ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 4 Принцип работы лазера и основные свойства лазерного излучения. Лидары. Астапенко В.А., д.ф.-м.н. 1
Основные резонансные фотопроцессы в дискретном энергетическом спектре 2 Фотопоглощение (а), спонтанное излучение (b) и вынужденное излучение (c)
Свойства вынужденного излучения Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток фотонов распространяется в том же направлении, что и первоначальный возбуждающий фотонный поток. Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны. Вынужденный поток фотонов когерентен возбуждающему, т.е. имеет те же фазовые характеристики 3
Принцип работы лазера L i g h t A m p l i f i c a t i o n by S t i m u l a t e d E m i s s i o n of R a d i a t i o n Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). 4
Рабочий переход в лазерной активной среде 5
а - трёхуровневая и б - четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера 6
Условие лазерного усиления 7
Развитие процесса генерации в лазере 8
Оптический резонатор 9
Пичковый режим работы лазера 10 Временные зависимости нормированной инверсии населенностей (сплошная кривая) и нормированной концентрации фотонов (пунктир), являющиеся решением системы балансных уравнений, T 1 = 100 τ c, N e = 10 N th
Временные зависимости нормированной инверсии населенностей (сплошная кривая) и нормированной концентрации фотонов (пунктир), являющиеся решением системы балансных уравнений, T 1 = 10 3 τ c, N e = 10 N th 11
Основные свойства лазерного излучения 1. Высокая спектральная яркость 2. Монохроматичность 3. Временная когерентность 4. Узкая угловая направленность 5. Возможность генерации ультракоротких импульсов 12
13 п/п Фирма, страна, мкм τ, фсР, ВтI, Вт/см Lawrence Livermore Nat. Lab. (USA) California Univ. (USA) Michigan Univ. (USA) Texas Univ. (USA) > Rutherford Lab. (Great Britain) Astra (Great Britain) > Institute of Laser Engineering. (Japan) Jap. Atomic Energy Agency (Japan) MBI (Berlin, Germany) ATLAS (Germany) LULI (France) LOA (France) Lund (Sweden) Changhai Inst. Opt. (China) ИПФ (г. Нижний Новгород, Россия) НИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Россия) ЦНИИмаш (г. Королев, Россия) ГОИ (г. Санкт-Петербург, Россия) ИОФАН (г. Москва, Россия) МГУ (г. Москва, Россия) ВНИИТФ (г. Челябинск, Россия) Параметры мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса
Петаваттный лазер в Техасском университете. Слева - усилитель (синие блоки) 14
Типы лазеров 1. Газовые 2. Твердотельные 3. Полупроводниковые 4. Жидкостные (на красителях) 5. Эксимерные (Eximer – excited dimer) 6. Лазеры на парах металлов 7. Лазеры на свободных электронах 15
Первый лазер на рубине Спектры излучения рубина: (а) спонтанное излучение при слабой накачке, (б) стимулированное излучение при сильной накачке (из оригинальной статьи Т. Меймана, Nature, v.187, p.494, 1960) 16
Схема рубинового лазера 17
Устройство и принцип работы гелий- неонового лазера 18
19 Рабочее тело Длина волны Источник накачки Применение Рубиновый лазер нм Импульсная лампа Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера Алюмо-иттривые лазеры с легированием неодимом (Nd:YAG) мкм, (1.32 мкм) Импульсная лампа, лазерный диод Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия научные исследования, накачка других лазеров. Лазер на ванадате иттрия (YVO 4 ) с легированием неодимом (Nd:YVO) мкм Лазерный диод Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике. Лазер на неодимовом стекле (ND:Glass) ~1.062 мкм (силикатные стекла), ~1.054 мкм (фосфатные стекла) Импульсная лампа, лазерный диод Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Титан-сапфировый лазер 650 – 1100 нм Другой лазер Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования. Алюмо-иттривые лазеры, легированные тулием (Tm:YAG) 2.0 мкм Лазерные диоды Лазерные радары Алюмо-иттривые лазеры с легированием иттербием (Yb:YAG) 1.03 мкм Импульсная лампа, лазерный диод Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мульти фотонная спектроскопия, лазерные дальномеры Различные виды твердотельных лазеров и их области применения
Лазеры на красителях 20 Краситель Центр линии люминесценции, нм Рабочая область лазера, нм Область накачки, нм Приемлемая концентрация, 10 3 моль/л Карбостирил ,5 Кумарин Кумарин Кумарин Кумарин Кумарин Кумарин ,5 Флуоресцин ,7 Родамин 110 (R110) ,5 Родамин 6Ж (R6G) Родамин Б (RB) R101/R6G ,5 R101 1,5 R6G Крезил- виолет/R6G ,4 Нильский голубой ?1 Оксазин 1(4) ,6 DEOTC-P(4) HITC-P(4)
Простейшая реализация п/п лазера на прямозонном полупроводнике типа GaAs с фотонной накачкой 21
ДИОДНЫЙ ЛАЗЕР НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Многократное увеличение области излучения (в 10 раз) Снижение порога катастрофического разрушения (в 10 раз) Уменьшение угловой расходимости излучения (в 3-5 раз) Увеличение выходной мощности (в 5-10 раз) Обеспечение надежности работы при больших мощностях Создана принципиально новая конструкция диодных лазеров Стандартный ДЛ ДЛ нового типа 30-50° 5-10°
Принцип действия импульсного лазерного дальномера 23 Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые. Импульсный лазерный дальномер это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
Лидар 24 Определение: лидар транслитерация с английского выражения Light Detection and Ranging Назначение: прибор, реализующий технологию получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения излучения и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лазерный дальномер – одна из реализаций лидара. В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.
Применение лидаров 25 Исследования атмосферы: Измерение скорости и направления воздушных потоков; Измерение температуры атмосферы. Исследования Земли: Космическая геодезия; Авиационная геодезия. Строительство и горное дело. Морские технологии: Измерение глубины моря; Поиск рыбы. Транспортные применения: Определение скорости транспортных средств; Системы активной безопасности. Промышленные и сервисные роботы.
ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР ИМПУЛЬСНЫЙ ЛДИ- 3-1М Малогабаритный переносной лазерный дальномер-бинокль предназначен: для измерения расстояния до различных морских, наземных и воздушных целей, как при хорошей видимости, так и в сложных метеоусловиях (дождь, туман, снегопад); для ведения наблюдений за окружающей обстановкой. Технические характеристики: диапазон измерения дальности 60 … м; среднее квадратическое отклонение определения дальности не более 3,5 м; увеличение визирного канала 7,5 крат; длина волны лазерного излучения 1079 нм; масса прибора 1,3 кг.
ЛАЗЕРНЫЙ ПРИЦЕЛ-ДАЛЬНОМЕР ЛПД Лазерный прицел-дальномер предназначен для работы в составе унифицированного прибора-наводчика объектов бронетанковой техники. Позволяет вести визуальное наблюдение с переменной кратностью и определять дальность до быстродвижущихся целей. Технические характеристики: диапазон измерения дальности до 20 км; средняя квадратическая погрешность измерения дальности ± 5 м; частота измерений 5 Гц; увеличение визирного канала 2,5 и 12 крат; длина волны лазерного излучения 1064 нм; масса прибора 5 кг.
ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ТАХЕОМЕТР КТД-3 Лазерный электронный тахеометр предназначен для измерения расстояния до естественных объекта и его угловых координат с высокой точностью при топографической съемке местности. Технические характеристики: диапазон измерения дальности 100 … м; средняя квадратическая погрешность измерения: дальности не более 0,2 м; горизонтальных углов 2; вертикальных углов 3; увеличение визирного канала 25 крат; длина волны лазерного излучения 1079 нм; масса прибора 8 кг.