Лазеры и их применение

59

Содержание

Введение

1. Основные понятия

2. История открытия

3. Принцип действия

4. Устройство лазера

4.1 Активная среда

4.2 Система накачки

4.3Оптический резонатор

5. Монохроматичность лазерного излучения

5.1 Гигантский импульс

5.2 Свойства лазерного излучения

6. Классификация лазеров

7. Использование лазеров

7.1 Применение в науке

7.2 Применение в вооружении

7.3 В промышленности

7.4 Лазер в быту

8. Применение в медицине

8.1 Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотоками

8.2 Особенности лазерного излучения

8.3 Применение в медицине и биологии

8.4 Лазерные методы диагностики

8.5 Лазерная диагностика в офтальмологии

8.6 Диагностические возможности голографии

8.7 Методики тепловизионного исследования

Заключение

Литература

Введение

Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем надежного и мощного помощника, свободно проникающего в темницы, разрушающего любые преграды, способного защитить от любого врага. К всемогущему лучу обращались и многие писатели-фантасты. Всемирно известны романы “Война миров” Г. Уэллса и “Гиперболоид инженера Гарина” А. Толстого. Но в этих романах световой луч оказывался в руках сил зла, которые использовали лучи для разрушения. Люди же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. И этой мечте суждено было сбыться. Реальностью стали лазеры, которые успешно “трудятся” в клиниках, на заводах, на строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях.

Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства, непрерывно расширяется область использования лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов.

Цель данной работы - узнать и понять самому, а также ознакомить окружающих с таким изобретением, как лазер. Узнать: когда и кем он был изобретен, принцип его действия, его разновидности, область применения, а также перспективы развития данной технологии.

1.Основные понятия

Ламзер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -- «усиление света посредством вынужденного излучения»), оптимческий квамнтовый генерамтор -- 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. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально 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.

Основы теории излучения.

Из законов квантовой механики следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2,...En..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном - квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10-8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну - фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света - лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны.

Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.

Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство - когерентность - теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927-1930.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.

Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 - инверсной заселенностью.

В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).

Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E0 на самый верхний E3. Оттуда они спускаются на уровень E2, где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов. И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E0, испуская вынужденное излучение частотой n = (E2 - E0)/h, когерентное исходной волне.

Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954-1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 - лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года - полупроводниковый лазер.

2. История открытия

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора -- оптического квантового генератора или лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики.

· 1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения -- физической основы работы любого лазера. Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927--1930 гг.

· 1928 год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.

· В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населённостей для усиления электромагнитного излучения

· 1950 год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости. Реализован на практике в 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора оставался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор.

· 1954 год: первый микроволновой генератор -- мазер на аммиаке (Ч. Таунс -- Нобелевская премия по физике 1964 года, Дж. Гордон, Г. Цайгер). Роль обратной связи играл объёмный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого колебательного уровня на основной). Весомый вклад в изучение принципов квантового усиления и генерации внесли также советские физики А. Прохоров и Н. Басов (Нобелевская премия по физике 1964 г.). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно.

· 1960 год: Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора -- лазера. В качестве активной среды использовался рубин (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора был использован открытый оптический резонатор. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света.

· Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей.

· В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры.

· В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры.

3.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 направление распространения, поляризацию и фазу.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым 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 поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

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.

4. Устройство лазера

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

· активной (рабочей) среды;

· системы накачки (источник энергии);

· оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

На схеме обозначены:

1 -- активная среда; 2 -- энергия накачки лазера;

3 -- непрозрачное зеркало; 4 -- полупрозрачное зеркало; 5 -- лазерный луч.

4.1 Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

N=N0 exp(-E/kT)

здесь N -- число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E,

N0 -- число атомов, находящихся в основном состоянии,

k -- постоянная Больцмана,

T -- температура среды.

Иными словами, таких атомов очень мало, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также очень мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

здесь I0 -- начальная интенсивность,

Il -- интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе,

a1 -- коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону

где a2 -- коэффициент квантового усиления.

В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

4.2 Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме.

Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней.

Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).



На рисунке:

· а -- трёхуровневая;

· б -- четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет из себя кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён (эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10?8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10?3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd3+, используется четырехуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный -- рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (зквантовое = hн излучения/hн накачки)

4.3 Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n:

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь c -- скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину .

Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же ,то излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

5. Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность.

Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с. у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности.

Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10-7 --10-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса физики опытом с турмалином.

Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности.

5.1 Гигантский импульс

Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности.

Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10-8 с., а максимальная мощность 108 Вт.

5.2 Свойства лазерного излучения

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

- высокой спектральной плотностью энергии;

- монохроматичностью;

- высокой временной и пространственной когерентностью;

- высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

- возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.

Основными характеристиками лазера являются: длина волны, мощность и режим работы, который бывает непрерывным либо импульсным.

Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическим объектом ещё изучен не до конца, но можно отметить, что имеют место либо тепловые воздействия, либо резонансные взаимодействия с клетками тканей.

Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.

6. Классификация лазеров

Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии.

Полупроводниковые лазеры -- наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.

Лазеры на красителях. (Жидкостные лазеры) Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.

Газовые лазеры -- лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазер.

Газодинамические лазеры -- газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество -- CO2).

Эксимерные лазеры -- разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

Химические лазеры -- разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

Лазеры на свободных электронах -- лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых -- мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 108 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.

Квантовые каскадные лазеры ? полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) - сотни миллионов километров - такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

Рубиновый лазер.

Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl2O3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr2Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr+3. В решетке кристалла А2О3 ион Сг+3 замещает ион Аl+3. Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна--в зеленой, другая--в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг+3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг+3 достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е1 и Е1' , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения 1 = 692,8 нм и малый -- для 1 ?= 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr+, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr+3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е1, Е1'. При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е1, Е1' метастабильны. Время жизни на уровне Е1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е1, Е1' накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

Гелий-неоновый лазер.

Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона -- 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, -- около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

С02-лазер с замкнутым объемом.

Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO2 передается от молекул азота N2, которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1, что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO2. Ввиду метастабильности возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N2 с CO2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N2 к CO2. Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO2. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

При работе CO2 - лазера происходит распад молекул CO2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO2-лазера. Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO2, N2, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO2-лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО2-лазер.

Важной модификацией является проточный СО2-лазер, в котором смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Т-лазер.

Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для. получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

7. Применение лазера.

7.1 Применение в науке

Спектроскопия

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (10?16 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляеются спектроскопические исследоваения этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

Измерение расстояния до Луны

Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

Фотохимия

Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10?12 -- 10?15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.

Лазерное охлаждение

Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

7.2 Лазеры в вооружении

Лазерное оружие

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 квт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.

Целеуказатели, Лазерный прицел

В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания с помощью какого-нибудь оружия. Например, лазерный прицел -- это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу. Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол.

Большинство лазеров используют красный лазерный диод. Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое невооруженным глазом, но различимое приборами ночного видения. В 2007 году компания Lasermax, специализирующаяся на выпуске лазеров для военных целей, объявила о начале первого массового производства зелёных лазеров, доступных для стрелкового оружия. Предполагается, что зеленый лазер будет лучше, чем красный, видим в условиях яркого света по причине более высокой чувствительности сетчатки человеческого глаза к зеленой области спектра.

Системы обнаружения снайперов

Принцип данных систем основывается на том что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.).

Как преимущество -- подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями.