Лазер, устройство и принцип действия

 

Лазер или оптический квантовый генератор- это устройство, преобразующее энергию накачки (энергию подводимую к активной среде) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Другими словами, это устройство, преобразующее энергию накачки в более качественную энергию – энергию электромагнитного поля (лазерный луч).
        Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительные расстояния. Преимуществом лазера является то, что его луч можно сфокусировать в очень маленькое пятнышко диаметром порядка световой волны и получить плотность энергии, превышающую плотность ядерного взрыва. К преимуществам лазера также относится то, что лазерный луч является самым емким носителем информации.

Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества.
Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические (основанные на комбинации нескольких цветов) твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот в широком спектральном диапазоне.

Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля.

В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов.

Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн, уровня генерируемой мощности или энергии. Оно во многом определяется также тем, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение.

В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. При прохождении электромагнитной волны через вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия, вычисляемая по формуле

hv=E₂-E₁

Тогда если большую часть атомов возбудить, то волна будет усиливаться, а не ослабевать. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшее состояние излучая при этом волны, совпадающие по частоте и фазе спадающей волной.

 Следовательно, почти Мазер- устройство, схожее с лазером, но имеющее с ним существенные различия. Квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны (волны, разность фаз которых остается постоянной с течением времени) сантиметрового диапазона (микроволны). Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях.

Каждый лазер должен состоять из:

1. Активного элемента (активной среды)

2. Элемента накачки      

3. Резонансного оптического усилителя (системы обратной связи)

4. Схемы отвода генерируемой мощности (только в мощных лазерах)

Главное различие - длина волны генерируемого излучения. Мазер работает в радиодиапазоне, а лазер начиная с инфракрасного излучения и до рентгена.

 

 

Свойства лазерного излучения (принципы работы лазера)

 

Лазерный луч - это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, может излучаться на дальние расстояния, возвращаясь обратно. Температура, до которой нагревается объект, определяется плотностью поглощенной мощности излучения, которая зависит от мощности излучения, ее распределения по облучаемой поверхности и поглощательной способности объекта.

Другим преимуществом лазеров является то, что лазеры – мощные источники света, превосходящие даже солнце (мощность излучения лазера 10¹⁷ Вт/см², а солнца 7*10³ Вт/см²)

Длину волны лазерного излучения выбирают так, чтобы обеспечить максимальное поглощение излучения веществом. Например, для обработки металлов используют излучение видимого и ближнего ИК–диапазона, а стекол — среднего ИК–диапазона.

При использовании импульсных лазеров длительность воздействия определяется длительностью импульса излучения.                                                      
Частота следования импульсов определяет производительность обработки.

 

 

Спектр лазерного излучения. Монохроматичность

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр.
В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»).