Лазеры и их применение

Лазеры и их применение

Богуш Эвелина

Андрукевич Малгожата

Группа I менеджмент

ОК 1960 стал годом прорыва в квантовой электронике, нелинейной оптике и области, связанной с микроволнами. Это связано с тем, что в этом году молодой исследователь Т.Х. Маниман построил, используя работу Альберта Эйнштейна, первый лазер в форме красного рубина. Это привело к динамическому увеличению числа созданных лазеров, которые восхищали его красотой не только ученых, но и обычных людей, потому что лучи света от многих лазеров видны и излучают огромную палитру цветов и структур. Видимо, лазеры заменили мазеры, в которых производство электромагнитных волн вызывало много проблем, когда длина волны уменьшалась до порядка миллиметров. Эти трудности не вызваны лазерами, которые играют огромную роль в современном мире.

Какие лазеры на самом деле? Его название происходит от первых букв слов «Усиление света путем вынужденного излучения», что в переводе означает усиление света путем вынужденного (вынужденного) излучения. Лазерное излучение обладает характерными свойствами, которые трудно или даже невозможно достичь в других типах источников излучения. Он согласован во времени и пространстве, обычно поляризован и имеет форму луча с очень небольшим расхождением. В лазере легко принимать излучение с очень малой шириной линии излучения, что эквивалентно очень высокой мощности в выбранной узкой области спектра.

Как работают лазеры? Основой действия квантовой электроники является процесс вынужденного излучения, для которого должны быть созданы соответствующие условия, так что это усиление перевешивает потери, происходящие в данной системе при помещении чистого вещества в оптический резонатор. Предварительным условием возникновения лазерного воздействия является инверсия уровней энергии. Как правило, его получают в трехмерной системе, например, в кристалле рубина, содержащем уровни центров активации энергии для ионов хрома (или четырех, например, ионов неодима в стекле или кристаллах, а также молекул СО и СО2). Это еще не все, чтобы обеспечить существование вынужденных фронтов, чтобы усилить явление принудительной эмиссии. Такие роли выполняются некоторыми фотонами, самопроизвольно испускаемыми в системе атомов, молекул или ионов, и возникают самопроизвольно без какого-либо внешнего взаимодействия. На практике фотоны заставляют их возвращаться в активный участок посредством (в простейшем случае) двух зеркал, обращенных друг к другу, расположенных на противоположных сторонах центра. Они составляют так называемые лазерный резонатор, который вводит положительную оптическую обратную связь для света выбранного направления и конкретной длины волны. Из всех возможных направлений освещения и всех длин волн, доступных для центра, только свет с параметрами, определенными резонатором, будет усилен достаточно, чтобы привести к лазерному воздействию.

Обратная связь заключается в возможности повторного прохождения фотона через центр в сочетании с их каскадным умножением за счет вынужденного излучения, благодаря которому лазер генерирует когерентный свет. Оптическая система резонатора обычно состоит из двух точно выполненных и правильно выровненных зеркал. Для данного направления возможны множественные отражения между зеркалами, и только фотоны с этим направлением могут многократно проходить через активную среду, вызывая лазерное воздействие. Если резонатор имеет форму двух параллельных плоских зеркал, излучаемый свет может лежать в довольно широком частотном диапазоне, в зависимости от характеристик среды. Чтобы дополнительно определить эту частоту с высокой точностью, используются дополнительные элементы оптической системы, ограничивающие возможность многократного отражения волн с длинами, отличными от указанных. Это могут быть, например, дифракционные решетки, действующие как селективное зеркало только для конкретной длины волны, а также дополнительные зеркала, образующие интерференционные фильтры. В зависимости от технических деталей конструкции резонатора можно получить лазерный свет с очень разными свойствами, такими как угловая расходимость луча, определенная степень его пространственной и временной когерентности, конкретный спектральный профиль линии и, наконец, определенное распределение плотности мощности в поперечном сечении луча (так называемый поперечная мода).

Чтобы излучаемый лазерный свет выходил за пределы резонатора (вне лазера), по меньшей мере одно из зеркал должно быть частично проницаемым. Импульсные лазеры часто используют временную модуляцию коэффициента пропускания зеркала, благодаря чему вся энергия луча высвобождается, когда зеркало «открывается».

Какие бывают лазеры? В современном мире уже существует огромное количество лазеров, но нет универсального лазера, поэтому пользователь должен очень тщательно выбирать лазер для своих нужд, потому что каждый лазер излучает свет со своей собственной длиной волны и мощностью. По этим признакам лазеры можно разделить. Мы различаем многие из их моделей, и невозможно расположить каждую из них.

Однако мы можем как-то разделить их на определенные группы.

Одной из групп являются газовые лазеры , которые в течение многих лет были наиболее распространенным типом лазеров, разделенных на атомные газовые лазеры на металле (например, меди), ионы (аргон) и молекулярные (например, диоксид углерода, эксимер) и другие. Наиболее известными среди газовых лазеров являются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный и зеленый свет, которые нашли применение во многих областях науки и техники, в том числе голография, геодезия, корректировка, частота и временные рамки. Лазеры, заполненные углекислым газом с добавлением азота и гелия, излучающие высокий или непрерывный инфракрасный свет, характеризуются высокой мощностью, они используются в физических исследованиях, обработке материалов, медицине, в военной, телекоммуникационной и других областях науки и техники. Менее популярные аргоновые лазеры используются в медицине, спектроскопии, для накачки лазеров на красителях, в голографии и т. Д.

Другой группой являются твердотельные лазеры, к которым они относятся, например лазеры рубинового типа, кристаллы иттрий-алюминиевого граната (YAG) с добавлением неодима и стекла, легированного неодимом. Они характеризуются широкой линией генерации и работают с импульсным излучением красного света. Благодаря этим функциям они нашли применение в фундаментальных исследованиях, промышленности, медицине, омологации рафии, связи, военной и многих других областях.

Следующим типом являются жидкие лазеры , которые включают в себя: хилатные лазеры и неодимовые лазеры, и самый известный лазер на красителе , который представляет собой лазер непрерывного действия или импульсный, активная среда которого представляет собой раствор органического красителя в жидком, твердом или парообразном состоянии. Его характерной особенностью является возможность плавной настройки длины волны как в непрерывных, так и в импульсных лазерах. Благодаря свойствам излучаемого света, этот лазер используется в фотохимии, спектроскопии, диагностике и в научных исследованиях.

Где и в каких сферах жизни у нас есть лазеры? Было бы очень трудно перечислить все области, где лазеры видимы, потому что использование лазеров сильно повлияло на многие области техники и науки, например:

• технология материалов (точная резка, сварка и сверление легкоплавких материалов, динамическая балансировка, автоматическая резка бумаги, текстиля, пластмасс и т. д.);
• военная техника (измерение расстояний, контроль бомб и снарядов, освещение, специальные методы распознавания и фотографирования);
• медицина и биология (микрохирургические офтальмологические операции, бескровные хирургические вмешательства, профилактика кариеса, удаление гемангиом, косметические процедуры);
• контроль работы рабочих машин, установка водных путей в портах, тротуаров в шахтах, точное позиционирование сложных конструкций;
• точные измерения длины, расстояния, высоты облаков, степени загрязнения атмосферы, скорости потока и т. д .;
• запись и воспроизведение звуков и изображений;
• голография;
• оптические телекоммуникации (многоканальная волоконно-оптическая связь между крупными вычислительными центрами).
• химическая технология (селективный катализ химических реакций);
• телекоммуникации (лазерные передатчики для передачи по оптоволокну, считывания и записи информации на компакт-диски);
• современная полиграфия (в печатных машинах печатных пленок, офсетных печатных формах, встраивающих устройствах для печати, в одном из видов цифровой печати);
• Маркировка продукции (Они используются для производственных линий с очень высокой эффективностью (например, 70000 шт. / ч) и когда мы хотим добиться долговечного и эстетичного отпечатка. Основное предположение использования маркировочного лазера - это его долговечность и несъемность. например, дата пригодности для производства на пищевом продукте, изготовленном с помощью лазера, также будет необходимо уничтожить упаковку или удалить этикетку.).

Лазеры на красителях

Устройства этого типа являются уникальными представителями семейства лазеров в том смысле, что они пока являются единственными известными лазерами, которые позволяют плавно регулировать длину волны их излучения в довольно широких пределах. Красители являются довольно сложными социальными красителями, которые в подходящей среде (в основном в надлежащих жидких и газовых растворах, а также в отвержденной и активной среде) отмечены поглощением света в широком диапазоне длин волн.

Большинство красителей в растворах имеют ионный характер, и следующие факторы оказывают существенное влияние на свойства красителя:

СН3, С2Н5, которые в основном определяют свойства поглощающих веществ.

Изображение показывает миниатюрный лазер на красителе.

Активное вещество представляет собой текучий ламинарный поток раствора, содержащего органический краситель, например родамин, оптически накачиваемый аргоновым, криптонным или неодимовым лазером.

Полные оптические свойства красителя проявляются только в жидких и твердых растворах. Если краситель кристаллический, его поглощающие свойства очень слабые или совсем исчезают. Время жизни молекулы красителя в возбужденном состоянии составляет порядка 10-9 с. Кроме того, в твердых растворах возникает длительное свечение. Лазерный луч обычно поляризован, если мы используем поляризованный свет для оптической накачки. Расхождение этого пучка составляет несколько миллиардов, и это зависит от геометрии оптического резонатора. Это расхождение уменьшается до долей миллиарда, когда одно из зеркал, находящихся внутри лазера, заменяется дифракционной решеткой. Частота вспышек зависит от эффективности системы, которая обеспечивает подачу раствора красителя. Обычные вспышки лазерного красителя повторяются каждые несколько секунд.

Усилители красителя, которые оптически накачиваются синхронно с системой генерации, например, путем соответствующего разделения пучка накачки, играют важную роль в лазерной технологии.

Лазеры на красителях работают в импульсном режиме, и в качестве инструмента обычно используется другой импульсный лазер. Мощность луча лазера на красителе достигает 2 МВт. К сожалению, лазер на красителе характеризуется очень низкой степенью монохромности, не более 0,001 нм.

Наиболее распространенные красители, используемые в лазере этого типа, включают некоторые производные родамина и кумарина. Набор лазерных красителей очень богат, что позволяет получать излучение разных длин волн.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер - также называемый диодным лазером или лазерный диод - лазер, активная область которого является полупроводником. Полупроводниковый лазер чаще всего имеет форму pn-перехода, в котором активная область накачивается электрическим током, протекающим через разъем. Это наиболее перспективные лазеры с точки зрения их применения в фотонике благодаря небольшим размерам, достаточно высоким мощностям, легкой модуляции с высокочастотным управляющим током (порядка гигагерца) и возможности получения излучения из ближней инфракрасной области (лазерные диоды для оптоволоконных телекоммуникаций) до края фиолетовая видимая полоса.

Первые полупроводниковые лазеры были сделаны из арсенида галлия (GaAs). Они работали в импульсной системе, генерирующей инфракрасное излучение. Из-за протекания сильного тока во время работы им требовалось сильное охлаждение. Лазер был усовершенствован с использованием новых полупроводниковых материалов. Диапазон длин волн был широко расширен (от среднего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового).

Полупроводниковые лазеры, помимо их чрезвычайно малых размеров, обладают рядом других преимуществ. Они характеризуются очень высокой эффективностью, несравнимо большей, чем у других типов лазеров. Преимуществом также является очень простое управление ими, поскольку, контролируя интенсивность тока, который в них течет, мы можем контролировать и свободно изменять интенсивность их излучения. Их очень просто построить, и благодаря этому их можно производить массовым способом, что связано с тем, что цена их продукции не является чрезмерной.

полупроводниковый лазер

Типы полупроводниковых лазеров:

• Лазер с краевым излучением
• Лазер с поверхностным излучением
• Синий лазер
• УФ лазер

Полупроводниковые лазеры являются источниками когерентного излучения, в котором функцию активной среды выполняет полупроводник. Их можно разделить на две группы:

1. полупроводниковые лазеры (диодные)

2. полупроводниковые недостижимые лазеры - изготовлены из однородного материала.

Светодиод дает широкий спектр спектр излучение, в основном в зависимости от интенсивности, с которой вводятся носители, другими словами, от интенсивности тока, протекающего через него. Как уже было сказано, рекомбинация электронов и дырок сопровождается эмиссией фотонов, но эта эмиссия является спонтанной, разнонаправленной эмиссией, поэтому большинство фотонов быстро покидают активную область, но некоторые из них сталкиваются с возбужденными электронами, вызывая проход вынужденной эмиссии. При определенных условиях может возникнуть ситуация, когда произведенные фотоны будут вызывать излучение фотонов, более многочисленных, чем тех, которые будут поглощаться, и в этом случае излучение будет усиливаться. Для того чтобы лазерное воздействие имело место, должно быть устройство, которое будет излучаться, фотоны сливаются в один когерентный луч, называемый лазерным лучом, устройство называется оптическим резонатором. Чтобы создать оптический резонатор, диодный разъем должен иметь как можно более плоскую форму, а с обеих противоположных сторон резонатора располагаться перпендикулярно плоскости стыка и параллельно друг другу отражающими поверхностями. Одно из зеркал должно быть частично проницаемым, это зеркало называется излучателем лазерного излучения. Чтобы предотвратить возбуждение лазерного воздействия в поперечном направлении, боковые поверхности резонатора должны быть тусклыми и слегка отклоняться от взаимного параллелизма. Чтобы добиться действия лазера через люминесцентный диод, должен протекать достаточно большой ток, пороговый ток. Если ток ниже, рекомбинация электронов и дырок не вызывает лазерного воздействия, и диод излучает некогерентный свет.

ВЫВОДЫ

С момента изобретения в 1960 году лазеры решили тысячи различных проблем в науке, промышленности и в нашей повседневной жизни. Таким образом, мы можем сделать вывод, что лазеры оказали большое влияние на развитие экономики, и в современном мире жизнь без их помощи была бы действительно сложной, а иногда даже невообразимой.

Библиография:

1. Дубик Адам, Применение лазеров , Варшава 1991

2. Качмарек Францишек, вход лазерной физике , Варшава 1986

3. Клейман Герман, Лазери, Варшава, 1974

4. Плохоцки Збигнев, Что такое лазер , Варшава 1984

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Laser

Похожие

Комментарии