Ход урока I. Организационный момент



Скачать 265.01 Kb.
Дата30.04.2016
Размер265.01 Kb.



Тема : Лазеры
Цель: на примере лазера показать как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к прогрессу в самых различных областях техники.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проведение самостоятельной работы

Вариант I

1. Какая формула была выведена экспериментально Бальмером для спектра водорода?


2. Наименьший радиус орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода г =5,28 10-11 м. Определите радиус орбиты электрона в атоме водорода, когда электрон находится на третьем энергетическом уровне.

(Ответ: 4J5Л0~П) м.)

3. Энергия атома водорода в нормальном состоянии Е 1 = -13,53 эВ. Определите энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если| электрон перешел с первого энергетического уровня на третий.

Энергия электрона на n-й орбите стационарного состояния атома водорода: Еп= Е1/п2.

(Ответ: 12,02 эВ.)

4. Определите длину волны электромагнитного излучения атома водорода при переходе электрона с пятого энергетического уровня на второй. Постоянная Ридберга R = 109737,31 см-1.



(Ответ: 4,37-10 7 м.)

5. Электрон, связанный с атомом, при переходе с более удален­ной на менее удаленную от ядра атома орбиту в момент перехода...



(Ответ: излучает энергию.)

6. Определите минимальную энергию возбуждения атома водо­рода, если его энергия в нормальном состоянии Ej = -13,53 эВ.



(Ответ: 3,39 эВ.)

7. С ростом главного квантового числа п (энергетического уровня атома) энергия стационарного состояния атома ...



(Ответ: увеличивается.)

8. Электрон в атоме водорода перешел с пятого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома?



(Ответ: уменьшилась.)

9. Какое утверждение было бы справедливо, если бы движение электрона в атоме подчинялось законам классической динамики? 1) При движении вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны; 2) Через короткое время электрон должен упасть на ядро; 3) Частота электромагнитных волн, испускаемых атомом, должна быть равна частоте обращения электрона вокруг ядра.



(Ответ: Через короткое время электрон должен упасть на ядро.)

10. Что с точки зрения планетарной модели атома Резерфорда удерживает электроны и не позволяет им разлетаться?



(Ответ: кулоновские силы.)

Вариант II

1. Какую формулу предложил Бальмер для определения волны, испускаемой атомом водорода?



(Ответ:

2. Наименьший боровский радиус орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода г/ = 5,28-10-11 м. Определите радиус орбиты электрона, когда атом водорода находится на пятом энергетическом уровне.


3. Энергия атома водорода в нормальном состоянии E1 = -13,53 эВ, Определите энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если электрон перешел с первого энергетического уровня на второй, Энергия элекгрона на n-й орбите стационарного состояния атома

водорода: Еп = Е1/п2



(Ответ:10,147 эВ.)

4. Определите длину волны электромагнитного излучения атома водорода при переходе электрона с четвертого энергетического уровня на второй. Постоянная Ридберга R = 10973,31 см4.



(Ответ: 0,49 мкм.)

5. Электрон, связанный с атомом, при переходе со второй орбита на четвертую...



(Ответ: поглощает энергию.)

6. Определите минимальную энергию кванта, поглощенного ато­мом водорода, если при этом электрон перешел с первого на третий энергетический уровень. Энергия первого энергетического уровня £/ = -13,53эВ *



(Ответ: 12,02 эВ.)

7. Состояние атомов, соответствующее всем разрешенным энер­гетическим уровням, кроме низкого, называется...



(Ответ: возбужденным.)

8. Электрон в атоме водорода перешел с первого энергетического уровня на третий. Как при этом изменилась энергия атома?



(Ответ: увеличилась.)

9. Если бы движение электрона в атоме подчинялось законам классической электродинамики, то какое утверждение было бы не­верным?



(Ответ: в стационарном состоянии атом энергию не излучает.)

10. Электрон и протон движутся с одинаковой скоростью. Какой из этих частиц соответствует меньшая энергия?



(Ответ: электрону.)

ПРЕЗЕНТАЦИЯ УЧЕНИКА


Вступительное слово учителя

B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических иссле­дованиях, в машиностроении, в медицине, в вычисли­тельной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что ла­зеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершен­ствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических, химических, биологических.

B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет исполь­зование лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.

Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высо­томеры, локаторы, системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излу­чения используется лазер.

В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для соз­дания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в ка­честве активного вещества.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.

Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопас­ности посадки самолетов в сложных условиях.

В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обра­ботка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.

В пищевой промышленности исследуются возможно­сти применения лазеров для улучшения качества хлебо­продуктов, ускорения производства безалкогольных на­питков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предва­рительная обработка режущего инструмента и подшип­ников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.

Огромные средства направ­ляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

Изучение нового материала. Сообщения обучающихся
ЛАЗЕРЫ.

На вопрос о том, что такое лазер1, академик Н.Г. Басов отвечал так: “Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки”.


Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуци­рованного (вынужденного) излуче­ния света атомами. Под индуци­рованным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возник­шая при индуцированном излучении световая волна не отличается от вол­ны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.


На языке квантовой теории вы­нужденное излучение означает пере­ход атома из высшего энергетиче­ского состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излу­чении, а под влиянием внешнего воздействия.
1 Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (“усиление света при помощи индуцированного излучения”).

Лазеры. Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для уси­ления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Ба­сов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцирован­ного излучения для создания микро­волнового генератора радиоволн с длиной волны =1,27 см.

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исклю­чительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет не­зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз­ком интервале спектра кратковре­менно (в течение промежутка време­ни продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 7103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер­вал =10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. На­пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.


Объяснение учителя.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

h=E2–E1

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.


2 2

1 1


а б Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой


=

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. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна, а на ри­сунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное состоя­ние, а волна усилилась.

2 2
1 1

а б Рис. 2

Трехуровневая система. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждают­ся за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для ра­боты лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет боль­ше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные пере­ходы с верхнего уровня на нижний.

3

1 Рис. 3



2

Выход был найден в использо­вании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда ве­лико, но речь идет о “работающих” уровнях). На рисунке 3 изобра­жены три энергетических уровня. Су­щественно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находит­ся в различных энергетических со­стояниях (“время жизни”), неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается крис­таллической решетке.) “Время жиз­ни” в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромаг­нитной волны сопровождается излу­чением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы сис­тема переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается “перенаселенность” возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уров­нем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин – это ярко-красный крис­талл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свой­ствами.

Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, име­ющая форму спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковре­менный импульс тока от батареи кон­денсаторов емкостью в несколько ты­сяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится “перенаселенным”.

В результате самопроизвольных переходов 21 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах ни­какой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вы­зывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а дру­гой полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микро­секунд) импульс красного света, об­ладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рас­сказано выше. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуци­рованном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Рис. 4
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазер­ное излучение, когда на его вход (а сам он уже находит­ся в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стиму­лирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Проис­ходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуж­дают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуждённом состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких час­тиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к воз­никновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с фи­зическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного вещества исполь­зуется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергии взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излуче­ния (последние привлекают сейчас пристальное внима­ние зарубежных военных специалистов). Различают так­же лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсныx лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излу­чением. Есть лазеры и со смешанным режимом рабо­ты, например полупроводниковые. Если излучение лазе­ра сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использова­нии понятия выходной мощности. Лазеры, у которых не­прерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощнос­ти в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощ­ности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За об­ластью 100 мкм лежит,

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной доброт­ностью и ла­зеры с модулированной добротностью – у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
Твердотелые лазеры

Полупроводниковые л.


Газовые л. Электронные

Химические л. генераторы

Эксимерные л.


0,1 1,0 10 100 1000 10000 100000 мкм Рис. 5
образно говоря, “целина”. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непре­рывно сужается, и есть надежда, что его освоение завер­шится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на раз­личные типы генераторов, неодинакова (рис. 5). Наибо­лее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных гене­раторов – порядка 103 Дж. Третьей характеристикой яв­ляется мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают не­прерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использую­щие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длитель­ность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность состав­ляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, дости­гающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в не­сколько угловых минут. Расходимость луча твердотель­ных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупровод­никовые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10...15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено из­лучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, кото­рые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердо­тельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принима­ются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения ла­зеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
Сообщения обучающихся
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Функцио­нальная схема такого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока кон­денсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок кон­денсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпря­мительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденса­торы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напря­жение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещест­ва рубинового стержня, то рассмотрим его устрой­ство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина смен­ные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заме­щена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой темпе­ратуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их де­лают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внут­ренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

Блок


поджига
Излучающая Пульт

головка управления

Блок Выпрямительный

конденсаторов блок



Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора
ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Для таких лазеров в качестве активного вещества ис­пользуют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает полу­чение непрерывного стимулированного излучения, по­скольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают пере­ход на один из четырех верхних подуровней (рис. 7). В связи с тем, что перераспределение энергии при столк­новении двух частиц происходит с минимальным изме­нением общей внутренней энергии, то атомы неона пере­ходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 про­исходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из че­тырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретиче­ски имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

E, э-В
He+ Ne+

25
20 2


19 3

4

He Ne



0 1 1
Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.

ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.

В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэле­ктрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жид­костях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно за­полнять любой объем, а это облегчает охлаждение ак­тивного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения жидких активных ве­ществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излуче­ния жидкое вещество помещали в резонатор со сфери­ческими зеркалами, подобный тем, которые использу­ют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в не­прерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с актив­ным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подвод­ных локаторов.


ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 8). Нижняя пред­ставляет собой валентную зону, а верхняя – зону прово­димости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В ре­зультате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют “дырками”. Эти дыр­ки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

E


Зоны

Проводимости Е-заполнение


Электроны

Е-запрещение

Дырки

Е-незаполнение



Валентная зона

Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера.




ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.

Химическим лазерам приписывают практическое ис­пользование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической ре­акции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электриче­ской энергии. Вся необходимая энергия может быть по­лучена за счет химической реакции. В одном из наи­более перспективных химических лазеров основные про­цессы могут быть представлены следующей серией ре­акции

F + H2 HF* + Н;

H + F2 HF* + F;

HF* HF + h.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ЛАЗЕР.

Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапа­зона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего вре­мени показали, что могут быть созданы и лазеры вы­сокой мощности. Для этого пригодны так называе­мые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.


ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ.

Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятиви­стских электронов в магнитном поле в излучение в опти­ческом диапазоне волн. Из рис. 9 видно, что ускори­телем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в уст­ройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оп­тическое излучение, которое и выводится наружу. По­скольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важ­ным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспе­чения более эффективного прохождения излучения в ат­мосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах.

Рис. 9. Схема лазера на свободных электронах:

1-зеркало; 2-пучок электронов; 3-луч лазера; 4-знакопеременное

магнитное поле; 5-ускоритель электр.

ЛАЗЕР НА ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ (ИАГ).

Этот лазер получил широкое распространение, благо­даря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать гене­рацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, мак­симальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторе­ния – 500, кпд около 1 %.


АПРОТОННЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.

Свое название этот лазер получил потому, что в не­органических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd3+ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неоди­ма.

Эти лазеры имеют в своей основе токсичные и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значи­тельно сужает выбор возможных конструкционных мате­риалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабо­чей жидкости.

Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генера­ции, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.




ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕДИ.

Одним из достижении лазерной техники является по­лучение стимулированного излучения от среды, образо­ванной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обес­печивающей получение высокой температуры в газораз­рядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредо­точено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, дохо­дящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии населенности для получения достаточно малой расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.


Литература.

1. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ, 1988.

2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Оптика и атомная физика. – М.: Просвещение, 1981.

3. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. Для 11 кл. – М.: Просвещение, 1993.



4. Савельев И.В. Курс общей физики: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука, 1987.

5. Орлов В.А. Лазеры в военной технике. – М.: Воениздат, 1976.



База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал