Активная среда
Для лазерного излучения необходима так называемая «активная среда». Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда.
Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.
Воздействие лазерного излучения на материалы
Процесс воздействия лазера на поверхность различных материалов достаточно сложен. Он зависит от свойств самой поверхности, её внутренних слоёв, а также структуры материала.
Нагрев и испарение
Нагрев и испарение поверхности можно наблюдать при лазерной резке металлов. Оптическая головка формирует минимально возможный диаметр лазерного луча на определённом расстоянии от поверхности. Происходит её интенсивный нагрев, переход поверхностного слоя в текучее состояние с последующим испарением.
Мощность лазерного излучателя современных станков для резки металлов может составлять до 50 кВт. Такая энергия используется в промышленном оборудовании для резки высокопрочных сплавов, таких как титан.
Лазерная абляция
Суть лазерной абляции состоит в совокупности сложных физико-химических процессов. Плавление и быстрое испарение материалов происходит за счёт воздействия энергии коротких лазерных импульсов. Они сопровождаются взрывным формированием пароплазменной среды, направляемой на контактную поверхность.
Уникальность абляции в том, что критические значения мощности лазерного луча не зависят от свойств материала и длины волны сгенерированного излучения.
Фотоядерное воздействие
Фотоядерное воздействие на материалы оказывается за счёт лазерного излучения в среде плазмы, которое преобразуется в потоки заряженных частиц. Под воздействием сверхмощного ядерного импульса на твёрдую поверхность генерируются гамма-кванты и потоки протонов. Энергия воздействия составляет несколько десятков МэВ.
Фотоядерные процессы давно и успешно применяют в ОПК и военных технологиях. Они позволяют моментально поражать чувствительные элементы оборудования, техники, приборов. К примеру, ультракороткий импульс лазера может на расстоянии в несколько сотен метров вывести из строя электронную начинку оборудования в металлическом корпусе. При этом физического разрушения не происходит.
История лазера
Изобретение лазера приписывается нескольким людям, так как
была проведена большая работа, включавшая в себя несколько важнейших идей и
разработок.
1. Альберт Эйнштейн (1917). Хотя Эйнштейн и не принимал
непосредственного участия в изобретении лазеров, он заложил теоретические
основы лазеров, представив теорию вынужденного излучения.
2. Чарльз Таунс, Артур Шолоу, Н. Г. Басов, А. М. Прохоров
(1950–1960-е).
Они занимались разработкой мазеров (Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation), которые, по сути, работали по тому же принципу, что и
лазеры, но с микроволнами вместо света. Позже они предложили идею оптических
мазеров, или лазеров. Открыли принцип усиления и генерации электромагнитного
излучения квантовыми системами, который лег в основу нового
направления в физике — квантовой
электроники.
3. Гордон Гулд (1950-е). Гулд, будучи аспирантом, придумал
термин «лазер» и описал множество применений этой технологии, но столкнулся с
длительной судебной тяжбой за признание и патентование своего вклада.
4. Теодор Мейман (1960). Мейману принадлежит заслуга
создания первого действующего лазера, использующего в качестве носителя
кристалл рубина. Он успешно продемонстрировал первый работающий лазер в
исследовательской лаборатории Hughes Research Laboratories в 1960 году.
Следует отметить, что разработка лазера была совокупным
трудом многих ученых и инженеров, участвовавших в его создании в течение
нескольких лет. Ключевым прорывом стала успешная демонстрация действия лазера в
кристалле рубина Теодором Мейманом в 1960 году, поэтому именно ему часто
приписывают изобретение лазера. Затем другими исследователями были разработаны
различные типы лазеров, в том числе газовый лазер Али Джавана и
полупроводниковый лазер. Это продвинуло технологию к тому уровню, который мы
имеем сегодня.
Принцип действия[]
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки.
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
Что такое лазер
Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, которое предназначено для преобразования электрической, тепловой и других видов энергии в узконаправленное излучение, характеризующееся когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью.
Названа эта технология по первым буквам англоязычного выражения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) и переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения».
Изобретение лазера — это не одномоментное открытие, над ним работали многие ученые с начала XX века. Самые известные из них — Эйнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.
Альберт Эйнштейн в 1917 году презентовал научную работу, в которой предсказал основной принцип работы оптического квантового генератора — вынужденное излучение. Гений был уверен в возможности заставить электроны излучать свет необходимой человеку длины волны.
Теодору Майману, калифорнийскому физику, в мае 1960 года удалось претворить эту идею в жизнь. Лазер, в работе которого использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо работал импульсно, длина волны составляла 694,3 нм.
В СССР также активно велись исследования на эту тему. В 1952 году два советских академика Александр Прохоров и Николай Басов выяснили, что возможно создание лазера, который будет работать на аммиаке. В 1954 году американец Чарлз Таунс создал такой генератор и показал принцип его работы.
Optical Resonator
The large number of excited atom produced due to population inversion and pumping emit photons spontaneously in various directions. These photons, in turn, strike atoms in metastable state and cause stimulated emission. The photons produced due to stimulated emission also travels in various directions. Since these photons cannot give coherent beam, the number of photon states must be restricted to obtain a coherent beam of laser.
This can be achieved by placing the active medium between a perfectly reflecting plane spherical mirror and a semi-transparent mirror (90% reflecting). The mirror system reflects most of the energy from the light incident on it back to the medium, thus acting as a positive feedback necessary to compensate the losses. A small amount of energy escapes through the semi-transparent mirror to form the laser. If enough population inversion takes place in the active medium, the light is amplified to a great extent since each passage of light across the medium after successive reflection causes gain in strength and multiple reflections occur. A steady intense laser beam emerges from the semi-transparent medium.
Frequency difference between two consecutive modes of vibration
The waves propagate along both directions due to successive reflections from the two mirrors. They interfere to form standing wave pattern.
L
=>distance between two mirrors
λ
=>wavelength of emergent light
φ
=>phase change after reflection from both mirrors
Change in
phase after one round trip: ρ = 2π/λ.2L + 2φ
For
constructive interference, phase change must be integral multiple of 2π
for standing waves to form
2π/λ.2L
+ 2φ = 2mπ
or, ν = c/λ = mc/2L — φc/2πL
Standing waves are formed within the two mirrors giving us two nodes. Since the wavelength of laser light is much smaller than the length of the cavity, the number of half waves formed within the mirror is also very large. So the frequency difference between two consecutive modes of vibration:
Δν
= c/2L
The Helium Neon Gas laser
Working:
Helium has three energy states. These are 3S, 2S and 1S where 3S and 2S are metastable states. When an electrical discharge passes through the gas mixture, the helium atoms are excited by the impacts of accelerated electrons in the discharge tube due to its lower mass. As a result, some of the helium atoms are raised to its metastable states 2S and 3S from its ground state.
The energy of the two excited states 2S and 3S of Ne are slightly less than the energy of the two metastable states of He atoms. Thus, after the collision of the excited helium atoms with neon atoms, the neon atoms in the ground state are raised to its 3S and 2S excited states and helium returns to its ground state by exchanging energy.
The gas
discharge process after sometime leads population inversion in these metastable
Ne(3S) and Ne(2S) levels relative to its lower 3P and 2P states. After
achieving population inversion, one of the two photons released due to
spontaneous emission can trigger stimulated emission and produce three type of
lasing actions(3S a 3P, 3S a 2P, 2S a
2P). After that, the Ne atoms return to the lower laser levels 3P and 2P to the
level 1S by spontaneous emission. From this level, Ne returns to ground state
by collision with the walls of the tube. The cycle of events occur continuously
as the discharge in the tube is maintained continuously. Thus it is known as
continuous laser.
Uses of He-Ne Laser
- in interferometry
- in laser printing
- in bar code reading
- in holography
- for larger distance measurement, i.e. in laser modulation telemetry
- in the target aiming device used in guns
The advantages of Gas laser over Solid state laser
- The light from He-Ne gas laser has high degree of monochromacity and directionality than that from solid state ruby laser. This happens due to imperfection in the crystal, thermal distortion and scattering.
- The solid state laser need cooling in time of operation while the gas lasers can operate continuously without any cooling.
How does a laser work?
Light travels in waves, and the distance between the peaks of a wave is called the wavelength.
Each color of light has a different wavelength. For example, blue light has a shorter wavelength than red light. Sunlight—and the typical light from a lightbulb—is made up of light with many different wavelengths. Our eyes see this mixture of wavelengths as white light.
This animation shows a representation of the different wavelengths present in sunlight. When all of the different wavelengths (colors) come together, you get white light. Image credit: NASA
A laser is different. Lasers do not occur in nature. However, we have figured ways to artificially create this special type of light. Lasers produce a narrow beam of light in which all of the light waves have very similar wavelengths. The laser’s light waves travel together with their peaks all lined up, or in phase. This is why laser beams are very narrow, very bright, and can be focused into a very tiny spot.
This animation is a representation of in phase laser light waves. Image credit: NASA
Because laser light stays focused and does not spread out much (like a flashlight would), laser beams can travel very long distances. They can also concentrate a lot of energy on a very small area.
This animation shows how a laser can focus all of its light into one small point. Credit: NASA
Lasers have many uses. They are used in precision tools and can cut through diamonds or thick metal. They can also be designed to help in delicate surgeries. Lasers are used for recording and retrieving information. They are used in communications and in carrying TV and internet signals. We also find them in laser printers, bar code scanners, and DVD players. They also help to make parts for computers and other electronics.
Lasers are also used in instruments called spectrometers. Spectrometers can help scientists figure out what things are made of. For example, the Curiosity rover uses a laser spectrometer to see what kinds of chemicals are in certain rocks on Mars.
This is a picture of Martian soil before (left) and after (right) it was zapped by the Curiosity rover’s laser instrument called ChemCam. By zapping tiny holes in Martian soil and rock, ChemCam can determine what the material is made of. Image credit: NASA/JPL-Caltech/LANL/ CNES/IRAP/LPGN/CNRS
NASA missions have used lasers to study the gases in Earth’s atmosphere. Lasers have also been used in instruments that map the surfaces of planets, moons, and asteroids.
Scientists have even measured the distance between the moon and Earth using lasers! By measuring the amount of time it takes for a laser beam to travel to the moon and back, astronomers can tell exactly how far away it is!
Вынужденное излучение
Мы знаем, что атом может находиться в разных энергетических состояниях. В самом простом случае состояний всего два – основное и возбужденное. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам, которые соответствуют определенным энергиям. При определенных условиях электрон может как бы перескакивать с одной орбиты на другую и обратно. Т.е. электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут переходить с одного энергетического уровня на другой. Причем если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на нижний, выделяется энергия. Для перехода с нижнего уровня на верхний или наоборот, энергию электрону нужно сообщить.
Излучение атома
А теперь представим, что у нас есть атом в возбужденном состоянии, и на него налетает фотон с энергией, равной разности энергий уровней атома. В таком случае наш атом испустит точно такой же фотон, а электрон с высшего уровня энергии перейдет на более низкий. Это и есть вынужденное излучение. Различают также спонтанное излучение, когда возбужденный атом самопроизвольно испускает фотон.
Применение лазеров
Технологические лазеры
Резка, сварка и пайка. Лазеры непрерывного действия, обладающие
огромной мощностью, позволяют осуществлять резку, сварку и пайку широкого
спектра материалов. Их огромная тепловая мощность позволяет соединять
несовместимые материалы, создавая, например, металлокерамические амальгамы,
которые не могут быть получены традиционными способами.
Производство микрочипов. Способность лазера уменьшать
фокус до мельчайших точек позволяет с высокой точностью изготавливать
микрочипы, необходимые в современной цифровой технике.
Строительство и геодезия. Лазерные лучи,
характеризующиеся прямолинейной траекторией, служат безупречными линейками в
строительстве, а также позволяют измерять большие расстояния с помощью
импульсно-периодических методик.
Лазерная связь
Передача данных. Лазеры произвели революцию в области
связи, обеспечив передачу несравнимо большего объема информации по сравнению с
высокочастотными радиоканалами за счет значительно меньшей длины волны.
Индустрия звукозаписи. Лазерные технологии стали
основой индустрии звукозаписи, упростив запись и воспроизведение аудио— и
визуального контента на компакт-дисках.
Применение в медицине
Хирургия глаза. Лазеры находят широкое применение в
сложных глазных операциях, помогая в таких процедурах, как реплантация сетчатки,
с помощью неинвазивных методов.
Общая хирургия. Лазерные скальпели позволили достичь
значительного уменьшения повреждения тканей по сравнению с традиционными. Они
стали неотъемлемой частью современной хирургии.
Терапия. Лазеры малой мощности способствуют
регенерации тканей и предлагают альтернативы иглоукалыванию.
Косметология. Диодные и пикосекундные лазеры изменили
косметологию, предложив целый ряд новых нетравматических процедур.
Современные научные исследования
Исследование звезд. Лазеры дают представление о
составе звезд, позволяя исследователям моделировать условия, существующие в их
ядрах.
Термоядерный синтез. Лазерные лучи играют ключевую
роль в стимулировании термоядерных реакций, направленных на достижение
управляемого ядерного синтеза — потенциального источника огромной энергии.
Генная инженерия и нанотехнологии. В сферах генетики
и нанотехнологий лазеры способствуют тщательному манипулированию
микроскопическими объектами, определяя прогресс в этих областях.
Исследования атмосферы. Лазерные локаторы или лидары
активно участвуют в атмосферных исследованиях, помогая производить
дистанционные измерения.
Ruby Laser
23 3+3+3+23
Working:
Chromium
atoms consist of a metastable state of lifetime ~3 X 10-3 sec. When
a flash of light of wavelength 550nm falls upon the rod for a very short time
(about a millisecond), the chromium ion, in the ground state, absorbs a photon
and jumps to excited state E2. The excited ions drop to the
metastable state E3 very soon as lifetime of ions in excited state
is short. The transition is non radiative as the energy released is absorbed by
the lattice in which it is absorbed and is dissipated as heat. But the number
of atoms in metastable state goes on increasing as lifetime in metastable state
is high and soon exceeds those in the ground state, thus bringing about
population inversion.
After
this state is achieved, one or two photons released due to spontaneous emission
is sufficient to induce stimulated emission and light amplification will start.
The transition from M a G state radiates photons, which
after repeated reflection from the mirrors of the laser cavity amplifies
largely to an intense beam.
An
intense, highly directional, coherent beam of red light (λ = 694.3 nm)
emerges from the partially silvered end of the ruby rod as laser beam.
Применение лазеров
Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.
Технологические лазеры
- Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
- Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
- Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную «линейку» в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.
Лазерная связь
Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.
Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз.
Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.
Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.
Применение лазеров в медицине
Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.
- Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
- В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
- Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
- В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.
Классификация лазеров
Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.
Твердотельные лазеры
С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году.
Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.
Газовые лазеры
В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году.
В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.
Газодинамические, химические и эксимерные лазеры
По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры:
- Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
- В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
- Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.
Жидкостные лазеры
Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел.
Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.
Полупроводниковые лазеры
В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.
В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.
Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.
Лазеры в природе
В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров.
Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.