Оптичні деталі лазерів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Приладобудівний факультет

РЕФЕРАТ

на тему: «Оптичні деталі лазерів»

Виконав:

студент групи ПО-91

Трусов Максим

Перевірив:

Тимчик Г.С.

Київ 2022



Зміст

Вступ

1. Актуальність теми

2. Історія

2.1 Основи

2.2 Мазер

2.3 Лазерний

2.4 Останні інновації

3. Дизайн

4. Лазерна фізика

4.1 Стимульована емісія

4.2 Посилення середовища та порожнини

4.3 Випромінюване світло

4.4 Квантові та класичні процеси викидів

5. Типи та принципи роботи

5.1 Газові лазери

5.2 Хімічні лазери

5.3 Ексимерні лазери

5.4 Твердотільні лазери

5.5 Волоконні лазери

5.6 Фотонні кришталеві лазери

5.7 Напівпровідникові лазери

5.8 Лазери для барвників

5.9 Лазери з вільними електронами

6. Екзотичні ЗМІ

6.1 Використовуванняє

6.2 У медицині

6.3 Як зброю

Висновок

Список літератури



Вступ

лазер це пристрій, який випромінює світло через процес оптичне підсилення на основі стимульований викид з електромагнітне випромінювання. Термін "лазер" виник як скорочення для "посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання". Перший лазер був побудований в 1960 році Теодор Х. Майман в Дослідницькі лабораторії Хьюза, заснований на теоретичній роботі Чарльз Хард Таунс і Артур Леонард Шавлов. квантовий лазер потужність випромінювання

Лазер відрізняється від інших джерел світла тим, що випромінює світло, яке є зв'язний. Просторова узгодженість дозволяє сфокусувати лазер в тісному місці, дозволяючи таким додаткам, як лазерне різання і літографія. Просторова когерентність також дозволяє лазерному променю залишатися вузьким на великі відстані (колімація), що дозволяє додаткам, таким як лазерні покажчики і лідар. Лазери також можуть мати високі тимчасова узгодженість, що дозволяє їм випромінювати світло з дуже вузькими спектру, тобто вони можуть випромінювати один колір світла. Крім того, тимчасова когерентність може бути використана для отримання імпульсів світла з широким спектром, але тривалістю короткою, ніж фемтосекундний ("ультракороткі імпульси").



1. Актуальність теми

Поява лазерів відразу вплинула і продовжує впливати на різні галузі науки і техніки із застосуванням лазерів для вирішення конкретних наукових і технічних завдань. Дослідження підтвердили можливість значного покращення багатьох оптичних приладів і систем і привели до створення принципово нових пристроїв (підсилювачі яскравості, квантові гігрометри, швидкодіючі оптичні схеми тощо). Сформувались нові наукові й технічні напрями - голографія, нелінійна та інтегральна оптика, лазерні технології, лазерна хімія, використання лазерів для керованого термоядерного синтезу та інших задач енергетики. Висока монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів у спектроскопії, ініціюванні хімічних реакцій, у поділі ізотопів, в системах вимірювання лінійних і кутових швидкостей, у всіх додатках, основаних на використанні інтерференції, в системах зв'язку та голографії. Надвисока щільність енергії та потужність лазерних пучків (див. табл. 1), можливість фокусування лазерного випромінювання в точку малих розмірів використовуються в лазерних системах термоядерного синтезу, у різноманітних технологічних процесах: лазерне різання, зварювання, свердління, поверхневе загартовування і розмірна обробка різних деталей. Ці ж властивості й спрямованість лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів у військовій техніці [1].

Таблиця 1

Порівняння характеристик щільності енергії та потужності випромінювання

Джерело енергії	Щільність енергії, Дж/см3	Щільність потужності, Вт/см3
Електричний конденсатор	102	-
Електричний розряд	104	108-109
Хімічна вибухова речовина	104	109
Потужний електронний пучок струму	106	1013-1014
Ядерний вибух	1010-1011	1016-1018
Сфокусований потужний лазерний пучок	1010-1012	1020-1022
Анігіляція речовини (щільність 10 г/см3)	1015	-



2. Історія

2.1 Основи

У 1917 р. Альберт Ейнштейн встановив теоретичні основи для лазера та мазер у роботі Zur Quantentheorie der Strahlung (Про квантову теорію випромінювання) шляхом повторного виведення Макс Планкзакон випромінювання, концептуально заснований на коефіцієнтах ймовірності (Коефіцієнти Ейнштейна) для поглинання, спонтанного випромінювання та стимульованого випромінювання електромагнітного випромінювання.^[20] У 1928 р. Рудольф В. Ладенбург підтвердив існування явищ стимульованого випромінювання та негативного поглинання.^[21] У 1939 р. Валентин А. Фабрікант передбачав використання стимульованого випромінювання для посилення "коротких" хвиль У 1947 р. Уілліс Е. Лемб та Р.Ц. Ретерфорд виявив видиме стимульоване випромінювання в спектрах водню і здійснив першу демонстрацію стимульованого випромінювання. У 1950 р. Альфред Кастлер (Нобелівська премія з фізики 1966) запропонував метод оптична накачка, експериментально підтверджене через два роки Бросселем, Кастлером та Вінтером.



2.2 Мазер

Олександр Прохоров

У 1951 р. Джозеф Вебер подав документ про використання стимульованих випромінювань для виготовлення мікрохвильового підсилювача на конференцію досліджень вакуумних ламп Інституту радіоінженерів в Оттава, Онтаріо, Канада. Після цієї презентації RCA попросив Вебера провести семінар з цієї ідеї, і Чарльз Хард Таунс попросив у нього копію паперу.

Чарльз Х. Таунс

У 1953 р. Чарльз Хард Таунз та аспіранти Джеймс П. Гордон і Герберт Дж. Зейгер випустив перший мікрохвильовий підсилювач, пристрій, що працює за принципами, подібними до лазерних, але підсилювальних мікрохвильова піч випромінювання, а не інфрачервоне або видиме випромінювання. Мазер Таунса не був здатний до безперервного виходу. Тим часом у Радянському Союзі Микола Басов і Олександр Прохоров самостійно працювали над квантовий генератор і вирішив проблему систем безперервного виходу, використовуючи більше двох рівнів енергії. Ці прибутки ЗМІ можуть випустити стимульовані викиди між збудженим станом та нижчим збудженим станом, а не основним, що полегшує підтримку a інверсія населення. У 1955 р. Прохоров і Басов запропонували оптичну накачку багаторівневої системи як метод отримання інверсії популяції, пізніше основний метод лазерної накачки.

Таунс повідомляє, що серед них є кілька видатних фізиків Нільс Бор, Джон фон Нойман, і Ллевеллін Томас- стверджував мазер, порушений Гейзенберга принцип невизначеності і, отже, не міг працювати. Інші, такі як Ісидор Рабі і Полікарп Куш очікували, що це буде непрактично і не вартує зусиль. У 1964 р. Чарльз Х. Таунз, Микола Басов та Олександр Прохоров поділились цим Нобелівська премія з фізики, "за фундаментальну роботу в галузі квантової електроніки, яка призвела до побудови генераторів і підсилювачів на основі принципу мазера-лазера".

2.3 Лазерний

У 1957 р. Чарльз Хард Таунс і Артур Леонард Шавлов, потім о Bell Labs, розпочав серйозне дослідження інфрачервоного лазера. У міру розвитку ідей вони відмовлялися інфрачервоний випромінювання, щоб замість цього сконцентруватися видиме світло. Спочатку концепція називалася "оптичним мазером". У 1958 році компанія Bell Labs подала заявку на патент на запропонований ними оптичний мазер; і Шаулов і Таунз подали рукопис своїх теоретичних розрахунків до Фізичний огляд, опублікованого того року у тому 112, випуск No 6.

ЛАЗЕРНИЙ зошит: Перша сторінка зошита де Гордон Гулд створив абревіатуру LASER та описав елементи побудови пристрою.

Одночасно, о Колумбійський університет, випускник Гордон Гулд працював над докторська дисертація про енергетичні рівні збуджених талій. Коли Гулд і Таунс зустрілися, вони заговорили про радіацію емісія, як загальний предмет; згодом, у листопаді 1957 року, Гулд відзначив свої ідеї щодо "лазера", зокрема використання відкритого резонатор (пізніше важливий компонент лазерного пристрою). Більше того, в 1958 р. Прохоров самостійно запропонував використовувати відкритий резонатор - першу опубліковану (в СРСР) появу цієї ідеї. В іншому місці в США Шавлов і Таунз погодились на лазерний дизайн з відкритим резонатором - очевидно, не знаючи про публікації Прохорова та неопубліковані роботи Гулда про лазер.

На конференції в 1959 році Гордон Гулд опублікував у статті термін LASER ЛАЗЕР, посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання. Мовний намір Гулда використовував частинку слова "-aser" як суфікс - для точного позначення спектру світла, що випромінюється приладом LASER; таким чином рентген: xaser, ультрафіолет: uvaser, і так далі; жоден не зарекомендував себе як дискретний термін, хоча "raser" був ненадовго популярним для позначення пристроїв, що випромінюють радіочастоту.

Нотатки Гулда включали можливі додатки для лазера, такі як спектрометрія, інтерферометрія, радар, і ядерний синтез. Він продовжував розвивати ідею і подав файл заявка на патент у квітні 1959 р Патентне відомство США відхилив його заявку та присудив патент Bell Labs, в 1960 р. Це спровокувало двадцять вісім років позов, де основним фактором є науковий престиж та гроші. Свій перший незначний патент Гулд виграв у 1977 р., Однак лише в 1987 р. Він виграв першу значну перемогу в патентному процесі, коли федеральний суддя наказав Патентному відомству США видавати патенти Гулду на оптично накачані та газовий розряд лазерні прилади. Питання про те, як приписати заслугу винаходу лазера, залишається невирішеним істориками.

16 травня 1960 р. Теодор Х. Майман оперував першим функціонуючим лазером в Дослідницькі лабораторії Хьюза, Малібу, штат Каліфорнія, попереду кількох дослідницьких груп, включаючи групи Таунс, в Колумбійський університет, Артур Шавлов, в Bell Labs, та Гулд, у компанії TRG (Технічна дослідна група). Функціональний лазер Маймана використовував a спалах-нагнітається синтетичний рубін кристал для отримання червоного лазерного світла на довжині хвилі 694 нм. Пристрій мав можливість лише імпульсної роботи завдяки своїй трирівневій схемі конструкції насосів. Пізніше того ж року Іранський фізик Алі Джаван, і Вільям Р. Беннет, і Дональд Герріотт, побудований перший газовий лазер, використовуючи гелій і неонові яка була здатна до безперервної роботи в інфрачервоному діапазоні (патент США 3149290); пізніше Яван отримав Премія імені Альберта Ейнштейна в 1993 р. Басов і Яван запропонували напівпровідник лазерний діод концепція. У 1962 р. Роберт Н. Холл продемонстрував перший лазерний діод пристрій, з якого було виготовлено арсенід галію і випромінюється вінфрачервоний смуга спектру при 850 нм. Пізніше того ж року, Нік Голоняк, Молодший продемонстрував перший напівпровідниковий лазер з видимим випромінюванням. Цей перший напівпровідниковий лазер міг використовуватися лише при роботі з імпульсним променем і при охолодженні до рідкий азот температури (77 К). У 1970 р. Жорес Алфьоров, в СРСР, і Ідзуо Хаясі і Мортон Паніш з Телефонні лабораторії Белл також самостійно розробив діодні лазери з постійною роботою при кімнатній температурі, використовуючи гетероперехід структура.

2.4 Останні інновації

Графік, що показує історію максимальної інтенсивності лазерного імпульсу за останні 40 років.

З самого раннього періоду історії лазерних досліджень було створено безліч вдосконалених та спеціалізованих типів лазерів, оптимізованих для різних цілей продуктивності, включаючи:

· нові смуги довжин хвиль

· максимальна середня вихідна потужність

· максимальний піковий імпульс енергія

· максимальний піковий імпульс потужність

· мінімальна тривалість вихідного імпульсу

· мінімальна ширина лінії

· максимальна енергоефективність

· мінімальна вартість

і це дослідження триває донині.

У 2015 році дослідники створили білий лазер, світло якого модулюється за допомогою синтетичного наноліста, виготовленого з цинку, кадмію, сірки та селену, який може випромінювати червоне, зелене та синє світло в різній пропорції, з кожною довжиною хвилі 191 нм.

У 2017 році дослідники в ТУ Делфт продемонстрував Перехрестя AC Джозефсон мікрохвильовий лазер. Оскільки лазер працює в режимі надпровідності, він стабільніший за інші напівпровідникові лазери. Пристрій має потенціал для програм у квантові обчислення. У 2017 році дослідники в ТУ Мюнхен продемонстрував найменший блокування режиму лазер, здатний випромінювати пари фазових блокованих пікосекундних лазерних імпульсів з частотою повторення до 200 ГГц.

У 2017 році дослідники з Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), спільно з американськими дослідниками з ДЖІЛА, спільний інститут Національного інституту стандартів і технологій (NIST) та Університет Колорадо Боулдер, встановив новий світовий рекорд, розробивши волокнистий лазер, легований ербієм, з шириною лінії всього 10 мілігерц.



3. Дизайн

Компоненти типового лазера:

1. Посилення середнього

2. Лазерна перекачування енергії

3. Високий відбивач

4. Вихідна муфта

5. Лазерний промінь

Лазер складається з приріст середній, механізм для його підключення та щось оптичне зворотній зв'язок. Коефіцієнт посилення - це матеріал із властивостями, що дозволяють йому посилити світло шляхом стимульованого випромінювання. Світло певної довжини хвилі, що проходить через коефіцієнт посилення, посилюється (збільшується потужність).

Щоб посилювальне середовище підсилювало світло, воно повинно забезпечуватися енергією в процесі, який називається відкачування. Енергія зазвичай подається як електричний струм або як світло на різній довжині хвилі. Світло насоса може забезпечувати a спалах лампа або іншим лазером.

Найбільш поширений тип лазера використовує зворотний зв'язок від оптична порожнина- пара дзеркал на обох кінцях середовища посилення. Світло відбивається вперед-назад між дзеркалами, проходячи крізь коефіцієнт посилення і щоразу посилюючись. Зазвичай одне з двох дзеркал, вихідна муфта, є частково прозорим. Частина світла просочується крізь це дзеркало. Залежно від конструкції порожнини (плоскі дзеркала або вигнутий), світло, що виходить з лазера, може поширюватися або утворювати вузьке балка. За аналогією з електронні генератори, цей пристрій іноді називають a лазерний генератор.

Більшість практичних лазерів містять додаткові елементи, які впливають на властивості випромінюваного світла, такі як поляризація, довжина хвилі та форма променя.



4. Електрони і як вони взаємодіють електромагнітні поля важливі для нашого розуміння хімія і фізика

4.1 Стимульована емісія

Відтворювати медіа

Анімація, що пояснює стимульоване випромінювання та принцип дії лазера

В класичний вигляд, енергія електрона, що обертається навколо атомного ядра, більша для орбіт далі від ядро з атом. Однак квантово-механічні ефекти змушують електрони приймати дискретні позиції в орбіталі. Таким чином, електрони знаходяться в конкретних енергетичних рівнях атома, два з яких показані нижче:

Електрон в атомі може поглинати енергію від світла (фотони) або тепло (фонони) лише за умови переходу між енергетичними рівнями, який відповідає енергії, яку несе фотон або фонон. Для світла це означає, що будь-який даний перехід буде лише поглинати одна особлива довжина хвилі світла. Фотони з правильною довжиною хвилі можуть змусити електрон стрибнути з нижчого на вищий енергетичний рівень. У цьому процесі фотон витрачається.

Коли електрон є схвильований на більш високий енергетичний рівень, він не залишиться таким назавжди. Зрештою, електрон розпадається до нижчого енергетичного рівня, який не зайнятий, при цьому переходи на різні рівні мають різні постійні часу. Коли такий електрон розпадається без зовнішнього впливу, він випромінює фотон. Цей процес називається "мимовільне викид". Випромінюваний фотон має випадкову фазу і напрямок, але його довжина хвилі відповідає довжині хвилі поглинання переходу. Це механізм флуоресценція і тепловий викид.

Фотон з правильною довжиною хвилі, що поглинається переходом, може також спричинити падіння електрона з вищого на нижній рівень, випромінюючи новий фотон. Випромінений фотон точно відповідає вихідному фотону за довжиною хвилі, фазою та напрямком. Цей процес називається стимульований викид.

Посилення середовища та порожнини

A гелій-неоновий лазер демонстрація.

Світіння, що проходить через центр трубки, являє собою електричний розряд. Ця світиться плазма є приріст середній для лазера. Лазер створює крихітну інтенсивну пляму на екрані праворуч. Центр плями здається білим, оскільки зображення є переекспоновані там.

Спектр гелій-неонового лазера.

Фактична пропускна здатність набагато вужча, ніж показано; спектр обмежений вимірювальним апаратом.

Коефіцієнт посилення поміщається в збуджений стан зовнішнім джерелом енергії. У більшості лазерів це середовище складається з сукупності атомів, які були збуджені в такий стан за допомогою зовнішнього джерела світла, або електричного поля, яке постачає енергію для атомів для поглинання та перетворення в їх збуджені стани.

Зазвичай коефіцієнт посилення лазера - це матеріал контрольованої чистоти, розміру, концентрації та форми, який підсилює промінь за допомогою описаного вище процесу стимульованого випромінювання. Цей матеріал може бути будь-яким держава: газ, рідина, тверда речовина або плазма. Підсилювальне середовище поглинає енергію насоса, що піднімає частину електронів у вищі енергії ("схвильований") квантові стани. Частинки можуть взаємодіяти зі світлом, поглинаючи або випромінюючи фотони. Викиди можуть бути спонтанними або стимульованими. В останньому випадку фотон випромінюється в тому ж напрямку, що і світло, що проходить повз. Коли кількість частинок в одному збудженому стані перевищує кількість частинок у якомусь енергетичному стані, інверсія населення досягається. У цьому стані швидкість стимульованого випромінювання більша, ніж швидкість поглинання світла в середовищі, і тому світло посилюється. Система з цією властивістю називається оптичний підсилювач. Коли оптичний підсилювач розміщується всередині резонансної оптичної порожнини, отримується лазер.

У декількох ситуаціях можна отримати генерацію лише за один прохід ЕМ-випромінювання через посилювальне середовище, і це створює лазерний промінь без потреби в резонансній або відбивальній порожнині (див. Наприклад азотний лазер). Таким чином, для лазера зазвичай потрібне відображення в резонансній порожнині, але це не є абсолютно необхідним.

Оптичний резонатор іноді називають "оптичною порожниною", але це помилкова назва: лазери використовують відкриті резонатори на відміну від буквальної порожнини, яка застосовується на мікрохвильових частотах в мазер.Резонатор, як правило, складається з двох дзеркал, між якими когерентний промінь світла рухається в обох напрямках, відбиваючись назад на собі, так що середній фотон буде проходити через середовище посилення багаторазово, перш ніж він буде випромінюватися з вихідної апертури або втрачатися внаслідок дифракції або поглинання .Якщо коефіцієнт підсилення (посилення) в середовищі більший, ніж втрати резонатора, то потужність рециркуляційного світла може зростати експоненціально. Але кожна подія стимульованого випромінювання повертає атом із збудженого стану в основний стан, зменшуючи коефіцієнт посилення середовища. Зі збільшенням потужності пучка чистий коефіцієнт підсилення (коефіцієнт підсилення мінус втрати) зменшується до одиниці, а середовище посилення називається насиченим. У лазері безперервної хвилі (CW) баланс потужності насоса проти насичення посилення та втрат порожнини забезпечує рівноважне значення потужності лазера всередині порожнини; ця рівновага визначає робочу точку лазера. Якщо застосовувана потужність насоса занадто мала, коефіцієнт посилення ніколи не буде достатнім для подолання втрат порожнини, і лазерне світло не буде вироблятися. Мінімальна потужність насоса, необхідна для початку дії лазера, називається поріг генерації. Коефіцієнт посилення посилить будь-які фотони, що проходять через нього, незалежно від напрямку; але лише фотони в просторовий режим підтримуваний резонатором пройде не раз через середовище і отримає значне посилення.

4.2 Випромінюване світло

У більшості лазерів генерація починається зі спонтанного випромінювання в режим генерації. Потім це початкове світло посилюється за рахунок стимульованого випромінювання в середовищі посилення. Стимульоване випромінювання виробляє світло, яке відповідає вхідному сигналу за напрямком, довжиною хвилі та поляризацією, тоді як фаза випромінюваного світла становить 90 градусів у відведенні стимулюючого світла.^[16] Це в поєднанні з фільтруючим ефектом оптичного резонатора надає лазерному світлу характерну когерентність і може надати рівномірну поляризацію та монохроматичність залежно від конструкції резонатора. Основне ширина лінії лазера^[17] світла, що випромінюється від генераторного резонатора, може бути на порядок вужчим, ніж ширина лінії світла, що випромінюється від пасивного резонатора. Деякі лазери використовують окремий ін'єкційна сівалка розпочати процес пучком, який і без того є дуже когерентним. Це може створити пучки з більш вузьким спектром, ніж це було б можливо.

Багато лазерів створюють промінь, який можна наблизити як Гауссова балка; такі балки мають мінімальну розбіжність, можливу для даного діаметра балки. Деякі лазери, особливо потужні, виробляють багатомодові пучки з поперечні режими часто апроксимується за допомогою Ерміта-Гауссова або Лагерр-Гауссові функції. Деякі потужні лазери використовують плоский профіль, відомий як "верхній проміньНестабільні лазерні резонатори (не використовуються в більшості лазерів) виробляють фрактальні форми пучків.^[18] Спеціалізовані оптичні системи можуть створювати більш складні геометрії променя, такі як Балки Бесселя і оптичні вихори.

Біля "талії" (або фокальна область) лазерного променя, це дуже колімований: фронти хвиль плоскі, нормальні до напрямку поширення, без розбіжність пучка на той момент. Однак через дифракція, що може залишатися істинним лише в межах Діапазон Релея. Промінь лазера з одним поперечним режимом (гауссовим пучком) з часом розходиться під кутом, який змінюється обернено до діаметра пучка, як вимагає дифракція теорія. Таким чином, "олівець пучок" безпосередньо генерується загальним гелій-неоновий лазер поширився б на розмір, можливо, 500 кілометрів, коли сяяв на Місяці (з відстані землі). З іншого боку, світло від напівпровідниковий лазер зазвичай виходить із крихітного кристала з великою дивергенцією: до 50 °. Однак навіть такий розбіжний пучок може бути перетворений в аналогічно колімований пучок за допомогою a об'єктив система, як завжди включається, наприклад, в a лазерна указка світло якого походить від а лазерний діод. Це можливо завдяки світловій істоті одного просторового режиму. Ця унікальна властивість лазерного світла, просторова узгодженість, не можна відтворити за допомогою стандартних джерел світла (за винятком викидання більшої частини світла), як це можна оцінити, порівнявши промінь від ліхтарика (факела) або прожектора з промінням майже будь-якого лазера.

A профайлер лазерного променя використовується для вимірювання профілю інтенсивності, ширини та розбіжності лазерних променів.

Дифузне відбиття лазерного променя з матової поверхні утворює a крапчастий візерунок з цікавими властивостями.

4.4 Квантові та класичні процеси викидів

Механізм випромінювання в лазері залежить стимульований викид, де енергія витягується з переходу в атомі або молекулі. Це квантове явище, відкрите Альберт Ейнштейн хто вивів взаємозв'язок між Коефіцієнт опису спонтанного викиду та B коефіцієнт що стосується поглинання та стимульованого викиду. Однак у випадку з вільний електронний лазер, рівні атомної енергії не задіяні; представляється, що роботу цього досить екзотичного пристрою можна пояснити без посилання на квантова механіка.



5. Типи та принципи роботи

Довжини хвиль комерційно доступних лазерів.

Типи лазерів з чітко вираженими лазерними лініями показані над смугою довжин хвиль, тоді як нижче - лазери, які можуть випромінювати в діапазоні довжин хвиль. Колір кодує тип лазерного матеріалу (детальніше див. Опис малюнка).

5.1 Газові лазери

Після винаходу газового лазера HeNe було виявлено, що багато інших газових розрядів когерентно підсилюють світло. Газові лазери, що використовують багато різних газів, були побудовані і використовувались для багатьох цілей. гелій-неоновий лазер (HeNe) здатний працювати на ряді різних довжин хвиль, однак переважна більшість призначена для лазерування при 633 нм; ці відносно недорогі, але висококогерентні лазери надзвичайно поширені в дослідницьких та освітніх лабораторіях. Комерційний вуглекислий газ (CO₂) лазери може випромінювати багато сотень ват в одному просторовому режимі, який можна сконцентрувати в крихітному місці. Це випромінювання в тепловому інфрачервоному діапазоні становить 10,6 мкм; такі лазери регулярно використовуються в промисловості для різання та зварювання. Ефективність CO₂ лазер надзвичайно високий: понад 30%. Аргон-іонний лазери можуть працювати при ряді генераційних переходів між 351 і 528,7 нм. Залежно від оптичної конструкції один або декілька з цих переходів можуть бути одночасними; найчастіше використовуються лінії 458 нм, 488 нм і 514,5 нм. Азот поперечний електричний розряд у газі при атмосферному тиску (TEA) лазер - це недорогий газовий лазер, який часто виготовляють самодіяльні любителі, який виробляє досить некогерентне УФ-світло при 337,1 нм. Лазери з іонами металів - це газові лазери, які генерують глибокий ультрафіолет довжини хвиль. Гелій-срібло (HeAg) 224 нм та неонові-медь (NeCu) 248 нм - два приклади. Як і всі газові лазери низького тиску, носії посилення цих лазерів мають досить вузькі коливання ширини ліній, менше 3 ГГц (0.5 пікометри), роблячи їх кандидатами для використання в флуоресценція пригнічений Спектроскопія КРС.

Лазинг без підтримки середовища, збудженого в інверсію популяції було продемонстровано в 1992 р натрію газу і знову в 1995 р. в рубідій газу різними міжнародними командами.^[42][43] Це було досягнуто за допомогою зовнішнього мазера для індукції "оптичної прозорості" в середовищі шляхом введення та руйнівного втручання переходів наземного електрона між двома шляхами, так що ймовірність поглинання будь-якої енергії заземленими електронами була скасована.

5.2 Хімічні лазери

Хімічні лазери живляться хімічною реакцією, що дозволяє швидко виділити велику кількість енергії. Такі дуже потужні лазери представляють особливий інтерес для військових, однак хімічні лазери безперервної хвилі з дуже високим рівнем потужності, що живляться потоками газів, були розроблені і мають певне промислове застосування. Як приклади, в фтористий водень лазер (2700-2900 нм) та фтористий лазер дейтерію (3800 нм) реакція являє собою поєднання водню або газу дейтерію з продуктами горіння етилен в трифторид азоту.

5.3 Ексимерні лазери

Ексимерні лазери є спеціальним видом газового лазера, що працює від електричного розряду, в якому середовище для генерації є ексимер, а точніше an екциплекс в існуючих конструкціях. Це молекули, які можуть існувати лише з одним атомом в збуджений електронний стан. Як тільки молекула передає свою енергію збудження фотону, її атоми більше не зв'язані між собою, і молекула розпадається. Це різко зменшує населення нижчого енергетичного стану, що значно полегшує інверсію населення. В даний час використовуються ексимери сполуки благородних газів; благородні гази хімічно інертні і можуть утворювати сполуки лише перебуваючи в збудженому стані. Ексимерні лазери зазвичай працюють при ультрафіолетове довжини хвиль із основними додатками, включаючи напівпровідник фотолітографія і ЛАСИК хірургія ока. До часто використовуваних ексимерних молекул належать ArF (випромінювання при 193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм) та XeF (351 нм). Молекулярна фтор лазер, що випромінює при 157 нм у вакуумі ультрафіолет, іноді називають ексимерним лазером, проте, схоже, це неправильне позначення, оскільки F₂ є стабільною сполукою.



5.4 Твердотільні лазери

50 Вт ФАСОР, заснований на Nd: YAG-лазері, що використовується в Оптичний діапазон Starfire

Твердотільні лазери використовувати кристалічну або скляну паличку, яка «легована» іонами, що забезпечують необхідні енергетичні стани. Наприклад, першим робочим лазером був а рубіновий лазер, виготовлена ??з рубін (хрому-легований корунд). інверсія населення фактично зберігається в легу. Ці матеріали накачуються оптично з використанням коротшої довжини хвилі, ніж довжина хвилі генерації, часто від спалаху або іншого лазера. Використання терміна "твердий стан" у фізиці лазерів вужче, ніж у звичайному використанні. Типово є напівпровідникові лазери (лазерні діоди) ні називають твердотільними лазерами.

Неодим є поширеною добавкою в різних твердотільних кристалах лазера, в тому числі ортованадат ітрію (Nd: YVO₄), ітрію фторид літію (Nd: YLF) і ітрієвий алюмінієвий гранат (Nd: YAG). Всі ці лазери можуть виробляти великі потужності в інфрачервоний спектр при 1064 нм. Вони використовуються для різання, зварювання та маркування металів та інших матеріалів, а також у спектроскопія і для перекачування барвникові лазери. Ці лазери також є загальноприйнятими частота подвоїлася, втричі або в чотири рази, щоб отримати 532 нм (зелений, видимий), 355 нм і 266 нм (УФ) балки відповідно. Частота подвоєна твердотільний діод (DPSS) лазери використовуються для створення яскраво-зелених лазерних покажчиків.

Іттербій, гольмію, тулій, і ербій - це інші поширені "легуючі речовини" у твердотільних лазерах.^[45] Іттербій використовується в таких кристалах, як Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF₂, як правило, працюють близько 1020-1050 нм. Вони потенційно дуже ефективні та потужні через невеликий квантовий дефект. Надзвичайно великих потужностей ультракоротких імпульсів можна досягти за допомогою Yb: YAG. Гольміюлеговані кристали YAG випромінюють при 2097 нм і утворюють ефективний лазер, що працює при інфрачервоний довжини хвиль, що сильно поглинаються водоносними тканинами. Ho-YAG, як правило, експлуатується в імпульсному режимі і пропускається через хірургічні пристрої з оптичних волокон, щоб повернути суглоби, видалити гниль із зубів, випаровувати рак та подрібнити камені в нирках і жовчному міхурі.

Титан-легований сапфір (Ti: сапфір) виробляє високо регульований інфрачервоний лазер, зазвичай використовується для спектроскопія. Це також примітно для використання в якості режиму блокування лазера ультракороткі імпульси надзвичайно високої пікової потужності.Теплові обмеження в твердотільних лазерах виникають внаслідок неперетвореної потужності насоса, що нагріває середовище. Це тепло в поєднанні з високим термооптичним коефіцієнтом (dn/ дТ) може спричинити термічну лінзу та зменшити квантову ефективність. Діодна накачка тонка дискові лазери подолати ці проблеми, маючи середовище посилення, яке набагато тонше діаметра балки насоса. Це забезпечує більш рівномірну температуру матеріалу. Показано, що тонкі дискові лазери виробляють пучки потужністю до одного кіловата.



5.5 Волоконні лазери

Твердотільні лазери або лазерні підсилювачі, де світло направляється завдяки тотальне внутрішнє відображення в одному режимі оптичне волокно замість цього викликаються волоконні лазери. Спрямовування світла дозволяє надзвичайно довго посилювати області, забезпечуючи гарні умови охолодження; волокна мають велике відношення площі поверхні до об'єму, що дозволяє ефективно охолоджувати. Крім того, властивості волокна, що проводять, мають тенденцію зменшувати теплові спотворення пучка. Ербій і ітербій іони є загальновживаними активними видами таких лазерів.

Досить часто волоконний лазер розроблений як волокно подвійного одягу. Цей тип волокна складається з серцевини волокна, внутрішньої обшивки та зовнішньої обшивки. Індекс трьох концентричних шарів підібраний таким чином, щоб серцевина волокна виконувала роль одномодового волокна для випромінювання лазера, тоді як зовнішня обшивка виконувала роль багатомодового сердечника для лазера накачки. Це дозволяє насосу поширювати велику кількість енергії в діючу зону активного внутрішнього сердечника та через нього, зберігаючи при цьому велику числову апертуру (NA), щоб мати легкі умови запуску.

Світло насоса можна використовувати більш ефективно, створивши волоконно-дисковий лазер, або стос таких лазерів.

Волоконні лазери мають фундаментальну межу в тому, що інтенсивність світла у волокні не може бути настільки високою, що оптичні нелінійності, індуковані локальною напруженістю електричного поля, можуть стати домінуючими та перешкоджати роботі лазера та / або призводити до руйнування матеріалу волокна. Цей ефект називається фотозатемнення. В об'ємних лазерних матеріалах охолодження не настільки ефективно, і важко відокремити ефекти фотозатемнення від теплових ефектів, але експерименти на волокнах показують, що фотозатемнення можна віднести до утворення довговічних кольорові центри.

5.6 Фотонні кришталеві лазери

Фотонно-кристалічні лазери - це лазери на основі наноструктур, які забезпечують обмеження режиму і щільність оптичних станів Структура (DOS), необхідна для здійснення зворотного зв'язку. Вони типового розміру в мікрометри і регулюється на смугах фотонних кристалів.

5.7 Напівпровідникові лазери

Комерційний лазерний діод із закритою балонкою розміром 5,6 мм, такий як той, що використовується в CD або DVD-плеєр

Напівпровідникові лазери є діоди які прокачуються електрично. Рекомбінація електронів і дірок, створених поданим струмом, вносить оптичний коефіцієнт посилення. Відбиття від кінців кристала утворює оптичний резонатор, хоча резонатор може бути зовнішнім для напівпровідника в деяких конструкціях.

Комерційний лазерні діоди випромінюють на довжинах хвиль від 375 нм до 3500 нм. У Росії використовуються лазерні діоди низької та середньої потужності лазерні покажчики, лазерні принтери та програвачі CD / DVD. Лазерні діоди також часто використовуються для оптики насос інші лазери з високою ефективністю. Промислові лазерні діоди найвищої потужності потужністю до 20 кВт використовуються в промисловості для різання та зварювання. Напівпровідникові лазери із зовнішньою порожниною мають напівпровідникове активне середовище у більшій порожнині. Ці пристрої можуть генерувати високі вихідні потужності з гарною якістю променя, що регулюється по довжині хвиліширина лінії випромінювання або ультракороткі лазерні імпульси.

У 2012 році Нічія і OSRAM розробив і виготовив комерційні потужні зелені лазерні діоди (515/520 нм), які конкурують із традиційними твердотільними лазерами з діодною накачкою.

Вертикальні порожнинні лазери, що випромінюють поверхню (VCSEL) - напівпровідникові лазери, напрямок випромінювання яких перпендикулярний поверхні пластини. Пристрої VCSEL зазвичай мають більш круговий вихідний промінь, ніж звичайні лазерні діоди. Станом на 2005 рік, лише 850 нм VCSEL широко доступні, а 1300 нм VCSEL починають комерціалізуватися, і 1550 нм пристроїв - область досліджень. VECSEL є VCSEL із зовнішньою порожниною. Квантові каскадні лазери є напівпровідниковими лазерами, що мають активний перехід між енергією піддіапазони електрона в структурі, що містить кілька квантові свердловини.

Розвиток a кремній лазер має важливе значення в галузі оптичні обчислення. Кремній є вибором матеріалу інтегральні схеми, і тому електронний і кремній фотонний компоненти (такі як оптичні з'єднання) може бути виготовлений на одному чіпі. На жаль, з кремнієм важко мати справу, оскільки він має певні властивості, які блокують генерацію. Однак нещодавно команди виробляли кремнієві лазери за допомогою таких методів, як виготовлення лазерного матеріалу з кремнію та інших напівпровідникових матеріалів, таких як фосфід індію (III) або арсенід галію (III), матеріали, що дозволяють отримувати когерентне світло з кремнію. Вони називаються гібридний кремнієвий лазер. Останні події також показали використання монолітно інтегрованих нанопровідні лазери безпосередньо на кремнію для оптичних з'єднань, що відкриває шлях для застосувань на рівні мікросхем.^[53] Ці гетероструктурні нанопровідні лазери, здатні до оптичних взаємозв'язків у кремнії, також здатні випромінювати пари імпульсів із фазовою блокуванням пікосекунди з частотою повторення до 200 ГГц, що дозволяє обробляти оптичні сигнали на мікросхемі. Інший тип - це Раманівський лазер, яким користується Раманове розсіювання виготовляти лазер з таких матеріалів, як кремній.

5.8 Лазери для барвників

Закри настільного барвника на основі Родамін 6G

Лазери для барвників використовувати органічний барвник як середовище посилення. Широкий спектр посилення доступних барвників або сумішей барвників дозволяє цим лазерам бути високо налаштованими або виробляти дуже короткочасні імпульси (на замовлення декілька фемтосекунди). Хоча ці регульовані лазери в основному відомі у рідкій формі, дослідники також продемонстрували регульоване випромінювання вузької лінії в дисперсійних конфігураціях осциляторів, що включають твердотільні середовища посилення барвника. У найпоширенішій формі вони твердотільні лазери на барвниках використовувати полімери, леговані барвниками, як лазерні середовища.

5.9 Лазери з вільними електронами

Лазер з вільними електронами ФЕЛІКС в Інституті фізики плазми FOM

Rijnhuizen, Ньовегейн

Лазери з вільними електронами, або FELs, генерують когерентне, потужне випромінювання, яке широко регулюється, в даний час коливається в довжині хвилі від мікрохвиль через терагерцове випромінювання а інфрачервоний - до видимого спектра, до м'яких рентгенівських променів. Вони мають найширший діапазон частот будь-якого типу лазера. Хоча пучки FEL мають ті самі оптичні ознаки, що й інші лазери, такі як когерентне випромінювання, робота FEL зовсім інша. На відміну від газових, рідинних або твердотільних лазерів, які покладаються на зв'язані атомні або молекулярні стани, ЕНВ використовують релятивістський електронний пучок як середовище генерації, отже, термін вільний електрон.



6. Екзотичні ЗМІ

Прагнення лазера з високою квантовою енергією з використанням переходів між ними ізомерні стани з атомне ядро була предметом широких академічних досліджень з початку 1970-х років. Значна частина цього узагальнена у трьох оглядових статтях.^[54][55][56] Це дослідження було міжнародним за обсягом, але в основному базувалося в колишньому Радянському Союзі та США. Хоча багато вчених залишаються з оптимізмом щодо того, що прорив наближається, оперативний гамма-лазер ще не здійснено.

Деякі з ранніх досліджень були спрямовані на короткі імпульси нейтронів, що збуджують верхній ізомерний стан у твердому тілі, тому перехід гамма-випромінювання може отримати користь від звуження лінії Ефект Мессбауера.^[58][59] У поєднанні з двоступеневою прокачкою трирівневої системи очікувалося кілька переваг. Було припущено, що ядро атома, вбудоване в ближнє поле лазерно-керованої когерентно-коливальної електронної хмари, зазнає більшого дипольного поля, ніж у рушійного лазера. Крім того, нелінійність коливальної хмари створюватиме як просторові, так і часові гармоніки, тому ядерні переходи вищої багатополярності також можуть управлятися кратними лазерній частоті.

У вересні 2007 р BBC News повідомив, що існували припущення щодо можливості використання позитроній знищення вести дуже потужний гамма-промінь лазер. Доктор Девід Кейссі з Каліфорнійський університет, Ріверсайд запропонував використовувати один такий лазер для запалення ядерний синтез реакція, замінивши банки сотень лазерів, які зараз працюють в Росії злиття інерційних обмежень експерименти.

Космічна Рентгенівські лазери перекачувані ядерним вибухом також пропонуються як протиракетна зброя. Такі пристрої були б однозарядною зброєю.

Живі клітини використовувались для виробництва лазерного світла. Клітини були генетично сконструйовані для виробництва зелений флуоресцентний білок (GFP). GFP використовується як "середовище посилення" лазера, де відбувається посилення світла. Потім клітини розміщували між двома крихітними дзеркалами, шириною всього 20 мільйонних часток метра, які діяли як "лазерна порожнина", в якій світло могло багато разів відбиватися крізь клітину. Купаючи клітину синім світлом, можна було помітити, що вона випромінює спрямоване та інтенсивне зелене лазерне світло.

6.1 Використовування

Розміри лазерів варіюються від мікроскопічних діодні лазери (зверху) із численними додатками, розміром до футбольного поля неодим скляні лазери (знизу), що використовуються для злиття інерційних обмежень, ядерна зброя дослідження та інші фізичні експерименти з високою щільністю енергії.

Коли в 1960 р. Були винайдені лазери, їх називали "рішенням, яке шукає проблему". З тих пір вони стали всюдисущими, знаходячи корисність у тисячах найрізноманітніших застосувань у кожному розділі сучасного суспільства, включаючи побутова електроніка, інформаційні технології, наука, медицина, промисловість, правозастосування, розваги та військовий. Волоконно-оптичний зв'язок використання лазерів є ключовою технологією сучасних комунікацій, що дозволяє послуги, такі як Інтернет.

Першим широко помітним використанням лазерів був супермаркет сканер штрих-коду, представлений в 1974 році лазерний диск програвач, представлений в 1978 році, був першим успішним споживчим продуктом, який включав лазер, але програвач компакт-дисків був першим пристроєм, обладнаним лазером, який став поширеним, починаючи з 1982 року, лазерні принтери.

Деякі інші способи використання:

· Комунікації: крім того волоконно-оптичний зв'язок, лазери використовуються для вільний простір оптичного зв'язку, в тому числі лазерний зв'язок у просторі.

· Медицина: див нижче.

· Промисловість: різання в тому числі перетворення тонкі матеріали, зварювання, матеріал термічна обробка, розмітка деталей (гравірування і склеювання), виробництво добавок або 3D друк такі процеси, як селективне лазерне спікання і селективне лазерне плавлення, безконтактне вимірювання деталей і 3D-сканування, і чистка лазером.

· Військові: розмітка цілей, наведення боєприпаси, протиракетної оборони, електрооптичні контрзаходи (EOCM), лідар, сліпучі війська. Подивитися нижче

· Правозастосування: Застосування правил дорожнього руху LIDAR. Лазери використовуються для прихованих відбиток пальця виявлення в криміналістична ідентифікація поле

· Дослідження: спектроскопія, лазерна абляція, лазер відпал, лазер розсіювання, лазер інтерферометрія, лідар, мікродисекція лазерного захоплення, флуоресцентна мікроскопія, метрологія, лазерне охолодження.

· Комерційна продукція: лазерні принтери, сканери штрих-кодів, термометри, лазерні покажчики, голограми, бульбаграми.

· Розваги: оптичні диски, дисплеї лазерного освітлення, лазерні вертушки

У 2004 році, за винятком діодних лазерів, було продано приблизно 131 000 лазерів на суму 2,19 млрд. Доларів США. У тому ж році було продано приблизно 733 мільйони діодних лазерів, вартістю 3,20 мільярда доларів.

6.2 У медицині

Лазери мають багато застосувань у медицині, в тому числі лазерна хірургія (зокрема хірургія ока), лазерне загоєння, нирковий камінь лікування, офтальмоскопіята косметичні процедури для шкіри, такі як вугрі лікування, целюліт і стрії скорочення, і видалення волосся.

Для лікування використовують лазери рак шляхом усадки або руйнування пухлини або передракові нарости. Вони найчастіше використовуються для лікування поверхневих ракових захворювань, які знаходяться на поверхні тіла або на слизовій оболонці внутрішніх органів. Вони використовуються для лікування базальноклітинного раку шкіри та на дуже ранніх стадіях інших шийний, пеніс, вагінальний, вульва, і недрібноклітинний рак легенів. Лазерна терапія часто поєднується з іншими методами лікування, такими як хірургія, хіміотерапія, або радіотерапія. Інтерстиціальна термотерапія, що викликається лазером (LITT), або інтерстиціальний лазер фотокоагуляція, використовує лазери для лікування деяких видів раку за допомогою гіпертермії, яка використовує тепло для зменшення пухлин, пошкоджуючи або вбиваючи ракові клітини. Лазери точніші за традиційні методи хірургічного втручання і завдають менше шкоди, болю, кровотеча, набряки та рубці. Недоліком є ??те, що хірурги повинні мати спеціальну підготовку. Це може бути дорожче за інші методи лікування.

6.3 Як зброю

У військових цілях спектр застосування лазерів дуже широкий. Наприклад, їх використовують у розвідці - для пошуку цілей та зв'язку. Але все ж у першу чергу за допомогою лазерів розробляють і виготовляють новітні види зброї. Промені хімічних або ексимерних лазерів наземного або орбітального базування мають колосальну потужність. Вони здатні без особливих зусиль знищувати або виводити з ладу ворожі бойові супутники і літаки під час військових дій.



Висновок

Ми зовсім не перебільшуємо, коли говоримо, що, з'явившись у середині XX століття, лазери зіграли у нашому житті таку ж значущу роль, як електрика та радіо. Лазери увійшли практично в усі області діяльності людини, і якщо зненацька вилучити його, то світ перестане бути таким звичним і комфортним. Навіть текст цієї статті, яку ви читаєте сьогодні з комп'ютера або смартфона, доступний завдяки напівпровідниковим лазерам, що активно використовуються у новітніх оптичних засобах зв'язку. Без лазерів неможливо уявити комп'ютери, а значить, і величезний пласт сучасного життя людини. Будучи дуже цікаво влаштованим, лазер відкриває перед сучасною наукою нові перспективи розвитку. Властивості його неймовірно багатогранні, і можна з упевненістю сказати, що лазерний промінь "висвічує" собі шлях абсолютно у всіх сферах людського життя, роблячи його якіснішим і щасливішим!



Література

1. Гулд, Р. Гордон (1959). "ЛАЗЕР, посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання". У Франкен, П.А .; Sands R.H. (ред.). Конференція з оптичної накачки в Енн-Арбор, Університет Мічигану, 15 червня - 18 червня 1959 р. стор. 128. OCLC 02460155.

2. ^ "лазер". Dictionary.com. Отримано 15 травня 2008.

3. ^ Тейлор, Нік (2000). Лазер: винахідник, лауреат Нобелівської премії та тридцятирічна патентна війна. Саймон і Шустер. ISBN 978-0684835150.

4. ^ "Напівпровідникові джерела: лазер плюс люмінофор випромінює біле світло без поникнення".

5. ^ "Лазерне освітлення: лазери білого світла кидають виклик світлодіодам у програмах спрямованого освітлення".

6. ^ "Як працюють лазерні фари". 7 листопада 2011 р.

7. ^ "Лазерне світло для фар: остання тенденція в освітленні автомобілів | OSRAM Automotive".

8. ^ "Чотири лазери над Параналом". www.eso.org. Європейська південна обсерваторія. Отримано 9 травня 2016.

9. ^ Концептуальна фізика, Пол Хьюітт, 2002

10. ^ "Шавлов і Таунс винайшли лазер". Lucent Technologies. 1998. Архів з Оригінальний 17 жовтня 2006 р. Отримано 24 жовтня 2006.

11. ^ ^a b Чу, Стівен; Таунс, Чарльз (2003). «Артур Шавлов». В Edward P. Lazear (ред.). Біографічні спогади. 83. Національна академія наук. стор. 202. ISBN 978-0-309-08699-8.