Классы
Предметы

Физические основы работы лазеров. Применение лазеров

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонементот 75 руб. в месяц
У вас уже есть абонемент? Войти
Физические основы работы лазеров. Применение лазеров

На уроке рассматриваются следующие вопросы: отсутствие оптической когерентности при спонтанном излучении атомов; когерентность индуцированного излучения атома вынужденно попавшим в него фотоном; создание лазеров; принцип действия лазера; свойства лазерного излучения; различные типы лазеров; применения лазеров в медицине, технике, оптической локации и управлении термоядерными реакциями.

Тема: Атомная физика

Урок: Физические основы работы лазеров. Применение лазеров

1. Введение

Долгое время в эпоху Ньютона свет не считали волновым явлением, так как для света не наблюдалось явления интерференции (Рис. 1). Явление интерференции заключается в том, что если свет от двух разных источников попадает в одну точку, то, при условии когерентности, в этой точке должно произойти либо усиление, либо ослабление световых колебаний. Но этого не наблюдалось.

От независимых источников интерференционная картина не наблюдается.

Для независимых источников не соблюдается условие когерентности, так как излучение света связано с переходом более высокого энергетического состояния в более низкое состояние атомов излучателя. Данный переход является спонтанным, постоянной фазы нет. А условие когерентности – это постоянство во времени разности фаз между источниками.

Явление интерференции

Рис. 1. Явление интерференции

С современной точки зрения излучение света происходит следующим образом. Получая какую-то энергию, электрон в атоме переходит из основного состояния в возбужденное состояние. В этом возбужденном состоянии атом может пребывать очень небольшое время (примерно 10-8 с). И затем атом переходит снова в стационарное состояние, при этом излучая фотон. Когерентность фотона связана с тем, что все излучение занимает 10-8 с, за это время волна (фотон) успевает выполнить 50 периодов, а затем эта картина прерывается.

В 1916 году Эйнштейн доказал, что, в зависимости от причин, которые заставляют атом из возбужденного состояния перейти в стационарное состояние, могут быть совершенно разные эффекты.

Если причина случайная – спонтанное излучение.

Индуцированное излучение – излучение, в котором излучение атома вызвано попаданием в него фотона.

Эйнштейн доказал, что если в атом попадает фотон такой энергии, которая может быть излучена при переходе из возбужденного состояния в стационарное состояние самим атомом, то этот фотон атомом не поглощается, а после атома идут уже два абсолютно идентичных фотона. Эти фотоны имеют одинаковую длину волны, частоту, пространственное направление, поляризацию и являются полностью когерентными.

Эта идея вынужденного фотонами излучения атомов положена в основу создания лазеров. Чтобы лазер работал, необходимо, чтобы таких атомов в возбужденном состоянии было много.

Рис. 2.

Была придумана система увеличения количества атомов, в которых электроны находятся на более высоком энергетическом уровне, т. е. атом находится в возбужденном состоянии.

Пусть есть активная среда, в которой возбуждаются атомы. Она находится между двумя зеркалами, одно из которых является глухим (абсолютно не прозрачным), а второе зеркало – полупрозрачным (Рис. 2), т. е. примерно 2% излучения могут пройти через это зеркало. Но чтобы эти 2% составили большую энергию, необходимо, чтобы в активную среду поступала энергия любого вида (электрический разряд, тепловая энергия и т. д.). Любой вид энергии может привести к переходу атома в возбужденное состояние (Рис. 3).

 

Рис. 3. 

 

Рис. 4.

 

Рис. 5.

При этом, если какой-нибудь фотон встречает атом, в котором при переходе из возбужденного состояния может быть излучение той же самой частоты, то фотон превращается в два фотона. Два таких фотона могут тоже попасть в два таких атома, которые находятся тоже в возбужденном состоянии, тогда их получится 4, и т. д. Между зеркалами создается такая среда, что эти фотоны отражаются то от одного зеркала, то от другого, и между двумя зеркалами перемещается множество фотонов. Поэтому между зеркалами появляется много атомов, которые находятся в метастабильном состоянии. В любой момент времени метастабильность можно прервать, тогда из лазера выходит когерентное излучение, обладающее большой мощностью. Когерентные фотоны идут рядом друг с другом (Рис. 4-5).

В 1940 году Фабрикант предложил идею накачки лазера большим количеством возбужденных атомов. Но только в 1954 году Басов с Прохоровым и независимо от них Чаунс создали первые лазеры (тогда они назывались мазеры). Диапазон волн у этих мазеров был радиотехнический, т. е. они излучали когерентное излучение радиоволн, с длиной волны 1,27 см.

В 1960 году была создана система, которая напоминает нынешний лазер – лазер на рубине.

 

Рис. 6.

 

Рис. 7.

Такой лазер имеет трехуровневую систему (Рис. 6-7). Так как в состав рубина входят атомы хрома, они имеют трехступенчатую картинку: основное состояние, состояние с энергией Е2 и состояние с энергией Е3. Состояние Е2 является неустойчивым, и атом может с него спуститься до состояния Е3. Время существования атома при этом увеличится на пять порядков. В таком случае, системой накачки можно создать такую ситуацию, что почти все атомы хрома находятся в возбужденном состоянии и ждут сигнала для перехода в стационарное состояние. Вследствие этого получается мощный лазерный луч.

Газовые лазеры на основе гелий + неон  (Не – буферная среда, Ne дает излучение). Данный лазер дает ярко-красное излучение:

Отличаются маленьким разбросом частот. Такие лазеры обладают высокой когерентностью.

l– длина когерентности лазерного луча

Газовые лазеры на основе углекислого газа работают в инфракрасной области.

Существуют также жидкостные лазеры с разными красителями, т. е. можно получать излучения разных цветов.

Самые дешевые – полупроводниковые лазеры. Они могут регулировать свою частоту излучения и, соответственно, длину волны.

Лазерное излучение покрывает огромный диапазон:

Лазеры применяются в  технике, в медицине и т. д. Например, запись информации проводится на лазерных дисках, лазер используют в микрохирургии глаза, при сварке металла и т. д.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. The картридж (Источник).
  2. Lasers.org.ru (Источник).