На чем основана работа лазера

Физика для «чайников»: основы работы лазеров

Лазеры давно вошли в нашу жизнь повседневную жизнь. С одной стороны, почти у каждого дома или на работе есть лазерный принтер, к которому все привыкли. С другой – лезерные мечи все так же будоражат воображение тех, кто первый раз (да и не первый тоже) смотрит Звездные Войны. В данной статье мы на элементарном уровне разберем, что такое лазер, а также рассмотрим физические основы работы этого хитрого понятия.

Что такое лазер?

Интересный факт: знаете ли Вы, что до появления лазеров были мазеры?

Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны (волны сантиметрового диапазона)

Мазер – это аббревиатура, от английского microwave amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». Мазер был изобретен в 1950-х годах, на несколько лет раньше лазера.

Мазеры и лазеры работают по одному и тому же принципу. Отличие состоит в том, что мазеры усиливают волны разного диапазона. Мазер – это усиление микроволн, а лазер – усиление света, то есть волн видимого диапазона.

Среди всех этих умных слов для понимания принципа работы лазера нужно выделить два – «вынужденного излучения». Это именно то, что лежит в основе работы лазера.

Именно явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера. В чем суть?

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.

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.

Как это явление работает в лазерах?

Рабочим телом лазера могут быть как твердые тела, так и жидкости с газами. Физическая суть работы всех этих приборов остается одной и той же. Кстати, первый в мире лазер был рубиновым, т.е. имел в качестве рабочего тела кристалл рубина.

Когда инверсия населенностей достигнута, возбужденные атомы рабочей среды начинают излучать фотоны (спонтанное излучение). Чтобы процесс не «угас», необходимо обеспечить обратную связь. В простейшем случае роль оптического резонатора играют два зеркала, одно из которых пропускает часть фотонов (полупрозрачно), а второе – отражает. Таким образом, определенная часть испущенных фотонов остается в рабочем пространстве, индуцируя излучение все новых и новых атомов, от чего процесс начинает развиваться лавинообразно и лазер светит.

Надеемся, Вы стали чуточку эрудированнее после прочтения этой статьи. Если у Вас есть более глубинные и фундаментальные вопросы по теме «лазеры», помните – среди наших авторов есть люди, готовые в любой момент ответить на них.

Удачи, и да прибудет с Вами сила!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Лазер, принцип действия и его устройство

Лазер, принцип действия и его устройство.

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов.

Лазер:

XX век подарил человечеству множество изобретений и открытий, и одним из величайших среди них считается лазер. Если несколько десятков лет назад он был воплощением произведений фантастов, то сегодня его использование актуально во многих сферах и отраслях промышленности, медицины, производства.

Свое название изобретение получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (light amplification by stimulated emission of radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

– когерентного, т.е. согласованного (скоррелированного) протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты;

– монохроматического, т.е. обладающего очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны);

– поляризованного, т.е. с направленным колебанием векторов напряженности электрического и магнитного полей;

– и узконаправленного характера.

Потоки света и излучение лазера имеют две формы:

– непрерывную (с неизменной амплитудой и постоянной мощностью);

– импульсную (экстремально высокие – пиковые мощности достигаются постепенно).

Принцип действия (работы) лазера:

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.

Если кратко, то суть данного явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) 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 вынужденного (индуцированного) излучения отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Теперь объясним данное явление более подробно.

Следует иметь в виду, что атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10 –8 секунды), в какой-то момент времени он самостоятельно вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон.

Излучение энергии атомом возможно:

– самостоятельно, если он возбужден;

– под воздействием излучения извне.

При этом потоки света, образующиеся в обоих случаях, схожи между собой, а значит, длина волны, вызвавшая возбуждение атома, равна самой вызванной (индуцированной) волне. И чем больше будет воздействие на атом, тем больше электронов перейдут на высший энергетический уровень и тем выше окажется индуцированное излучение.

Существуют сосредоточения атомов, чье большое количество электронов находится на высоком энергетическом уровне. Оно (сосредоточение атомов) представляет собой инверсную систему. Ее уникальностью является тот факт, что излучение в данной системе гораздо сильнее поглощения, и именно эта особенность предоставила ученым возможность создать лазер посредством искусственного образования подобных систем.

Вне инверсной системы случайные кванты также способны как провоцировать излучение атомов находящихся в возбужденном состоянии, так и поглощаться ими, если те «спокойны».

– жидкие – растворы солей неодимов, анилиновых красителей;

Активная среда при этом помещается между параллельными друг другу зеркальными стеклами резонатора.

Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:

Перемещаясь по уровням атома, электроны создают (выделяют) его энергию : чем они выше, тем она больше, а опускаясь – поглощают ее. Чем выше энергия атома, тем больше он возбужден, но это отражается и на его устойчивости – она слабеет. В определенный момент времени электроны все же изменят уровень на более низкий, выделив фотон – электромагнитное излучение. Учитывая, что такой переход спонтанный, выделяемое излучение происходит разобщенно, поэтому и образующийся луч является несогласованным.

Если же излучение (выделение энергии ) проводится направленно, при воздействии электромагнитной волны, чья частота близка к частоте перехода атома, возникнет иной эффект. Полученный резонанс дестабилизирует атом и все электроны «упадут» с верхних «ярусов» на нижние. При таком спровоцированном воздействии световая волна будет идентична первичной волне по всем трем параметрам:

Все образующиеся волны имеют согласованное (когерентное) направление, и суммарно они увеличивают интенсивность излучения, т.е. количество его квантов.

Заселенность – это количество атомов на определенном энергетическом уровне (E_n). Если заселенность более высокого уровня (Е₂) выше, чем ниже расположенного (Е₁), образуется инверсная заселенность. Так и активное вещество – это среда, где возбужденных атомов больше, чем тех, что находятся в состоянии покоя. Если подобная среда будет подвержена воздействию электромагнитной волны, электроны поднимутся на выше расположенные уровни, и возникнет усиленное этим воздействием излучение. Причина проста – каждый квант электромагнитной волны порождает идентичный фотон, эти два образуют четыре фотона, те – восемь и так далее. Все это приводит к появлению фотонной лавины.

Однако данная ситуация весьма условна и возможна лишь в идеальных условиях. В реальных же существуют факторы, провоцирующие утрату электромагнитной волной энергии : ее поглощают примеси, которые содержит активная среда, она рассеивается в ее неоднородных слоях и т.д. Усилить же ее можно путем продления длины пробега в активной среде, что возможно весьма условно. Поэтому был создан резонатор: многократно отражаясь от двух параллельно расположенных зеркал, волна проходит достаточное расстояние для получения нужного уровня усиления, но при условии, что сохранится инверсионная заселенность.

Обеспечивать нужное число электронов на высоких уровнях возможно при использовании отдельного источника энергии – что означает, что необходимо проводить накачку активной среды источниками энергии. Подобные источники энергии могут быть самыми разными: протекающая химическая реакция, установленная электрическая лампа, направленный разряд электроэнергии и прочие. Есть и определенные условия:

– накопление электронов на верхних слоях атомах. Их должно скопиться не менее половины от общего числа;

– уровень энергии. Он должен превысить определенные показатели, иначе потери превысят накачку, что приведет к малой мощности на выходе.

После достижения состояния инверсии, некоторые электроны начнут спонтанный спуск на более низкий энергетический уровень, при котором возникнут кванты (фотоны). Те фотоны, которые были выпущены под углом к оси резонатора, вызовут короткий цикл излучений в выбранном направлении и исчезнут из активной среды. Те фотоны, чье движение будет направлено вдоль оси резонатора, смогут бесконечное количество раз отразиться в зеркалах резонатора, что и приведет к появлению согласованного (когерентного) излучения.

Конструкция лазера:

Независимо от названия, все лазеры имеют три основных составляющих:

1. активная среда – рабочее вещество, чей состав позволяет создать инверсионную заселенность;

2. система накачки – это источник энергии, непосредственно увеличивающий число электронов на верхних уровнях атома. Исходя из типа активной среды это:

– газоразрядные лампы-вспышки и устройства с фокусированным солнечным излучением – для лазеров с твердыми веществами и полупроводниковыми материалами;

– электрический разряд – для жидких сред и газов;

– химические реакции – химические генераторы;

– сильный прямой ток сквозь электронно-дырочный переход или пучок электронов – для полупроводниковых лазеров ;

3. оптический резонатор – устройство, представляющее собой два параллельно расположенных зеркала, одно из которых непрозрачно, а другое – полупрозрачно. В случае если лазер функционирует в режиме усилителя, данная составляющая все же может отсутствовать.

Рис. 1. Конструкция лазера

На Рис. 1 приведена конструкция (схема) лазера. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — система накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Технические характеристики лазера:

Параметрами, характеризующими работу оптического квантового генератора – лазера являются:

– длина излучаемой волны (ДВ) в микрометрах (мкм);

– мощность излучения (МИ) в милливаттах (мВт), ваттах (Вт), киловаттах (кВт), мегаваттах (МВт), гигаваттах (ГВт);

– частота повторения импульсов (ЧПИ) в герцах (Гц);

– длительность импульса (ДИ) в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс), пикосекундах (пс), фемтосекундах (фс);

– расходимость излучения (РИ) в миллирадианах (мрад), градусах (град);

– коэффициент полезного действия (КПД) в процентах (%).

Сравнительную характеристику основных лазеров можно оценить по данным таблицы.

Как видно из таблицы, одно и то же вещество активной среды, но с добавлением примесей или изменением режима работы, может изменять свои параметры, что всегда учитывается при эксплуатации устройства.

Источник

Лазер

Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм.

Лазер (лаборатория NASA).

Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Содержание

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.

Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

>

здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N₀ — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

здесь I₀ — начальная интенсивность, I_l — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a₁ — показатель поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

где a₂ — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E₀ на уровень E₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:

,

то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

,

здесь — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

.

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют конечную ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии (в лазерной технике применяется термин «полоса усиления») укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

Источник