В света на съвременни материали - принципи на действие на лазера

Laser (от английски «усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация» -. «Усилване на светлината чрез стимулиране на радиация") или оптичния квантов генератор - особен вид източник на лъчение с обратна връзка, излъчваща организация, която е обратно населен сряда. Принципите на работа на лазера на базата на свойствата на лазерна светлина. monochromaticity и високо последователност (пространствена и времева). T akzhe на броя на радиационните характеристики често включваме малко ъглово отклонение (понякога може да попаднете терминът "много дирек радиация"), което от своя страна позволява да се говори за висока интензивност лазерно лъчение. Така, за да се разберат принципите на работа на лазера, е необходимо да се говори, характеристиките на лазерно лъчение и обратно населените среда - един от трите основни компоненти на лазера.

Спектърът на лазерното лъчение. Monochromaticity.

Една от характеристиките на всеки източник на радиация е неговия обхват. Sun, домакински осветителни устройства имат широк спектър на излъчване, при което компонентите са представени с различни дължини на вълните. Нашата око възприема радиация като бяла светлина, ако интензивността него различни компоненти е приблизително същата като светлината или с всеки нюанс (например, контролирани от зелени и жълта светлина компоненти в нашата нд).

източници лазерна светлина, от друга страна, имат много тесен диапазон. В някои приближение можем да кажем, че всички фотони на лазерно лъчение имат същите (или подобни) дължини на вълната. По този начин, рубин лазер, например, има дължина на вълната 694,3 нм, което съответства на светло червен оттенък. Сравнително близо дължина на вълната (632.8 пМ) и има първи газов лазер - с хелий-неонов. газ аргонов лазер-йон, напротив, има дължина на вълната 488,0 нм, което се възприема от окото като ни цвят тюркоаз (междинно съединение между зелено и синьо). Лазери основава на сапфир легирани титанови йони, има дължина на вълната лежи в инфрачервената област (обикновено до 800 нанометра дължина на вълната) и следователно неговото излъчване е невидим за хората. Някои лазери (например, полупроводников завъртане на дифракционната решетка като продукция огледало) могат да възстановят неговата дължина радиация. Общо за всички лазерите, обаче, е, че по-голямата част от тяхното излъчване на енергия е концентрирана в тесен спектрален диапазон. Този лазер функция, наречена монохромни (от гръцки ". Един цвят"). Фиг. 1 илюстрира свойствата на спектрите на слънчевата радиация (на нивото на външните слоеве на атмосферата на морското равнище) и лазер полупроводникови произведен от Thorlabs.

Фиг. 1. спектрите на слънчевата радиация и полупроводников лазер.

Степента на monochromaticity на лазерното лъчение може да се характеризира със спектрална ширина на лазерния линия (ширината може да бъде определен като дължина на вълната разстройване или честотата на максималния интензитет). Обикновено, спектрална ширина се определя от нивото на 1/2 (FWHM), 1 / е, или 1/10 от максималния интензитет. В някои съвременни инсталации на лазерно лъчение достигна връх ширина на няколко кХц, което съответства на ширината на лазерния лъч е по-малко от една милиардна част от нанометър. За експертите отбелязват, че ширината на лазерната линия може да бъде няколко порядъка по-тесен от ширината на спонтанното излъчване, което е също така една от отличителните характеристики на лазера (в сравнение, например, с флуоресцентни и superluminescent източници).

Съгласуваността на лазерното лъчение

Monochromaticity - важен, но не единствен лазерен имота. Друга основна характеристика на лазерното лъчение е неговата съгласуваност. Обикновено се говори за пространствена и времева последователност.

Представете си, че лазерният лъч е разделена на две от полупрозрачно огледало: лъч енергия преминава през огледалото на половина, се отразява, а другата половина отиде в система от водещи огледала (фигура 2). След това, на втория лъч се намалява отново до първия, но с известно закъснение. Максималното време на забавяне, при която гредите могат да попречат (т.е., да си взаимодействат с фазата на радиация, не само в своята интензивност) се нарича време на последователността на лазерното лъчение, и дължина частичното път, който втори лъч е преминал поради своята отклонение - надлъжен размер съгласуваност. Надлъжно дължина последователност модерни лазери могат да надвишават км, въпреки че за повечето приложения (напр. За лазери обработка материал промишлени) като висока пространствена последователност на лазерния сноп не е необходимо.

Може да се разделят на лазерния лъч по различен начин: вместо полупрозрачен огледалото да се постави изцяло отразяваща повърхност, но не покрива цялата светлина и само част от него (Фигура 2). Тогава там ще се наблюдава взаимодействието на радиация, която се разпространява в различни части на гредата. Максималното разстояние между точки на лъча, радиацията, която ще се намесва, наречен напречната съгласуваност дължината на лазерния лъч. Разбира се, в продължение на много лазери напречната дължина съгласуваност е само равен на диаметъра на лазерния лъч.

Фиг. 2. За да се обясни понятията времеви и пространствен съгласуваност

Без значение колко сме се опитали да направим паралел с лазерен лъч, тя винаги ще има по-различна от нула ъглово отклонение. минимално възможно ъгъл лазер отклонението на α г ( «граница дифракция") в порядък дава с израза:

където λ - дължина на лазерно лъчение, и D - ширината на лъча излиза от лазера. Лесно се изчисли, че при дължина на вълната от 0.5 микрона (зелен радиация) и ширината на лазерен лъч е 5 mm, ъгъл на дивергенция ще

10 -4 Rad, или 1/200 на степен. Въпреки такава ниска стойност, ъгловата отклонението може да бъде от решаващо значение за някои приложения (например, за използване в лазери военни сателитни системи), тъй като тя определя горната граница на постижимо плътност на мощността на лазерното лъчение.

Като цяло, качеството на лазерния лъч може да бъде определен от параметъра М 2. Нека минималната постижима място област създаден идеален обектив, когато се фокусира на Gaussian лъч да е S. Тогава, ако една и съща леща фокусира лъча от този лазер зоната на точката S 1> S. параметър М 2 на лазера радиация е:

За параметъра най-високо качество лазерни системи М 2 е близо до единство (параметър специално, търговски достъпни лазери равно на 2. 1.05 М). Въпреки това, той трябва да се има предвид, че не всички класове на лазери, към днешна дата, постигнати с ниска стойност на този параметър, е необходимо да се вземат предвид при избора на лазерен клас за конкретна задача.

Ние доведе накратко основните свойства на лазерна светлина. Сега ние описваме основните компоненти на лазера: средно с обърната население, лазерния резонатор, нивата на лазер помпените и лазерни верига.

Среда с обърната население. Схема нива лазер. В квантов добив.

Основният елемент, който преобразува външен източник на енергия (електрически, енергия nonlaser радиация, допълнителна помпа лазерна енергия) в светлина, среда, в която инверсия на населението създаден двойки. Терминът "инверсия население" означава, че известна част от структурните частици на носител (молекули, атоми или йони) се трансформира в възбудено състояние, и за двойка на енергийните нива на частиците (горните и долните нива лазерни) в горното ниво на енергия е повече частици от на земята.

При преминаване през среда с обърната население радиация кванти които имат енергия, равна на разликата на две енергийни нива на лазера може да се увеличи, като по този начин отстраняване на възбуждане част от активните центрове (атома / молекули / йони). Амплифицирането се осъществява чрез образуване на нова кванти на електромагнитно лъчение с дължина на вълната същата посока на разпространение, фаза и поляризация състояние като оригиналния фотона. Така лазер се генерира пакети от идентични (равни на мощност, съгласувани и се движат в една посока) фотони (фиг. 3), който определя основните свойства на лазерното лъчение.

Фиг. 3. Генериране на съгласувани фотони чрез стимулирано излъчване.

За създаване на инверсия на населението в системната среда, състояща се от само две нива, обаче, не е възможно [1] в класическия сближаване. Съвременните лазери обикновено имат система на три нива или четири нива, а трайното участват. Средата за възбуждане носи структурното звено на най-високо ниво, при което частиците в кратко време се отпуснат до по-ниска енергийна стойност - горното ниво лазер. В активния елемент участва като един от по-ниско ниво - основното състояние на атома в схема на три нива или междинно съединение - в четири (фигура 4). Схемата за четири ниво е по-предпочитан от гледна точка на факта, че междинният слой е обикновено населен с много по-малък размер на частиците в основно състояние, съответно, да се създаде инверсия население (излишък на възбудени частици над броя на атомите, нисш лазерни ниво) е много по-лесно (да започне активния елемент трябва да бъде информиран среда минимално количество енергия).

Фиг. 4. Системата за три нива и четири нива.

По този начин, когато лазерна колебание предава минималната стойност на работната среда равна на енергията на възбуждане енергията на горното ниво, и активния елемент възниква между двете долни слоеве. Това води до факта, че съотношението на лазерния ефективност първоначално е ограничено до възбуждане енергията на лазерния преход. Това съотношение се нарича квантовата ефективност на лазера. Трябва да се отбележи, че като цяло ефективността на лазерна енергия във времето (а в някои случаи дори и в няколко десетки пъти) по-малко от своя квантов добив.

В съвременните лазери се използват различни методи, за да се създаде инверсия на населението, или лазерно изпомпване.

Помпа лазер. изпомпване начини.

С цел да се генерират стартиране на лазерното лъчение, е необходимо да донесе енергия в неговата активна среда за създаване на инверсия на населението в тях. Този процес се нарича лазерно изпомпва. Има няколко основни методи за изпомпване, приложимостта на който по-специално лазер зависи от вида на активното среда. Така някои лазери газ и ексимерни, работещи в режим на импулси (например, СО 2 - лазер) на лазерна среда, възбуждане на молекули от електрически разряд. В непрекъснати лазери газ може да се използва за изпомпване на тлеещ разряд. лазер изпомпване полупроводникови се извършва чрез прилагане на напрежение на р - п лазер прехода. За твърди лазери могат да използват некохерентна радиационен източник (флаш лампа, линия или множество излъчващи светлина диоди) или друг лазер, чиято дължина на вълната съответства на енергия разликата между земята и възбудени състояния на примес атом (в твърдо състояние лазери са склонни активния елемент се осъществява чрез атоми или йони, примеси, разтворени в решетка матрица - например за рубин лазерни активни добавки йони са хром).

Обобщавайки, може да се каже, че метод за изпомпване лазер се определя от неговия вид и характеристиките на активното място генериране среда. Обикновено за всеки тип лазер има най-ефективния метод изпомпване, който определя вида и структурата на енергийната система доставя към активното средство.

лазерен резонатор. Условия трайното. Стабилни и нестабилни резонатори.

Активно среда и система за доставяне, за да го мощност е все още недостатъчна за появата на активния елемент, въпреки че въз основа на тях има някаква възможност за изграждане на устройството (например, усилвател или superluminescent радиация източник). Трайното, т.е. емисии на монохромни кохерентна светлина се появява само с обратна връзка, или лазер резонатор.

В най-простия случай, резонатор е двойка огледала, една от които (продукция лазер огледало) е полупрозрачен. Като друг огледало, обикновено се поставят рефлектор с отражение при дължина на вълната на активния елемент близо до 100% ( "тъп огледало"), за да се избегне активния елемент "двустранно" и ненужна загуба на енергия.

лазер резонатор осигурява връщане част от излъчването обратно към активното средство. Това състояние е от съществено значение за създаването на последователна и монохромни радиация, като се върна в сряда фотони ще предизвика радиация идентична с честотата и фазата на фотоните. Съответно, повторно възникващи в активната среда на фотоните на радиация са съгласувани с вече освободен извън кухината. Така, характерните свойства на лазерното лъчение се осигурява в много отношения дизайна и качеството на лазерния резонатор.

Коефициентът на отражение на изход полупрозрачна огледало лазерен резонатор е избран така, че да се максимизира изходна мощност, или въз основа на технологичния простотата на производство. Така, в някои влакна лазери като изходни огледала може да се използва гладко разцепва челна страна на оптичното влакно.

Очевиден условие за стабилно лазер осцилация е състояние на равенството на оптични загуби на лазерния резонатор (включително загуба на радиация чрез резонатор изход огледало) и усилването на радиация в активна среда:

където L = дължина на активното средство, по - печалбата в активна среда, R 1 и R 2 - отражение коефициенти на огледала кухина и G - «сивата" загуби в активна среда (т.е., загубите на радиация, свързани с колебания плътност, лазерно дефект среда, разсейването на радиация и други видове оптични загуба, което води до намаляване на радиация, минаваща през средата, различен от директно облъчване кванти абсорбция средни атоми). Последният фактор «Х» означава всички други загуби, които се намират в лазера (например, може да бъде въведен специален лазер-абсорбиращ елемент за генериране на лазерни импулси с малка продължителност), в тяхно отсъствие, тя е равна на 1. За да се получи условие за трайното развитие на спонтанно отделяни фотони очевидно е, че равенството е необходимо да се замени знака ">".

От уравнение (3) дава следното правило за избор на изходна лазер огледало ако усилването на активното среда радиация с оглед на сив загуба (а - д) х L е малък, отражението на продукцията огледало R 1 трябва да бъде избран голям, така че активния елемент не е снабдена -това радиация от кухината. Ако печалбата е достатъчно голям, обикновено има смисъл да изберете минимален размер, като R 1. висока отразителна ще доведе до увеличаване на интензитета на излъчване в рамките на кухина, което може да повлияе на времето на живота на лазера.

Въпреки това, има нужда от подравняването на лазерен резонатор. Предполагаме, че резонатор е съставен от две паралелни, но не се приведе огледала (например, под ъгъл един към друг). В този резонатор, радиация, минаваща през активните средни няколко пъти, след лазер (фиг. 5). Резонатори, при които лъчението в краен време излиза извън нея, се наричат ​​летливи. Такива резонатори се използват в някои системи (например, висока мощност, натоварени лазери специален дизайн), но обикновено резонатор нестабилност в практически приложения се опитват да се избегне.

Фиг. 5. Нестабилната резонатор с огледала са разместени; стабилна резонатор и

стационарно лъч радиация в нея.

За да се увеличи стабилността на огледалата за резонатор се използва като извити отразяващата повърхност. За определени стойности на радиусите на кухината отразяващи повърхности е нечувствителен към малки нарушения схема, която позволява да се опрости работата с лазера.

Ние, опишете накратко изисква минимален набор от елементи за лазера и основните характеристики на лазерното лъчение.