Principii de lasere - studopediya

Laser - o sursă de unde electromagnetice ale intervalelor vizibile, infraroșii și ultraviolete, pe bază de emisie stimulată (sau indusă) de atomi și molecule. Cuvântul „laser“ este compus din literele inițiale (abrevierea) cuvintele frazei Engleză «Lumina de Stimulat Amplification emisiei de radiații», ceea ce înseamnă „amplificarea luminii prin emisie stimulată în“. Literatura de specialitate utilizează, de asemenea, termenul „maser optic“ (laser).

Principiul funcționării laserului se bazează pe trei idei fundamentale. Prima idee legată de utilizarea forțată a emisiilor (induse) luminii de către sistemele atomice. A doua idee este de a utiliza un suport termodinamic neechilibru cu niveluri inversate ale populației, care pot crește, și nu de absorbție a luminii. O a treia idee este de a utiliza feedback-ul pozitiv pentru a transforma sistemul de amplificare a generatorului de radiații coerente.

Luați în considerare nu sunt sensibile la influențele externe atom mediul liber, care emite, care este într-o stare excitată. Apoi, el în mod spontan (spontan) se poate deplasa din starea excitată cu E2 de energie la sol (neexcitat) cu starea E1 energie. Acest lucru va fi emis cuantice a luminii - un foton cu energie Efotona = hn = E2 - E1. unde n - frecvența radiației emise. Statistic, natura aleatorie a proceselor de emisie spontane conduce la faptul că undele electromagnetice emise de atomi individuali sursele convenționale de lumină nu sunt compatibile între ele: ei au direcția de propagare diferite faze și polarizare. Acest lucru înseamnă că emisia spontană a surselor convenționale de lumină incoerentă.

Stimulat (induse) radiații - o radiație a undelor electromagnetice, care are loc în cazul în care mediul atomilor excitați sunt transferați la starea de sol sub influența radiațiilor externe (foton). Această interacțiune a unui foton cu un atom excitat poate fi, dacă energia fotonilor egal cu nivelurile de energie diferență hn ale atomului în excitat și sol state: Efotona = hn = E2 - E1 (Figura 1.), unde n - frecvența unei radiații externe. În acest caz, după interacțiunea dintre fotoni cu un atom de atom se va extinde pentru doi fotoni: forțarea și forțată. t. e. se produce amplificarea luminii. Rezultanta stimulată de radiație are o frecvență mai strânsă și fază ca stimularea acestui proces, și se extinde în aceeași direcție, adică. F. indusă de radiația este forte radiații coerente.

În interacțiunea fotonilor cu materia împreună cu emisia stimulata merge procesul de absorbție a fotonilor prin care atomii de material de transfer de la starea solului la excitat. În starea neexcitat normală a atomilor dintr-un material este semnificativ mai mare decât excitat, cu toate acestea, interacțiunea fotonilor cu proces de absorbție predominant materie, și nici o amplificare a luminii. Pentru procesul de emisie stimulată prevalat asupra absorbției, este necesar să se schimbe distribuția atomilor asupra materialului iradiat nivelurile de energie. amplificarea luminii are loc în cazul în care concentrația atomilor în nivelurile de energie superioare corespunzătoare starea excitată este mai mare decât cea mai mică. Această distribuție a atomilor pe nivelele de energie mediu numit populație invers. Această stare este posibilă numai în cazul unei mass-media termodinamic neechilibru.

Medium cu populația inversată a nivelurilor în care există o consolidare, mai degrabă decât absorbția luminii, numită mediul activ. În funcție de tipul de lasere activ medii utilizate sunt împărțite în gaz (de exemplu, heliu-neon, argon și altele asemenea. D.), lichid, solid (rubin, sticlă sau safir) și un semiconductor (în ele ca ispol'uet-zuetsya joncțiune semiconductor ingredient activ).

Modalități de a crea un mediu activ numit de pompare cu laser. Există diferite metode de pompare lasere - pompare optică (iradiere pentru un mediu de lucru de lasere în stare solidă lampă lumina flash puternic), excitație cu impact de electroni (în lasere cu descărcare în gaze), pompare chimice etc ..

Pentru a implementa o parte de feedback pozitiv a radiației generate trebuie să rămână în interiorul mediului activ și să provoace o emisie stimulată de atomi ce mai excitat. Pentru a crea un astfel de proces mediul activ este plasat în rezonator optic. Rezonatorul optic este un sistem de două oglinzi, între care mediul activ. Oglinzile pot fi plane, convexe sau concave. Cea mai importantă proprietate a acestora - valoarea ridicată a coeficientului de reflexie. Folosește oglinzi cu mai multe straturi de acoperire dielectric având o reflexie puternică și cu greu absorb lumina. Datorită multiplelor reflexii ale undelor luminoase se propagă în mediul activ al oglinzilor rezonator optice, cu condiția ca amplificarea lor repetate, prin care se obține de mare putere de emisie.

Luați în considerare principiul de funcționare a dispozitivului și un laser cu gaz heliu-neon, care funcționează într-un mod continuu în spectrul vizibil. Elementul principal al tubului de evacuare cu laser este umplut cu un amestec de gaze - heliu și neon. presiune parțială de heliu de 1 mm Hg. Art. neon - 0.1 mm Hg. Art. atomii de neon sunt atomi de mediul activ (lucrătorilor), atomi de heliu - auxiliar trebuie să creeze populații inverse de atomi de neon.

Fig. 2 prezintă nivelele de energie ale atomilor de neon si heliu. Când o descărcare electrică în atomii excitat tub de heliu și trec în stare 2. Primul nivel excitat de heliu 2 coincide cu nivelul de energie de 3 atomi de neon. De aceea, atunci când se ciocnesc cu atomii de neon, atomi de heliu transmit energia lor și a le transfera la o stare excitată 3. Astfel, în tubul creează un mediu activ constând din atomi de neon cu niveluri ale populației inverse.

Spontan (spontan), trecerea de atomi de neon individuale la un nivel de energie 3 la nivelul 2 cauze fotoni. Cu expunere la acești fotoni din atomii de neon excitați produce radiație coerentă indusă în tub, iar ultimul are loc odată cu creșterea foton hn energie flux.

Pentru a crește puterea de radiație a tubului 1 umplut cu un amestec de heliu și neon, sunt plasate în rezonator optic format prin oglinzi 5 și 6 (vezi. Fig. 3). Reflectata de oglinzi, fluxul fotonic trece de-a lungul axei de țeavă, emisia stimulată în procesul de creștere a numărului de atomi de neon se transformă, iar intensitatea radiației generate crește de avalanșă.

Laserul funcționează în modul lasing, în cazul în care pierderea de energie a undei de lumină la fiecare reflexie cu oglindă a rezonatorului este mai mică decât creșterea energiei ca urmare a emisiei stimulate când trece de-a lungul conductei prin mediul activ. Prin urmare, este foarte important este calitatea oglinzilor rezonator. Rezonatorul constă dintr-un apartament de 5 și 6 din oglinzi concave cu acoperiri dielectrice multistrat (Figura 3). Coeficientul de reflexie al oglinzilor este foarte mare - 98-99%. Transmisia luminii în oglindă unică este de aproximativ 0,1%, iar altele - aproximativ 0,2%. Utilizarea unei oglinzi a rezonatorului oferă un fascicul puternic și îngust de lumină.

Nivelurile de energie 2 și 3 atomi de neon au o structură complexă, prin urmare, laserul poate emite pana la 30 de lungimi de undă diferite în domeniul infraroșu și vizibil. Oglinzi face rezonator multistrat, în scopul de a crea interferențe din cauza reflexie necesară pentru o lungime de undă. Astfel, laserul emite o lungime de undă strict definită.

Tubul de evacuare 1 (fig. 3) de la capetele închise ale plăcilor de sticlă plană paralele 4 instalate la unghiul Brewster pe axa tubului. O astfel de prevedere permite trecerea de trombocite radiații polarizată, fără prin el pierderi de neon pe planul de reflecție și provoacă o polarizare a radiației laser. Pentru a crea o descărcare electrică în tubul în ea a intrat doi electrozi: anodic 2 și catodul 3. Prin trecerea unui curent electric prin tub, într-un mediu He-Ne creat niveluri de inversiune populației.

surse de lumină laser au un număr de avantaje semnificative față de alte surse:

1. Lasere poate genera fascicule de lumină cu un unghi de divergență foarte mică (aproximativ 10 -5 rad). Pe Luna, un fascicul emis de Pământ, dă un diametru loc de 3 km.

2. Lumina laser are o coerență considerabil-exclus și monochromaticity.

3. Laserele sunt cele mai puternice surse de lumină. Etrierele-com Intervalul de timp scurt al spectrului Menno (pe o perioadă de orice timp durata de 10 -13 s) pentru unele tipuri de putere radiații laser atins 10 17 W / cm2 în timp ce puterea radiației solare este egală cu roofing- 07 martie 10 x W / cm2 fiind un total pe întreg spectrul. Pe îngust între arborele Soacra = 10 -6 cm (lățime linie spectrală laser) au Soare doar 0,2 W / cm2. Pe puterea câmpului electric într-o undă electromagnetică emisă de laser este mai mare decât intensitatea câmpului în interiorul atomului.