Лазеры

Лазеры Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

«усиление света при помощи индуцированного излучения» Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-

Макс Планк 1900 год – М. Планк выдвинул идею о том, что вещество излучает и поглощает свет отдельными порциями – квантами год – М. Планк выдвинул идею о том, что вещество излучает и поглощает свет отдельными порциями – квантами.

Нильс Бор 1913 год – Н. Бор показал, что энергия атома квантована, т.е. может принимать ряд дискретных значений год – Н. Бор показал, что энергия атома квантована, т.е. может принимать ряд дискретных значений. При переходе атома с уровня энергии на уровень, излучается фотон При переходе атома с уровня энергии на уровень, излучается фотон

Альберт Эйнштейн 1917 год – А. Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) 1917 год – А. Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) излучения света излучения света атомами. атомами.

Спонтанное излучение В возбуждённом состоянии атом находится около с, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света.

Спонтанное излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и объясняется неустойчивостью его возбуждённого состояния.

Вынужденное излучение Вынужденное излучение Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время его жизни в возбуждённом состоянии сокращается, а излучение уже будет вынужденным или индуцированным. Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 г А. Эйнштейном.

Индуицированное излучение Вынужденное излучение происходит в результате воздействия на возбуждённый атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его спонтанного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и к первичному фотону добавляется ещё один фотон, ничем не отличающийся от первого. Падающее на атом излучение удваивается, затем может образоваться «лавина» фотонов.

В. А. Фабрикант 1940 год – В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн год – В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.

Индуцированное (вынужденное) излучение- Излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света Излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света возникшая при индуцированном излучении волна не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой возникшая при индуцированном излучении волна не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой

В 1954 г Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали принцип генерации и усиления радиоволн, используя явление индуцированного излучения, и создали первый «мазер» - мощный излучатель радиоволн г. в США был создан первый лазер в видимом диапазоне спектра. В настоящее время ведутся работы по созданию лазеров в рентгеновском и гамма-диапазоне, что позволит использовать лазеры для осуществления управляемого термоядерного синтеза. В 1954 г Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали принцип генерации и усиления радиоволн, используя явление индуцированного излучения, и создали первый «мазер» - мощный излучатель радиоволн г. в США был создан первый лазер в видимом диапазоне спектра. В настоящее время ведутся работы по созданию лазеров в рентгеновском и гамма-диапазоне, что позволит использовать лазеры для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

В 1963 г за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии В 1963 г за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии Н.Г.Басов А.М.Прохоров Ч. Таунс

ЖОРЕС АЛФЁРОВ – ЛАУРЕАТ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ ЗА 2000 ГОД Жорес Иванович Алферов - автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров. Жорес Иванович Алферов - автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров.

Квантовые генераторы Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

Принцип работы лазеров Лазеры создают когерентное излучение очень большой мощности. Необходимое условие когерентного излучения – создание инверсии заселенностей энергетических уровней (на уровне находится больше атомов, чем на уровне ) Лазеры создают когерентное излучение очень большой мощности. Необходимое условие когерентного излучения – создание инверсии заселенностей энергетических уровней (на уровне находится больше атомов, чем на уровне )

Принцип действия лазера

ЛАЗЕР – компьютерная двухуровневая модель

Трёхуровневая система лазера При работе лазера часто используется система трёх энергетических уровней атома, второе из которых – метастабильное со временем жизни атома в нём до с.

Трехуровневая система Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома

Рубиновый лазер

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Рубиновый лазер На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Служит для передачи атомам хрома квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Очень быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня.

Рубиновый лазер Один из торцов стержня зеркальный (для как можно большей задержки фотонов внутри стержня и вызывания как можно большего числа актов вынужденного излучения), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение). Боковая поверхность стержня непрозрачная.

Кристалл рубина ( с примесью хрома – 0,05%) позволяет реализовать состояние инверсии. Кристалл рубина ( с примесью хрома – 0,05%) позволяет реализовать состояние инверсии. Кристалл рубина Кристалл рубина Торцы рубинового стержня – 2 взаимно параллельные зеркальца, одно – полупрозрачное, выполняют роль оптического резонатора. Торцы рубинового стержня – 2 взаимно параллельные зеркальца, одно – полупрозрачное, выполняют роль оптического резонатора. Торцы рубинового стержня Торцы рубинового стержня Направление оси рубинового стержня – направление, вдоль которого будет реализовано генерация лазерного излучения. Направление оси рубинового стержня – направление, вдоль которого будет реализовано генерация лазерного излучения. Направление оси рубинового стержня Направление оси рубинового стержня

Свойства лазерного излучения 1) Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. 2) Все фотоны лазерного излучения имеют одинаковую частоту (монохроматичность) и одно и то же направление (согласованность). 3) Лазеры являются мощными источниками света (до 10 9 Вт, т.е. больше мощности крупной электростанции).

Полупроводниковые Жидкостный лазер на красителях. импульсный газовый газодинамический Виды лазеров

Говоря о лазерах, обычно упоминают о режиме его работы (импульсный лазер, непрерывный лазер), вид рабочего вещества (твердотельный, жидкостный или газовый лазер), его материал (гелий-неоновый лазер, рубиновый, лазер на стекле) или цвет его излучения (синий лазер, красный, инфракрасный). Говоря о лазерах, обычно упоминают о режиме его работы (импульсный лазер, непрерывный лазер), вид рабочего вещества (твердотельный, жидкостный или газовый лазер), его материал (гелий-неоновый лазер, рубиновый, лазер на стекле) или цвет его излучения (синий лазер, красный, инфракрасный).

Газовый лазер Трубка газового лазера во время работы светится, как газосветная реклама. По ее цвету можно узнать, на каком газе работает лазер. Трубка газового лазера во время работы светится, как газосветная реклама. По ее цвету можно узнать, на каком газе работает лазер.

Газодинамический лазер В мощном газодинамическом лазере свет рождает струя раскаленного газа при давлении в десятки атмосфер. В мощном газодинамическом лазере свет рождает струя раскаленного газа при давлении в десятки атмосфер.

Полупроводниковый лазер В полупроводниковом лазере излучает слой между двумя полупроводниками P-и n-типа. В полупроводниковом лазере излучает слой между двумя полупроводниками P-и n-типа. Весь лазер вместе с электрическими контактами получается чуть больше пуговицы. Весь лазер вместе с электрическими контактами получается чуть больше пуговицы.

Лазеры на красителях Рабочее вещество лазера на красителях – жидкость: раствор органических красителей или солей редких металлов. Рабочее вещество лазера на красителях – жидкость: раствор органических красителей или солей редких металлов.

Применение лазеров Лазер это поистине великое изобретение ХХ века, нашедшее применение во многих отраслях человеческой деятельности. Лазер это поистине великое изобретение ХХ века, нашедшее применение во многих отраслях человеческой деятельности.

«Профессии» лазера

Применение лазеров: медицина промышленность связь Военное дело строительство

Медицина Лазерная хирургия стала незаменимой частью современной медицины и используется для лечения многих болезней. Лечение опухолей. Лазерная хирургия стала незаменимой частью современной медицины и используется для лечения многих болезней. Лечение опухолей.

Лазер в медицине

Производственная сфера На предприятиях лазеры используются для более качественного изготовления изделий. Лазер режет, сваривает и кует. На предприятиях лазеры используются для более качественного изготовления изделий. Лазер режет, сваривает и кует.

Воспроизведение CD и DVD дисков Полупроводниковые лазеры используют для воспроизведения дисков различных форматов. Линии связи. Обработка материалов. Лазерный гироскоп. Голография. Полупроводниковые лазеры используют для воспроизведения дисков различных форматов. Линии связи. Обработка материалов. Лазерный гироскоп. Голография.

Лазер в информационных технологиях Лазерный принтер Лазер, сопряженный с волокном

Военная промышленность Лазерные прицелы применяют для упрощения процесса прицеливания. Лазерные прицелы применяют для упрощения процесса прицеливания. Лазерное оружие. Противоракетные системы. Оптический локатор

Наука В научной сфере лазеры нашли широкое применение: в химии часто используются как катализаторы, в физике для различных опытов, для стимуляции роста растений, Локация небесных тел. Эталон длины. Лазерный термоядерный синтез. Сверхскоростная фотография. Разделение изотопов. Спектроскопия, и т. п. В научной сфере лазеры нашли широкое применение: в химии часто используются как катализаторы, в физике для различных опытов, для стимуляции роста растений, Локация небесных тел. Эталон длины. Лазерный термоядерный синтез. Сверхскоростная фотография. Разделение изотопов. Спектроскопия, и т. п.

Применение лазеров - Обработка материалов (резание, сварка, сверление); - В хирургии вместо скальпеля; - В офтальмологии; - Голография; - Связь с помощью волоконной оптики; - Лазерная локация; - Использование лазерного луча в качестве носителя информации.

1916 – 1960 г - «Золотой век» создания чудесного луча Первый лазер на рубине

«Создание лазеров не только коренным образом изменило оптику, но и оказало огромное влияние на многие области современной физики, химии, кибернетики, биологии, медицины, технологии. Сейчас мы видим, что когерентный свет открыл новые, совершенно неожиданные возможности для решения кардинальных проблем нашей бурно развивающейся цивилизации – энергетической, информационной, технологической. Широкое применение лазеров означает качественное преобразование в производительных сферах общества, подобное внедрению в производство и жизнедеятельность человека электричества».(Н. Г. Басов) «Создание лазеров не только коренным образом изменило оптику, но и оказало огромное влияние на многие области современной физики, химии, кибернетики, биологии, медицины, технологии. Сейчас мы видим, что когерентный свет открыл новые, совершенно неожиданные возможности для решения кардинальных проблем нашей бурно развивающейся цивилизации – энергетической, информационной, технологической. Широкое применение лазеров означает качественное преобразование в производительных сферах общества, подобное внедрению в производство и жизнедеятельность человека электричества».(Н. Г. Басов)