На чем основана работа рубинового лазера с трехуровневой системой
Рубиновый лазер: как работает, технические характеристики и применение
Приборы, основанные на генерации лазерного излучения, применяются для удаления волос на теле. Из существующих видов таких устройств рубиновый лазер для эпиляции используется реже, чем диодный и александритовый.
Рубиновый лазер: что это такое
Рубиновый кристалл является активной средой устройства. Он представляет собой цилиндр с отполированными торцами, покрытыми диэлектрической пленкой или серебром.
Действие прибора основано на генерации лазерного луча, который поглощается меланином и пигментами тёмного цвета. Поэтому он эффективен для удаления татуировок, пигментных пятен и нежелательных волос.
Схема его работы простая. Под воздействием импульсной лампы происходит возбуждение источника излучения, т. е. кристалла. Вследствие этого он начинает лавинное испускание фотонов. На другом составном элементе лазера — резонаторе в виде системы зеркал — происходит обратное действие, что обеспечивается торцами кристалла. Так генерируется длина волны лазерного излучения, идеальная для поглощения меланином.
Технические характеристики лазера
Рубиновый лазер способен работать в непрерывном или импульсном режиме. Первый имеет низкий КПД и неэкономичен, потому исключается. Второй имеет пиковый характер генерации импульсов в виде вспышек короткой длительности. При их правильной селекции обеспечивается послойное проникание излучения на глубину до 3 мм без повреждений кожи. Основные характеристики прибора — это мощность и длина волны рубинового лазера.
Длина волны
Чем короче длина волны, тем она сильнее поглощается пигментом. Поэтому эффективнее удаляют волоски с тела человека приборы, генерирующие большую длину волны. У рубинового лазера она составляет составляет 694 нм, в сравнении с александритовым 725-755 нм, неодимовым 1064 нм.
Частота повторения импульсов тоже небольшая и составляет от 1 Гц, что соответствует максимум 1 импульсу в секунду. Такая величина устанавливается в приборах с целью предупредить сильный нагрев участка кожи в месте воздействия излучения. От частоты повторения импульсов прямо зависит скорость перемещения лазерной манипулы по эпилируемой области.
Мощность прибора
Средняя мощность излучения устройства в пиковых режимах, которые характеризуются импульсами, составляет примерно 40 Дж/см 2 на один импульс. Максимальная мощность рубинового лазера не превышает 10 Вт. Но такая сила излучения не нужна для эпиляции, так как пигмент хорошо поглощает лазерный свет.
Применение рубинового лазера
Также используется в медицине как скальпель для микрохирургических операций, а в косметологии — для удаления пигментных пятен и татуировок с кожи.
Для эпиляции
Строение волоса такое, что полностью удалить его с кожи — это значит уничтожить луковицу и питающий сосуд. Но механическим способом это сделать нельзя. Необходимо воздействовать на луковицу излучением с определенной длиной волны.
Для этого применяются устройства, генерирующие лазерные волны, и рубиновый лазер — один из первых типов подобных приборов.
При лазерной эпиляции излучение:
Рубиновый лазер хорошо удаляет черные волосы на светлой кожи и применяется для эпиляции кожи только 1-го и 2-го фототипов. На темной или загорелой коже он может оставлять ожоги.
Процедура имеет противопоказания. Поэтому консультация перед лазерной эпиляцией поможет выявить возможные ограничения.
Отзывы
Обычно отзывы о рубиновом лазере для эпиляции негативные или нейтральные. Это устройство уже морально устаревшее, потому используется редко. Существуют более эффективные лазеры с рабочей средой другого типа, например, эпиляция александритовым лазером.
Обычно тем, кто делал лазерную эпиляцию рубиновым лазером, не нравится болезненность процедуры и медленная скорость работы в сравнении с эпиляцией на диодном лазере. Также у некоторых после воздействия излучения на коже появлялись ожоги, которые со временем не сходили бесследно, а оставляли рубцы. Еще одно неприятное последствие — появление пигментации на коже. По этим причинам рубиновый лазер почти не применяется сейчас.
Положительные отзывы дают люди, воспользовавшиеся рубиновыми установками для удаления пигментных пятен, веснушек и татуировок. Процедура медленная и неприятная, но сильной боли обычно нет. Возникают ощущения как при легком ожоге кожи, но максимум через 20 минут они проходят. Места, где были веснушки и пигментные пятна, после воздействия сначала выглядят покрасневшими, потом темнеют, а примерно через 5 дней тон кожи выравнивается. При большом количестве пятен нужно несколько сеансов.
Лазерная эпиляция рубиновым лазером — это прошлый век. Возможно где-то еще работают на этих «динозаврах», но на момент сегодня их вытеснили более совершенные лазерные системы.
ТЕСТ НА ТЕМУ «ЛАЗЕРЫ.МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ»
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Тест «Лазеры. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.»
При переходе атома с низшего энергетического уровня на высший.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) атомом поглощается фотон
2) атомом испускается фотон
3) атомом испускается два когерентных фотона
4) происходит явление термоэлектронной эмиссии
На чем основана работа рубинового лазера с трехуровневой системой?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) На том факте, что в различных возбужденных состояниях атом может находится в течение неодинаковых промежутков времени
2) На явлении фотоэффекта
3) На том, что в этом лазере используется не два зеркала (как в обычном), а три
4) Правильного ответа нет
Выберете, для чего могут применяться лазеры в науке и технике?
Выберите несколько из 4 вариантов ответа:
1) Для резки металлов
2) Для истребления паразитов
3) Для хранения информации
На чем основана работа лазера
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) На явлении фотоэффекта
2) На явлении индуцированного излучения
4) На инфракрасном излучении
Действие какого прибора для регистрации элементарных частиц основано на ударной ионизации
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) Счетчика Гейгера
Действие какого прибора для регистрации элементарных частиц основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) Счетчика Гейгера
При переходе атома из высшего энергетического уровня на низший.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) атомом поглощается фотон
2) атомом испускается фотон
3) атомом испускается два когерентных фотона
4) происходит явление термоэлектронной эмиссии
Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?
Выберите один из 5 вариантов ответа
1)Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)
2)Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)
3)Можно, если они имеют маленький импульс
4)Можно, если они имеют большой импульс
Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) Счетчика Гейгера
Какие частицы входят в состав атомного ядра?
Выберите несколько из 4 вариантов ответа:
Действие какого прибора для регистрации элементарных частиц основано на конденсации
перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды
Действие какого прибора для регистрации элементарных частиц основано на конденсации
перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды:
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс профессиональной переподготовки
Методическая работа в онлайн-образовании
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-347112
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Исследования вакцины для детей младше 12 лет начнутся с 2022 года
Время чтения: 1 минута
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
ВПР для школьников в 2022 году пройдут весной
Время чтения: 1 минута
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
В МГПУ сформулировали новые принципы повышения квалификации
Время чтения: 4 минуты
Утверждены сроки заключительного этапа ВОШ
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Изобразите на рисунке энергетическую трехуровневую систему, используемую в рубиновом лазере. Объясните принцип работы рубинового лазера
Атомы возбуждаются за счет поглощения света.
На рисунке 12.7 изображены три энергетических уровня.
Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляют стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали (рис. 12.8), дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным». В результате самопроизвольных переходов 2 —> 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.
Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным. Через полупрозрачный торец выходит мощный кратковременный импульс красного света. Волна является когерентной.
25. Изобразите на рисунке энергетическую четырехуровневую систему, используемую в гелиевом лазере. Объясните принцип работы гелий-неонового лазера
Рассмотрим энергетическую схему уровней гелия и неона (рис.3.4). Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 23S1 и 21S0гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 23S1 и 21S0являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).
Лазерная генерация возможна на одном из переходов a, b, c соответственно с длинами волн lа=3,39 мкм, lb=0,633 мкм, lс=1,15 мкм, которые можно получить подбором коэффициента отражения зеркал резонатора или введением в резонатор дисперсионных элементов.
Рассмотрим генерационую характеристику такого лазера.
Рис.3.5. Генерационная характеристика гелий-неонового лазера.
Первоначальный рост выходной мощности при увеличении тока накачки объясняется инверсией населенности. После достижения максимальной мощности при дальнейшем увеличении тока накачки кривая начинает спадать. Это объясняется тем, что 2р и 1s уровни не успевают релаксировать, т.е. электроны не успевают перейти на низкий энергетический уровень и количество электронов на соседних 2р и 1s уровнях становится одинаковым. В этом случае отсутствует инверсия.
КПД гелий-неоновых лазеров имеет порядок 0,1 %, что объясняется низкой объемной плотностью возбужденных частиц. Выходная мощность типичного He-Ne –лазера P
5-50 мВт, расходимость q
Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.
Устройство гелий-неонового лазера
Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.
В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов. При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия 1S0 и излучательного уровня неона 2p55s2[1/2] оказываются примерно равными — 20.616 и 20.661 эВ соответственно. Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе:
He* + Ne + ΔE → He + Ne*
и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.) Заселённость уровня неона 2p55s2[1/2] возрастает и в определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p53p2[3/2]. Наступает инверсия заселённости уровней — среда становится способной к лазерной генерации.
При переходе атома неона из состояния 2p55s2[1/2] в состояние 2p53p2[3/2] испускается излучение с длиной волны 632.816 нм. Состояние 2p53p2[3/2] атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p53s, а затем и в основное состояние 2p6 — либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p53s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p53s).
Кроме того, при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: 3.39 мкм, 1.15 мкм, 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).
Спектральная ширина полосы излучения гелий-неонового лазера довольно мала и составляет около 1,5 ГГц. Узость спектра генерации делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в интерферометрии, голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрих-кодов.
Все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Естественная радиоактивность химических элементов не зависит от внешних условий.
Три вида радиоактивного излучения
В 1899 г. Э. Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение состоит из двух компонентов, которые он назвал «альфа-лучи» и «бета-лучи».
В 1900г. французский физик Ф. Вилард установил, что в состав излучения входят еще и гамма-лучи.
Проникающая способность маленькая
Электромагнитные кванты гамма-излучения не имеют массы покоя и электрического заряда, поэтому при прохождении через вещество они очень слабо взаимодействуют с ядрами и электронами. Их энергия почти не меняется, поэтому гамма-излучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от гамма-излучения является толстый слой свинца.
Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом.
Проинтегрировав (1) получим закон радиоактивного распада
 . | (3) |
| T1/2 = ln2/λ=0.693/λ = τln2. | (4) |
] Период полураспада – величина строго индивидуальная для каждого радиоизотопа. У одного и того же элемента могут быть изотопы с разными периодами полураспада.
На чем основана работа рубинового лазера с трехуровневой системой
§ 11. Усовершенствованные варианты рубинового лазера
Получение режима генерации в лазере Меймана затруднено, во-первых, в связи с отсутствием световых источников, способных давать необходимую световую энергию и работать в течение достаточно продолжительного промежутка времени, и, во-вторых, в связи с проблемой удаления из кристалла большого количества тепла, выделяющегося за время возбуждения. Поэтому вполне закономерно, что большие усилия специалистов были направлены как на разработку новых источников возбуждения и оптических систем, концентрирующих свет на кристалле рубина, так и на решение проблемы охлаждения рубина. Не касаясь очевидных методов увеличения мощности источников возбуждения за счет увеличения размеров импульсных ламп и соответственно величины электрической энергии, рассеиваемой в лампах, а также очевидных методов улучшения охлаждения, имеет смысл рассмотреть два предложения, представляющих наибольший интерес при решении этих проблем. Оба предложения были выдвинуты в лаборатории фирмы Белл Телефон и основаны на использовании вспомогательного вещества- сапфира, который по своему химическому составу сходен с рубином. В отличие от рубина в сапфире отсутствуют ионы хрома, которые, как известно, придают рубину розовую окраску.
Фиг. 23. Лучи света, падающие на боковую поверхность диэлектрического цилиндра
В непоглощающем цилиндре с показателем преломления n = 1 76 относительная величина плотности энергии изменяется, как показано на фиг. 24. Изменение u/u0 в зависимости от ρ описывается уравнениями
Распределение плотности энергии света в поглощающем цилиндре или в цилиндре, содержащем внутри поглощающую область, описывается сложной интегральной формулой. Тем не менее фиг. 24 вполне правильно иллюстрирует характер распределения плотности энергии в случае слабо поглощающего вещества.
0«>
Фиг. 24. Плотность энергии света как функция радиуса ρ внутри непоглощающего диэлектрического цилиндра радиуса R. Цилиндр освещается светом со всевозможными направлениями лучей в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Плотность энергии света вне цилиндра u0
Таким образом, в рубиновом цилиндре порог самовозбуждения достигается сначала в центральной части, а не вблизи краев. Свет, поглощенный вблизи краев цилиндра, не будет использован, поскольку там порог самовозбуждения достигается позже, чем начинается генерация в центральной части.
Значительный выигрыш в использовании энергии возбуждающего света может быть достигнут в составном цилиндре, структура которого показана на фиг. 25. Этот цилиндр состоит из сапфира (чистый Al2O3), в центральную область которого введены ионы хрома. Радиусы центральной области и всего цилиндра относятся друг к другу как 1:n. Такой цилиндр может быть изготовлен, если первоначально полученный монокристалл рубина цилиндрической формы использовать в качестве затравки, вокруг которой затем наращивается сапфир. Плотность энергии света в рубине в таком составном цилиндре больше плотности энергии, которая достигается в рубине без сапфировой оболочки.
Фиг. 25. Составной кристалл лазера Девлина. Внутренняя часть содержит ионы хрома, как в обычном рубине; внешняя оболочка изготовлена из сапфира
Составной цилиндр также удобен для отвода тепла. Сапфир является хорошим проводником тепла, особенно при низких температурах. Основное сопротивление тепловому потоку возникает на поверхности кристалла, а поверхность составного цилиндра больше поверхности центральной рабочей области, и поэтому охлаждение происходит более эффективно. В составных стержнях, имеющих внутренний диаметр 2 мм, внешний 5 мм и длину 2,5 см, при температуре ниже 100° К удалось получить режим генерации при возбуждении светом с энергией 460-490 дж, в то время, как для рубинового цилиндра и такого же размера требуется 750 дж или даже больше. Эти данные относятся к экспериментам со спиральной импульсной лампой. В случае использования эллиптического отражателя, в фокус которого помещены соответственно прямая лампа и рубин, при температуре 77° К режим генерации был достигнут с энергией возбуждения всего лишь 44 дж за вспышку.
Периодичность работы описанного рубинового лазера с источником возбуждения, имеющим длительность импульса от 1 до 5 мсек, составляет самое большее несколько вспышек в минуту. Переход к непрерывно работающему лазеру на рубине требует разработки мощного источника света, способного излучать непрерывно, а также разработки оптической системы, способной концентрировать свет на кристалле рубина. Необходимо также обеспечить достаточный отвод тепла, которое выделяется в рубине в результате безызлучательных переходов. Эти задачи были решены Нелсоном и Бойлом [64].
Непрерывно работающий рубиновый лазер представляет собой тонкую трубку, изготовленную из сапфира и рубина, сечение которой вдоль оси показано на фиг. 26, где продольные размеры уменьшены. Усеченный конус изготовлен из сапфира.; Он служит для собирания и последующей концентрации возбуждающего света на стержне, изготовленном из рубина. Конус рассчитан так, чтобы любой луч света, входящий в большее основание конуса в пределах телесного угла, определяемого сферическим собирающим зеркалом оптической системы, полностью отражался от полированной боковой поверхности конуса и проникал в рубин через малое основание конуса. Конус заканчивается таким образом, что все лучи, проникающие в рубин через малое основание конуса, претерпевают полное отражение при падении изнутри на боковую поверхность рубинового цилиндра до тех пор, пока они не достигнут зеркала на торце рубина.
Излучение небольшой ртутной дуговой лампы с помощью двух сферических зеркал направляется на коническую часть образца. Когерентное излучение выходит из центральной части основания конуса, на которую нанесено отражающее покрытие с коэффициентом пропускания 0,05. Согласно расчетам, для работы такого лазера необходима ртутная дуговая лампа с потоком мощности в единице телесного угла 400 вт/см 2 *стерад в интервале длин волн 3500-6000 Å. Это минимальное значение интенсивности света источника возбуждения может быть достигнуто при достаточно большом поглощении света в рубине, необходимом для создания инверсного заполнения, обеспечивающего работу лазера при данной температуре. Температурная зависимость, как мы уже видели, проявляется в изменении k0 в (6.13) с температурой. Для поддержания соответствующей температуры необходима такая конструкция лазера, которая позволила бы отводить выделяющееся в рубине тепло через поверхность образца. Если погрузить кристалл лазера в дьюар, наполненный жидким азотом, то можно поддерживать температуру 77° К. При такой температуре когерентное излучение имеет длину волны 6934 Å.