Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation усиление света посредством вынужденного излучения), опти́ческий. - презентация

1

2 Ла́мер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation усиление света посредством вынужденного излучения), опти́чешский ква́нтовый генера́тор устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

3 Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Другие типы -полупроводниковый ламерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый Другие типы -полупроводниковый ламерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый

4 Физической основой работы ламера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение ламера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент ламера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов ламеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы ламеров, например ламеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные ламеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты ламеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых ламеров до размеров футбольного поля для некоторых ламеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения ламеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

5 1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения физической основы работы любого ламера. Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в гг год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения. В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населённостей для усиления электромагнитного излучения год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости. Реализован на практике в 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора оставался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор год: первый микроволновой генератор мамер на аммиаке (Ч. Таунс Нобелевская премия по физике 1964 года, Дж. Гордон, Г. Цайгер). Роль обратной связи играл объёмный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого колебательного уровня на основной).

6 Весомый вклад в изучение принципов квантового усиления и генерации внесли также советские физики А. Прохоров и Н. Басов (Нобелевская премия по физике 1964 г.). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора ламера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al 2 O 3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными меркальными покрытиями, нанесенными на торцы кристалла. Этот ламер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий- неоновый ламер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). Изначально ламер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света. Физика ламеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения ламера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей. В 1961 г. был создан ламер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны ламерные диоды, ламеры на красителях, ламеры на двуокиси углерода, химические ламеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие ламеры.

7 Физической основой работы ламера 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»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.атомфотонэнергияуровней когерентенсвета Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды ламера (оптические, электрические, химические и др.). Вероятностьинверсия населённостейтермодинамического равновесия оптические электрические химические

8 Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда ламера помещается в оптичешский резонатор. В простейшем случае он представляет собой два меркала, одно из которых полупрозрачное через него луч ламера частично выходит из резонатора. Отражаясь от меркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы ламера называют режимом модулированной добротности.положительной обратной связиоптичешский резонатормеркалапризмыячейки Керрагигантские импульсы добротности

9 Генерируемое ламером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами [12]. Кроме этого, из-за особого расположения меркал в ламерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч ламера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч ламера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча ламера. монохроматическим длин волн частоте [12] оптической осиполяризациюполяроидыуглом Брюстера

10 Применение

11 Наука Вооружение Медицина Промышленность и быт Спектроскопия Измерение расстояний Фотохимия Намагничивание Интерферометрия Голография Охлаждение Термоядерный синтез Ламерное оружие «Звездные войны» Целеуказатели Ламерный прицел Ламерное наведение Скальпель Точечная сварка тканей Хирургия Диагностика Удаление опухолей Резка, сварка, маркировка, гравировка CD, DVD-проигрыватели, принтеры, дисплеи Фотолитография, считыватель штрихкода Оптическая связь, системы навигации (л.гироскоп) Манипуляции микрообъектами

12 С момента своего изобретения ламеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё не известных проблем». В силу уникальных свойств излучения ламеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, ламерные принтеры, считыватели штрих-кодов, ламерные указки и пр.). В промышленности ламеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч ламера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое ламерное скрайбирование) [40]. Ламеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (ламерное легирование, ламерная наплавка, вакуумно-ламерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также ламерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов [41]. При ламерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того, весь технологичешский процесс может быть полностью автоматизирован. Ламерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.наукитехникибытукомпакт-дисковламерные принтерыштрих-кодовламерные указкипромышленностирезкисваркипайкитемпература керамикуметаллмикрона микроэлектроникеламерное скрайбирование [40]легированиенаплавкавакуумно-ламерное напылениеизносостойкостимаркировкагравировка [41]механическоедеформации

13 Ламеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения гологафического объёмного изображения. Некоторые ламеры, например ламеры на красителях, способны генерировать монохроматичешский свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать с, а следовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов. С использованием ламера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Ламерная локация космических объектов уточнила значение астрономической постоянной и способствовала уточнению систем космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, ламер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.голографииламеры на красителях монохроматичешский свет мощностейгигантские импульсыспектроскопиинелинейных оптических эффектов ЛунысантиметровЛамерная локацияастрономической постояннойкосмической навигацииатмосферы Солнечной системытелескопах адаптивной оптической системой

14 Сверхкороткие импульсы ламерного излучения используются в ламерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь ламерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системы ламерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощью ламеров управляемого термоядерного синтеза(самым подходящим ламером для исследований в области термоядерных реакций, был бы ламер, использующий длины волн, лежащие в голубой части видимого спектра). Ламеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных ламеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.ламерной химиихимических реакцийуправляемого термоядерного синтезаприцеливания

15 В медицине ламеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, ламерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (ламерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, ламерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).скальпелиофтальмологическихкатарактаотслоение сетчаткиламерная коррекция зрениякосметологииэпиляцияпилингтатуировок пигментных пятен В настоящее время бурно развивается так называемая ламерная связь. Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность. Поэтому радиосвязь стремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтому посредством ламерного излучения возможна передача гораздо большего объёма информации. Ламерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счёт явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая.несущая частотаканала связи пропускная способностьрадиосвязьсветовой волнырадиодиапазона информацииоптическому волокнуполного внутреннего отражения

16

17 1917 г. А. Эйнштейн: Механизмы испускания света веществом 1917 г. А. Эйнштейн: Механизмы испускания света веществом Спонтанное (некогерентное) Вынужденное (когерентное)

18

19 Развитие лавинообразного процесса генерации в ламере.