СодержаниеВведение
Лазер является одним из наиболее интересных научно-технических достижений XX века. Создание лазеров привело ко второму рождению научной и технической оптики и развитию совершенно новых отраслей промышленности.
Лазеры находят разнообразное применение в технологии обработки материалов, становятся частью многих специализированных информацион-ных систем, используются в научных исследованиях, медицине, военной технике. В обозримом будущем лазерные технологии, связь, химия и энергетика должны привести к революционным преобразованиям в этих областях.
1 Физические основы работы лазера
В любом физическом теле, твердом, жидком или газообразном, молекулы движутся, колеблются, вращаются; то же делают и атомы. А в атомах перескакивают с орбиты на орбиту электроны, при этом они обмениваются энергией.
В соответствии с квантовой теорией излучения энергия элементарных излучателей может изменяться только скачками, кратными некоторому значению, постоянному для данной частоты излучения. Минимальная «порция» энергии называется квантом энергии. Обозначается квант следующим образом: энергия равна произведению частоты на некоторую постоянную, называемую постоянной Планка:
,
Здесь - постоянная Планка, численное значение , - частота электромагнитного излучения.
При этом излучение рассматривается как поток элементарных частиц, которым присвоено название фотона. Фотоны обладают количеством движения
,
где - скорость света.
Эти формулы поражают своей простотой, хотя описывают явления с такими сложными объектами, как фотоны. Формулы являются основными в квантовой теории света, так как они связывают энергию кванта света с частотой, а также и длиной волны, поскольку
,
где - длина плоской монохроматической волны.
Фотон является одновременно и частицей, и волной, т.е. признается возможным соединение в одном объекте волновых и механических свойств, вытекающее из постулатов принципиально новой науки о микромире – волновой, или квантовой, механики.
Взаимодействие элементарных излучателей (микросистема) и света характеризуется энергией и импульсом как микросистемы, так и кванта света. Причем эти параметры оцениваются и до, и после столкновения кванта и микросистемы. Сталкиваясь с микросистемой, квант света возбуждает атомы и молекулы, отдавая им свою энергию. Наиболее сильное (резонансное) взаимодействие происходит тогда, когда частота колебаний кванта света совпадает с одной из собственных частот колебаний электронов микросистемы. В этом случае атомы и молекулы, находясь в возбужденном состоянии, становятся вторичными излучателями квантов. При взаимодействии света и микросистемы происходит обмен энергией, при котором рождаются одни и уничтожаются другие кванты света. В соответствии с законом сохранения энергии возможны три вида взаимодействия. При первом виде взаимодействия наблюдается полное поглощение кванта света микросистемой – энергия микросистемы возрастает. При втором виде взаимодействия происходит лишь частичное поглощение энергии, а часть энергии рассеивается. В третьем случае поглощение энергии идет с последующим испусканием ее – наблюдается излучение света.
Электромагнитное излучение, взаимодействуя с микросистемой, изменяет ее внутреннюю энергию. Так как микросистема включает в себя молекулы, атомы, ионы и электроны, то их энергетическое состояние можно представить в виде дискретного ряда энергии, обозначаемой на рисунке 1 в виде энергетических уровней.
На рисунке показана схема двухуровневой энергетической системы. Энергию частиц, находящихся на нижнем уровне, обозначим через , а энергию частиц, находящихся на верхнем уровне, через .
Рисунок 1 – Схема двухуровневой энергетической системы
В соответствии с условием Нильса Бора частота излучения определяется соотношением (рисунок 1, б)
.
Точно также можно сказать, что и частота поглощения связана с энергией системы соотношением
.
Если поле, действующее на систему извне, отсутствует, то процесс перехода, сопровождаемый излучением, дает так называемое спонтанное излучение.
Если же на систему действует внешнее поле на частоте перехода, то процесс спонтанного излучения совершается по-прежнему. Однако внешнее поле на частоте перехода повышает вероятность этого перехода, вызывая излучение, находящееся в определенном фазовом соотношении с внешним полем. Причем вынужденные фотоны вылетают в том же направлении, что и влетевший. Этот процесс называется вынужденным или индуцированным излучением.
Иллюстрация характера поглощения и излучения средой с различной населенностью уровней приведена на рисунке 2.
В левой части рисунка показан процесс поглощения энергии средой с равновесной населенностью (с положительной температурой). В правой части показан процесс излучения энергии (усиления ее) средой, находящейся в состоянии с отрицательной температурой, т.е. имеющей иневерсную населенность энергетических уровней.
Рисунок 2 – Схема взаимодействия излучения со средой
В общем виде эти процессы описываются выражением
,
где - интенсивность светового потока, падающего на среду, - интенсивность светового потока на выходе из среды, - коэффициент поглощения, - путь, проходимый излучением в среде (толщина среды).
Коэффициент зависит от того, сколько частиц среды находится на верхнем и нижнем уровнях, т.е. их населенности:
,
здесь - поперечное сечение поглощения, равное вероятности взаимодействия света с длиной волны с системой
.
Если взятая нами среда находится в инверсном состоянии , то
.
Для получения индуцированного излучения необходимо обеспечить следующие условия: 1) иметь среду, которая могла бы принимать состояние с отрицательной температурой (обеспечивать инверсную населенность уровней); 2) создать перенаселенность верхнего энергетического уровня по сравнению с нижним, для чего использовать источник энергии, который переводил бы системы в возбужденное состояние. Таким источником может быть световая энергия, электронная бомбардировка, атомная энергия и др.; 3) выполнить условие самовозбуждения , где - коэффициент потерь. Это условие можно выполнить помещая среду в открытый зеркальный резонатор с высокой добротностью; 4) вывести энергию из резонатора, для чего одно из зеркал делается полупрозрачным либо с отверстием для вывода света определенной длины волны.
Лазерное излучение характеризуются следующими особенностями: 1) узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оптической оси; 2) монохрома-тичностью, которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня; 3) значительной выходной мощностью, так как в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны; 4) когерентностью пространственной, поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распределения волн; 5) когерент-ностью временной, поскольку излучение монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени.ВведениеС 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 перевозбужденном 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 твердотельными (рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (гелий-неоновый, аргоновый), жидкостные и полупроводниковые.
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 энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных 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.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью.
Важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов – порядка . Третьей характеристикой является мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от до . Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка имеют генераторы на .
4 Применение лазеров
Лазеры в геодезии. Оптические методы измерения расстояний и углов хорошо известны в промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с использованием модулированного света были возможны лишь при небольших расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и упростить их.
Методы дальнометрирования в геодезии с использованием света основаны на том, что в однородной среде оптическое излучение на всем пути распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Поскольку в геодезическом оптическом дальномере передатчик и приемник обычно совмещены, то расстояние между дальномером и объектом может быть найдено из простого соотношения
,
где - измеряемое расстояние, - скорость света, - время прохождения света от дальномера до объекта и обратно.
Рисунок 5 – Функциональная схема импульсного дальномера
На рисунке 5 приведена схема гипотетического импульсного дальномера. Видно, что в качестве источника излучения используется твердотельный лазер и резонатор, в котором возможна модуляция добротности. Затем имеется приемо-передающая оптическая система и ряд блоков, назначение которых понятно из надписей. Дальномер работает таким образом. Излучение лазера с помощью оптической системы направляется в сторону объекта, до которого необходимо измерить расстояние. Часть излучения с помощью полупрозрачного зеркала отводится на приемник излучения – опорный ФЭУ (фотоэлектронный умножитель) и направляется на блок измерения запаздывания для формирования опорного сигнала. Отраженное объектом излучение принимается оптической системой и направляется на сигнальный ФЭУ, сигнал с которого, пройдя усилитель, также попадает на блок измерения времени запаздывания. В этом блоке определяется время между опорным и отраженным сигналами. В качестве индикатора дальности может быть использована либо электронно-лучевая трубка, либо счетно-решающий прибор, показывающий непосредственную величину измеряемой дальности.Литература1. Борейшо А.С. Лазеры: устройство и действие. – СПб: Мех. Ин-т, 1992. – 215 с.
2. Мэйтленд А. Введение в физику лазеров. – М.: Наука, 1978. – 408 с.
3. Федоров Б.Ф. Лазеры: основы устройства и применения. – М.: ДОСААФ, 1988. – 190 с.
|
|
