Принцип действия лазера – Лазер — Википедия

Содержание

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров. ★ Мир Станков

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания  «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии,  и могут  только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию,  излучая ее  тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются  на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом  поглощением.   Инверсные системы атомов  и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах. Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера.   Именно от активной среды зависят основные  характеристики лазеров –  мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация)  может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника.  Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

  1) Активная рабочая среда

  2) Источник энергии или система накачки

  3) Устройство для усиления излучаемого света — система зеркал (оптический резонатор)

Основные виды лазеров

Газовые лазеры (СО2)

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность,  то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

Жидкостные лазеры.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии  и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов – в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

 Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

Твердотельные лазеры.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время ~ 10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации  в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат,  а активатором — ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок.  Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают  в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ : Nd  (лазер на иттриево-алюминиевом  гранате с неодимом) достигает 0,5 – 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

www.mirstankov.com

Лазер рубиновый: принцип работы

Первые лазеры появились несколько десятилетий назад, и по сей день этот сегмент продвигается крупнейшими компаниями. Разработчики получают все новые качества оборудования, позволяя пользователям эффективнее его применять на практике.

Твердотельный лазер рубиновый не считается одним из самых перспективных устройств этого типа, но при всех своих недостатках он все же находит ниши в эксплуатации.

Общие сведения

Рубиновые лазеры относятся к категории твердотельных устройств. По сравнению с химическими и газовыми аналогами они имеют менее высокую мощность. Объясняется это разницей в характеристиках элементов, за счет которых обеспечивается излучение. К примеру, те же химические лазеры способны формировать световые потоки мощностью в сотни киловатт. Среди особенностей, которыми выделяется лазер рубиновый, отмечают высокую степень монохроматичности, а также когерентность излучения. Помимо этого, некоторые модели дают повышенную концентрацию световой энергии в пространстве, которой хватает на осуществление термоядерного синтеза за счет нагревания плазмы лучом.

Как видно из названия, в качестве активной среды лазера выступает кристалл рубина, представленный в форме цилиндра. При этом торцы стержня полируются особым образом. Чтобы лазер рубиновый смог обеспечить максимально возможную для него энергию излучения, стороны кристалла обрабатываются до момента достижения плоскопараллельного положения относительно друг друга. В то же время торцы должны быть перпендикулярны оси элемента. В некоторых случаях торцы, выступающие в некотором роде зеркалами, дополнительно покрываются диэлектрической пленкой или слоем серебра.

Устройство рубиновых лазеров

В состав прибора входит камера с резонатором, а также источник энергии, который возбуждает атомы кристалла. В качестве активатора вспышки может использоваться ксеноновая импульсная лампа. Световой источник располагается вдоль одной оси резонатора, имеющего цилиндрическую форму. На другой оси располагается рубиновый элемент. Как правило, используются стержни длиной 2-25 см.

Резонатор практически весь свет от лампы направляет на кристалл. Стоит отметить, что в условиях повышенных температур, которые требуются для оптической накачки кристалла, способны работать далеко не все ксеноновые лампы. По этой причине устройство рубинового лазера, в состав которого входят источники света на основе ксенона, рассчитывается на непрерывный режим работы, который также называют импульсным. Что касается стержня, то его обычно изготавливают из искусственного сапфира, который может соответствующим образом модифицироваться под эксплуатационные требования к лазеру.

Принцип работы лазера

При активации устройства за счет включения лампы происходит эффект инверсии с повышением уровня хромовых ионов в кристалле, в результате чего начинается лавинное увеличение количества числа испускаемых фотонов. При этом на резонаторе наблюдается обратная связь, обеспечиваемая зеркальными поверхностями на торцах твердотельного стержня. Так происходит выработка узконаправленного потока.

Длительность импульса, как правило, не превосходит 0,0001 с, что короче по сравнению с продолжительностью действия неоновой вспышки. Импульсная энергия лазера на рубине составляет 1 Дж. Как и в случае с газовыми устройствами, принцип работы рубинового лазера строится и на эффекте обратной связи. Это значит, что интенсивность светового потока начинает поддерживаться за счет зеркал, взаимодействующих с оптическим резонатором.

Режимы работы лазера

Чаще всего лазер с рубиновым стержнем применяется в режиме формирования упомянутых импульсов величиной в миллисекунду. Для достижения более продолжительного времени активности технологи повышают энергию оптической накачки. Делается это за счет применения мощных импульсных ламп. Так как поле нарастания импульса, обусловленное временем формирования электрического заряда в лампе-вспышке, характеризуется пологостью, работа рубинового лазера начинается с некоторой задержкой в моменты, когда количество активных элементов превосходит пороговые значения.

Иногда возникают и срывы генерации импульсов. Такие явления наблюдаются через определенные промежутки времени после понижения показателей мощности, то есть когда силовой потенциал опускается ниже пороговой величины. Рубиновый лазер теоретически может работать и в непрерывном режиме, но такая эксплуатация требует применения в конструкции более мощных ламп. Собственно, в данном случае разработчики сталкиваются с теми же проблемами, что и при создании газовых лазеров – нецелесообразность применения элементной базы с повышенными характеристиками и, как результат, ограничение возможностей устройства.

Виды

Польза от эффекта обратной связи наиболее ярко выражается в лазерах с нерезонансной связью. В таких конструкциях дополнительно применяется рассеивающий элемент, что позволяет излучать сплошной частотный спектр. Также применяется лазер рубиновый с модулированной добротностью – в состав его конструкции включаются два стержня, охлаждаемый и неохлаждаемый. Температурная разность позволяет формировать два лазерных пучка, которые разделяются по длине волны на ангстремы. Данные лучи просвечивают импульсный разряд, а сформированный их векторами угол отличается небольшим значением.

Где применяется рубиновый лазер?

Такие лазеры характеризуются невысоким коэффициентом полезного действия, но зато отличаются термической стойкостью. Этими качествами и обуславливаются направления практического использования лазеров. Сегодня их применяют в создании голографии, а также на производствах, где требуется выполнять операции пробивки сверхточных отверстий. Используют такие устройства и в сварочных операциях. Например, при изготовлении электронных систем для технического обеспечения спутниковой связи. В медицине также нашел свое место рубиновый лазер. Применение технологии в данной отрасли вновь объясняется возможностью высокоточной обработки. Такие лазеры используют как замену стерильных скальпелей, позволяющих выполнять микрохирургические операции.

Заключение

Лазер с рубиновой активной средой в свое время стал первой работающей системой такого типа. Но по мере развития альтернативных устройств с газовыми и химическими наполнителями стало очевидно, что его эксплуатационные качества имеют множество недостатков. И это не говоря о том, что рубиновый лазер является одним из самых сложных с точки зрения изготовления. По мере повышения его рабочих свойств увеличиваются и требования к элементам, составляющим конструкцию. Соответственно, растет и себестоимость устройства. Впрочем, развитие моделей лазеров на рубиновом кристалле имеет свои основания, связанные, кроме прочего, с уникальными качествами твердотельной активной среды.

fb.ru

Принцип действия и основные свойства лазера.





ТОП 10:







Принцип действия и основные свойства лазера.

 

Квантовую электронику можно определить как раздел электроники, в котором фундаментальную роль играют явления квантового характера. Настоящая книга посвящена рассмотрению частного аспекта квантовой электроники, а именно описанию физических принципов действия лазеров и их характеристик. Прежде чем заняться детальным обсуждением предмета, целесообразно уделить некоторое внимание элементарному рассмотрению идей, на которых основаны лазеры.

В лазере используются три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного излучения и процесс поглощения.

 

Принцип работы лазера

 

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N1 и N2. Пусть в этой среде в направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F. Тогда в соответствии с выражениями (1.3) — (1.6) изменение плотности потока dF, обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz (заштрихованная область на рис. 1.2) определяется уравнением

 

dF=σF(N2 -. N1) (1.7)

 

Рис. 1.2. Изменение плотности потока фотонов dF при прохождении плоской электромагнитной волны через слой вещества толщиной dz.

 

 

Из уравнения (1.7) следует, что в случае N2 > N1 среда ведет себя как усиливающая (т. е. dF/dz > 0), а в случае N2 <. N1 — как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N2e и N1e — населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

 

N2e/N1e = exp[-(E2-E1)/kT], (1.8)

 

где k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура среды. Таким образом, мы видим, что в случае термодинамического равновесия N2 <. N1. В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте ν, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N2 >. N1, то среда будет действовать как усилитель. В этом случае будем говорить, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что разность населенностей (N2 -. N1> 0) противоположна по знаку той, которая существует в обычных условиях (N2 -. N1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.



Если частота перехода ν = (Е2 — Е1)/h попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий усилитель называется мазером. Слово мазер (англ. maser) образовано из начальных букв слов следующей фразы: microwave amplification by stimulated emission of radiation — усиление микроволн вынужденным испусканием излучения. Если же частота перехода ν соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером. Слово лазер (англ. laser) образовано аналогично, только начальная буква «м», происходящая от первой буквы в слове microwave, заменена буквой «л», происходящей от слова light (свет).

 

Рис. 1.3. Схема устройства лазера

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В СВЧ-диапазоне это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте ν. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. 1.3. Такая система зеркал обычно именуется резонатором Фабри-Перо оптическим резонатором или открытым резонатором). В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения Однако как в мазерах, так и в лазерах генерация возможна лишь при выполнении некоторого порогового условия. Например, в лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловленные частичным выходом излучения из резонатора через зеркало). В соответствии с выражением (1.7) усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно exp[σ(N2— N1)∙l], где l— длина активной среды. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия




 

R1R2(2σ(N2— N1)∙l) >1 (1.9)

 

где R1 и R2— коэффициенты отражения зеркал по интенсивности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению, называемому критической инверсией и определяемому соотношением

 

(N2— N1)кр=-ln(R1R2)/2σl (1.10)

 

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. Однако теперь слово лазер широко применяется к любому устройству, испускающему вынужденное излучение — будь то в дальнем или ближнем ИК-, УФ- и даже в рентгеновском диапазонах. В таких случаях мы будем говорить соответственно об инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лазерах. Заметим также, что названия твердотельный, жидкостный и газовый лазер определяются агрегатным состоянием активной среды.

 

Схемы накачки

 

Рассмотрим задачу о том, каким образом в данной среде можно получить инверсию населенностей. На первый взгляд может показаться, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты v, определяемой выражением (1.1). Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1 — 2, чем переходов 2-1, и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N2=N1), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (1.7) среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

 

Рис. 1.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера.

 

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? Мы увидим, что в этом случае ответ будет утвердительным и можно будет соответственно говорить о трех и четырехуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровней (рис. 1.4). В трехуровневом лазере (рис. 1.4, а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1. В четырехуровневом лазере (рис. 1.4,6) атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей. Когда в таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 2 на уровень 1. Поэтому для непрерывной работы четырехуровневого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уровне 1, очень быстро переходили на нулевой уровень.

Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для получения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще!), зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос: зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей? Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 1.4) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана [см., например, формулу (1.8)] почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии. Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как Nt, то в случае трехуровневой системы эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень 3. Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов Nt, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов. Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, разумеется, использование большего числа энергетических уровней.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера), называется накачкой. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

 

Свойства лазерных пучков

 

Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Рассмотрим теперь эти свойства подробнее.

 

1.4.1. Когерентность.

 

Для любой электромагнитной волны можно определить два независимых понятия когерентности, а именно пространственную и временную когерентность. Для того чтобы определить пространственную когерентность, рассмотрим две точки P1 и Р2, выбранные с таким условием, что в момент времени t = 0 через них проходит волновой фронт некоторой электромагнитной волны, и пусть E1(t) и Е2(t) — соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию, в момент времени t = 0 разность фаз электрических полей в данных точках равна нулю. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени t > 0, то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью. Практически для любой точки Р1, если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка Р2 должна располагаться внутри некоторой конечной области, включающей точку P1. В этом случае говорят, что волна характеризуется частичной пространственной когерентностью, причем для любой точки Р можно соответственно определить область когерентности.

Для того чтобы определить временную когерентность, рассмотрим электрическое поле волны в данной точке Р в моменты времени t и t + τ. Если для данного интервала времени τ разность фаз колебаний поля остается одной и той же в любой момент времени t, то говорят, что существует временная когерентность на интервале времени τ. Если такое условие выполняется для любого значения τ, то волна характеризуется полной временной когерентностью. Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени т, такого, что 0 < τ < τ0, то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ0. Представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. Электромагнитная волна с временем когерентности, равным τ0, имеет спектральную ширину Δν ~ 1/ τ0. В случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина 1/ Δν.

Следует заметить, что понятия временной и пространственной когерентности на самом деле не зависят друг от друга. Действительно, можно привести примеры волны, имеющей полную пространственную когерентность, но лишь частичную временную когерентность, и наоборот. Понятия пространственной и временной когерентности дают описание лазерной когерентности только в первом порядке.

 

Направленность

 

Это свойство является простым следствием того, что активная среда помещена в резонатор, например плоскопараллельный резонатор, показанный на рис. 1.3. В таком резонаторе могут поддерживаться только такие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или в очень близком к оси направлении. Для более глубокого понимания свойств направленности лазерных пучков (или в общем случае любой электромагнитной волны) удобно рассмотреть отдельно случаи, когда пучок обладает полной пространственной когерентностью и когда он имеет частичную пространственную когерентность.

Рассмотрим вначале пучок с полной пространственной когерентностью. Даже в этом случае пучок с конечной апертурой неизбежно расходится вследствие дифракции. Пусть пучок с постоянной интенсивностью и плоским волновым фронтом падает на экран, в котором имеется отверстие диаметром D. Согласно принципу Гюйгенса волновой фронт в некоторой плоскости Р за экраном может быть получен путем суперпозиции элементарных волн, излученных каждой точкой отверстия. Из-за конечного размера D отверстия пучок имеет конечную расходимость θ. Ее значение можно вычислить с помощью теории дифракции. Для произвольного распределения амплитуды имеем

 

θ=βλ/D (1.11)

 

здесь λ — длина волны, a D — диаметр пучка. β— числовой коэффициент порядка единицы, значение которого зависит от формы распределения амплитуд и способа, каким определяются расходимость и диаметр пучка (для пучка с гауссовым распределением интенсивности по сечению, образующегося в одномодовом резонаторе β=0,61). Пучок, расходимость которого описывается выражением (1.11), называется дифракционно-ограниченным. Если волна имеет частичную пространственную когерентность, то ее расходимость будет больше, чем минимальное значение расходимости, обусловленное дифракцией. При соответствующих условиях работы выходной пучок лазера можно сделать дифракционно-ограниченным.

 

Яркость

 

Определим яркость какого-либо источника электромагнитных волн как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Точнее говоря, рассмотрим элемент площади dS поверхности источника в точке О (рис. 1.7). Тогда мощность dP, излучаемая элементом поверхности dS в телесный угол dΩ в направлении 00′, может быть записана следующим образом:

 

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

 

здесь θ — угол между направлением 00′ и нормалью к поверхности. Величина В зависит, как правило, от полярных координат θ и φ, т. е. от направления 00′ и от положения точки О. Эта величина В на-зывается яркостью источника в точке О в направлении 00′.

Яркость лазера даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство в основном является следствием высокой направленности лазерного пучка.

 

Импульсы малой длительности

 

При помощи специального метода, называемого синхронизацией мод, можно получить импульсы света, длительность которых приблизительно обратно пропорциональна ширине линии перехода 2-1. Например, в газовых лазерах, ширина линии усиления которых относительно узкая, можно получать импульсы излучения длительностью -—¦ 0,1 — 1 нс. Такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже некоторые лампы-вспышки способны излучать световые импульсы длительностью менее 1 нс. Однако у твердотельных или жидкостных лазеров ширины линий усиления могут быть в 103— 105 раз больше, чем у газовых лазеров, и поэтому генерируемые ими импульсы оказываются значительно короче (от 1 пс до ~5 фс). Получение столь коротких импульсов света привело к новым возможностям в лазерных исследованиях и их применениях.

Свойство генерации коротких импульсов, которое подразумевает концентрацию энергии во времени, в некотором смысле аналогично свойству монохроматичности, означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн. Однако генерация коротких импульсов является, по-видимому, менее фундаментальным свойством, чем монохроматичность. В то время как любой лазер можно в принципе изготовить таким, что он будет генерировать достаточно монохроматическое излучение, короткие импульсы можно получать лишь от лазеров с широкой линией излучения, т. е. на практике только от твердотельных или жидкостных лазеров. Газовые же лазеры, обладающие более узкими линиями усиления, лучше всего подходят для генерации высокомонохроматического излучения.

 

 

Ширина линии.

 

Однородное уширение.

 

Любые процессы, сокращающие время жизни частиц на уровнях, приводят к уширению линий соответствующих переходов. Действительно, определение энергии состояния должно про­водиться за время, не превышающее время жизни в этом состо­янии т. А тогда неточность определения энергии в соответствии с соотношением неопределенностей «энергия — время»

 

ΔЕΔt ≥ ђ (1.13)

 

не может быть меньше ђ /τ. Неопределенность энергии состояния приводит к неопределенности частоты перехода, равной 1/2πτ. Постоянная времени τ является мерой времени, необходимого для того, чтобы возбужденная система отдала свою энергию. Значе­ние т определяется скоростями спонтанного излучения и безызлучательных релаксационных переходов.

В отсутствие внешних воздействий спонтанное излучение оп­ределяет время жизни состояния. Поэтому наименьшая возмож­ная, так называемая естественная ширина линии Δν0 определяет­ся вероятностью спонтанного перехода А:

 

Δν0 =А/2π (1.14)

 

Естественная ширина, как правило, существенна только на очень высоких частотах (А ~ ν3) и для хорошо разрешенных перехо­дов. Обычно влиянием спонтанного излучения на ширину линии можно пренебречь, так как в реальных условиях релаксационные переходы более эффективно сокращают время жизни.

Как уже говорилось, в системах с дискретными уровнями энергии, кроме индуцированных и спонтанных переходов, суще­ственную роль играют релаксационные безызлучательные перехо­ды. Эти переходы возникают в результате взаимодействий кван­товой частицы с ее окружением. Механизм процессов этих взаи­модействий сильно зависит от вида конкретной системы. Это мо­жет быть взаимодействие между ионом и решеткой кристалла; это могут быть соударения между молекулами газа или жидко­сти и т. д. В конечном счете результатом действия релаксацион­ных процессов является обмен энергией между подсистемой рас­сматриваемых частиц и тепловыми движениями во всей системе в целом, приводящий к термодинамическому равновесию между ними.

Обычно время установления равновесия, время жизни части­цы на уровне, обозначается Т1и называется продольным време­нем релаксации. Такая терминология отвечает традиции, устано­вившейся при исследовании явлений ядерного магнитного резо­нанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Продольная релаксация соответствует движению вектора высоко­частотной намагниченности системы частиц вдоль направления внешнего постоянного магнитного поля. Существует еще попе­речное время релаксации Т2, которое соответствует движению вектора намагниченности в плоскости, перпендикулярной направ­лению внешнего постоянного поля.

Время Т2является мерой того отрезка време­ни, в течение которого частицы приобретут случайные по отно­шению друг к другу фазы. Любой процесс, вносящий вклад во время релаксации Т2т. е. любой процесс потери энергии частицами, приводит к потере фа­зы. Следовательно, Т2 < Т1. Так как время Т2является самым коротким временем ре­лаксации, то именно оно и определяет ширину линии перехо­да. Конечность времени жизни частицы в возбужденном энергетическом состоянии ведет к уширению уровней энергии. Излучение с уширенных уровней приобретает спектральную ши­рину. Наиболее общим, фундаментальным механизмом, ограничи­вающим сверху время жизни частицы на возбужденном уровне, является спонтанное излучение, которое должно, таким образом, иметь спектральную ширину, соответствующего скорости актов спонтанного распада.

Квантовая электродинамика позволяет вычислить спектраль­ное распределение квантов спонтанного излучения, исходящих с уровня шириной

 

ΔЕ = ђ /τ0. (1.15)

 

Контур линии спонтанного излучения оказывается имеющим так называемую лоренцеву форму с шириной

 

Δνл = ΔЕ / ђ = 1/2πτ0 (1.16).

 

Лоренцева форма линии определяется форм-фактором

 

q(ν) (1.17)

 

и имеет вид резонансной кривой с максимумом на частоте ν =ν0, спадающей до уровня половины пиковой величины при ча­стотах ν=ν0±Δνл/2. Очевидно, что полная ширина кривой на половине максимальной величины составляет Δνл.

Если принимать во внимание возможность спонтанного распа­да не только верхнего из двух рассматриваемых уровней энер­гии, но и нижнего, когда нижний уровень не является основным, то под Δνл, входящей в формулу (1.17), следует понимать вели­чину, определяемую суммой скоростей распада этих уровней

 

Δνл =1/2πτ01+1/2πτ02 (1.18)

 

Уширение линии, обусловленное конечностью времени жизни состояний, связанных рассматриваемым переходом, называется однородным. Каждый атом, находящийся в соответствующем со­стоянии, излучает при переходе сверху вниз линию с полной ши­риной Δνл и спектральной формой q(ν). Аналогично каждый атом, находящийся в соответствующем нижнем состоянии, поглощает при переходе снизу вверх излучение в спектре с полной шири­ной Δνл и в соответствии со спектральной зависимостью q(ν). Не­возможно приписать какую-либо определенную спектральную компоненту в спектре q(ν) какому-то определенному атому. При однородном уширении вне зависимости от его природы спект­ральная зависимость q(ν)есть единая спектральная характери­стика как одного атома, так и всей совокупности атомов. Измене­ние этой характеристики, в принципе возможное при том или ином воздействии на ансамбль атомов, происходит одновременно и оди­наковым образом для всех атомов ансамбля.

Примерами однородного уширения являются естественная ши­рина линии и столкновительное уширение в газах.

 

Неоднородное уширение.

 

Экспериментально на­блюдаемые спектральные линии могут явиться бесструктурной суперпозицией нескольких спектрально неразрешимых однородно уширенных линий. В этих случаях каждая частица излучает или поглощает не в пределах всей экспериментально наблюдаемой линии. Такая спектральная линия называется неоднородно уши­ренной. Причиной неоднородного уширения может быть любой процесс, приводящий к различию в условиях излучения (погло­щения) для части одинаковых атомов исследуемого ансамбля ча­стиц, или наличие в ансамбле атомов с близкими, но различны­ми спектральными свойствами (сверхтонкая структура того или иного вида), однородно уширенные спектральные линии которых перекрываются лишь частично. Термин «неоднородное уширение» возник в спектроскопии ЯМР, в которой уширение этого типа происходило из-за неоднородности внешнего намагничивающего поля в пределах исследуемого образца.

Классическим примером неоднородного упшрения является доплеровское уширение, характерное для газов при малых дав­лениях и (или) высоких частотах.

Атомы (молекулы, ионы) газа находятся в тепловом движе­нии. Доплер-эффект первого порядка приводит к смещению час­тоты излучения частиц, летящих на наблюдателя со скоростью и, на величину ν0u/с, где ν0 — частота излучения покоящейся части­цы, а с — скорость света. Естественное уширение превращает из­лучение на частоте ν0 в спектральную линию, но это уширение однородно, и частотный сдвиг ν0и/с испытывает вся линия. Так как частицы газа движутся с различными скоростями, то частот­ные сдвиги их излучения различны, а суммарная форма линии газа в целом определяется распределением частиц по скоростям. Последнее верно, строго говоря, если естественная ширина линии много уже доплеровских сдвигов частоты, что, как правило, име­ет место. Тогда, если обозначить через р(и) функцию распреде­ления частиц по скоростям, форм-фактор доплеровской линии q(ν)оказывается связанным с р(и) простым соотношением:

 

q(ν)d ν= р(u)du (1.19)

 

Далее, наблюдаемая частота равна

 

ν = ν0 (1+u/с)). (1.20)

 

Рис. 1.5. Гауссова (1) и лоренцева (2) формы линии (нормированные на единицу) при одинаковой ширине на половине высоты, показанной отрезком Δν на оси абсцисс. Масштаб по оси ординат вы­бран в единицах 1/Δν.  

 

Следовательно, и = с(νν0)/ ν0 и du = c dν. При максвелловском распределении частиц по скоростям

 

(1.21)

где средняя тепловая скорость

Здесь k — постоянная Больцмана, Т — температура газа, т — масса атома (молекулы) газа. Комбинируя (1.20) и (1.21), лег­ко получить q(ν) в виде

 

, (1.22)

 

где ΔνT0u0/c — ширина спектральной линии.

Линия, форма которой определяется форм-фактором (1.22), назы­вается доплеровски уширенной линией. Ее форма описывается функцией Гаусса и симметрична относитель­но центральной частоты ν0. Спад кривой q(ν) (1.22) при сильной отстройке от ν0 происходит гораздо более круто, чем в случае лоренцева контура линии (1.17). Около центральной частоты гауссо­ва кривая более полога. Очевидно, что ее ширина определяется параметром ΔνT . При удалении от центра кривой на ΔνT интен­сивность падает в е раз.

AИГ-Nd-лазер.

 

Рис. 2.1. Лазерно активные переходы в кристалле АИГ — Nd.

а — схема энергетических уровней; б — зависимость интенсивности люминесценции (в произвольных единицах) от длины волны.

 

АИГ-Nd-лазер принадлежит к твердотельным лазерам с оптической накачкой. Лазерно активными веществами служат синтетические кристаллы иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12), содержащие ионы Nd3+ в объемной концентрации, приблизительно равной 1,5 %. Более высокие концентрации невозможны вследствие различия в радиусах ионов Nd3+ и Y3+. АИГ-кристаллы имеют кубическую решетку и поэтому являются оптически изотропными. На рис. 2.1, а показана схема уровней энергии иона Nd3+, находящегося в электрическом поле кристалла. Из левой части рис. 2.1, а видно, что схема относится к четырехуровневому лазеру.

Уровни 4F3/2 и 4I11/2 играют роль верхнего и нижнего лазерных уровней. Выше уровня 4F3/2 расположена целая последовательность уровней накачки или полос накачки, с которых возбужденные ионы благодаря взаимодействию с решеткой быстро переходят на верхний лазерный уровень. Нижний лазерный уровень находится выше основного уровня на величину энергии, которая много больше kT. Поэтому при тепловом равновесии этот уровень почти не заселен. Уровни 4F3/2 и 4I11/2 расщепляются в кристаллическом поле, вследствие чего становятся возможными многие переходы, показанные в правой части рис. 2.1. (Соответствующие расщепления других уровней не показаны.) Наиболее интенсивный переход наблюдается при 1,0641 мкм. Поперечное сечение этого перехода равно 8,8-10~~23 м2, излучательное время жизни верхнего уровня равно 230 мкс и выход люминесценции равен 0,995. При комнатной температуре переходы однородно уширены в результате взаимодействия с колебаниями решетки. Вследствие регулярности структуры кристалла неоднородное уширение пренебрежимо мало, тогда как в системах на неодимовых стеклах оно является доминирующим. Главный лазерный переход имеет ширину линии Δν≈120 ГГц. Для накачки АИГ-Nd-лазера наиболее подходит криптоновая дуговая лампа, поскольку ее полосы излучения хорошо согласуются с уровнями накачки. На рис. 2.2 представлена схема накачки. Накачка осуществляется в двойном эллиптическом отражателе, изготовленном из материала с высоким коэффициентом отражения. Цилиндрический АИГ-стержень находится на общей фокальной линии. Обе криптоновые лампы помещаются на двух других фокальных линиях. Для охлаждения системы стержень и лампы омываются потоком воды. В связи с хорошей теплопроводностью материала и его релаксационными свойствами, а также благодаря эффективному охлаждению АИГ-лазер может работать в режиме высоких мощностей излучения (до 102 Вт) в непрерывном режиме или с высокими частотами следования импульсов (приблизительно до 100 Гц) и с энергиями в импульсе от 0,1 до 1 Дж.

Кристалл АИГ имеет высокий показатель преломления (n(1,064 мкм) = 1,818). Поэтому на концевых поверхностях происходит довольно сильное френелевское отражение лазерного излучения. Его можно существенно уменьшить путем диэлектрического просветления или посредством скашивания стержней под углом Брюстера. Однако часто с этими потерями приходится мириться, что допустимо благодаря большому усилению в веществе. Но тогда необходимо концевые поверхности отполировать под малым углом наклона друг относительно друга (по меньшей мере около 1°), чтобы они не образовали лазерный резонатор или вторичный резонатор внутри главного резонатора.

Рис. 2.2. Установка для накачки с двойным эллиптическим отражателем. 1 — лампы; 2 — АИГ — Nd-стержень; 3 — отражатель; 4 — водяное охлаждение.

 

Для генерации ультракоротких световых импульсов с помощью АИГ: Nd-лазера успешно применяются различные методы. Для лазера с непрерывной накачкой применяется преимущественно метод активной синхронизации мод с использованием акустооптических или электрооптических модуляторов. В случае АИГ: Nd-лазера с импульсной накачкой чаще всего с помощью пассивной синхронизации создается такой режим, при котором лазер испускает цуг ультракоротких импульсов. АИГ: Nd-лазеры в непрерывном и импульсном режимах часто служат источниками света для генерации высших гармоник, а также для параметрической генерации.

 

Лазеры на красителях

 

Органические красители в растворе отличаются высокими значениями поперечных сечений поглощения и испускания, а также широкими полосами. Они пригодны как активные вещества для лазеров с перестраиваемой длиной волны.

На системы синглетных и триплетных электронных уровней накладываются колебательные уровни. Вследствие большого числа колебательных степеней свободы и сильного уширения линий в жидкостях отдельные колебательные переходы по большей части остаются совсем неразрешенными, так что возникает однородная спектральная полоса.

Лазер на красителе наиболее часто описывается как четырехуровневый лазер. Под действием света накачки происходят переходы на возбужденные колебательные уровни состояния S1 в соответствии с принципом Франка—Кондона. Колебательная дезактивация состояния S1 происходит чрезвычайно быстро ( ~ 10-13 с), благодаря чему молекулы собираются на нижнем крае системы уровней S1.











infopedia.su

Лазеры. Принцип действия лазеров





ТОП 10:







Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Принцип действия

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.



Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.














infopedia.su

Принцип работы и виды лазеров для коррекции зрения

Открытие лазерных систем моментально привлекло внимание всех сфер человеческой деятельности. Во многих отраслях науки и техники они нашли своё применение. В медицине первопроходцем стало лечение глаз.

Именно в офтальмологии впервые стали использовать лазеры для диагностики и коррекции. С течением времени и развитием обеих направлений (физики лазеров и медицины) удалось достигнуть высоких результатов и в наши дни это – ключевой инструмент врачей. Но что лазер в медицине представляет из себя?

Лазер при лечении глаз: основные положения

Обобщённо, лазер – это специфический источник света. Он имеет ряд отличий от прочих источников, в том числе концентрированность и направленность. Пользователь имеет возможность направлять пучок света в необходимую точку и при этом избегать рассеивания и утраты ценных свойств.

Внутри луча происходит индуцирование в атомах и молекулах, которое можно точно регулировать в соответствии с потребностями. Технология устройства и работы лазерной системы проста и включает в себя 4 основных элемента:

  1. Источник напряжения (накачки). Иными словами, энергия для работы.
  2. Непрозрачное зеркало, которое выполняет роль задней стенки ёмкости, где находится активная среда.
  3. Полупрозрачное зеркало, через которое генерируемый луч выходит в свет.
  4. Непосредственно активная среда. Её также называют генерирующим материалом. Это вещество, молекулы которого формируют лазерный луч с заданными характеристиками.

Разделение офтальмологических лазеров на виды происходит именно по последнему критерию.

Интересный факт: Как с помощью лазера изменить цвет глаз

Сейчас на практике выделяют следующие виды лазеров, применяемых для лечения глаз:

  • Эксимерные. Этот вид системы создаёт рабочее излучение в ультрафиолетовом диапазоне спектра (от 193 до 351 нанометра). Он используется для работы с локальными участками повреждённой ткани. Отличается высокой точностью. Обязателен при лечении глаукомы и негативных изменений роговицы глазного яблока. После его работы значительно сокращается восстановительный период.
  • Аргоновый тип. В качестве активной среды используется газ аргон. Луч формируется в промежутке длин волн между 488 и 514 нанометров, что соответствует синему и зелёному участку спектра. Главное направление применения – устранение патологий в сосудах.
  • Криптоновый вид. Работает в жёлтом и красном диапазоне спектра (568 – 647 нм). Особенно полезен при работе по коагуляции центральных долей сетчатки глаза.
  • Диодный. Инфракрасный участок спектра волн (810 нм). Отличается глубоким проникновением в оболочку сосудов и полезен при лечении макулярных участков сетчатки глаза.
  • Фемтосекундные. Лазеры, работающие в инфракрасном диапазоне. Часто объединяются с эксимерным в единую систему. Отличаются сверхвысокой скоростью, что позволяет применять их для пациентов с тонкой роговицей. Высокая точность работы позволяет создавать лоскут роговицы на заданном месте с установленными параметрами.
  • Гелий-неоновый. Рабочая длина волны 630 нм. Важный инструмент в руках офтальмолога. Потому что оказывает мощное стимулирующее воздействие на ткани, снимает воспаление и способствует регенерации тканей.
  • Десятиуглекислотные. Инфракрасный диапазон (10,6 мкм). Используются для испарения ткани и удаления злокачественных наростов.

Кроме этой градации, выделяют:

  • Мощные, которые оказывают значительное воздействие на поверхность.
  • Слабые, воздействие которых практически незаметно.

Мощность также определяется используемым веществом в системе.

Также читайте: Виды лазерной коррекции зрения

Кто изобрел лазер и когда впервые он был применен в хирургии глаза?

Технологию вынужденного усиления света предсказал Эйнштейн в годы Первой мировой войны. В своих работах он описал физические основы работы лазера. После этого на протяжении почти 50 лет множество учёных прорабатывали составные элементы теории лазеров, чем заложили мощный фундамент развития отрасли знания.

В 1960 году Томас Мейман продемонстрировал первый работающий прототип лазера. 16 мая того года считается днём рождения лазерных систем – новой эры в развитии человечества.

Появление прибора стимулировало изучение его практического применения, в частности в медицине. Уже в 1963 году появились первые опубликованные результаты исследований по лазерной коагуляции, проведённые Кэмбеллом и Цвенгом. Вскоре Краснов обосновал возможность применения эффекта фоторазрыва для лечения катаракты. В американских клиниках в конце 70-х их активно применяли в качестве альтернативы скальпелю, что снижало кровопотери и обеспечивала высокую точность разрезов.

Сейчас лазер стал основой современной офтальмологии.

Принцип работы и характеристики луча

В зависимости от устройства, активной генерирующей среды и настроек системы эти приборы могут выполнять различную работу. Принцип действия луча позволяет доктору составлять программу оптимального лечения. В современной офтальмологии выделяют следующие принципы воздействия лазера на ткани:

Лазерная коагуляция. Под термическим воздействием происходит приваривание отслоившихся частей ткани и восстановление структуры тканей.

Фотодеструкция. Лазер прогревается до максимальной мощности и производит разрезание тканей для последующего восстановления.

Фотоиспарение. При длительной обработке участка с помощью специально настроенного лазера происходит выпаривание ткани.

Фотоабляция. Распространённая операция, которая позволяет удалить повреждённые ткани предельно бережно.

Лазерстимуляция. Принцип действия, лежащий в основе этого метода, обеспечивает протекание фотохимических процессов, оказывающих стимулирующее и восстанавливающее воздействие на ткани глаза.

Устройство офтальмологического лазера

Определяющим элементом в работе лазера является активная среда. Вещество, применяемое в работе, обуславливает применение источника энергии. Каждый газ требует особенного энергоносителя и способа доставки энергии.

Составные элементы конструкции описаны выше. В офтальмологическом лазерном оборудовании особое внимание уделено управлению работой системы. Врач получает возможность настраивать лазер с высокой точностью. Система датчиков и рычагов управления позволяет проводить широкий спектр операций.

Техника безопасности при работе с лазером: что следует знать окулисту

Каждый прибор имеет технический паспорт, где подробно изложены параметры оборудования. Эти характеристики определяют вредность прибора и меры необходимой безопасности. Окулист, при длительной работе с лазерами, должен строго соблюдать предписанные нормы поведения для предотвращения травмирования:

  • При работе с оборудованием необходимо использовать защитные очки с установленными характеристиками, которые рассчитаны на защиту от конкретного типа излучения.
  • Строго соблюдать график работы – обязательно делать перерывы в работе!
  • При наличии противопоказаний (злокачественные опухоли, индивидуальные показания, беременность) работать с лазерами запрещено!

Применения лазерных технологий в офтальмологии обеспечивает высококачественную диагностику, оперативное принятие верного решения и достижение отличного результата в ходе операций любой сложности.

Читайте также:

vashe-zrenie.ru

Лазер твердотельный: принцип работы, применение

Данная статья показывает, какие бывают источники монохроматического излучения и какие преимущества имеет лазер твердотельный перед другими видами. Здесь рассказано, каким образом происходит генерация когерентного излучения, почему импульсное устройство мощнее, для чего нужна гравировка. Также здесь рассматриваются три обязательных элемента лазера и принцип его работы.

Зонная теория

Прежде чем говорить о том, как работает лазер (твердотельный, например), следует рассмотреть некоторые физические модели. Из школьных уроков каждый помнит, что электроны расположены вокруг атомного ядра на определенных орбитах, или уровнях энергии. Если в нашем распоряжении не один атом, а много, то есть мы рассматриваем любое объемное тело, то возникает одна сложность.

Согласно принципу Паули, в данном теле с одной и той же энергией может быть только один электрон. При этом даже мельчайшая песчинка содержит огромное количество атомов. Природа в данном случае нашла весьма изящный выход – энергия каждого электрона отличается от энергии соседнего на очень маленькую, почти неразличимую величину. При этом все электроны одного уровня «спрессовываются» в одну энергетическую зону. Зона, в которой находятся наиболее далекие от ядра электроны, называется валентной. Следующая за ней зона имеет более высокую энергию. В ней электроны передвигаются свободно, и она называется зоной проводимости.

Испускание и поглощение

Любой лазер (твердотельный, газовый, химический) работает на принципах перехода электрона из одной зоны в другую. Если на тело падает свет, то фотон придает электрону достаточно сил, чтобы он оказался в более высоком энергетическом состоянии. И наоборот: когда электрон переходит из зоны проводимости в валентную, то он испускает один фотон. Если вещество является полупроводником или диэлектриком, зоны валентная и проводимости разделены интервалом, в котором нет ни одного уровня. Соответственно, электроны находиться там не могут. Этот интервал называется запрещенной зоной. Если фотон имеет достаточную энергию, то электроны преодолевают этот интервал скачком.

Генерация

Принцип работы твердотельного лазера строится на том, что в запрещенной зоне вещества создается так называемый инверсный уровень. Время жизни электрона на этом уровне выше, чем время его нахождения в зоне проводимости. Таким образом, в определенный промежуток времени именно на нем «скапливаются» электроны. Это называется инверсной заселенностью. Когда мимо такого уровня, усеянного электронами, проходит фотон нужной длины волны, он вызывает одновременную генерацию большого количества одинаковых по длине и фазе световых волн. То есть электроны лавиной все одновременно переходят в основное состояние, порождая пучок монохроматических фотонов достаточно большой мощности. Стоит отметить, что основной проблемой разработчиков первого лазера был поиск такого сочетания веществ, для которого была бы возможна инверсная заселенность одного из уровней. Первым рабочим веществом стал легированный рубин.

Состав лазера

Лазер твердотельный по основным компонентам не отличается от остальных видов. Рабочее тело, в котором осуществляется инверсная заселенность одного из уровней, освещается каким-либо источником света. Он называется накачкой. Часто это может быть обычная лампа накаливания или газоразрядная трубка. Два параллельно идущих торца рабочего тела (лазер твердотельный подразумевает кристалл, газовый – разреженную среду) образуют систему зеркал, или оптический резонатор. Он собирает в пучок только те фотоны, которые идут параллельно выходному отверстию. Накачка твердотельных лазеров обычно происходит с помощью импульсных ламп.

Виды твердотельных лазеров

В зависимости от способа выхода лазерного пучка различают лазеры непрерывного действия и импульсные. Каждый из них находит применение и имеет свои особенности. Главное отличие — импульсные твердотельные лазеры обладают более высокой мощностью. Так как для каждого выстрела фотоны как бы «копятся», то один импульс способен выдать большую энергию, чем непрерывная генерация за аналогичный период времени. Чем меньше длится импульс, тем мощнее каждый «выстрел». На данный момент технологически возможно построить фемтосекундный лазер. Один его импульс длится порядка 10-15 секунды. Связана такая зависимость с тем, что описанные выше процессы обратной заселенности длятся очень и очень мало. Чем дольше требуется ждать перед тем, как лазер «выстрелит», тем больше электронов успеет покинуть инверсный уровень. Соответственно, снижается концентрация фотонов и энергия выходного пучка.

Гравировка лазером

Узоры на поверхности металлических и стеклянных вещей украшают повседневную жизнь человека. Их можно нанести механически, химически или с помощью лазера. Последний способ наиболее современный. Его преимущества перед другими методами следующие. Так как непосредственного воздействия на обрабатываемую поверхность нет, то почти невозможно повредить вещь в процессе нанесения узора или надписи. Лазерный луч выжигает очень неглубокие канавки: поверхность с такой гравировкой остается гладкой, а значит, вещь не повреждается и прослужит дольше. В случае с металлом лазерный луч изменяет саму структуру вещества, и надпись не сотрется много лет. Если вещью пользоваться аккуратно, не погружать её в кислоту и не деформировать, то на несколько поколений узор на ней точно сохранится. Лазер для гравировки лучше всего выбирать твердотельный импульсный по двум причинам: процессами в твердом теле проще управлять, и он оптимален по соотношению мощности и цены.

Установка

Для гравировки существуют специальные установки. Помимо непосредственно лазера, они состоят из механических направляющих, по которым лазер движется, и контролирующего оборудования (компьютера). Лазерный станок применяется во многих отраслях человеческой деятельности. Выше мы говорили об украшении бытовых предметов. Именные столовые приборы, зажигалки, бокалы, часы надолго останутся в семье и будут напоминать о счастливых моментах.

Однако не только бытовые, но и промышленные товары нуждаются в лазерной гравировке. Большие заводы, например автомобильные, выпускают детали огромными тиражами: сотнями тысяч или миллионами. Каждый такой элемент должен быть помечен – когда и кто его создал. Лучшего способа, чем лазерная гравировка, не найти: номера, время выпуска, срок службы надолго останутся даже на движущихся деталях, для которых повышен риск истирания. Лазерный станок в данном случае должен отличаться повышенной мощностью, а также безопасностью. Ведь если гравировка хоть на доли процентов изменит свойство металлической детали, она может иначе реагировать на внешнее воздействие. Например, ломаться в месте нанесения надписи. Однако для бытового применения подходит более простая и дешевая установка.

fb.ru

Газовый лазер: описание, характеристики, принцип действия

Основным рабочим компонентом любого лазерного устройства является так называемая активная среда. Она не только выступает источником направленного потока, но и в некоторых вариантах может значительно его усиливать. Именно такой особенностью и обладают газовые смеси, выступающие активным веществом в лазерных установках. При этом существуют разные модели подобных устройств, отличающихся и конструкцией, и характеристиками рабочей среды. Так или иначе, газовый лазер имеет немало преимуществ, которые позволили ему занять прочное место в арсенале многих промышленных предприятий.

Особенности действия газовой среды

Традиционно лазеры ассоциируются с твердотельными и жидкостными средами, способствующими формированию светового луча с необходимыми рабочими характеристиками. При этом газ имеет преимущества в виде однородности и небольшой плотности. Эти качества позволяют лазерному потоку не искажаться, не терять энергию и не рассеиваться. Также газовый лазер отличается увеличенной направленностью излучения, предел которой определяет только дифракция света. По сравнению с твердыми телами взаимодействие частиц газа происходит исключительно при соударениях в условиях теплового перемещения. В результате энергетический спектр наполнителя соответствует энергетическому уровню каждой частицы по отдельности.

Устройство газовых лазеров

Классическое устройство таких аппаратов формируется герметичной трубкой с газообразной функциональной средой, а также оптическим резонатором. Разрядная трубка обычно выполняется из корундовой керамики. Ее размещают между отражающей призмой и зеркалом на бериллиевом цилиндре. Разряд производится в двух секциях с общим катодом при постоянном токе. Оксиднотанталовые холодные катоды чаще всего разделяют на две части посредством диэлектрической прокладки, которая обеспечивает однородность распределения токов. Также устройство газового лазера предусматривает наличие анодов – их функцию выполняет нержавеющая сталь, представленная в виде вакуумных сильфонов. Эти элементы обеспечивают подвижное соединение трубок, призмы и держателей зеркала.

Принцип работы

Для наполнения энергией активного тела в газе применяются электрические разряды, которые вырабатываются электродами в полости трубки прибора. В процессе соударения электронов с газовыми частицами происходит их возбуждение. Таким образом создается основа для излучения фотонов. Вынужденное испускание световых волн в трубке повышается в процессе их прохождении по газовой плазме. Выставленные зеркала на торцах цилиндра создают основу для преимущественного направления светового потока. Полупрозрачное зеркало, которым снабжается газовый лазер, отбирает из направленного луча долю фотонов, а остальная их часть отражается внутрь трубки, поддерживая функцию излучения.

Характеристики

Внутренний диаметр разрядной трубки обычно составляет 1,5 мм. Диаметр оксиднотанталового катода может достигать 48 мм при длине элемента 51 мм. При этом конструкция работает под действием постоянного тока с напряжением 1000 В. В гелий-неоновых лазерах мощность излучения небольшая и, как правило, исчисляется в десятых долях Вт.

Модели на углекислом газе предполагают использование трубок диаметром от 2 до 10 см. Примечательно, что газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, обладает очень высокой мощностью. С точки зрения эксплуатационной эффективности, этот фактор иногда идет в плюс, однако для поддержания стабильной функции таких приборов требуются долговечные и надежные зеркала с повышенными оптическими свойствами. Как правило, технологи используют металлические и сапфировые элементы с обработкой золотом.

Разновидности лазеров

Основная классификация подразумевает разделение таких лазеров по типу газовой смеси. Уже упоминались особенности моделей на углекислом активном теле, но также распространены ионные, гелий-неоновые и химические среды. Для изготовления конструкции прибора ионные газовые лазеры требуют применения материалов с высокой теплопроводностью. В частности, используются металлокерамические элементы и детали на основе бериллиевой керамики. Гелий-неоновые среды могут работать на разных длинах волн по инфракрасному излучению и в спектре видимого света. Зеркала резонатора таких аппаратов отличаются наличием многослойных диэлектрических покрытий.

Химические лазеры представляют отдельную категорию газовых трубок. Они также предполагают использование в качестве рабочей среды газовых смесей, но процесс образования светового излучения обеспечивается химической реакцией. То есть газ используется для химического возбуждения. Устройства такого типа выгодны тем, что в них возможен прямой переход химической энергии в электромагнитное излучение.

Применение газовых лазеров

Практически все лазеры такого типа отличаются высокой степенью надежности, долговечностью и доступной ценой. Эти факторы обусловили их широкое распространение в разных отраслях. К примеру, гелий-неоновые аппараты нашли применение в нивелировочных и юстировочных операциях, которые выполняются в шахтных работах, в кораблестроении, а также при строительстве различных сооружений. Кроме этого, характеристики гелий-неоновых лазеров подходят для использования в организации оптической связи, в разработке голографических материалов и квантовых гироскопов. Не стал исключением с точки зрения практической пользы и аргоновый газовый лазер, применение которого показывает эффективность в сфере обработки материалов. В частности, подобные устройства служат в качестве резчика твердых пород и металлов.

Отзывы о газовых лазерах

Если рассматривать лазеры с точки зрения выгодных эксплуатационных свойств, то многие пользователи отмечают высокую направленность и общее качество светового пучка. Такие характеристики можно объяснить малой долей оптических искажений независимо от температурных условий окружающей среды. Что касается недостатков, то для раскрытия потенциала газовых сред необходимо большое напряжение. Кроме того, гелий-неоновый газовый лазер и устройства, работающие на основе углекислых смесей, требуют подключения немалой электрической мощности. Но, как показывает практика, результат себя оправдывает. Применение находят и маломощные аппараты, и приборы с большим силовым потенциалом.

Заключение

Возможности газоразрядных смесей в плане их применения в лазерных установках пока еще недостаточно освоены. Тем не менее спрос на подобное оборудование давно и успешно растет, формируя соответствующую нишу и на рынке. Наибольшее распространение газовый лазер получил в промышленности. Его используют как инструмент для точечной и аккуратной резки твердотельных материалов. Но есть и факторы, сдерживающие распространение такого оборудования. Во-первых, это быстрый износ элементной основы, что сокращает долговечность приборов. Во-вторых, отмечаются высокие требования к обеспечению электрического разряда, необходимого для формирования луча.

fb.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о