Conform principiului său de funcționare, un laser modern este foarte asemănător cu un maser creat anterior. Asta a cauzat numele alternativ al laserului, care sună ca un maser optic. Pentru ambele dispozitive, principiul acțiunii este de a emite excesul de energie al atomilor, care se află într-o stare excitată din cauza acțiunii externe.
Pentru a înțelege principiul laserului, trebuie să știți ce lumină este. Lumina este o formă specială de materie, care constă într-un fel de cheag numit quanta. Orice substanță din această lume este formată din atomi. La rândul lor, atomii de materie sunt capabili să absoarbă sau să emită lumină, în timp ce aceștia, respectiv, eliberează sau absorg întreaga cantitate. Lungimea de undă (și, prin urmare, culoarea) radiației depinde în mod direct de energia cuantică a acesteia. În absența oricăror efecte suplimentare, atomii de materie nu interacționează cu fracțiile cuantice. Atomii sunt complet identici în natură, sunt capabili să emită sau să absoarbă quanta doar o lungime de undă specifică. Cel mai luminos și mai evident exemplu este o lampă cu descărcare în gaz, care, de exemplu, poate fi umplută uniform cu neon. Atunci când se emite un cuantum de lumină, atomul consumă în mod constant energie și, în consecință, absorbând un cuantum, atomul absoarbe excesul de energie (se încarcă). Datorită faptului că energia este transferată prin proporții, atât de la atom cât și de la atom, atomul este capabil să rămână într-o singură stare. Prima stare este starea de bază, caracterizată de energia minimă. Atomul poate fi, de asemenea, într-una din stările excitate. În cazul unui atom în starea de bază după absorbția unui cuantum de lumină, atomul de la starea de bază trece într-o stare excitat. Și, în consecință, în cazul emisiei unui foton de lumină, atomul trece la nivelul solului. Prin urmare, rezultă că, cu cât este mai mare numărul de quanta apropiați de atomi, cu atât este mai mare numărul de atomi capabili să facă o tranziție, însoțită de o scădere sau creștere a nivelului de energie. Simpla prezență a luminii poate determina participarea atomilor la tranzițiile energetice. Acesta a fost motivul numelui proceselor, care se numesc absorbție forțată și emisie stimulată. În momentul în care are loc procesul de absorbție forțată, numărul de canale scade și, în consecință, nivelul intensității luminii scade. Unii atomi care cad sub iluminare încep să emită radical o cantitate totală de energie, în comparație cu cantitatea de absorbție. Datorită acestor proprietăți ale atomilor, apare un efect laser. Cu alte cuvinte, amplificarea luminii prin emisia stimulată a unui anumit set de atomi.
Apariția unui fascicul laser (generarea de laser) poate apărea exclusiv în setul de microparticule în care numărul de atomi într-o stare excitat depășește numărul de atomi în starea de bază. Astfel, pentru a genera un flux laser, acest set de microparticule trebuie să fie pregătit preliminar, pompat de energia lor, sursa căreia este factori externi. O astfel de operație prin pregătire preliminară se numește pompare.
Diferența principală a tuturor tipurilor de lasere existente constă tocmai în metoda de pompare. Ca pompă, pot servi:
- Radiații electromagnetice, care au o lungime de undă diferită de laser;
- Curent electric;
- Un fascicul de electroni relativiști (extrem de rapizi);
- Descărcarea de electricitate;
- Reacțiile chimice care apar într-un mediu adecvat pentru generarea fluxului laser.
Maser (din engleză .Maser) este un generator cuantic care emite undă radio coerentă, având o lungime de aproximativ un centimetru. Acest nume este abrevierea expresiei "amplificarea microundelor prin emisie stimulată" (în limba engleză se pare amplificarea cu un amplificator de legi stimulate prin emisia de radiații) și a fost dată aparatului în 1954 de către creatorii maserului. Creatorii maserului sunt oamenii de știință ai Uniunii Sovietice A.M. Prokhorov, N.G. Basov, precum și oamenii de știință americani Ch. Townes, D. Gordon și H. Zeiger. La început, după invenția un generator cuantic a fost crezut că această creație a mâinilor pur umane, dar un pic mai târziu astronomi a descoperit că unele dintre galaxii îndepărtate acționează ca niște masers gigant. În mărimea inimaginabilă, norii de gaze, care măsoară sute de miliarde de kilometri (și chiar mii de ani lumină), există condiții favorabile pentru generare, sursa de pompare pentru care este radiația cosmică. Măsurătorile de astăzi sunt folosite în diferite tehnici (în special, care sunt legate de cercetarea spațială), într-o mare varietate de studii fizice, precum și în standardele de frecvență cuantică.
Tipuri de gaze de lasere (dioxid de carbon CO2 cu laser)
Unul dintre avantajele principale și incontestabile pe care gazele le au ca mediu activ al laserului este un nivel ridicat de omogenitate optică. Datorită acestui fapt, pentru aplicații științifice și tehnice, care necesită cel mai înalt nivel posibil de focalizare și lumina laser monocromatică, gaz (dioxid de carbon), lasere au cel mai mare interes. După ce a fost creat primul radiator de gaz, pe baza unui amestec de gaze precum neon și heliu (1960), au fost create până acum numeroase radiatoare de gaze diferite. In astfel de radiatoare utilizează tranzițiile cuantice ale atomilor neutri, molecule și ioni, care au frecvențe într-o gamă largă, de la ultraviolet la extrem spectrul infraroșu îndepărtat. Cea mai mare distribuție între emițătorii laser ai acțiunii continue a regiunilor vizibile și apropiate în infraroșu ale spectrului este folosită de emițătorii helio-neonului. Acest tip de laser are forma închisă într-un rezonator optic al tubului de descărcare, care este umplut cu un gaz de amestec heliu și neon (He și Ne).
Când laserul este emis, toate caracteristicile caracteristice ale emițătorilor laser se manifestă cel mai clar, care constau într-un nivel ridicat de directivitate și, de asemenea, monocromaticitate. Un avantaj semnificativ este capacitatea unor astfel de emițători de a funcționa într-un mod continuu. Folosirea metodelor moderne de excitație, precum și trecerea la o presiune mai mare a gazului pot crește dramatic puterea radiatorului de gaz. Cu ajutorul laserului cu CO2 există o oportunitate unică de a continua studiul, precum și dezvoltarea spectrului infraroșu îndepărtat. În plus, radiatoarele de gaz vă permit să studiați intervalele de radiații ultraviolete și radiații.
Printre laserele care sunt capabile să funcționeze atât în zona vizibilă, cât și în cea cu infraroșu, tipurile de semiconductori cu laser au o poziție specială datorită unui număr de parametri disponibili. Tipurile de injecție cu semiconductoare de emițătoare laser au un nivel foarte ridicat de eficiență (conversie) a energiei electrice în radiații coerente. Nivelul de eficiență al acestor lasere este aproape egal cu 100%. Astfel de lasere pot funcționa într-un mod continuu. În plus, laserele cu semiconductoare au alte caracteristici de importanță practică, care sunt următoarele:
- Nivel ridicat de eficiență a conversiei energiei electrice în radiații coerente (30-50%);
- Un grad scăzut de inerție, care explică o gamă largă de frecvențe de modulare directe (mai mult de 109 GHz);
- Design extrem de simplu al radiatorului;
- Este posibilă reconfigurarea lungimii undei emise;
- Prezența unui număr semnificativ de semiconductori, care efectuează o suprapunere continuă a lungimii undelor emise de la 0,32 la 32 μm.
Indiferent de tipul de emițători semiconductori, toate au un dezavantaj comun, care se află în gradul relativ scăzut de directivitate a radiației. Acest lucru se datorează mărimii reduse a radiatoarelor. În plus, un dezavantaj comun este dificultatea obținerii unui nivel ridicat de monocromaticitate. Acest lucru se datorează lărgirii considerabile a spectrului emisiilor spontane în tranzițiile de recombinare ale lucrătorilor.
Tipurile de semiconductoare de emițătoare laser sunt cele mai eficiente atunci când există cerințe scăzute pentru coerență, precum și directivitatea radiației laser. Cu toate acestea, acest lucru necesită dimensiuni reduse și cel mai înalt nivel de eficiență. Tipurile de semiconductoare de lasere sunt superioare celorlalte tipuri de lasere cunoscute până în prezent, în ceea ce privește densitatea energiei radiate, precum și nivelul de eficiență. Cea mai importantă caracteristică a unui laser semiconductor este posibilitatea de a regla frecvența radiațiilor, precum și de a controla fluxul luminos.
Tipul lichid de laser
Un laser lichid este un tip de laser în care rolul substanței active este jucat de un lichid. Astfel de lasere au câteva avantaje, dintre care se poate identifica o posibilitate unică de realizare a circulației unui lichid pentru a se răci. Datorită acestui fapt, este posibil să se obțină mai multă energie și, de asemenea, să se obțină un nivel mai ridicat de putere de radiație în modul pulsat și continuu.
Primele tipuri lichide de lasere ca substanță activă posedă o soluție de chelați de pământuri rare. Acestea nu au încă utilizarea unei cantități mici de energie care să fie atinse, iar chelații chimici nu sunt suficient de stabili din punct de vedere chimic. Aceste tipuri de lasere, care funcționează pe lichide active anorganice, au energii pulsatoare mari la o putere medie semnificativă. În acest caz, tipurile lichide de lasere sunt capabile să genereze radiații cu un spectru de frecvență îngust.
Lăzile lichide care lucrează la soluții de coloranți organici au caracteristici destul de interesante. Wide linii spectrale luminiscenta de vopsele organice oferă o oportunitate de a lucra cu astfel de lasere rearanjare continuă de lungimi de undă într-un interval larg. Prin înlocuirea coloranților, este posibilă asigurarea suprapunerii întregii zone vizibile, precum și a unei părți din regiunea infraroșie a spectrului. Pentru tipurile lichide de emițători laser pe coloranți, rolul sursei de pompă este, de obicei, realizat de lasere cu stare solidă. Caracteristici ale unor coloranți permite utilizarea de pompare în impulsuri lămpi speciale strălucire descărcare, care sunt capabile de a da un scurt flash-uri intense de lumină având o culoare albă, spre deosebire de lămpile cu bliț convenționale (mai puțin de 50 microsecunde).
Până în prezent, există multe tipuri de lasere de tip solid, care sunt capabile să funcționeze atât în moduri de radiație pulsată, cât și în mod continuu. Laserele care lucrează pe rubin, precum și sticla neodimică, sunt cele mai răspândite printre laserele cu impulsuri solide. Lăzile de neodim sunt capabile să funcționeze la o lungime de undă de 1 = 1,06 μm. In plus, fabricat miezuri relativ mari și foarte omogene optic, care au o lungime de 1 metru, cu un diametru de 4-5 cm. O astfel de tijă poate fi suficient de puternic pentru a genera un impuls, care va avea o energie de 1000 J, în timpul 3- 10 secunde
Cea mai puternică putere este posedată de laserele rubin-pulsate pulsate în stare solidă, precum și de sticla neodimică. Energia totală a pulsului de generare a unor astfel de lasere poate ajunge la sute de J, cu o durată a pulsului de 3-10 secunde. În plus, este posibil să se genereze impulsuri cu o rată de repetiție suficient de mare (până la mai multe KHz).
Exemplul cel mai frapant al laserului în stare solidă de lasere continue sunt difuzate pe calciu CaF2 Fluorita dopate cu disprosiu Dy și lasere care funcționează în granat de ytriu-aluminiu dopat cu diferiți atomi de pământuri rare. De regulă, cea mai mare parte a acestor emițătoare laser este capabilă să funcționeze în intervalul lungimii de undă de la 1 la 3 μm. De obicei, cantitatea de generare de energie a laserului în stare solidă, în mod continuu, este aproximativ egală cu proporția de 1 W sau W, iar emițătorul laser granat de ytriu-aluminiu aproximativ zece wați. În cazul în care nu se creează condiții speciale, spectrul de generare a unui laser solid este relativ larg. Acest lucru se explică prin faptul că, de regulă, se realizează generarea multimodelor. Dar atunci când introduceți un element selectiv într-un rezonator optic, devine posibilă realizarea unei generații cu un singur mod. Ca regulă, aceasta implică o scădere semnificativă a puterii generate. Până în prezent, procesul de crestere de monocristale mari de probe mari sau proces de gătit din sticlă omogen și transparent este asociat cu anumite dificultăți.
Tweet
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: