Лазер принцип работы

Как работает лазер, принцип действия, устройство, виды

Лазеры (или оптические квантовые генераторы) — это одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних десятилетий, одно из «чудес» XX века. У оптических квантовых генераторов, несомненно, блестящее будущее, так как область их применения поистине безгранична: с помощью лазеров изучают плазму, ускоряют химические реакции, следят за движением искусственных спутников Земли, производят разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Так, например, используя лазерное излучение было определено расстояние до Луны с точностью до 100 метров. Если обычная современная вычислительная машина может в секунду произвести несколько миллионов арифметических действий, то вычислительная машина с использованием луча ОКГ за ту же секунду может произвести несколько сотен или тысяч миллионов операций.

Как работает лазер

Все оптические квантовые генераторы состоят их внешнего источника накачки, активной лазерной среды, оптического резонатора. С помощью источника накачки внешняя энергия направляется к оптическому квантовому генератору. Активная лазерная среда, находящаяся внутри, в зависимости от конструкции может состоять из кристаллического тела (YAG-лазер), смеси газа (CO₂-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). При подаче энергии через систему накачки в активную лазерную среду выделяется энергия в форме излучения. Активная лазерная среда находится в так называемом «оптическом резонаторе» между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. В резонаторе происходит усиление излучения активной лазерной среды, а в то же время часть излучения способна выходить из оптического резонатора через полупрозрачное зеркало. Таким образом собранное в пучок электромагнитное излучение оптического (светового) диапазона и представляет собой лазерное излучение.

Виды лазеров

Оптические квантовые генераторы подразделяются на основе множества признаков, но в основном используется следующая классификация:

  • по режиму работы:
    • импульсные;
    • непрерывного действия;
  • по виду активной среды:
    • жидкостные;
    • газовые;
    • твердотельные;
    • лазеры на свободных электронах;
  • по способу возбуждения лазерного вещества (накачки):
    • газоразрядные (в разрядах на полых электродах, в дуговых, тлеющих разрядах);
    • газодинамические (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов);
    • диодные или инжекционные (возбуждение при прохождении тока в полупроводнике);
    • химические лазеры (возбуждение на основе химических реакций);
    • с оптической накачкой (с возбуждением при помощи лампы непрерывного горения, лампы-вспышки, светодиода или другого лазера);
    • с ядерной накачкой (возбуждение в результате ядерного взрыва или с помощью излучения из атомного реактора);
    • с электронно-лучевой накачкой (специальные типы полупроводниковых и газовых лазеров).

В настоящее время различают следующие виды лазерных устройств:

  • твердотельные лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фтористый кальций, некоторые редкоземельные элементы и др.), обладающие большой мощностью излучения;
  • газовые лазеры, в которых в качестве активного вещества используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и др.); они менее мощные по сравнению со твердотельными лазерами;
  • полупроводниковые лазеры с использованием арсенида галлия и др., обладающие большим коэффициентом полезного действия и относительно большой удельной мощностью по сравнению с другими лазерами.

В настоящее время имеется много типов различных ОКГ, предназначенных для научных исследований, для использования в области техники и промышленности. Созданы оптические квантовые генераторы с различными специальными устройствами (приставками) в виде микроскопов, телевизоров и т.

п. для биологических и медицинских целей. Сочетание с микроскопом («лазерный микроскоп») позволяет облучать не только отдельные клетки, но даже и различные образования, находящиеся в них, как например, ядра и другие. В зависимости от материала, служащего активным веществом, меняется интенсивность излучения и длина волны. Большинство лазеров, применяемых в настоящее время, работает в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.

Импульсные оптические квантовые генераторы, дающие кратковременные импульсы большой энергии, могут применяться в медицине, в основном, для одно- или многократного воздействия на различные патологические очаги, например, для «обстрела» опухолей и др. Менее мощные приборы непрерывного действия предназначаются по преимуществу для производства различных оперативных вмешательств. В первом случае лазерный луч можно образно назвать «световой пулей», поражающей избранную цель, а во втором — «световым ножом» (или «световым скальпелем»).

Нефокусированный лазерный луч обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом — от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, то есть меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достигать при этом очень высоких температур — до многих миллионов градусов! Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины. Интенсивность лазерного излучения определяется по величине энергии импульса, приходящейся на квадратный сантиметр, и выражается в джоулях (Дж/см²) или калориях, а для устройств непрерывного действии — в ваттах на см². Энергия каждой вспышки лазера может колебаться от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный пучок мощного лазера буквально не знает преград. Достаточно сказать, что луч лазера способен «просверливать», плавить и обращать в пар сталь, вольфрам, алмаз, корунд и все другие известные человечеству материалы. В настоящее время мощность оптических квантовых генераторов достигла колоссальной величины. В течение импульса продолжительностью в несколько наносекунд (10-11 сек) она превосходит 10 миллионов киловатт! За последние годы сконструированы лазерные устройства, яркость излучения которых в миллион раз больше яркости солнца, а импульсная мощность превышает мощность крупных электростанций.

Человек изобрел много разных источников света — от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60-х годов нашего столетия появились новые источники оптического излучения — лазеры. В отличие от прежних источников света, применявшихся в основном для освещения, лазеры предназначаются для совсем иных целей.

Лазерным лучом разрезают материалы (от обычных тканей до стальных листов), сваривают, выполняют хирургические операции; лазерное излучение применяют для точнейших измерений, используют в современных вычислительных комплексах и линиях связи. Широко известна лазерная резка.

Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерация лазерного излучения, необходимо «накачать» активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Рассмотрим для примера лазер, в котором активным элементом служит гранат с неодимом. Гранат — прозрачный кристалл; в него в качестве примеси вводят ионы неодима. Они-то и являются так называемыми активными центрами. Поглощая излучение специальной газоразрядной лампы-осветителя, ионы неодима возбуждаются (в этом и состоит в данном случае процесс накачки активного элемента — так называемая оптическая накачка). Возбужденный ион возвращается затем в исходное состояние, высвечивая фотон определенной частоты. Этот фотон может вызвать (вынудить) возвращение в исходное состояние многих других возбужденных ионов — и тогда родится лавина фотонов одинаковой частоты, летящих в одном и том же направлении (явление вынужденного испускания света). Возможен и иной вариант — фотон поглощается каким-либо невозбужденным ионом (явление резонансного поглощения). Важно, чтобы вынужденное испускание преобладало над резонансным поглощением. А для этого надо произвести накачку активного элемента — так, чтобы возбужденных ионов неодима стало больше, чем невозбужденных.

Но это еще не все. Важно также, чтобы процессы вынужденного испускания развивались преимущественно лишь в каком-то определенном направлении в пространстве. Для этого как раз и предназначаются зеркала резонатора. Их общая оптическая ось выделяет в пространстве направление, в котором формируется лазерный луч.

Представим себе, что первичный фотон случайно родился в направлении, отличном от направления оси зеркал резонатора. Он вынудит рождение некоторой лавины фотонов, но все эти фотоны довольно скоро покинут активный элемент, выйдут за пределы среды. Иное дело, если первичный фотон случайно родился в направлении оси резонатора. Такой фотон вызовет рождение лавины фотонов, летящих вдоль оси резонатора. Отразившись от зеркала, они возвратятся в активный элемент и вынудят рождение новых количеств фотонов. Таким образом, между зеркалами будет двигаться фотонная лавина, быстро нарастающая за счет процессов вынужденного испускания. Выходя из резонатора через одно из зеркал, эта лавина и формирует лазерный луч.

Такова вкратце физика работы лазера. Теперь становится понятным и сам термин «лазер». Это слово составлено из начальных букв английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Лазеры отличаются большим разнообразием — по внешнему виду, размерам, конструкции. Наряду с лазерами-малютками, свободно умещающимися на ладони, существуют лазеры-гиганты, длина которых достигает нескольких десятков метров, а масса измеряется тоннами. Разнообразие лазеров объясняется применением разных типов активных элементов и разных способов накачки, а также разнообразием тех практических задач, которые решаются при помощи лазеров. В качестве активных элементов используют кристаллы на диэлектриках и специальные стекла (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), жидкие растворы красителей (жидкостные лазеры), газовые смеси (газоразрядные лазеры). Газовые смеси находятся в специальных стеклянных трубках (газоразрядных трубках), они «накачиваются» за счет электрических разрядов. В полупроводниковых лазерах обычно используют накачку либо за счет бомбардировки полупроводника электронным пучком, либо за счет луча во многих случаях не превышает долей угловой минуты. Во всем этом проявляется высокая когерентность излучения лазера; можно считать, что генерируемые лазером световые волны имеют практически форму идеальных синусоид — со строго определенной частотой и плоским фронтом. По сравнению с лазерным излучением других, обычных источников света является существенно неупорядоченным; его можно рассматривать как «оптический шум».

Высокая когерентность излучения лазера объясняется особенностями вынужденного создания электрического напряжения на контакте двух полупроводников разного типа.

Среди твердотельных лазеров отметим, кроме лазера на гранате с неодимом, лазер на рубине. Активными центрами в нем являются ионы хрома. Из газоразрядных лазеров широко применяют на практике гелий-неоновый лазер и СОг-лазер. В первом активная газовая среда состоит из атомов гелия и неона; роль активных центров играют атомы неона. Во втором активная среда состоит в основном из молекул азота и углекислого газа; последние являются активными центрами. Укажем длины волн наиболее интенсивных спектральных линий, генерируемых различными лазерами: на гранате с неодимом — 1,06 мкм, на рубине — 0,69 мкм (красная линия), на гелии и неоне — 3,39, 1,15, 0,63 мкм (красная линия), на углекислом газе — 9,4 и 10,4 мкм.

Лазерное излучение отличается необычайно высокой монохроматичностью — отношение разброса длин волн, «представленных» в лазерном луче, к средней длине волны крайне мало; оно составляет всего 10~6— 10^8, а специальными мерами может быть уменьшено даже до 10~10. Излучение лазера характеризуется также исключительной н а-правленностью — угол расходимости испускания света — тем фактом, что все вынужденно испущенные фотоны имеют одинаковую частоту и одинаковое направление движения. В свою очередь, когерентность лазерного излучения объясняет те богатые возможности, которые оно обнаруживает при практическом использовании (см. Лазерная технология).

Приведем всего два примера. Первый касается возможности использования лазерного луча для передачи информации. В частотном диапазоне, соответствующем дециметровым волнам (частоты от 108 до 109 Гц), «умещается» около 100 телевизионных программ; в этом же диапазоне могли бы работать около 100 000 радиостанций. Использование когерентного лазерного излучения с частотой 1015 Гц могло бы значительно повысить информационную емкость канала связи. Другой пример касается возможности сильной концентрации световой энергии в лазерном луче. Существующие мощные лазеры могут непрерывно генерировать световую мощность порядка 1кВт.

При диаметре светового пучка 1 мм интенсивность такого излучения оказывается равной 105 Вт/см2. Этого достаточно, чтобы плавить многие металлы. Благодаря когерентности лазерный световой пучок можно сильно сфокусировать — в пятно диаметром, скажем, 30 мкм. Тогда интенсивность окажется порядка 1010 Вт/см2. Это позволяет испарить любой материал.

Первый лазер появился в 1960 г. Однако историю рождения лазерной техники следует отсчитывать от начала 50-х годов. Дело в том, что способ усиления излучения при помощи вынужденного испускания был сначала реализован не в оптическом, а в сверхвысокочастотном — СВЧ-диапазоне. Соответствующие генераторы излучения (их назвали мазерам ; буква «М» означает здесь «микроволновой») были созданы в 1955 г. одновременно (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров) и в США (Ч.Таунс). В создании мазеров и лазеров большую роль сыграли советские ученые: Н.Г.Басов, А.М.Прохоров. В.А.Фабрикант, Б.М.Вул, О.Н.Крохин, Ю.М.Попов и другие.

Принцип работы лазера

В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения. В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?

В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным, а все другие состояния — возбуждёнными. Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением.

Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным.

Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.

Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости.

Как устроен лазер

В конструкцию лазера входят 3 элемента:

1.Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.

2.Рабочее тело лазера.

3.Система зеркал, или оптический резонатор.

Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача — «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера. Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.

Рабочим телом, или лазерными материалами,называют вещества, выполняющие функции активной среды. Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?

В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов — в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости. Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.

В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.

Рабочее тело помещается в оптический резонатор. Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.

Кроме того, в лазерах используют и другие устройства — зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.

Применение лазеров

Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.

В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.

С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).

Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.

Появление лазеров в медицине изменило многое.

Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.

В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.

Принцип работы твердотельного лазера с непрерывной ламповой накачкой

В твердотельных лазерах активные центры создают ионы примеси в кристаллической решетке твердого тела (стекла, керамики). В используемом в данной работе YAG-Nd3+лазере ионы неодима внедрены в кристалл иттрий алюминиевого граната Y3Al5O12. Оптическая накачка YAG-Nd3+лазера осуществляется с помощью трубчатых дуговых ламп или линейками (матрицами) лазерных диодов в диапазоне 0,6 – 0,9 мкм. В нашем случае в качестве источника накачки используется дуговая лампа непрерывного действия, наполненная Kr, спектр излучения которой неплохо согласован с линиями поглощения ионов неодима, внедренными в матрицу иттрий алюминиевого граната. Спектр поглощения активной среды YAG-Nd3+лазера представлен на рис. 6 сплошной линией.

Рис. 6.

Спектр поглощения кристалла YAG-Nd3+ при температуре 300 К.

Наиболее мощная полоса поглощения находится вблизи 808 нм. Именно на этой длине волны идет наиболее эффективная накачка данной активной среды диодными лазерами с длиной волны излучения равной 808 нм.

Современные методы позволяют выращивать и изготавливать достаточно большие активные элементы АИГ-Nd длиной до 120 мм и диаметром до 10 мм. Поскольку коэффициент преломления кристалла граната достаточно высок (n = 1,82), то френелевское отражение генерируемого света от его рабочих поверхностей оказывается достаточно большим (около 8,4% от одной поверхности). За счет этого в процессе генерации лазера большое отражение от двух поверхностей элемента (примерно, 16,8%) будет приводить к заметным потерям полезной излучаемой мощности лазера. Для предотвращения этого отрицательного явления рабочие поверхности активных элементов покрываются специальным просветляющим покрытием, снижающим коэффициент отражения от одной поверхности до 0,2%.

Создание инверсной населенности идет по четырех уровневой схеме (рис.7).

Рис. 7. Схема энергетических уровней иона неодима в кристаллической решетке иттрий алюминиевого граната, участвующих в процессах накачки и генерации.

Накачка происходит с основного уровня 1 на группу уровней накачки 4, которые являются короткоживущими из-за близкого расположения к ним уровня 3 (время жизни уровней накачки не превышает 10-8 с). За счет процессов безизлучательной релаксации на фононах (колебаниях кристаллической решетки) возбужденные атомы Nd переходят на уровень 3, состоящий из двух подуровней, которые являются верхними лазерными уровнями в данной активной среде. Эти уровни являются метастабильными, так как ближайший к нему нижний уровень находится на расстоянии 4698 см-1, а энергия фононов при комнатной температуре не превышает 200 см-1. Поэтому время безизлучательных многофононных переходов очень велико (~10-2 с) из-за малой вероятности таких переходов (вероятность одновременного столкновения многих частиц чрезвычайно мала!).

Время излучательного перехода на группу близко расположенных уровней 2 также оказалось достаточно большим (2,5 .10-4 с), поэтому можно эффективно накапливать инверсную населенность между уровнями 3 и 2 за счет достаточно быстрой оптической накачки на переходе 1 à 4. Группа уровней 2 расположена достаточно близко к основному уровню 1 (~800 см-1) и за счет быстрой безизлучательной релаксации ионы неодима, поучаствовавшие в процессе генерации, возвращаются на основной уровень 1 (время перехода 2à1 не превышает 10-8 с). Далее цикл накачка 1à4, релаксация 4à3, генерация 3à2, релаксация 2à1повторяется.

3.2.Оптическая схема YAG-Nd3+ лазера и конструкция излучателя с ламповой накачкой.

Имеется две основных оптических схемы технологических твердотельных лазеров с одним и двумя излучателями (квантронами).

В технологии лазерной резки требуется высокая средняя мощность генерации, поэтому в этом случае используется двухквантронная оптическая схема. Стандартная оптическая схема такого лазера представлена на рис. 8.

Рис. 8. Оптическая схема двухквантронного твердотельного лазера с непрерывной ламповой накачкой.

1 – выходное зеркало, 2 – квантрон, 2.1 – активный элемент, 2.2 – Kr-лампа накачки (ДНП 6/90), 3 – «глухое» зеркало, ОО`- ось резонаора.

Квантрон 2 состоит из четырех основных элементов: корпуса, кварцевого отражателя, стержня из иттрий алюминиевого граната активированного ионами неодима и импульсной лампы накачки и представляет собой несущий корпус, выполняемый обычно из нержавеющей стали, внутри кото­рого находятся отражатель, активный элемент и лампа накачки. Отражатель изготавливают из монолитной заготовки легированно­го европием кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра. В отражателе параллельно оси просверлены два отверстия, внут­ри которых располагают активный элемент и лампу накачки. Внешний вид всех элементов излучателя представлен на рис. 9. Одно­ламповый квантрон с отражателем такой конструкции обеспечи­вает высокую эффективность накачки за счет фокусировки излучения накачки в центральную часть активного элемента.

а) б)

в) г)

Рис. 9. Основные элементы излучателя твердотельного лазера

а) корпус, б) отражатель, в) активный элемент, г) лампа накачки.

Из-за эффекта тепловой линзы важной особенностью резонатора 2х квантронного излучателя является правильная установка квантронов и выбор расстояния между зеркалами резонатора. Кроме того, при выборе схемы резонатора для многомодовых лазеров, опре­деляющим является возможность достижения максимальной выходной мощности при сохранении относительно небольшой рас­ходимости излучения. Этим условиям хорошо удовлетворяет симметричный резонатор, об­разованный плоскими зеркалами, расположенными на расстоянии 720 мм один от другого. При этом центры квантронов должны располагаться на расстоянии 180 мм от зеркал резонатора. Такой резонатор обеспечивает практически прямоли­нейную зависимость мощности излучения во всем рабочем диапа­зоне мощности накачки.

Описание составных частей ЛТК «Гранит-300»

а) Описание лазерной системы

Лазер ЛТН-103, входящий в состав ЛТК «Гранит-300», представляет собой твердотельный Nd3+-YAG лазер с квазинепрерывной накачкой, генерирующий непрерывное излучение мощностью 300 Вт. Этот лазер может применяться для резки металлических листов толщиной 1-2 мм.

Конструктивно лазер выполнен в виде излучателя, блока питания двух ламп накачки и устройства охлаждения. Блок питания и устройство охлаждения смонтированы в отдельную стойку.

Дата добавления: 2015-03-23; просмотров: 2768;

Добавить комментарий

Закрыть меню