Функциональная роль лазеров в процессах вынужденного испускания в генераторах и усилителях конгерентного света. Принцип действия и основные свойства лазера. Применение твердотельных, жидкостных, фотодиссоционных, газоразрядных и химических лазеров.
Аннотация к работе
Министерство общего и профессионального образования РФ. Московский Государственный Строительный Университет.Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями". Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой "L" (начальная буква слова Light - свет).Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом приточном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы). При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть "цепная реакция" размножения одинаковых фотонов, "летящих" абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная населенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных ему фотонов.В таблице на рис.4 перечислены типы лазеров, активные среды и применяемые способы накачки. Классификация лазеров производится с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки. Из указанных на рисунке способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа - оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах - при давлении 1 … 10 мм рт. ст. При импульсной накачки энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импульсами, а при непрерывной накачке - непрерывно, стабильно.Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляет собой диэлектрический кристалл или стекло, в которые введены (в виде примеси) специальные ионы, играющие роль активных центров. Благодаря большой механической прочности и теплопроводности кристаллов рубина, возможность выращивания кристаллических образцов с высоким оптическим качеством лазеры на рубине до сих пор широко используются на практике.В жидкостных лазерах в качестве активной среды используются жидкости: либо растворы органических красителей, либо специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов (например, Eu3 , Nd3 ). Среди жидкостных лазеров наиболее широко применяются лазеры на растворах органических красителей. Активная среда таких лазеров представляет собой жидкий растворитель (вода, этанол, метанол, толуол, ацетон и др.), в котором находятся молекулы органического красителя, играющие роль активных центров.В первом типе в роли активного центра выступает один из продуктов диссоциации молекулы (тот, который оказывается в возбужденном состоянии).Лазеры на разряженных активных средах (с давлением 1…10 мм рт. ст.), возбуждаемых самостоятельным электрическим разрядом, называют газоразрядными. Различают три типа таких лазеров: лазеры, генерирующие на переходах между энергетическими уровнями ионов (лазеры на ионизированных газах, или ионные лазеры); лазеры, генерирующие на переходах между уровнями нейтральных атомов (лазеры на атомных переходах); лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (лазеры на молекулярных переходах, или молекулярные лазеры). Лазеры на атомных переходах генерируют в более широком диапазоне длин волн - от 0,4 до 100 мкм; основное число рабочих переходов попадает в диапазон 1 … 20 мк