Лазеры и их применение

Данная курсовая работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

В основу лазеров положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере, большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

hν=E2-E1,

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 - энергия высшего энергетического уровня,

E1 - энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

,

где v - частота волны,

Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны,

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.1(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 1(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком

света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е1 + Е2

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными

значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E2

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 - интенсивность света первого пучка,

I2 - интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

I12 = 2 (E1 * E2)

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно, некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I <> I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других – меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности.

Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники — превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (—200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных лазерах — лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы.

Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало, поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10—20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого не радует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсировать ничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера под давлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело, позволяя уменьшить размер излучателя.

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

Называются они так потому, что их рабочая жидкость — раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку-кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя накачивается оптически, только вместо лампы-вспышки сначала использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее — лазеры газовые. Лазер-накачку внутрь жидкостного лазера не встраивают, а помещают вне лазера, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны — от ультрафиолета до инфракрасного света — и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт (миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на одной длине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. Это не просто окрашенное стекло. Он представляет собой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волны лазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобы лазер мог генерировать свет в разных участках спектра — переходить, скажем, от синего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, — достаточно сменить кювету с рабочей жидкостью. Наиболее перспективны они оказались для исследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Таким способом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсот километров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какого размера частицы его загрязняют. То есть можно построить прибор, автоматически и непрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха.

Но наряду с широкополосными жидкостными лазерами существуют и такие, у которых, наоборот, монохроматичность гораздо выше, чем у лазеров на твердом теле или на газе.

Длина волны света лазера может изменяться, укорачиваясь и удлиняясь примерно на одну сотую (у хороших лазеров). Чем меньше расстояние между зеркалами, тем эта полоса шире. У полупроводниковых лазеров, например, она составляет уже несколько длин волн, а у лазера на основе солей неодима эта полоса — одна десятитысячная. Такое постоянство длины волны можно получить только у больших газовых лазеров, да и то, если принять всяческие необходимые для этого меры: обеспечить устойчивость температуры трубки, силы тока, ее питающего, и включить в схему лазера систему автоматической подстройки длины волны излучения. Мощность излучения при этом должна быть минимальной: при ее повышении полоса расширяется. Зато в жидкостном неодимовом лазере узкая полоса излучения получается сама собой и сохраняется даже при заметном повышении мощности излучения, а это крайне важно для всякого рода точных измерений.

Поэтому от того, насколько точно выдерживается длина волны света, излучаемого лазером, зависит и точность измерений. Уменьшение полосы излучения лазера в сто раз сулит стократное увеличение точности измерения длин.

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерного излучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовый генератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 или дейтерием D2 образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение — молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF — на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовых лазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре 1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С. Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде. Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденного состояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможно излучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двум оттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивно прокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15—20 не, частоте следования 10—100 кГц, средней мощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышению средней мощности «медного» лазера до 1 кВт.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10—50 кГц.

Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодный лазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложные молекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются на части. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и в дальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Часто называют и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могут находиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачивается энергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом она сразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квант излучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекула просто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерный лазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова, ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили при возбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять в нескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на других эксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами, например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты. Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.

1.5МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики — это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путей высвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовой электроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазеры открыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высоких концентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подвода световой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатами по созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на три группы — импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают свет одиночными импульсами, вторые — непрерывными сериями импульсов, и, наконец, третьи, дают непрерывное излучение.

Мощность — характеристика относительная, она говорит о том, какая работа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единица мощности, как известно, ватт (Вт) — он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейся за 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждую секунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, а если 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100 Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж. На это «бы» не нужно обращать внимания — при определении мощности не имеет значения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это время выделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о его интенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго, во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что было действительно сделано за одну секунду.

В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-то ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получается огромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере, созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж и продолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощность импульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тот же джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе — до 10 нс (наносекунда, миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот же джоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющая мощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той, конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардные доли секунды, а электростанция — непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры дают импульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощность достигает 100 миллионов кВт.