Навигация
ПЛАН
1. История открытия
2. Принцип работы лазера
2.1 Сущность явления усиления света
2.2 Активные вещества
2.3 Резонаторы
2.4 Устройства накачки
3. Применение лазеров
3.1 Термоядерный синтез
3.2 Лазеры в технологии
3.3 Лазеры в авиации
3.4 Лазеры в исследовании атмосферы и океана
3.5 Лазеры в медицине
3.6 Лазерная локация и связь
Заключение
Литература
1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Лазеры – это источники когерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на использовании явления индуцированного излучения. Слово «лазер» представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», переводимой как усиление света в результате вынужденного излучения. Гипотеза о существовании вынужденного (индуцированного) излучения была высказана в 1917 г. А. Эйнштейном. В 1940 г. профессор Московского энергетического института В. А. Фабрикант сформулировал условия, при выполнении которых можно обнаружить индуцированное излучение, а в 1951 г. он совместно с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой получил авторское свидетельство на способ усиления электромагнитного излучения. Устройство, генерирующее электромагнитные колебания на основе использования явления индуцированного излучения в СВЧ диапазоне, было создано в 1953—1954 гг. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и группой Ч. Таунса в США.
В 1958 г. А. М. Прохоров в СССР, а в США Ч. Таунс и А. Шавлов показали возможность использования индуцированного излучения для создания генераторов когерентного оптического излучения — лазеров. В 1959 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову за разработку нового принципа генерирования и усиления электромагнитных колебаний и создание на основе этого принципа СВЧ генераторов и усилителей была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. совместно с Ч. Таунсом — Нобелевская премия по физике за исследования в области квантовой электроники.
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА
2.1 Сущность явления усиления света
Для понимания сущности этого явления необходимо более подробно изучить элементарные акты взаимодействия электромагнитного излучения с атомной системой. Рассмотрим для простоты двухуровневую систему, т. е. атомы, обладающие двумя энергетическими уровнями Е1 и Е2 (Е2>Е1). Пусть N1— число атомов в единице объема вещества, находящихся на нижнем энергетическом уровне Е1, а N2 —- на верхнем уровне Е2. Тогда в результате взаимодействия электромагнитной волны с атомами вещества будут происходить изменения ее интенсивности, обусловленные следующими элементарными процессами.
Вынужденнное поглощение фотонов частоты V12=(E2-E1)/h=V0, которое будет происходить со скоростью
dN1/dt=B12p(v)N1,
где B12 – коэффициент Энштейна, такой, что B12p(v) – вероятность этого вынужденного перехода, а p(v) – спектральная плотность энергии волны.
Спонтанное излучение атомов, при котором они самопроизвольно переходят с верхнего возбужденного состояния Е2 на уровень Е1. число этих переходов в единицу времени будет равно
dN2сп/dt=A21N2,
где A21 — коэффициент Эйнштейна. Так как эти переходы происходят в результате внутренних причин и статистически независимы, то спонтанное излучение носит тепловой характер и по отношению к внешнему электромагнитному полю будет некогерентным.
Вынужденное, или индуцированное, излучение фотонов частоты v21=v0, при котором атомы переходят из возбужденного верхнего состояния Е2 на нижнее Е1 под действием внешнего светового поля. Скорость этого процесса будет
dN2вын/dt=B21p(v)N2.
Главной особенностью этих переходов является то, что излучаемый под действием внешнего поля квант полностью когерентен с этим полем, т. е. имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется по тому же направлению. Таким образом, вынужденное излучение является когерентным по отношению к внешнему полю. Вероятностные коэффициенты Эйнштейна, B21 и B12 связаны между следующим образом:
B12=B21, A21=(8пhv3/c3)*B12.
В обычных условиях сред, близких к равновесию, имеет место ослабление рассматриваемой волны по закону Бугера: I=I0e-kx, N1>N2, k<0, т.е. происходит вынужденное (положительное) поглощение. Если в среде создать условие N2>N1, то в этом случае k>0 и среда будет усиливать проходящую волну, т.е. будет наблюдаться отрицательное поглощение. Среды, у которых выполняется это условие, называются средами с инверсией заселенности или активными средами.
Когда в условиях инверсии заселенности уровней электрон переходит на нижний уровень, испуская фотон, то последний, проходит через множество окружающих его возбужденных атомов и способен вызвать излучение фотона у какого- либо из них. Оба фотона перемещаются в одном и том же направлении и к тому же они практически когерентны. Каждый из этой пары фотонов может повторить тот же процесс, и через очень непродолжительное время благодаря своего рода цепной реакции образуется фотонная лавина, в которой все фотоны имеют одну и туже частоту, все движутся в одном направлении и все оптически когерентны. Эта лавина фотонов может быть значительно усилена с помощью одного оптического трюка. Если всю систему поместить в резонатор (между двумя не полностью отражающими зеркалами), то в высокой степени когерентный и направленный свет будет многократно проходить внутри области инверсией заселенности. Поскольку скорость света очень велика, весь процесс многократного отражения света с постоянно нарастающей интенсивностью происходит за весьма малый промежуток времени, и при соблюдении необходимых условий возникает очень интенсивный и очень кратковременный световой импульс, обладающий совершено особыми свойствами. Лазерные лучи строго монохроматичны и когерентны, имеют очень малую угловую расходимость, имеют огромную мощность излучения.
Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо иметь частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, резонатор и устройство, обеспечивающее получение инверсного состояния. Частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, называют активными веществами лазера. Совокупность же элементов, обеспечивающих получение инверсной заселенности, называют устройством или системой накачки.
Похожие работы
... материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейрном производстве. Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и ...
... В первую очередь это оптоэлектроника.(размеры структур до 100 нм - доли длин световых волн). Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных молекул в качестве элементов микросхем. Развитие лазерных технологий. Для физиков лазер дал жизнь нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом ...
... группы, определяющие: качество печати; скорость печати; удобство в эксплуатации; экономичность работы; дополнительные возможности. Часть III Физические процессы [1] [2] [3] В основе работы, как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухой ксерографии[1] (лат. xeros - сухой и graphos - писать). В свою очередь он базируется на электростатической фотографии. В ...
... не только уровень совершенства того или иного технического устройства, но и прогресс, а также темпы развития той или иной отрасли современной экономики. На первый взгляд может показаться лишним знание концепций развития микроэлектроники, особенно для специалистов нетехнических направлений и, в частности, для будущих экономистов. Однако настоящая экономика прежде всего связана с жизнью и в первую ...
0 комментариев