Квантова електроніка - область фізики, що вивчає методи посилення і генерації електромагнітного випромінювання на основі явища вимушеного випромінювання. - презентация

1

2 Квантова електроніка - область фізики, що вивчає методи посилення і генерації електромагнітного випромінювання на основі явища вимушеного випромінювання в неврівноважних квантових системах. Ще в 1940 році радянський фізик.А.Фабрикант вказав на можливість використання явища вимушеного випромінювання для посилення електромагнітних хвиль. Взагалі, датою народження квантової електроніки можна вважати 1954 рік, коли М. Г. Басов і А. М. Прохоров в СРСР і незалежно від них Дж. Гордон, Х. Цайгер і Ч. Таунс у США створили перший квантовий генератор (мазер) на молекулах аміаку, де застосували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль довжиною 1, 27 см. Наступним важливим кроком у розвитку квантової електроніки став запропонований в 1955 році М. Г.Басовим та А. М. Прохоровим метод трьох рівнів, що дозволив істотно спростити досягнення інверсії і використовувати для цієї мети оптичне накачування. На цій основі в роках Г. Е. Д. Сковілом та іншими були створені квантові підсилювачі на парамагнітних кристалах (наприклад, на рубіні), що працювали в радіодіапазоні.

3 Перший лазер на кристалі рубіна, був створений Т. Мейманом у 1960 рік. Рубіновий лазер був першим твердотілим лазером. Твердотільні лазери дозволили отримати генерацію потужних коротких і надкоротких імпульсів світла. Невдовзі А. Джаван створив перший газовий лазер на суміші атомів гелію і неону. Серед інших типів газових лазерів виділяються потужні лазери на вуглекислому газі, аргонові лазери,кадмієвий лазер, лазер на парах міді, ексимерні лазери, хімічні лазери. У 1958 році М. Г. Басов, Б. М. Вул і Ю. М. Попов заклали основи теорії напівпровідникових лазерів, а вже в 1962 році був створений перший інжекційний лазер. Істотним результатом є також створення в 1968 році лазерів на напівпровідникових гетероструктурах. В кінці 1960-х були розроблені і створені лазери на молекулах органічних барвників, які мають надзвичайно широку смугу підсилення. Лазери дозволили здійснити новий метод отримання об ємних і кольорових зображень, названих голографією.

4 Лазер (англ. laser - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання), оптичний квантовий генератор - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та іншу) в енергію електромагнітної хвилі. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних ( для ряду напівпровідникових лазерів) до розмірів футбольного поля (для деяких лазерів на неодимовому склі). Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх у різних галузях науки і техніки, а також у побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослідженнями в галузі керованого термоядерного синтезу. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, що досягає гранично великих пікових потужностей.

5

6 Властивосі лазерного випромінювання: малий кут розходження пучка світла;малий кут розходження пучка світла; виняткова монохроматичність;виняткова монохроматичність; найпотужніші джерела світла – Вт/снайпотужніші джерела світла – Вт/с (Сонце – 7*10 3 Вт/с);(Сонце – 7*10 3 Вт/с); ККД близько 1%.ККД близько 1%.

7

8 Напівпровідникові лазери формально також є твердотільними, але традиційно виділяються в окрему групу, оскільки мають інший механізм накачування, а квантові переходи відбуваються між дозволеними енергетичними зонами,а не між дискретними рівнями енергії. Напівпровідникові лазери - найбільш уживаний в побуті вид лазерів. Крім цього застосовуються в спектроскопії, в системах накачування інших лазерів, а також у медицині. Лазери на барвниках - це тип лазерів, в яких використовують як активне середовище розчин флюоресцируючих, з утворенням широких спектрів, органічних барвників. Можуть працювати в безперервному та імпульсному режимах. Основною особливістю- є можливість перебудови довжини хвилі випромінювання в широкому діапазоні. Застосовуються в спектроскопічних дослідженнях.

9 Газові лазери – це лазери з оптичним накачуванням, активним середовищем якого є суміш газів і парів. Відрізняються високою потужністю, монохроматичністю, а також вузькою спрямованістю випромінювання. Працюють у безперервному та імпульсному режимах. У залежності від системи накачування газові лазери поділяють на газорозрядні лазери, газові лазери з оптичним збудженням і порушенням заряджених частинок, газодинамічні та хімічні лазери. За типом лазерних переходів розрізняють газові лазери на атомних переходах, іонні лазери, молекулярні лазери на електронних, коливальних і обертальних переходах молекул і ексимерні лазери. Газодинамічні лазери - газові лазери з тепловою накачкою, інверсія населеностей в яких створюється між збудженими коливально-обертальними рівнями гетероядерних молекул шляхом адіабатичного розширення, рухається з високою швидкістю газової суміші.

10 Хімічні лазери - різновид лазерів, джерелом енергії для яких служать хімічні реакції між компонентами робочого середовища (суміші газів). Лазерні переходи відбуваються між збудженими коливально-обертальними і основними рівнями складових молекул продуктів реакції. Для здійснення хімічних реакцій у середовищі необхідна постійна присутність вільних радикалів, для чого використовуються різні способи впливу на молекули для їх дисоціації. Відрізняються широким спектром генерації в ближній ІЧ області, великою потужністю безперервного та імпульсного випромінювання. Ексимерні лазери - різновид газових лазерів, що працюють на енергетичних переходах ексимерних молекул, здатних існувати лише деякий час у збудженому стані. Накачування здійснюється пропущенням через газову суміш пучка електронів, під дією яких атоми переходять у збуджений стан з освітою ексимерів, фактично представляють собою середовище з інверсією населенностей. Ексимерні лазери відрізняються високими енергетичними характеристиками, малим розкидом довжини хвилі, генерацією та можливістю її плавної перебудови у широкому діапазоні. Лазери на вільних електронах - лазери, активним середовищем яких є потік вільних електронів, що коливаються в зовнішньому електромагнітному полі і розповсюджуються з релятивістською швидкістю в напрямку випромінювання.

11 Продюсери. Лазери дозволили здійснити метод отримання кольорових зображень, лазерний супровід музичних вистав. Інженери.У промисловості лазери використовуються для різання, зварювання та паяння деталей з різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяє зварювати матеріали, які неможливо зварити звичайними способами (наприклад, кераміку і метал). Промінь лазера може бути сфокусований в точку діаметром порядку мікрона, що дозволяє використовувати його в мікроелектроніці. У силу унікальних властивостей випромінювання лазерів, вони широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки, а також у побуті (програвачі компакт-дисків, лазерні принтери, зчитувачі штрих-кодів, лазерні указки та ін.).

12 Лазери використовуються для отримання поверхневих покриттів матеріалів (лазерне легування, лазерне наплавлення, вакуумно-лазерне напилення) з метою підвищення їх зносостійкості. Широке застосування одержало також лазерне маркування промислових зразків та гравірування виробів з різних матеріалів. При лазерній обробці матеріалів на них не здійснюється механічна дія, тому виникають лише незначні деформації. Крім того, весь технологічний процес може бути повністю автоматизований. Лазерна обробка характеризується високою точністю і продуктивністю. Напівпровідниковий лазер застосовується у вузлі генерації зображення принтера Hewlett-Packard. Лазери застосовуються в голографії для створення самих голограм та отримання голографічного об'ємного зображення. Деякі лазери, наприклад лазери на барвниках, здатні генерувати монохроматичне світло практично будь-якої довжини хвилі, при цьому імпульси випромінювання можуть досягати с, а отже і величезних потужностей (так звані гігантські імпульси).

13 Астрономи. Лазерна локація космічних об'єктів уточнила значення астрономії і сприяла уточненню систем космічної навігації, розширила уявлення про будову атмосфери і поверхні планет Сонячної системи. Ці властивості використовуються в спектроскопії, а також при вивченні нелінійних оптичних ефектів. В астрономічних телескопах, забезпечених адаптивною оптичною системою корекції атмосферних спотворень, лазер застосовують для створення штучних опорних зірок у верхніх шарах атмосфери, для вимірювання відстаней до космічних об'єктів.

14 Військові. Лазери використовуються і у військових цілях, наприклад, в якості засобів наведення та прицілювання. Розглядаються варіанти створення на основі потужних лазерів бойових систем захисту повітряного, морського і наземного базування.

15 Медики.У медицині лазери широко застосовуються як безкровні скальпелі під час проведення операцій, використовуються при лікуванні офтальмологічних захворювань (катаракта, відшарування сітківки, лазерна корекція зору та ін.). Широке застосування лазери отримали також у косметології (лазерна епіляція, лікування судинних і пігментних дефектів шкіри, лазерний пілінг, видалення татуювань і пігментних плям).