Лазеры и их применение

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………..………………………….…………………..………….3

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ.……………………...…....4

1.1. К ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА……….……………………….…….4

1.2. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ……………………………………………………………………….7

1.3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА……..............................5

1.4. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ……………………………………….…..14

1.4.1. ЛАЗЕР НА РУБИНЕ …………………………..................................14

1.4.2. ЛАЗЕР НА ГРАНАТЕ С НЕОДИМОМ ………………………..….16

1.4.3. ЛАЗЕРЫ НА СТЕКЛАХ ………………………………………..…..17

1.5. ЛАЗЕРЫ  НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ…….11

1.6. ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ........ 12

1.6.1. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР………………………............................20

1.7.ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР……………………………………………….....18

1.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР………………………………….…22

1.9 ПЛАЗМЕННЫЕ ЛАЗЕРЫ……………………………………………..…23

2.ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ…………..……......................................................24

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ……….24

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ………………………...…..27

2.3 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ………………….28

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ  ИНФОРМАЦИИ………………..……………………………………………......29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………...………………………………….…….……32

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………...33

 

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящена  изучению оптических квантовых генераторов (лазеров). Выбор мною данной темы обусловлен тем, что в настоящее время лазеры и лазерные системы широко применяются во многих областях науки и техники.

Целью настоящей работы является изучение лазерных технологий, что предполагает решение следующих задач:

• рассмотреть принцип работы различных типов лазеров;
• узнать способы повышения мощности лазерного излучения;
• рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для данной работы послужили данные, полученные при работе с литературой и  Internet.

Курсовая работа состоит  из введения, двух глав, заключения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается  актуальность работы, формулируются  основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются  сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 К ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Эти своеобразное название «лазер» является сокращением полного  названия: laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном (индуцированном) излучении. Это был первый шаг на пути к созданию лазера. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, который в 1939г. указал на возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. В 1951г. В. А. Фабрикант вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного излучения. Данный способ отличался тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям.

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот. В мае 1952г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США амер. физиком Ч. Таунсом.

В 1954г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, был разработан и создан независимо и одновременно в Физическом институте имени  П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой  под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч. Таунса). Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

В 1955г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования  полупроводников для создания квантовых  генераторов; при этом он предложил  использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности  самого образца. В том же 1957г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количеств водорода и гелия. В 1958г. А. М. Прохоров и независимо от него амер. физики А. Шавлов и Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных, а открытых резонаторов. Конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки, и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения.

В 1959г. в свет вышла работа Н. Г. Басова, Б. М.Вула, Ю. М. Попова с теоретическим обоснование идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания.

Таким образом, интенсивные  теоретические и экспериментальные  исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. В 1960г. Т. Мейман опубликовал в двух научных журналах сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о появлении первого «оптического мазера» – лазера на рубине. В том же 1960г. амер. физикам А. Джанаву, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957г.

 

1.2 ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

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

Представление о квантовых  энергетических уровнях было введено  в физику Н. Бором в 1913г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) излучения и резонансного (избирательного) поглощения света атомами. В 1919г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует еще и третий процесс – вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне , если таковые имеются в среде.

Характерная особенность  вынужденного излучения состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. совпадает с ним по всем признакам — по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты, какие уводит из него резонансное поглощение. Поэтому на опыте проявляется только разность поглощенного и вынужденного излучения. Поглощают свет атомы, находящиеся на нижнем из двух участвующих в игре уровней, излучают же атомы, находящиеся на верхнем уровне. Ввиду этого, если среда содержит на нижнем уровне больше атомов, чем на верхнем, то преобладает поглощение и световой пучок ослабляется средой. Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладает вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет.

Процесс вынужденного излучения  является обратным процессу, в котором  электромагнитные волны, или фотоны, поглощаются атомными системами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона превращается во внутреннюю энергию атома. В результате атом переходит в «возбужденное» квантовое состояние. Позднее он может излучать эту энергию спонтанно, испустив фотон и вернувшись в «основное» или в какое-либо промежуточное состояние. В течение времени, когда атом все еще возбужден, его можно вынудить испустить фотон, если с ним столкнется внешний фотон, имеющий энергию, точно равную энергии возбуждения. В результате появления нового фотона, или волны, число фотонов увеличивается на тот фотон, который испустил предварительно возбужденный атом. Еще более важно и замечательно то, что эта волна испускается точно в фазе с волной, которая запустила ее.

Рисунок 1- Процесс создания вынужденного излучения.

 

Вынужденное излучение  фотонов (внизу) является основой действия лазера, в противоположность поглощению (вверху) и спонтанному излучению (в середине). Когда атом в «основном» состоянии (черный кружок вверху слева) поглощает фотон (волнистая цветная стрелка), он возбуждается, или переходит в более высокое состояние (белый кружок вверху справа). Возбужденный атом (в середине слева) может спонтанно излучить энергию, испуская фотон и возвращаясь в основное состояние (в середине справа). Возбужденный атом (внизу слева) можно заставить испустить фотон при соударении с внешним фотоном. Тогда в дополнение к вынуждающему фотону появляется второй фотон с той же самой длиной волны (снизу справа), и атом возвращается в основное состояние. Это явление лежит в основе действия лазера (рисунок 1).

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство  атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении  электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной  энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового  пучка отнимается некоторая энергия, определяемая формулой (1):

hν=E₂-E₁,                     (1)

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E₂ - энергия высшего энергетического уровня,

E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может  отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить  фотон  в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении  через вещество электромагнитной волны  с частотой

,                (2)

где v - частота волны,

Е₂ - Е₁ -  разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны.

Волна, описываемая уравнением (2) 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.

Вынужденные переходы получили очень важное практическое применение. На их основе созданы молекулярные генераторы и усилители в сантиметровом диапазоне радиоволн (мазеры), а также оптические квантовые генераторы (лазеры)  – источники света в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях, обладающие уникальными свойствами.

 

1.3 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

Лазеры являются уникальными  источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической  лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся  в различных частях оптического  квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.2(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 2(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.