Реферат

на тему:

Лазер

1. Ла́зер - квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона.

Обычно состоит из трёх основных элементов:

• Источник энергии (механизм «накачки»)

Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

• электрический разрядник

• импульсная лампа

• дуговая лампа

• другой лазер

• химическая реакция

• взрывчатое вещество

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

• Рабочее тело

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

• Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекла. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

• Система зеркал («оптический резонатор»)

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Как правило в твердотельных лазерах зеркала формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом. Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Лазер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, усиление света с помощью вынужденного излучения) (росс. лазер, англ.laser, ним. Laser m) — устройство для генерирования или усиления монохроматического света, создания узкого пучка света, способного распространяться на большие расстояния без рассеивания и создавать исключительно большую плотность мощности излучения при фокусировке (108 Вт/см? для высокоэнергетических лазеров). Лазер работает по принципу, аналогичному принципиальные работы мазера. Лазеры используются для связи (лазерный луч может переносить намного больше информации, чем радиоволны), резание, прожигание отверстий, сварки, наблюдения, за спутниками, медицинских и биологических исследований и в хирургии.

Другое название лазера - оптический квантовый генератор.

Н.Г. Басов считал, что : «Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».

2. Классификация лазеров

2.1.По схемам функционирования

• 3-уровневые

• квази-4-уровневые

• 4-уровнивые

2.2.За агрегатным состоянием активной среды:

• газовые

• жидкостные

• твердотельные

2.3.За методом получения инверсии:

• с электронной накачкой

• с химической накачкой

• с оптической накачкой

• с тепловой накачкой

2.4.Наиболее распространенной является классификация по физическим особенностям активной среды:

• твердотельные — solid-state laser

• полупроводниковые — semiconductor laser

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым. Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы .Нижняя пред­ставляет собой валентную зону, а верхняя – зону прово­димости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В ре­зультате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дыр­ки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется :

• непосредственно электрическим током (прямая накачка);

• электронным пучком;

• электромагнитным излучением.

Под именем полупроводниковых часто встречается гибридный лазер из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно, мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе. "Полупроводниковые" лазеры с мощностями единицы-десятки ватт делают в основном именно по такой технологии. Визуально отличить гибридный лазер от полупроводникового довольно сложно.

Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, составляющие кристаллическую решётку, сам лазер может обладать очень малыми размерами.

Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД, малая инерционность, простота конструкции.

Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.

• волоконные — fiber laser

• газовые — gas laser

• ионные — ion laser

• молекулярные — molecular laser

• жидкостные — dye laser

• газодинамические — gasdynamic laser

• химические — chemical laser

• эксимерные — eximer laser

• лазеры на центрах расцветки — color centers laser

• фотодиссоциации — photodissociation laser

• лазеры на свободных электронах — free electron laser

• рентгеновские — x-ray laser

• лазеры с перестройкой длины волны генерации — tunable laser

• раманивски — raman laser

• параметрические — parametric laser