вынужденном излучении имеют то же самое энергия, одинаковая частота и находятся в фазе. Поэтому все фотоны в вынужденном излучении распространяются в одном и том же направление.

число фотонов, испускаемых в стимулированном излучении, зависит от числа электронов на более высоком энергетическом уровне или возбужденное состояние и интенсивность падающего света.