Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Лазерът (от английски Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) е устройство, което използва феномена на стимулирано излъчване, за да произведе вълна от светлина.

От изобретяването си лазерът е намерил много приложения в индустрията, медицината, както и в ежедневието. Четците на CD, DVD и Blu-ray дискове разчитат на лазер, за да насочи лъча си към повърхността на диска. Този лъч, след отражение от повърхността на диска, променя свойствата си и след като удари детектора, ви позволява да прочетете информацията, записана на диска.

В много изследвания - и приложения - физиците биха искали да имат такива вълни, както е показано схематично на фиг. 1:

    със строго хармонична (синусоидална) зависимост от времето, както и от позицията на линията, съответстваща на посоката на движение на вълната;
  1. с вълнови повърхности, които биха били равнини, перпендикулярни на посоката на вълните;
  2. с образуването на "успореден лъч" , който не се разминава в страни.

Стриктното спазване на тези условия е просто невъзможно. Въпреки това, светлината, произведена от лазери, е относително близка до тях.

Ориз. 1. Схематично представяне на идеална вълна

Просто обяснение как работи лазерът

Лазерното лъчение е кохерентно, силно насочено електромагнитно лъчение с висок интензитет и много тясна честотна лента. Движейки се по електромагнитния спектър, лазерното лъчение се простира от далечния инфрачервен до видимия и рентгеновия спектър.

Думата "лазер" се отнася както за устройството, така и за физическия ефект. Лазерът е съкращение, което означава "усилване на светлина чрез стимулирано излъчване" .

Лазерът се нуждае от поне три компонента, за да произведе светлина с такова качество.

Първо, имате нужда от лазерна среда, която до голяма степен определя свойствата на лазера. Чрез оптични преходи на възбудени атоми или молекули към енергийно предпочитани състояния, вие генерирате фотони в тази среда. Има различни видове лазерни среди като газове, кристали или диоди.

След това е необходим лазерен изпомпващ механизъм (източник на енергия), с помощта на който е възможно да се снабди средата с необходимата енергия за възбуждане на преходи. Това може да бъде например флаш лампа или електрически разряд в газове.

И накрая, имате нужда от оптичен резонатор. Това е повече или по-малко сложна система от огледала и други оптични елементи. С резонатор вие осигурявате обратна връзка и по този начин стимулирате излъчване.

В зависимост от избора на тези отделни компоненти, има различни видове лазери, които се различават по постижима мощност и честотна характеристика.

Обяснение на рубинен лазер.

На Фигура 2 е показан рубинен лазер в изключително опростено състояние.

Ориз. 2. Опростена схема на рубинен лазер

Основното му тяло е рубинена пръчка, обикновено с диаметър няколко милиметра и дължина няколко сантиметра. Краищата му са много внимателно полирани и покрити със слой сребро. Отляво има огледало, което напълно отразява светлината, отдясно е огледало, което отразява по-голямата част от светлината, но пропуска малко светлина. Въдицата е осветена със силна ултравиолетова светлина.

Да предположим, че вълна с определена дължина произволно се появи в рубинената пръчка и върви хоризонтално надясно. Докато се движите през средата, нейната амплитуда ще се увеличи.Вълната ще се отразява последователно от дясното и от лявото огледало. В резултат на това ще се появи вълна, подобна на стояща вълна, която запълва целия обем на пръта. Част от тази вълна ще излезе през дясното огледало - това ще бъде лазерното лъчение, което ни интересува. Трябва да се прилага законът за запазване на енергията - енергията на тази вълна идва от енергията на ултравиолетовото лъчение, осветяващо рубинения прът.

Лазерно устройство

Три компонента - работна течност (работна среда), помпен механизъм и оптична кухина - са общи за всеки лазер. Те определят вида на лазера и какво можете да постигнете с него. След това ще говорим за трите компонента по-подробно.

Ориз. 2. Лазерно устройство: оптичен резонатор с работна среда и път на лъча

Работно тяло (работна среда)

Генерирате фотони в работната среда на лазер. Това излъчване възниква чрез оптични преходи във възбудени атоми или молекули.В резултат на тези преходи частиците преминават в енергийно по-изгодни състояния. Най-важното условие на лазерната среда е възможността за създаване на ефект на инверсия на електронното население.

За да направи това, той трябва да има поне три енергийни нива. Енергийните нива са собствените стойности на енергията на квантово-механичните системи. Атом или молекула може да бъде само на едно от тези нива. Най-ниското ниво е основното състояние, а всички останали са възбудени състояния.

Инверсията на електронните популации означава, че е по-вероятно горното състояние на оптичния преход да бъде заето от долното. Такива среди могат да бъдат газообразни, течни или твърди.

Помпен механизъм

Оптичното изпомпване е процесът, чрез който добавяте енергия към среда. Това се прави чрез възбуждане на работната среда с външен източник на енергия, като други лазери или светкавица.По този начин инверсията на електронните популации се постига без процесът на изпомпване да се конкурира със стимулираното излъчване. Следователно се изпомпва различен квантов механичен преход от този, който в крайна сметка се използва за излъчване на фотони.

Оптичен резонатор

С помощта на оптичен резонатор определяте скоростта на излъчване и свойствата на фотоните. С отражението позволявате на отделни фотони да преминават през средата многократно. Това предизвиква допълнително излъчване в желаната посока и ви позволява да усилите светлината.

За целта фотоните трябва да се разпространяват перпендикулярно на отразяващата среда. Излъчените по този начин фотони имат същите квантови числа като изстреляните фотони. Всички спонтанни изхвърляния, които могат да възникнат, няма да генерират допълнителни фотони сами по себе си, тъй като е много малко вероятно те да бъдат излъчени перпендикулярно на отразяващата среда.

Този избор води до много тясна посока на лазерния лъч.

Лазерни функции

Вие възбуждате атомите или молекулите на лазерната среда до по-високи енергийни нива. Така създавате лазерен лъч. Тези енергийни нива имат възможно най-дългото средно време на разпад. По този начин вие поддържате вероятността от спонтанно излъчване възможно най-ниска и енергията на процеса на изпомпване се запазва по-дълго. Непрекъснатото изпомпване създава желаната инверсия на електронните популации. Това означава, че повече частици са в едно от своите възбудени състояния, отколкото в основно състояние.

Сега, за да може възбуденият атом да се върне от своето възбудено състояние в основно състояние, е необходимо само да го стимулираме с фотон. При това той излъчва фотон в същата посока и със същата енергия като оригиналния фотон. В този случай еднаква енергия означава, че новият фотон има същата честота и дължина на вълната като оригиналния фотон. Фазовата позиция на двата фотона също е еднаква.

Както беше описано по-рано, фотоните се отразяват в резонатора и преминават през средата няколко пъти. Този процес води до верижна реакция, при която се произвеждат все повече и повече фотони, които от своя страна произвеждат все повече и повече фотони и така нататък

Едната страна на резонатора е частично пропусклива, което позволява лазерният лъч да бъде отклонен. В резултат на това отразяващата способност на резонатора се запазва и се получава допълнително излъчване.

Спонтанно излъчване

Спонтанното излъчване е квантов механичен феномен. Това се случва, когато атоми или молекули излъчват фотони, докато се движат от по-високи енергийни нива към по-ниски. Невъзможно е да се предвиди този вид радиация. Това е процес на разпад, чиято поява може да бъде оценена с известна вероятност.

И така, спонтанното лъчение е лъчение, излъчвано по време на спонтанния преход на атом от възбудено състояние към основно състояние.

Спонтанното излъчване на различни атоми възниква непоследователно, тъй като всеки атом започва и завършва излъчването си независимо от останалите.

Математически това може да се изрази по следния начин:

Формулата казва, че броят N на спонтанни емисии или възбудени частици за обем V и време t е пропорционален на плътността на броя на частиците n във възбудено състояние.

Стимулирана емисия

Лазерната работа се основава на стимулирано излъчване. Тук излъчването на фотон не възниква спонтанно.

Припомнете си, че когато един атом преминава от стационарно състояние с по-висока енергия към състояние с по-ниска енергия, той излъчва квант енергия (фотон). Такова излъчване може да бъде спонтанно. В същото време атомите излъчват фотони с различни честоти, което се определя от преходи към различни енергийни нива.

Възможно е да накарате атом във възбудено състояние да излъчва енергия под въздействието на външни фактори, например под въздействието на падаща върху него светлина. Такова излъчване се нарича стимулирано (индуцирано).

Да приемем, че един атом може да премине от състояние с енергия 2 в състояние с енергия 1 и да излъчи фотон
с енергия hv=E2- E1Ако той взаимодейства с фотон със същата честота, тогава вероятността от стимулирано излъчване е достатъчно голяма и в резултат се получават два фотона с еднаква честота. Така излъчената светлинна вълна не се различава оттази, която пада върху атома. Има същата честота и фаза.

[2]

За да се създаде стимулирано излъчване, е необходимо да се увеличи броят на атомите с високо енергийно ниво. Това може да се направи с помощта на вещества, чиито атоми могат да бъдат във възбудено състояние за дълго време, без да излъчват спонтанно.

Надлъжни режими

В зависимост от конструкцията на резонатора в него могат да се образуват различен брой стоящи вълни с определена дължина. По този начин определени дължини на вълните и техните кратни могат да бъдат специално усилени от такъв резонатор. Тези различни режими на вибрация се наричат режими. С броя на надлъжните модове знаете колко вълни могат да осцилират в резонатора.Трептенията по посока на разпространение на радиацията се наричат надлъжни. Това са пикове и спадове на интензитета на интервали от половината дължина на вълната.

Лазерите правят разлика между едномодови лазери, които осцилират почти с еднаква честота, и многомодови лазери.

Напречни моди

Режимът на срязване се отнася до фазовото разпределение на вълната, перпендикулярно на посоката на разпространение. Следователно, режим, който не е перпендикулярен на резонаторните огледала, води до честотно изместване на лазера. Причината за това е увеличаването на дължината на резонатора, което сега води до образуване на стоящи вълни с възли в лазерния профил.

Ако използвате цилиндричен резонатор, вашият лъч е идеално гаусов. При използване на режими, които не са перпендикулярни на огледалата на резонатора, вместо това се формират профили с радиална и ъглова зависимост. Те променят дължината на резонатора, тъй като дължината на пътя между огледалата се променя. Това може да изкриви спектрите на надлъжния режим, тъй като различни напречни режими се наслагват един върху друг.

Свойства на лазера

Невъзможно е да се направи общо изявление за свойствата на лазера. Всъщност те се определят от различни аспекти. На първо място, резонаторът на лазера определя неговото качество. В този контекст също не е вярно, че лазерите винаги са тесни лъчи с малка ширина на честотата.

Въпреки това е вярно, че лазерите могат да се използват за отлично манипулиране на светлината и техните свойства позволяват лъчите да бъдат групирани много плътно. Това позволява да се постигне много висока плътност на мощността.

Най-важните свойства на лазерите са кохерентност, поляризация и честота или дължина на вълната.

За разлика от други източници на светлина, лазерната светлина се състои от повече от една дължина на вълната. Вълните също са почти фазово синхронни една с друга. Оттук идва терминът „дължина на кохерентност“. Този термин дава представа за разстоянието, на което лазерните вълни са във фаза.

Поляризацията на напречна вълна описва посоката на нейните трептения.В лазерите всички вълни имат еднаква поляризация. Това е предимно линейна поляризация, но в зависимост от приложението се установяват и други поляризации. Различни поляризации се постигат с оптични компоненти в резонатора или в пътя на лъча.

Дължината на лазерната вълна се определя от работната среда. В зависимост от енергийните преходи, средата може да бъде възбудена да генерира при различни дължини на вълната или само в много тясна честотна лента.

Лазерни опасности

В зависимост от мощността лазерите причиняват увреждане на биологичните тъкани.

Миливатите мощност вече нараняват окото. Лещата фокусира паралелен лазерен лъч върху ретината на окото. Това причинява увреждане на ретината на окото, което води до частична слепота.

По-високите нива на мощност причиняват увреждане на кожата, подобно на слънчево изгаряне, което също може да причини рак на кожата. Това увреждане може да стигне до тежки изгаряния.

Трябва да се обърне специално внимание на дифузната светлина. Лазерното лъчение, вече отразено от стена или друга повърхност, причинява съответните щети. Следователно винаги трябва да се вземат предвид предпазните мерки при работа с лазери.

Използване на лазер

Развитието на лазера значително промени нашия свят. Прониква във всички сфери на живота ни.

В ежедневието лазерите могат да бъдат намерени в лазерните принтери и във всяко оптично устройство - от компактдискове до плейъри за Blue-Ray дискове. Но вероятно знаете лазерната показалка, чието име съдържа думата "лазер" . Лазерите също се използват всеки път, когато пазарувате на касата, за да идентифицирате баркодовете на артикулите. Разбира се, има много други приложения в ежедневието.

Но лазерите се използват постоянно и в събирането на данни, индустрията, медицината, науката и военните.

Използването на лазери направи революция в електронните комуникации.Оказа се, че лазерът може да се използва като мощен генератор на високочестотни вълни, включително такива с честота, равна на честотата на видимата светлина. И тази честота може да се използва като носеща честота при предаване на радио или телевизионни сигнали. Информационният капацитет на този метод за предаване на информация е многократно по-голям от всички предишни: например изчисленията показват, че в един лазерен лъч могат да се поберат до 80 милиона телевизионни канала или до 50 милиарда едновременни телефонни разговори!

[4]

С помощта на лазери беше възможно да се създадат триизмерни изображения, които се наричат холографски. Гледайки холограмата от различни ъгли, можете да видите обекта, изобразен върху нея от различни страни: например, върху холограмата можете да „погледнете зад обектите, разположени на преден план.

Както виждате, лазерите не са просто устройства от научната фантастика. Лазерите са неразделна част от нашето ежедневие.

Списък с литература

    Физика, основно ниво, 11 клас, учебник - Пуришева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
  1. V.A. Касянов напреднало ниво по физика 11 клас
  2. Уилям Т. Силфваст. Основи на лазера. - Ню Йорк: Cambridge University Press, 1996. - ISBN 0-521-55617-1. (английски)
  3. Генденщайн Лев Елевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 клас

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Сграда