Лазеры Семинарское занятие

План семинарского занятия 1. Строение атома 2. Спонтанное и вынужденное излучение 3. Квантовые генераторы: а) история открытия б) устройство и принцип действия в) свойства лазерного излучения в) применение лазеров

Развитие представлений о строении атома в XX веке

Спонтанное излучение Согласно представлениям квантовой теории, атомы излучают фотоны при самопроизвольных (спонтанных) переходах из возбужденных состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Такое излучение называют спонтанным. Так как излучение каждого атома не зависит от других атомов, то при переходах между одними и теми же уровнями разные атомы излучают фотоны одинаковой частоты, но фазы колебаний и плоскости поляризаций их различны, причем это различие носит случайный характер. Такое электромагнитное излучение является некогерентным. Вынужденное или индуцированное излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомами или молекулами под действием внешнего излучения такой же частоты. Испущенное вынужденное излучение совпадает с вынуждающим не только по частоте, но и по направлению распространения, поляризации и фазе, ничем от него не отличаясь.

КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР источник когерентного электромагнитного излучения, действие которого основано на вынужденном излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Квантовые генераторы радиодиапазона называются мазерами, квантовые генераторы оптического диапазона лазерами. Мазер

Основные этапы развития лазерной техники Первым обосновал возможность получать индуцированное (вынужденное) излучение и указал на его когерентность А. Эйнштейн в В 1923 П. Эренфест подтвердил его выводы. В П. Дирак создал квантово-механическую теорию вынужденного излучения. Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928, и В. А. Фабрикантом (СССР) в Сформулирована теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя мощности Ч. Таунсом (США) в 1951, Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР) в Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радио- и оптическом диапазонах создал В. А. Фабрикант с сотрудниками в Теорию полупроводникового лазера на p- n-переходах сформулировал Дж. фон Нейман (США) в Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке ( = 1,25 см) и усилителя мощности построены одновременно и независимо Ч. Таунсом (США), Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым (СССР) в (Нобелевская премия по физике за 1964). Первый квантовый генератор видимого света импульсный лазер на рубине ( = 0,69 мкм) сконструировал Т. Мейман (США) в Первый газовый лазер на HeNe сделал А. Джаван (США) в Ионный лазер У. Б. Бриджес (США), Лазер на свободных электронах Дж. Мейди (США), Полупроводниковые лазеры были предложены Н. Г. Басовым в 1962, осуществлены на p- n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962.

Типы лазеров В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.

Трехуровневая схема лазера

Этапы работы твердотельного лазера инверсная заселенность создается за счет облучения кристалла импульсной лампой-вспышкой, после чего атомы переходят в долгоживущее метастабильное состояние. Испускание одного фотона ведет к образованию лавины фотонов, выходящих через полупрозрачное зеркало в торце кристалла.

Полупроводниковый лазер

Особенности лазерного излучения монохроматичность когерентность поляризованность малая расходимость светового пучка самые мощные источники света – Вт/с Солнце – Вт/с

Применение лазеров Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оружия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO2) для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства. Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химических экспериментах. Малая расходимость лазерного пучка используется в системах наведения самолетов и ракет, а также в системах связи на больших расстояниях. Монохроматичность лазерного света используется для создания устройств стандарта частоты и времени. Когерентность лазерного излучения используется для создания трехмерных голографических изображений предметов. Поляризованность лазерного света лежит в основе создания модуляторов света в системах оптоволоконной связи. Большая мощность лазерного излучения в совокупности с малой расходимостью используется в устройствах по созданию высоких температур в малом объеме (резка металлов, лазерное оружие, микрохирургические операции, установки по исследованию термоядерных реакций). В последнее время широкое распространение получили полупроводниковые лазеры, в которых световое излучение возникает в прозрачных кристаллах, разделенных p–n - переходом.

Видео «Лазеротерапия»

Использование лазера Микрохирургия глаза Лазерный пистолет

Установка для получения лазерной голограммы Устройство для проигрывания лазерных дисков