Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

1. Лазеры

2. Классификации лазеров и их характеристики

3. Твердотельный лазер

4. Газовый лазер

5. Жидкостный лазер

6. Полупроводниковый лазер

7. Химический лазер

8. Ультрафиолетовый лазер

9. Лазер на свободных электронах

10. Лазер на ИАГ

11. Апротонный жидкостный лазер

12. Лазер на парах меди

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях- физических, химических, биологических.

B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники - наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники - дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения - поступили на вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер.

В 1955-1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях.

В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров - лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.

В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.

Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

1. ЛАЗЕРЫ

На вопрос о том, что такое лазер 1 , академик Н.Г. Басов отвечал так: «Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством её передачи и обработки».

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

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

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

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10 -5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

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

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10 -13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10 17 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца равна только 710 3 Вт/см 2 , причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал =10 -6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см 2 . Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

2 2

1 1

а б

Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

=

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна, а на рисунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

2 2

1 1

а б

Рис. 2

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

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

Рис. 3

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

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин - это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al 2 O 3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».

В результате самопроизвольных переходов 21 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано выше. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Рис. 4

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Приведенная ниже классификация лазеров не претендует на полноту и законченность, что объясняется задачами, которые стояли перед автором реферата, - дать лишь общие представления о принципе работы и применении лазеров.

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуждённом состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными , если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым .

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергии взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения (последние привлекают сейчас пристальное внимание зарубежных военных специалистов). Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсны x лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением . Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным , если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10 6 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10 5 …10 3 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10 -3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией. Образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова (рис. 5). Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса . Она измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 10 3 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10 -3 до 10 2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO 2 . С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10 -4 с, следовательно, мощность составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10 -6 с, мощность составляет 10 6 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 10 3 Дж и сократить его длительность до 10 -9 с и тогда мощность достигнет 10 12 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10 5 Вт/см 2 , то начинается плавление металла, при интенсивности 10 7 Вт/см 2 - кипение металла, а при 10 9 Вт/см 2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10...15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн , в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10 -10 , т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия . У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

3. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Функциональная схема такого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный - 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 - это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

Излучающая Пульт

головка управления

Блок Выпрямительный

конденсаторов блок

Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора

4. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней (рис. 7). В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 - из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси

5. ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с активным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводных локаторов.

6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 8). Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя - зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

Проводимости Е-заполнение

Электроны

Е-запрещение

Е-незаполнение

Валентная зона

Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера

7. ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР

Химическим лазерам приписывают практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической реакции.

8. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ЛАЗЕР

На предыдущих страницах мной были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.

9. ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле в излучение в оптическом диапазоне волн. Из рис. 9 видно, что ускорителем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Поскольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах.

Рис. 9. Схема лазера на свободных электронах

10. ЛАЗЕР НА ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ (ИАГ)

Этот лазер получил широкое распространение, благодаря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, максимальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторения - 500, кпд около 1 %.

Свое название этот лазер получил потому, что в неорганических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd 3+ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.

Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значительно сужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.

Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.

12. ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕДИ

Одним из достижении лазерной техники является получение стимулированного излучения от среды, образованной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обеспечивающей получение высокой температуры в газоразрядной трубке - около 1600 °К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии населенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние несколько лет в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а также приборы, основанные на их использовании. Лазеры теперь применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое научное направление - голография, становление и развитие которой также немыслимо без лазеров.

Однако ограниченный объем этой курсовой работы не позволил отметить такой важный научный аспект квантовой электроники, как лазерный термоядерный синтез, в основе которого лежит идея Н. Г. Басова, высказанная еще в 1962 году, об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Устойчивость светового сжатия - кардинальная проблема в лазерном термоядерном синтезе.

Не рассмотрены в курсовой работе и такие важные направления, как лазерное разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ, лазерная химия, лазерная спектроскопия. Но простое перечисление их уже говорит о том, что лазеры широким фронтом вторгаются в нашу действительность, обеспечивая подчас уникальные результаты. Человек получил в свое распоряжение новый универсальный и эффективный инструмент для повседневной научной и производственной деятельности.

Молодому поколению нужно знать об этом интересном приборе, переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.

Литература

1. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. - М.: ДОСААФ, 1988.

2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Оптика и атомная физика. - М.: Просвещение, 1981.

3. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. Для 11 кл. - М.: Просвещение, 1993.

4. Савельев И.В. Курс общей физики: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука, 1987.

5. Орлов В.А. Лазеры в военной технике. - М.: Воениздат, 1976.

Подобные документы

История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.

реферат , добавлен 17.12.2014


Принцип работы лазера. Классификация современных лазеров. Эффекты, в виде которых в тканях организма реализуется биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения. Действующие факторы лазерного излучения. Последствия действия светового потока.

презентация , добавлен 19.05.2017


Изучение история открытия, назначения и механизмов работы лазеров - источников когерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на использовании явления индуцированного излучения. Лазеры в технологии, в авиации, в медицине и науке.

реферат , добавлен 20.12.2010


Принцип действия и разновидности лазеров. Основные свойства лазерного луча. Способы повышения мощности лазерного излучения. Изучение особенностей оптически квантовых генераторов и их излучения, которые нашли применение во многих отраслях промышленности.

курсовая работа , добавлен 20.12.2010


Лазер - квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения. Схема устройства лазера и принцип его действия. Временные режимы работы прибора, частота поступления энергии. Применение лазеров в различных отраслях науки и техники.

реферат , добавлен 28.02.2011


Основа принципа работы лазеров. Классификация лазеров и их основные характеристики. Использование лазера при маркировке товаров. Способ возбуждения активного вещества. Расходимость лазерного луча. Диапазон длины волн. Области применения лазера.

творческая работа , добавлен 24.02.2015


Создание оптического квантового генератора или лазера - великое открытие физики. Принцип работы лазеров. Вынужденное и спонтанное излучение. Газовый, полупроводниковый непрерывного действия, газодинамический, рубиновый лазер. Сферы применения лазеров.

презентация , добавлен 13.09.2016


Характеристики полупроводниковых материалов и источников излучения. Соединение источника с волокном. Конструкции одномодовых лазеров, особенности РБО-лазеров. Расчет параметров многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо. Светоизлучающие диоды (СИД).

реферат , добавлен 11.06.2011


Понятие и назначение лазера, принцип его работы и структурные компоненты. Типы лазеров и их характеристика. Методика и основные этапы измерения длины волны излучения лазера, и порядок сравнения спектров его индуцированного и спонтанного излучений.

лабораторная работа , добавлен 26.10.2009


Явление вынужденного (индуцированного) излучения как физическая основа работы лазера. Строение лазера (источник энергии, рабочее тело и система зеркал). Характеристика дополнительных устройств в лазерной системе для получения различных эффектов.

Наиболее распространенные экзамены при поступлении:

• Русский язык
• Математика (профильный) - профильный предмет, по выбору вуза
• Информатика и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) - по выбору вуза

Для современного мира лазеры перестали быть фантастикой: их активно используют в разных отраслях, тем самым решая многие задачи, на которые раньше не было ответов. Технологии востребованы в медицине и военном деле, научно-исследовательской деятельности и производственной отрасли.

Несмотря на активное применение лазеров в реальном мире, они пока представляются большинству террой инкогнита. И сама по себе наука еще активно развивается, поэтому специальность 12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии - это перспективное направление. Его выбирают те, кто готов делать настоящий вклад в зарождение принципиально новых устройств, материалов, инструментов.

Условия поступления

Такое направление предполагает умение оперировать знаниями, полученными из сфер точных наук. Но к этому нужно добавить аналитическое мышление и способность охватывать проблемы комплексно. При поступлении у абитуриента непременно проверят, насколько он готов к таким серьезным задачам. Какие предметы сдают бывшие школьники:

• профильная математика;
• русский язык;
• информатика и ИКТ/физика (по выбору).

Будущая профессия

Бакалавриат предполагает изучение базового набора дисциплин, на основе которого будущий профессионал сможет сделать выбор в пользу более узкого направления своей деятельности. Это может быть непосредственное участие в создании новых приборов, материалов, разработка инноваций и усовершенствование существующих технологий. Также специалист может трудиться в сфере программного обеспечения, связанной с лазерной тематикой. Кто-то выбирает организационную работу, контрольно-проектную деятельность.

Куда поступать

Перспективную профессию бывший школьник может освоить, выбирая такие вузы Москвы и других городов:

• Московский госуниверситет геодезии и картографии;
• Московский госуниверситет имени Баумана;
• Российский государственный технологический университет им. Циолковского (МАТИ);
• Балтийский гос. тех. университет «ВОЕНМЕХ» имени Устинова;
• Санкт-Петербургский госуниверситет аэрокосмического приборостроения.

Срок обучения

Свой диплом бакалавра студент получит спустя четыре года, если выберет очное отделение после окончания одиннадцатого класса. При выборе заочной либо вечерней формы предстоит учиться в течение пяти лет.

Дисциплины, входящие в курс обучения

Программа бакалавриата насыщенная: она предполагает освоение таких предметов:

• лазерная техника: основы;
• приемники лазерного излучения;
• лазерное излучение и его взаимодействие с веществом;
• компьютерная инженерная графика;
• квантовая электроника: основы;
• материаловедение;
• нелинейная и когерентная оптика;
• метрология и техника физического эксперимента.

Приобретаемые навыки

В процессе обучения молодой специалист обучается следующим навыкам:

• исследовательская и проектная деятельность: работа над лазерами, их системами и технологиями;
• создание оптико-электронных приборов, компонентов и узлов для них и лазерных установок;
• эксплуатация лазерной техники, ее ремонт и настройка;
• контроль качества разных компонентов лазерной техники и проверка их на предмет соответствия стандартам;
• чертежная деятельность с применением компьютерных технологий;
• экспериментальная работа: изучение аспектов, как влияет лазерное излучение на вещества и материалы.

Перспективы трудоустройства по профессии

Такой специалист может рассчитывать на увлекательную карьеру в научно-исследовательском институте, вузе, производственной сфере. Также бывший студент может найти работу в тех отраслях, где эксплуатируется современная техника на основе лазеров. Кто-то начинает карьеру в родном вузе, где устраивается лаборантом, занимающимся изучением проблематики этой сферы.

Кем работает профессионал по лазерам:

Уровень зарплат для этой отрасли достаточно высок даже на стартовом этапе. Выпускники вузов Москвы могут рассчитывать на оплату от 25 тысяч в российских рублях. Однако после получения опыта специалист уже получает больше: в пределах 40-80 тыс. Между прочим, у отечественного студента достаточно высоки шансы на трудоустройство в заграничные исследовательские институты. Там уже уровень заработной платы принципиально иной.

Преимущества обучения в магистратуре

Дальнейшее освоение наук и наработка практического опыта в магистратуре - это расширение возможностей будущего специалиста. В процессе изучения магистерской программы студент активно принимает участие в научных проектах. Он может уже испытывать свои силы, делая вклад в разные проекты тематической направленности.

Во время обучения в магистратуре молодой специалист приобретает навыки научного мышления. Параллельно обязательно осваиваются дисциплины, которые помогут дополнить багаж знаний, полученных в бакалавриате.

Лазеры широко применяются в различных областях науки и техники, таких, как физика, химия, биология, электроника и медицина. Такое широкое распространение ла­зеры получили благодаря особым свойствам лазерного излуче­ния. Рассмотрим применение лазеров в различных областях науки и техники, где уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс или привели к совершенно новым научным и техническим решениям.

Лазерная техника – это совокупность технических средств для генерации, преобразования, передачи, приёма и использо­вания лазерного излучения. Лазерная техника включает в себя:

· собст­венно лазеры;

· их элементы – излучатели, актив­ные элементы, оптические резонаторы, лазерные затворы, источники накачки, блоки питания и управления, системы охлаждения и др.;

· устройства управления лазерным пучком – модуляторы света, дефлекторы, преобразователи частоты и др.;

· приборы, системы, установки, в которых использование лазеров определяет их функциональное назначение, – лазерные технологические установки, лазерные дальномеры, лазерные звуко- и видеопроигрыватели и т.п.

В процессе развития и совершенствования лазерной техники были решены сложные технические и технологические проблемы, в том числе:

· созданы новые кристаллические и аморфные материалы с заданными свойствами (рубин, алюмоиттриевый гранат с Nd, лазерные стёкла, электрооптические и нелинейные кристаллы, гетероструктуры GaAs – AlAs и др.);

· разработаны лазерные зат­воры, модуляторы, дефлекторы, преобразователи, приём­ники лазерного излучения различных типов;

· созданы новые высококачественные многослойные интерференционные отражающие, про­светляющие, поляризационные покрытия для оптических элементов лазерной техники;

· найдены специальные охлаждающие жидкости, прозрачные в оптическом диапазоне и устойчивые в различных условиях эксплуа­тации;

· созданы конструкции лазеров и приборов на их основе, способные стабильно работать в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии собственного лазерного излучения.

В основе практического применения лазерной техники лежит использование таких принципиальных отличий лазерного излучения от излучения других источников света, как когерентность и моно­хроматичность, высокие направленность и яркость, возмож­ность получения световых импульсов коротких длитель­ностей, недостижимых при использовании иных технических средств. Возможность сфоку­сировать лазерное излучение с помощью оптических систем позволяет осуществлять бесконтактное локальное воздейст­вие на материалы с размерами зоны облучения ~1 – 10 мкм, что широко используется в технологии электронных при­боров для подгонки резисторов в номинал, скрайбирования пластин, изготовления фотошаблонов, маркировки изделий и т.п.

Создание пер­вых лазерных технологических установок в начале 60-х гг. ХХ в. послужило началом становления лазерной техники. Локальное воздей­ствие лазерного излучения легло в основу создания оптических систем памяти для ЭВМ, лазерных систем звуко- и видео­записи. Лазерный звуковой проигрыватель, считывающий цифровую ин

формацию с компакт-диска диаметром 120 мм с помощью полупроводникового лазера, является ныне самым массовым изделием бытовой лазерной техники.

Когерентность и монохроматичность лазерного излуче­ния используется в лазерных интерферометрах, устройствах лазерной спектроскопии, системах оптической связи. Так, на основе полупроводниковых инжекционных лазеров созданы передающие оптические модули, используемые в волоконно-оптических системах передачи информации. В электроэнергетике инжекционные лазеры используют, например, для управления высоковольт­ными тиристорными вентилями в линиях передачи постоянного тока.

Короткие и сверхкороткие лазерные импульсы (дли­тельностью до 10 -14 с) широко используют в оптической локации и светодальнометрии, при исследовании быстропротекающих процессов, в измерительной технике и др.

Воздействие лазерного излучения на биоткани человека легло в основу лазерных хирургических и терапевтических средств, таких, как «лазерный скальпель» для получения бескровных и асептических разрезов биоткани; лазерная офтальмологическая установка для приваривания отслоивш
ейся сетчатки и заваривания кровеносных сосудов глазного дна; лазерные уста­новки для коагуляции острых кровоточащих язв желудочно-кишечного тракта (лазерное излучение направляется внутрь тела больного по гибкому световоду, пропущенному через пищевод); импульсные лазерные установки для лечения глаукомы, катаракты и др.

Для задания направления и определения координат протяжённых объектов (например, при прокладке туннелей, каналов, трассировке шоссейных и железных дорог, уклад­ке трубопроводов) используют лазерные визиры. Для изу­чения деформаций сооружений применяют лазерные ин­терферометры и доплеровские измерители скорости.

Тепловое или фотохимическое воздействие сфокусированного лазерного луча на материалы положено в основу работы установок для лазерной печати, используемых в вычислительной технике (в лазерных принтерах), полиграфии (при изго­товлении диапозитивов и печатных форм), промышленном производстве (для маркировки промышленных изделий, например печатных плат), системах космической связи (для записи телеметрической информа­ции и изображений, например изображения поверхности планет), фотографии (при однопроцессорном проявлении фото­снимков на бессеребряных фотоматериалах) и др.

Резонансное воздействие лазерного излучения на вещество используется для лазерного разделения изотопов; явления комбинационного и резонансного рассеяния, деполяриза­ции, искажения формы и изменения интенсивности лазер­ного луча с заданными параметрами при прохождении его через газовую или конденсированную среду лежат в основе лазер­ного зондирования; химические реакции, стимулированные лазер­ным излучением, используют в лазерной химии для изу­чения кинетики химических реакций, получения сверхчистых веществ, нанесения различного рода покрытий и т.д. Перспективной областью применения лазерной техники является лазерный термоядер­ный синтез. Сфера применения лазерной техники постоянно расширя­ется.

За последние десятилетия лазер прочно вошел во все сферы жизни. Во время учебы в бакалавриате студенты получают базовые знания, на основе которых в дальнейшем идет более углубленная специализация. Среди дисциплин большая доля отводится физике, в частности, оптике. Также студенты изучают материаловедение, компьютерную графику, механику. В результате выпускники обладают знаниями, позволяющими обслуживать и проектировать лазерную аппаратуру или ее составляющие. Это требует умения строить и читать чертежи, проводить экспериментальные испытания новой техники и в случае необходимости корректировать проект. При этом надо учитывать, что на результат исследований влияют не только свойства прибора, но и материал, на который осуществляется воздействие. Все это предъявляет высокие требования к мыслительным способностям специалистов: они должны обладать развитым логическим мышлением и способностью к анализу.