ЛАЗЕРЫ

Острый тонкий пучок лучей рубинового цвета прорезал пространство… Миновав земную атмосферу, он устремляется в космос к далеким звездным мирам.

        Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лучом можно проколоть или разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла. Фантастика? Нет, последнее достижение квантовой электроники, известное под названием «ЛАЗЕР» или, иначе «оптический квантовый генератор». Лазеры появились в 1960году. Их появлению предшествовали фундаментальные работы советских ученых В.А.Фабриканта, Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, американского ученого Ч.Таунса. В частности, лазеры нашли применение для сверхдальней связи. Они позволили исследовать поверхность Луны, их устанавливают на искусственных спутниках Земли и на космических кораблях. В пути лазеры передают сигналы на Землю с расстояния в десятки миллионов километров и позволяют управлять движением кораблей и корректировать их траекторию.

    Мечта о концентрации энергии света зародилась еще в глубокой древности. Отражение ее мы находим в известной легенде об Архимеде, сжегшем направленными при помощи зеркал лучами солнца корабли римского флота во время осады Сиракуз. А если вспомнить фантастический роман А.Толстого  «Гиперболоид инженера Гарина»? Гиперболоид, при помощи которого его изобретатель инженер Гарин хотел стать властелином мира.

В фантастической литературе можно найти много описаний действия лучей разрушения и смерти. Все они, однако, включая и гиперболоид инженера Гарина, грешат против законов физики и прежде всего против основного ее закона – закона сохранение энергии. Невозможно путем обычных средств современной оптики-  нагромождением только зеркал, линз или призм -беспредельно концентрировать энергию имеющихся в распоряжении современной техники источников света. Нельзя сконцентрировать при помощи зеркала солнечные лучи в один тонкий, как игла, луч и послать его на расстояние в несколько километров. Расчет показывает, что для объекта, находящегося от зеркала на расстоянии всего 1 км., потребовалось бы зеркало диаметром 500м., а для того чтобы вызвать загорание дерева, надо было бы обладать    источником света, яркость которого в миллион раз превышает яркость Солнца.

    Как показал Г.Г.Слюсарев в своей книге «О возможном и невозможном в оптике», нельзя в действительности получить пучок параллельных лучей и еще сжать его в узкий шнур. В схемах геометрической оптики мы, конечно, пользуемся понятием точечного источника света, который, будучи помещен в главном фокусе вогнутого зеркала (притом параболического, а не гиперболического, как ошибочно полагал  инженер Гарин ) или в главном фокусе линзы, дает на чертеже пучок параллельных лучей. Но это только на чертеже, в действительности точечный источник и пучок параллельных  лучей немыслимы. Приводимый расчет доказывает математически, что если бы параллельные лучи и были возможны, то они не несли бы с собой никакой энергии. Доказательство основывается на законах оптики, все фантастические проекты сжигания на расстоянии не учитывают этого закона, не говоря уж о законах рассеяния, дифракции и интерференции света.

  Посмотрим теперь, как же решается задача генерации когерентного света при помощи лазеров. Эти новые источники света действительно излучают почти, (но не полностью!) параллельные лучи. Но физическая основа их совершенно иная, чем основа оптических систем, о которых мечтали фантасты. 

   Посмотрим на какой-нибудь из обычных источниках света- пламя свечи, раскаленный волосок электрической лампочки или люминесцентную трубку. Какие физические явления составляют сущность излучения света этими источниками света? Излучения света источником света-  это освобождения энергии при перескоках электронах с внешних орбит на орбиты, расположенные ближе к ядру. Тепловые движения частиц в раскаленном теле или высокое напряжение в газосветных трубках забросило электроны на внешние орбиты и привело атомы в « в возбужденные» состояние. Это состояние неустойчиво, и почти мгновенно (через 10 –8 с) электроны возвращаются на свои нормальные орбиты, отдавая при этом сообщенный им излишек энергии в виде квантов излучения.

  В зависимости от порций энергии, отдаваемой электронам при переходе с одной орбиты на другую, или, другими словами, при переходе атома с уровня энергии Е2 на  уровень Е1 , частота   δ              излучаемого  фотона может быть вычислена по формуле (ее связывают с именем знаменитого физика Бора):



η δ ═ E2-E1

			

Поскольку длина волны  λ  вязана с частотой δ соотношением                

       

 λ = __C__, приходим отсюда к формуле: 

	  δ

λ=       __h∙c__

           E2-E1



Чем ближе орбита, с которой происходит переход электронов к «невозбужденной» орбите, тем меньше энергия кванта и тем больше длина  волны излучения.

 Теперь подумайте, какое громадное количество атомов участвуют в процессе излучения света, скажем, свечой. Ведь в ничтожном объеме вещества размером с булавочную головку заключаются миллиарды миллиардов атомов. Возбуждение их происходит не одновременно, поэтому и отдача энергии возвращающимися  на свои нормальные орбиты электронами происходит не одновременно, а случайно, беспорядочно с излучением различных квантов с различными длинами волн, словно нестройный многоголосый хор, который создает невообразимый шум, когда каждый поет свое, кто во что горазд. 

  Теперь рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного  света с высокой направленностью светового луча. Само слово « лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification  by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

  В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных

атомов было бы больше, чем не возбуждённых,  поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии (рис. 1). 

         Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходит также процес самопроизвольного,спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбу-жденное состояние и процес поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состо-яние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г. 



































                                                 

     Если число вожбуждённых атомов велико и существует инверсная населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенаростаюшую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

      На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г.советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.

    При одновременном рожении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распростроняться в своём направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохромотичности, так как каждая лавина инициировалась собствен-ным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населённостью можно было использовать, для генерации лазерного луча, т.е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо снимать инверсную населённость с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием обратной связи. На рисунке 2 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, 



































направление распространения которых не перпендикулярно плос-кости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населённостью обратная связь может оказаться настолько эффективной,что излучением «вбок»- можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно удаётся сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

   Инверсная населённость возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Речь идёт о том самом рубине, который хорошо известен как драгоценный камень, используемый в качестве украшения для колец, брошек и других ювелирных изделий. Рубин представляет собой оксид алюминия, в кристаллической решетке которого небольшая часть атомов алюминия замещена ионами хрома (примесь хрома составляет от 0,05 до 0,5%). Хром поглощает излучение жёлтого и зелёного участков спектра и пропускает красный и оранжевый цвета. Этим объясняется великолепный красный цвет рубина. В настоящее время кристаллы рубина выращивают искусственно. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбуждённое состояние (рис.3). 























     В результате внутренних процессов возбуждённые ионы хрома переходят основное состояние не сразу, а через два возбуждённых уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникнет инверсная населённость между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.    

     Торцы рубинового стержня (рис.4) полируют покрыиают светоотражающими интеференционными плёнками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.



































       При возникновении инверсии населённостей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного цвета. Длительность лазерного иьпульса ~ 10-3с., немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1 дж.

      С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электронного затвора можно “включить” обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населённостей и, следовательно, макси-мального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населённости “снимается” вынужденным излучением за очень короткое время. 

      В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гиганский импульс лазерного излучения. полная энергия этого импульсаостанется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения ~ 108Вт.

     В данной юеседе мы ограничились описанием только на рубине, работающем в импульсном режиме. Таков был первый лазер, созданный в 1960 году. Стех пор было создано множество разнообразных типов лазеров, работающих в различных режимах. Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных импульсов может быть очень высокой – до 10 7 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать “гиганские импульсы” (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 квт), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12 с,интенсивность в максимуме до 109 квт). В качестве активных элементов лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовых активных сред используется электрический разряд в газе.

     Укажем основные типы лазеров:

а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных неодимом);

б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на углекислом газе);

в) жидкостные (на растворах органических красителей);

г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих друг сдругом примесных полупроводниках разного типа);

д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические реакции с выделением энергии);

е) газодинамические (на реактивной струе газа).



     Газовые лазеры.- Основным достоинством газов, как активной среды лазера, является высокая оптическая однородность.Поэтому для тех научных и технических приминений, для которых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичьность излучения, газовые лазеры представляют наибольшие интересы.

      Вслед за первым газовым лазером на смеси гелия и неона (1960г) было создано большое количество рознообразных газовых лазеров в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов и молекул, и имеющие частоты в диапозонах от ультрофиолетового до инфрокрасных частей спектра. Так лазер на водороде работает на длине волны  λ=0,17  мкм. Лазер на ионах –Ne³+uNe+ работает на длине волны λ=0,2358 мкм. и λ=0,3324 мкм,а лазер на молекулах воды H2O на длинах волн  λ=27,9 мкм. и λ=118,6 мкм. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракросной области спектра, наибольшее распространение получил гелий-неновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку заполненную смесью NeuNe. Он генерирует излучение с длиной волны  λ=0,6328 мкм , то есть в красной области спектра. Типичные размеры трубки это несколько десятков метров или 1-2 м., диаметр несколько милиметров. мощьность генерации обычно составляет десятки  мВТ. Гелий-неоновый лазер может работать на условном ряде переходов в ближайшей инфрокрасной области, направленной на длинах волн  λ=1,152 мкм. и  λ=3,39 мкм. В лазере сравнительно просто реализуется предельно малая дифракционная расходимость светового пучка. Наиболее мощным лазером непрерывного действия, в видимой области спектра, является аргоновый лазер. В нём используется электрический разряд, с большой плотностью тока(до нескольких тысячь а ∕см²). Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра, с длиной волны  λ=0,4880 мкм. и λ=0,5145 мкм. Мощьность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый лазер значительно сложнее гелий неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным лазером является лазер на CO2 где  λ=1,06 мкм. при непрерывном режиме работы СО2—λ достигается мощность в десятки квт. Создано также большое число импульсных газовых лазеров работающих, как правило в переходном режиме формировония разряда.

Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительность≈10-9с.) дают сравнительно высокие пиковые мощности≈10 квт. СО2 –λ также может работать в импульсном режиме обеспечивая мощность 1010 вт. Газовые лазеры способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели лазеры всех других типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения лазера, возникает целый ряд трудностей, как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к «качению» частоты лазера можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора и физические, сказывающиеся на частотах рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствии его теплового расширения и тд. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей флуктуации, свойства активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например разрабатываются специальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострикционные явления – пъезоэффект. В основе этих методов лежит следующая система, которая фиксирует изменения параметров резонаторов и обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором стабильности частоты лазера является флуктуации давления в рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, так как столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий пропорциональным давлению. Флуктуация давления приводит к флуктуации частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находится при возможно более низком давлении. С другой стороны понижение давления приводит к уменьшению коэфициэнта усиления среды. Это противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты излучения лазера с помощью поглощающей ячейки помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию соответствующую рабочему переходу активной среды. Например, у гелий-неонового лазера для линий λ=3,39 мкм таким газом является метан СН4. Оказалось возможным стабили-зировать частоту излучения лазера по частотам линии поглощения метана, причём в условиях, когда давление, поглощающего газа значительно меньше активного. С помощью поглощающей ячейки достигнута относительная стабильность частоты излучения.



     Полупроводниковые лазеры. Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазона-полупрводниковые лазеры занимают осбое положение по классу своих характеристик. В полупро-водниках удаётся получить очень большие коэффициэнты усиления ≈ 10²--10³ см, поэтому размеры полупроводниковых лазеров могут быть очень малыми – порядка долей милимметров. Лазеры на полупроводниках позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфра-красные диапазоны. Полупроводниковые ижеционные лазеры характиризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (блиское к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигается мощность-10вт, при температуре жидкого озона – 4-5вт. Особенно перспективные инжекционные лазеры на гетеропереходах. Которые работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, создавая мощность ≈ 5•10‾²вт при КПД до 25%. В полупроводниковых лазерах с возбуждением электронных пучков можно возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекции через p-n переходы. Пиковая мощность при этом доходит до –1Мвт при электронном возбуждении не может превышать 30%. 

      Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами и трудность получения высокой монохроматичности. Последнее связано с большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах. Полупроводниковые лазеры используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требование к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий КПД. Полупроводниковые лазеры превлсходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и управления световым пучком, то есть модуляция интенсивности света с постоянной времени ≈10-11	сек.

    Сегодня трудно даже перечислить всевозможные применения лазеров в науке и технике. Лазеры используются в современной измерительной технике – для оптической локации, в геодезии, для сверхточных измерений расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений. Всё шире внедряются в практику лазерные методы контроля за состоянием атмосферы (степень и характер её загрязнённости), качеством различных изделий, наличием в тех или иных деталях высоких механических напяжений или внутренних дефектов. Развиваются системы лазерной связи (наземные, подводные, космические). Лазерное излучение начинают использовать и в современных вычислительных комплексах – для хранения, поиска, передачи и обработки информации. Накоплен большой материал по эффективному применению лазеров в медицине: созданы лазерные установки для выполнения самых различных хирургических операций, включая

операции на человеческом глазе. Наиболее широко лазеры используются для обработки материалов. Мощные лазеры используются в таких энергоёмких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвеерном производстве. Лазерным лучом делают “надрезы” на различных поверхностях, ставят клейма, зачищают провода от изоляции. И всякий раз лазерный луч применяется там, где требуется особо “тонкая” работа, где механические средства обработки оказываются грубыми или попросту непригодными.

      Одно из наиболее эфективных применений лазера – при глазных операциях. оказалось, что лазер идеальной точностью сообщает как раз то количество энергии, которое необходимо, чтобы “приварить” отслоившуюся сетчатку к глазному дну.  

    





















     Модулированные лазерные пучки эквивалентны огромному числу каналов радиосвязи, и влияние, которое они окажут на развитие техники связи, должно быть колосальным. 

     Лазерный пучок используется для точного измерения 

величены g. Отражая лазерный пучок от зеркала, помещённого на Луне, можно получать информацию о флуктуациях расстояния от земли до Луны, которая имеет важное значение для геофизики Земли и Луны.

     Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.

    Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов. 

    Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

    Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.  









































В реферате были использованы данные, из следующей литературы:



М.И. Блудов “Беседы по физике”.

      					Москва “Просвещение” 1992 год.



В.Л. Гинсбург “О Физике и Астрофизике”.

Москва “Наука” 1985 год.



Дж. Триг “Физика 20 века: ключевые эксперименты”.

Москва издательство “Мир” 1978 год.



“Элементарный учебник физики” Под редакцией академика Г.С. Ландсберга.

Москва “Наука” том 3, 1986 год.



Р.В. Поль “Оптика и атомная физика”.

Москва “Наука” 1966 год.



Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев “Физика”.

Москва “Просвещение” 1991 год.



 





























15