Оптический квантовый генератор

Федеральное и государственное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

Сибирская Академия Государственной  Службы

(СибАГС)

Кафедра региональной экономики.

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине: Концепции  современного естествознания

На тему:

«Оптический квантовый генератор»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2010

План:

1. Введение……………………………………………………………..3
2. Что такое лазер…………………………………………………….. 4
1. Первый лазер …………………………………………………... 4
2. Оптический квантовый генератор или лазер……………...... 4
3. Лазер в работе……………………………………………….....5
4. Функции лазерного луча………………………………………...6
3. Виды лазеров……………………………………………………….. 8
4. Использование лазеров…………………………………………..... 11
5. Заключение………………………………………………………….13
6. Список литературы…………………………………………………14
1. Введение.

Одним из самых замечательных  достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - оптического квантового генератора, или лазера.

В настоящее время слово  «лазер» стало общеупотребительным. Ведь это устройство используется во всех сферах деятельности человека. Но не каждый знает, что это такое. На самом деле описание лазера заключено в его названии. Слово «лазер» составлено из первых букв английской фразы, означающей: «усиление света при помощи вынужденного излучения».  Существует много видов лазера.

В настоящее время лазерное излучение с большим или меньшим  успехом применяется в различных  областях науки. Уникальные свойства излучения  лазеров, такие, как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и возможность при фокусировке получать очень высокую плотность мощности на облучаемой поверхности обеспечили широкое применение лазеров. Использование квантовой электроники оказалось, в частности, очень полезным для клинической медицины. В медицинских целях используются, в основном, твердотельные и газовые лазеры.

2. Что такое лазер

2.1 Первый лазер

Работы по лазерам в  лаборатории люминесценции ФИАН возникли по инициативе Н. Г. Басова, вызванной  тем, что, начиная с 1958 года были опубликовали статьи о перспективности получения генерации в оптической области спектра с использованием индуцированного излучения. А затем американскими учеными (Мейманом и другими) в 1960 году были получены обнадеживающие результаты с рубином. А.М. Леонтович, М.Д. Галанин, З.А. Чижикова занялись этой проблемой.

Весной 1961 г. эта группа учёных создала лазерную установку, в которой  образец рубина с концентрацией  хрома 0,05% и длиной 4см накачивался 2 импульсными лампами в кожухе с напылением MgO. На этой установке они добились генерации 18 сентября 1961 года.

Тогда был какой-то предрассудок насчет формы образцов — все первые рубины были в форме параллелепипедов, и американские, и наши. Позже  было понято, что это не играет роли, что важна только параллельность торцов кристаллов, на которые тогда  и наносились зеркала. Потом появились  образцы цилиндрической формы, и  также, когда стали применять  внешние зеркала — с брюстеровскими торцами.

2. Оптический квантовый генератор или лазер.

Опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Разберем его устройство на примере сбора одной модели лазера.

Возьмём стержень или пластинку, сделанную из материала, от которого мы хотим добиться излучения. Материал должен быть прозрачным, чтобы свет пронизывал его насквозь. Самые распространённые материалы для стержней – искусственно выращенные кристаллы рубина или  граната (или стекло, в которое  добавлено небольшое количество редкого элемента неодима). Стержни  обычно бывают диаметром от 6 до 20 миллиметров  и длинной от 10 до 60 сантиметров. Сам лазер часто именуется  по материалу стержня. Так, выражение  «рубиновый лазер» совсем не означает, что весь прибор сделан из этого  драгоценного камня. Просто внутри него находится кристалл искусственного рубина.

Рядом со стержнем поместим осветитель, его называют лампой накачки. Лампа будет импульсивной, вроде  тех ламп–вспышек, которыми пользуются фотографы. Все процессы в атомах проходят за миллионные доли секунды, так что надолго включать её нет  смысла. Осветитель вместе со стержнем окружим отражателем, чтобы ни один квант света накачки не пропал зря. Возле торцов рабочего стержня установим два зеркала: сзади – глухое, отражающее весь падающий на него свет, спереди – полупрозрачное. Зеркала необходимо установить строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня. Лазер готов. Осталось включить лампу.

К несчастью увидеть  своими глазами процесс, происходящий в лазере после вспышки лампы, мы не сможем. Он проходит слишком быстро. Но представить его можно.

 

 

 

 

3. Лазер в работе.

После вспышки лампы поток  световой энергии попадает на стержень. Его атомы быстро переходят в  возбуждённое состояние. С каждым мгновением таких возбужденных атомов становиться  всё больше и больше. Долго в  возбуждённом состоянии они не живут, в среднем всего одну стомиллионную  долю секунды, а потом переходят  в нормальное состояние, излучив  при этом свет. Лампа все ещё  горит, и атомы вновь возбуждаются. Когда несколько атомов случайно излучают кванты вдоль оси стержня, начинается процесс накапливания энергии. После каждого столкновения с  атомами число квантов удваивается, поток излучения движется вдоль  стержня и растёт, как лавина. Отражаясь в зеркалах, излучение  многократно пронизывает стержень, заставляя все атомы без исключения внести свою долю энергии в общий  поток света. Сквозь полупрозрачное зеркало этот свет вырывается наружу. Происходит вспышка. Её длительность всего около одной миллионной секунды. А лампа всё ещё горит, и через три миллионных доли секунды всё повторяется снова. И опять, и опять, до тех пор, пока яркости света уже потухающей лампы не станет мало для поддержания генерации. Именно так был сделан и работал первый лазер, построенный на кристалле рубина.

Не вся энергия лампы  накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая её часть, к несчастью, уходит на бесполезный, и даже вредный нагрев стержня и зеркала. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота повторения импульсов зависит то того, насколько хорошо стержень лазера выдерживает высокую температуру. Неодимовые и рубиновые лазеры дают одну – две вспышки в секунду, лазер на гранате – несколько сотен. Рекордная частота генерации для импульсного лазера двенадцать миллионов вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается уже как непрерывное.

4. Функции лазерного луча

Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана  с резкой и сваркой миниатюрных  деталей в микроэлектронике и  электровакуумной промышленности, с  маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической  промышленности.

В последние годы в одной  из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой  практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света  заменяются  на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.

Дальнейший прогресс в  субмикронной литографии связан с применением  в качестве  экспонирующего источника  света мягкого рентгеновского излучения  из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1=0,01-О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

Лазерный луч может  передавать сигналы, как радиоволны или электрический ток. Первая в  СССР линия оптической связи передавала телефонные разговоры между Москвой  и Красногорском по открытому  лучу. Один из лазеров был установлен на башне высотного здания МГУ.

Лазерный луч может  идти по стеклянным нитям, как ток  по проводам. Благодаря этому получают фотографии изнутри внутренних органов (например, желудка) вводя волоконный световод через пищевод больного.

Лазерный луч сжигает  любой, даже самый прочный и жаростойкий  материал. Движением режущего луча управляет ЭВМ, так что можно  мгновенно определять точность резания  и вносить требуемые поправки. Тонкую, вольфрамовую проволоку для  электрических лампочек протягивают  через отверстия в алмазах, пробитые лазерным лучом. Рубиновые подшипники (камни для часов) обрабатывают на лазерных станках–автоматах. Точность лазерных измерений очень высока.

Сегодня лазерная установка  отмечает малейшие движения грунта под  знаменитой Пизанской башней.

 

3. Виды лазеров

 

• Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.
• Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.
• Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.
• Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.
• Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество — CO2).
• Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.
• Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации.
• Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Поскольку каждый электрон излучает до 108 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.
• Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

4. Использование лазеров

С момента своего изобретения  лазеры зарекомендовали себя как  «готовые решения ещё не известных  проблем». В силу уникальных свойств  излучения лазеров, они широко применяются  во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели  компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели  штрих - кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры 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 лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.

Лазеры применяются в  голографии для создания самих голограмм  и получения голографического объёмного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10−16 с, а следовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов. С использованием лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерная локация космических объектов уточнила значение астрономической постоянной и способствовала уточнению систем космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза (самым подходящим лазером для исследований в области термоядерных реакций, был бы лазер, использующий длины волн, лежащие в голубой части видимого спектра). Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.