3.14.3 Лазери. Принцип роботи

Лазерне випромінювання відрізняється:

1. монохроматичністю;

2. когерентністю;

3. високою інтенсивністю.

Для отримання лазерного випромінювання необхідно забезпечити:

1. Інверсну населеність рівнів, тобто таку, при якій на більш високому енергетичному рівні буде більше атомів, ніж на нижчому (рис. 3.17).

2. 

   Забезпечити підсилення світла при його проходженні в середовищі, тобто умови, при яких коефіцієнт поглинання <0.

Інверсія населеності досягається, якщо в системі існує по крайній мірі три рівня, один з яких метастабільний.

Метастабільним називається рівень енергії, на якому атом може перебувати в збудженому стані _м~10^-3 с. На звичайному рівні цей час дорівнює ~10^-8 с, тобто в 100 тис. раз менше.

Схему 3-х рівневого лазера на рубіні зображено на рис. 3.18. Система рівней створюється іонами Cr⁺⁺⁺. Збудження іонів (накачка) створюється ксеноновою імпульсною лампою. При цьому здійснюються переходи іонів W₁₃ – із першого рівня на третій, ₃~10^-8 с. За цей час деякі іони спонтанно здійснють переходи А₃₁. Однак більшість іонів спонтанно переходить на метастабільний рівень 2 (переходи S₃₂). При достатньо великій інтенсивності накачки число іонів на рівні 2 стає більше, чим на рівні 1. Створюється інверсна заселеність рівнів. Спонтанний перехід А₂₁ може викликати вимушений перехід W₂₁ і появу фотонів. Це швидко перетворюється в каскад фотонів, який розвивається завдяки багаторазовому відбиванню від торців рубінового стержня. Коли пучок стає достатньо інтенсивним, частина його виходить через напівпрозорий торець.

3.15 Лазери (оптичні квантові генератори) та інші джерела кпе (концентрованих потоків енергії)

3.15.1 Фізико-технічні принципи побудови оптичних квантових генераторів. Блок-схема окг

В основі будови лазерів лежать знання класичної фізики з одного боку - теорії електромаг-нетизму, оптики, геометричної і хвильової, електроніки, з другого – термодинаміки, квантової механіки, фізики твердого тіла, НВЧ техніки.

Блок-схема лазерної уста-новки приведена на рис. 3.19:

1. Оптичний випромінювач.

2. Блок накопичення енергії (блок накачки).

3. Блок живлення.

4. Система індикації параметрів лазерного випромінювання.

5. Система керування лазерним променем.

6. Об’єкт, що обробляється лазерним променем.

7. Двохкоординатний стіл.

8. Блок керування, система програмного керування двохкоординатним столом.

Основна частина лазера – випромінювач.

Випромінювач складається з:

а) активного елемента;

б) дзеркал;

в) оптичних затворів (для скорочення тривалості імпульса);

г) ламп накачки або інших засобів збудження активного елемента (активної речовини).

Активний елемент, в якому генерується лазерне випромінювання, і по якому класифікується лазер може бути твердим (неодім, рубін), рідким (розчини рідкоземельних елементів – цианіни, бензоати, радоміни), газоподібним (гелій-неон, СО₂, N₂, Ar).

Основні параметри, по яких оцінюється лазерне випромінювання, - це енергія випромінювання (Е), тривалість імпульса (_і), довжина хвилі (), густина падаючої енергії (Q) і густина потоку (q).

Дзеркала потрібні для забезпечення генерації лазерного випромінювання. Створюється оптичний резонатор, що складається з двох дзеркал - повністю непрозорого, що відбиває випромінювання і напівпрозорого.

Для накачки, тобто збудження атомів активного середовища, використовують електричний розряд, оптичне випромінювання світлового джерела (спеціальні лампи, якийсь інший лазер), потік електронів і навіть ядерний вибух.

Блок накачки включає крім джерела, що забезпечує перевод атомів у збуджений стан, систему, яка керує енергію, що підводиться до оптичного випромінювача, за допомогою високочастотного імпульсу.

Коефіцієнт корисної дії твердотільних лазерів менше 0,5%. Найбільший ККД мають напівпровідникові лазери – до 35% в даний час при потужності до 10⁷ Вт.

Блок живлення лазера складається з трансформатора, випрямляча і конденсаторної батареї.

Крім медицини, біології, технології (зварювання, термообробка, ударно-хвильова обробка), лазери можна використати, наприклад, для безконтактного вимірювання тонких об’єктів (рис. 3.21), лазерного зв’язку (рис. 3.22), в термоядерному синтезі, голографії (див. п.6.6).