Структура та принцип роботи лазера. Квантові прилади з оптичним накачуванням, що працюють за "трирівневою схемою"

Квантові генератори, що випромінюють в діапазоні видимого та інфрачервоного випромінювання, отримали назву лазерів. Слово «лазер» є абревіатурою виразу: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що означає посилення світла внаслідок індукованого чи, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.

Пристрій лазера

Узагальнений лазер складається з лазерного активного середовища, системи «накачування» - джерела напруги та оптичного резонатора.

Система накачування передає енергію атомам чи молекулам лазерного середовища, даючи можливість перейти у збуджений «метастабільний стан» створюючи інверсію населеності.

· При оптичному накачуванні використовуються фотони, що забезпечуються джерелом, таким як ксенонова газонаповнена імпульсна лампа або інший лазер для передачі енергії лазерній речовині. Оптичне джерело має забезпечувати фотони, які відповідають допустимим рівням переходу лазерної речовини.

· Накачування за допомогою зіткнень засноване на передачі енергії лазерній речовині в результаті зіткнення з атомами (або молекулами) лазерної речовини. При цьому також має бути забезпечена енергія, що відповідає допустимим переходам. Зазвичай це виконується за допомогою електричного розряду в чистому газі або суміші газів у трубці.

· Хімічні системи накачування використовують енергію зв'язку, що вивільняється в результаті хімічних реакційдля переходу лазерної речовини у метастабільний стан.

Оптичний резонатор потрібен для забезпечення потрібного зусилля в лазері та відбору фотонів, які переміщуються в потрібному напрямку. Коли перший атом або молекула метастабільному стані інверсної населеності розряджається, за рахунок вимушеного випромінювання, він ініціює розряд інших атомів або молекул, що знаходяться в метастабільному стані. Якщо фотони переміщуються в напрямку стінок лазерної речовини, що зазвичай є стрижнем або трубою, вони губляться, а процес посилення переривається. Хоча вони можуть відбитися від стінок стрижня або труби, але рано чи пізно вони загубляться із системи, і не сприятимуть створенню променя.

З іншого боку, якщо один з зруйнованих атомів або молекул вивільнить фотон, паралельний осі лазерної речовини, він може ініціювати виділення іншого фотона, і вони обидві відіб'ються дзеркалом на кінці стрижня або труби, що генерує. Потім, відбиті фотони проходять назад через речовину, ініціюючи подальше випромінювання в точності тим же шляхом, яке знову позначиться дзеркалами на кінцях лазерної речовини. Поки цей процес підсилення триває, частина підсилення завжди виходитиме через дзеркало, що частково відображає. У міру того, як коефіцієнт посилення або приріст цього процесу перевищить втрати з резонатора починається лазерна генерація. Таким чином, формується вузький концентрований промінь когерентного світла. Дзеркала в лазерному оптичному резонаторі повинні бути точно налаштовані для того, щоб світлові промені були паралельні осі. Сам оптичний резонатор, тобто. речовина середовища, що не має сильно поглинати світлову енергію.

Лазерне середовище (генеруючий матеріал) – зазвичай лазери позначаються на кшталт використовуваного лазерного речовини. Існують чотири такі типи:

Тверда речовина,

Барвник,

Напівпровідник.

Твердотільні лазери використовують лазерну речовину, розподілену у твердій матриці. Твердотільні лазери займають унікальне місце у розвитку лазерів. Першим робочим лазерним середовищем був кристал рожевого рубіна (сапфіровий кристал, легований хромом); з того часу термін «твердотільний лазер» зазвичай використовується для опису лазера, у якого активним середовищем є кристал, легований домішками іонів. Твердотілі лазери - це великі, прості в обслуговуванні пристрої, здатні генерувати енергію високої потужності. Найбільш чудовою стороною твердотільних лазерів є те, що Вихідна потужністьзазвичай не постійна, а складається з великої кількостіокремих піків потужності.

Одним із прикладів є Неодим – YAG лазер. Термін YAG є скороченням для кристала: алюмоітрієвий гранат, який служить як носій для іонів неодиму. Цей лазер випромінює інфрачервоний промінь із довжиною хвилі 1064 мікрометри. Крім того, можуть використовуватися інші елементи для легування, наприклад ербій (лазери Er:YAG).

У газових лазерах використовується газ чи суміш газів у трубі. У більшості газових лазерів використовується суміш гелію і неону (HeNe), з первинним вихідним сигналом 6328 нм (нм = 10-9 метра) видимого червоного кольору. Вперше такий лазер був розроблений у 1961 році та став провісником цілого сімейства газових лазерів.

Усе газові лазеридосить схожі за конструкцією та властивостями. Наприклад, СО2 газовий лазер випромінює довжину хвилі 10,6 мікрометрів далекої інфрачервоної області спектра. Аргоновий та криптоновий газові лазери працюють з кратною частотою, випромінюючи переважно у видимій частині спектру. Основні довжини хвиль випромінювання аргонового лазера – це 488 та 514 нм.

У лазерах на фарбнику використовується лазерне середовище, що є складним органічним барвником у рідкому розчині або суспензії.

Найбільш значна особливість цих лазерів – їхня «пристосовуваність». Правильний вибірбарвника та його концентрації дозволяє генерувати лазерне світло у широкому діапазоні довжин хвиль у видимому спектрі або біля нього. У лазерах на фарбнику зазвичай застосовується система оптичного збудження, хоча в деяких типах таких лазерів використовується збудження за допомогою хімічних реакцій.


Напівпровідникові (діодні) лазери складаються з двох шарів напівпровідникового матеріалу, складених разом. Лазерний діод є діодом, що випромінює світло, з оптичною ємністю для посилення випромінюваного світла від люфта в стрижні напівпровідника, як показано на малюнку. Їх можна налаштувати, змінюючи струм, температуру або магнітне поле, що прикладається.

Різні часові режими роботи лазера визначаються частотою, з якою надходить енергія.

Лазери з безперервним випромінюванням (Continuous wave, CW) працюють із постійною середньою потужністю променя.

У одноімпульсних лазерів тривалість імпульсу зазвичай становить від кількох сотень мікросекунд до кількох мілісекунд. Цей режим роботи зазвичай називається довгоімпульсним чи нормальним режимом.

Одноімпульсні лазери з модуляцією добротності є результатом внутрішньорезонаторного запізнення (комірка модуляції добротності), що дозволяє лазерному середовищу зберігати максимум потенційної енергії. Потім, за максимально сприятливих умов, відбувається випромінювання одиночних імпульсів, зазвичай із проміжком часу 10-8 секунд. Ці імпульси мають високу пікову потужність, часто в діапазоні від 106 до 109 Ватт.

Імпульсні лазери періодичної дії або скануючі лазери працюють у принципі також як і імпульсні лазери, але з фіксованою (або змінною) частотою імпульсів, яка може змінюватися від кількох імпульсів на секунду до такого великого значенняяк 20 000 імпульсів за секунду.

Принцип дії лазера

Фізичною основоюроботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання Суть явища у тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під впливом іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінюваний фотон когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). У такий спосіб відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, у якому випромінювані фотони мають випадкові напрями поширення, поляризацію та фазу.

Імовірність того, що випадковий фотон викликає індуковане випромінювання збудженого атома, точно дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженому стані. Тому посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів серед було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.)

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінювані фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він є двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (призми, що обертаються, комірки Керра та ін) для швидкого вимикання і включення зворотного зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Випромінювання, що генерується лазером, є монохроматичним (одною або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі домінуватимуть над іншими фотонами. Крім цього, через особливе розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином, промінь лазера має дуже малий кут розбіжності. Нарешті, промінь лазера має певну поляризацію. Для цього резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.


Застосування лазерів

лазер квантовий генератор випромінювання

З моменту свого винаходу лазери зарекомендували себе як готові рішення ще не відомих проблем. 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 тощо). У промисловості лазери використовуються для різання, зварювання та паяння деталей з різних матеріалів. Висока температуравипромінювання дозволяє зварювати матеріали, які неможливо зварити звичайними способами (наприклад, кераміку та метал). Промінь лазера може бути сфокусований на точку діаметром порядку мікрона, що дозволяє використовувати його в мікроелектроніці (так зване лазерне скрайбування). Лазери використовуються для отримання поверхневих покриттів матеріалів (лазерне легування, лазерне наплавлення, вакуумно-лазерне напилення) з метою підвищення їх зносостійкості. Широке застосування отримала також лазерне маркування промислових зразків та гравіювання виробів із різних матеріалів. При лазерній обробці матеріалів на них не виявляється механічна дія, тому виникають лише незначні деформації. Крім того весь технологічний процесможе бути повністю автоматизовано. Лазерна обробка тому характеризується високою точністю та продуктивністю.

Напівпровідниковий лазер, який використовується у вузлі генерації зображення принтера Hewlett-Packard.

Лазери застосовуються в голографії для створення самих голограм та отримання гологафічного об'ємного зображення. Деякі лазери, наприклад лазери на барвниках, здатні генерувати монохроматичне світло практично будь-якої довжини хвилі, при цьому імпульси випромінювання можуть досягати 10-16 с, а отже, і величезних потужностей (так звані гігантські імпульси). Ці властивості використовують у спектроскопії, і навіть щодо нелінійних оптичних ефектів. З використанням лазера вдалося виміряти відстань до Місяця з точністю до кількох сантиметрів. Лазерна локація космічних об'єктів уточнила значення астрономічної постійної та сприяла уточненню систем космічної навігації, розширила уявлення про будову атмосфери та поверхні планет Сонячна система. В астрономічних телескопах, з адаптивною оптичною системою корекції атмосферних спотворень, лазер застосовують для створення штучних опорних зірок у верхніх шарах атмосфери.

Надкороткі імпульси лазерного випромінювання використовуються в лазерній хімії для запуску та аналізу хімічних реакцій. Тут лазерне випромінювання дозволяє забезпечити точну локалізацію, дозу, абсолютну стерильність і високу швидкість введення енергії в систему. В даний час розробляються різні системи лазерного охолодження, розглядаються можливості здійснення за допомогою лазерів керованого термоядерного синтезу (найбільш відповідним лазером для досліджень в області термоядерних реакцій, був би лазер, який використовує довжини хвиль, що лежать у блакитній частині видимого спектру). Лазери використовуються і у військових цілях, наприклад, як засоби наведення та прицілювання. Розглядаються варіанти створення на основі потужних лазерів бойових систем захисту повітряного, морського та наземного базування.

У медицині лазери застосовуються як безкровні скальпелі, що використовуються при лікуванні офтальмологічних захворювань (катаракта, відшарування сітківки, лазерна корекція зору та ін.). Широке застосування отримали також у косметології (лазерна епіляція, лікування судинних та пігментних дефектів шкіри, лазерний пілінг, видалення татуювань та пігментних плям). В даний час бурхливо розвивається так званий лазерний зв'язок. Відомо, що чим вище несуча частота каналу зв'язку, тим більша його пропускна здатність. Тому радіозв'язок прагне переходити на дедалі короткі довжини хвиль. Довжина світлової хвилі в середньому на шість порядків менша за довжину хвилі радіодіапазону, тому за допомогою лазерного випромінювання можлива передача набагато більшого обсягу інформації. Лазерний зв'язок здійснюється як по відкритим, так і закритим світловодним структурам, наприклад, по оптичному волокну. Світло рахунок явища повного внутрішнього відбиття може поширюватися у ньому великі відстані, мало слабшаючи.

Повсякденної виробничої та наукової діяльності. З роками цей "інструмент" все більше удосконалюватиметься, а разом з цим безперервно розширюватиметься і область застосування лазерів. Наростаючі темпи досліджень в галузі лазерної техніки відкривають можливості створення нових типів лазерів зі значно покращеними характеристиками, що дозволяють розширити сфери їх застосування в...




Не тільки для особливо твердих матеріалів, але і для матеріалів, що відрізняються підвищеною крихкістю. Лазерне свердло виявилося не лише потужним, а й вельми делікатним інструментом. Приклад: застосування лазера при свердлінні отворів у підкладках мікросхем, що виготовляються із глиноземної кераміки. Кераміка надзвичайно тендітна. З цієї причини механічне свердління отворів у підкладці мікросхеми.

Лазер обов'язково складається з трьох основних компонентів:

1) активного середовища, у якій створюються статки з інверсією населенностей;

2) системинакачування− пристрої для створення інверсії в активному середовищі;

3) оптичногопро резонатора− пристрої, що формує напрямок пучка фотонів.

Крім цього, оптичний резонатор призначений для багаторазового посилення лазерного випромінювання.

В даний час як активною (Робочої) середи лазера використовуються різні агрегатні стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний, плазма.

Для створення інверсного населення середовища лазера використовуються різні методи накачування . Накачування лазера може здійснюватися як безперервно, і імпульсно. При тривалому (безперервному) режимі потужність накачування, що вводиться в активне середовище, обмежена перегрівом активного середовища і пов'язаними з ним явищами. У режимі одиночних імпульсів можливе введення в активне середовище значно більшої енергії, ніж за той самий час у безперервному режимі. Це зумовлює велику потужність одиночного імпульсу.


Лазер- це джерело світла з властивостями, що різко відрізняються від інших джерел (ламп розжарювання, люмінесцентних ламп, полум'я, природні світила і так далі). Лазерний промінь має низку чудових властивостей. Він поширюється великі відстані і має строго прямолінійне напрям. Промінь рухається дуже вузьким пучком з малим ступенемрозбіжності (він досягає місяця з фокусуванням у сотні метрів). Лазерний промінь має велику теплоту і може пробивати отвір у будь-якому матеріалі. Світлова інтенсивність променя більша, ніж інтенсивність найсильніших джерел світла.
Назва лазер- це абревіатура англійської фрази: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). посилення світла з допомогою вимушеного випромінювання.
Всі лазерні системи можна розділити на групи залежно від типу активного середовища. Найважливішими типами лазерів є:

  • твердотільні
  • напівпровідникові
  • рідинні
  • газові
    Активне середовище є сукупністю атомів, молекул, іонів або кристал ( напівпровідниковий лазер), яка під дією світла може набувати посилюючих властивостей.

    Отже, кожен атом має дискретний набір енергетичних рівнів. Електрони атома, що у основному стані (стан з мінімальною енергією), при поглинанні квантів світла переходять більш високий енергетичний рівень - атом збуджується; при випромінюванні кванта світла все відбувається навпаки. Причому випромінювання світла, тобто перехід на нижчий енергетичний рівень (рис. 1б) може відбуватися спонтанно або під дією зовнішнього випромінювання (вимушено) (рис.1в). Причому, якщо кванти спонтанного випромінювання випромінюються у випадкових напрямках, то квант вимушеного випромінювання випромінюється у тому напрямі, як і квант викликав це випромінювання, тобто обидва кванта повністю тотожні.

    Рис.1 Види лазерного випромінювання

    Щоб переважали переходи, у яких відбувається випромінювання енергії (переходи з верхнього енергетичного рівня на нижній), необхідно створити підвищену концентрацію збуджених атомів чи молекул (створити інверсну населеність). Це призведе до посилення світла, що падає на речовину. Стан речовини, в якому створено інверсне населення енергетичних рівнів, називається активним, а середовище, що складається з такої речовини - активним середовищем.

    Процес створення інверсної населеності рівнів називається накачуванням. І ще одна класифікація лазерів проводиться у спосіб накачування (оптичний, тепловий, хімічний, електричний тощо.). Методи накачування залежать від типу лазера (твердотільного, рідинного, газового, напівпровідникового тощо).
    Основне завдання процесу накачування можна розглянути з прикладу трирівневого лазера (рис. 2)


    Рис.2 схема трирівневого лазера

    Нижній лазерний рівень I з ​​енергією E1 є основним рівнем енергії системи, на якому спочатку знаходяться всі активні атоми. Накачування збуджує атоми і перекладає з основного рівня I, на рівень III, з енергією E3. Атоми, що опинилися на рівні III, випромінюють кванти світла і переходять на рівень I, або швидко переходять на верхній лазерний рівень II. Щоб відбувалося накопичення збуджених атомів на верхньому лазерному рівні II, з енергією E2 потрібно мати швидку релаксацію атомів з рівня III на II, яка повинна перевищувати швидкість розпаду верхнього лазерного рівня II. Створена в такий спосіб інверсна населеність забезпечить умови посилення випромінювання.

    Однак щоб виникла генерація, необхідно ще забезпечити Зворотній зв'язок, тобто що вимушене випромінювання, раз виникнувши, викликало нові акти вимушеного випромінювання. Для створення такого процесу активне середовище поміщають оптичний резонатор.

    Оптичний резонатор є системою двох дзеркал, між якими розташовується активне середовище (рис. 3). Він забезпечує багаторазове походження світлових хвиль, що розповсюджуються вздовж осі по посилюючому середовищі, внаслідок чого досягається висока потужність випромінювання.


    Рис.3 Схема лазера

    При досягненні певної потужності випромінювання виходить через напівпрозоре дзеркало. Через участь у розвитку генерації лише частини квантів, які паралельні осі резонатора, К.П.Д. лазерів зазвичай не перевищує 1%. У деяких випадках, жертвуючи тими чи іншими характеристиками, К.П.Д. можна довести до 30%.

    • На схемі позначено: 1 - активне середовище; 2 – енергія накачування лазера; 3 – непрозоре дзеркало; 4 – напівпрозоре дзеркало; 5 – лазерний промінь.

    Усі лазери складаються з трьох основних частин:

      активного (робочого) середовища;

      системи накачування (джерело енергії);

      оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).

    Кожна з них забезпечує для роботи лазера виконання певних функцій.

    Активне середовище

    В даний час як робоче середовище лазера використовуються різні агрегатні стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний, плазма. У звичайному стані число атомів, що знаходяться на збуджених енергетичних рівнях, визначається розподілом Больцмана:

    тут N- Число атомів, які перебувають у збудженому стані з енергією E, N 0 - число атомів, що знаходяться в основному стані, k- Постійна Больцмана, T- Температура середовища. Іншими словами, таких атомів, що перебувають у збудженому стані менше, ніж в основному, тому ймовірність того, що фотон, поширюючись по середовищі, викличе вимушене випромінювання також мала в порівнянні з ймовірністю його поглинання. Тому електромагнітна хвиля, проходячи по речовині, витрачає свою енергію на збудження атомів.

    тут I 0 - початкова інтенсивність, I l - інтенсивність випромінювання, що пройшло відстань lу речовині, a 1 - показник поглинання речовини. Оскільки залежність експоненційна, випромінювання дуже швидко поглинається.

    У тому випадку, коли кількість збуджених атомів більша, ніж не збуджених (тобто у стані інверсії населення), ситуація прямо протилежна. Акти вимушеного випромінювання переважають над поглинанням, і випромінювання посилюється згідно із законом:

    де a 2 – коефіцієнт квантового посилення. У реальних лазерах посилення відбувається до того часу, поки величина що надходить рахунок вимушеного випромінювання енергії стане рівної величині енергії, що втрачається в резонаторе . Ці втрати пов'язані з насиченням метастабільного рівня робочої речовини, після чого енергія накачування йде тільки на його розігрів, а також з наявністю безлічі інших факторів (розсіювання на неоднорідностях середовища, поглинання домішками, неідеальність відбивають дзеркал, корисне і небажане випромінювання в оточенні).

    Система накачування

    Для створення інверсного населення середовища лазера використовуються різні механізми. У твердотільних лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, сфокусованим сонячним випромінюванням (так зване оптичне накачування) і випромінюванням інших лазерів (зокрема, напівпровідникових). При цьому можлива робота тільки в імпульсному режимі, оскільки потрібні дуже великі щільності енергії накачування, що викликають при тривалому впливі сильний розігрів і руйнування стрижня робочої речовини. У газових та рідинних лазерах використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють у безперервному режимі. Накачування хімічних лазеріввідбувається за допомогою перебігу в їхньому активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населення виникає або безпосередньо у продуктів реакції, або у спеціально введених домішок з відповідною структурою енергетичних рівнів. Накачування напівпровідникових лазерів відбувається під дією сильного прямого струму через p-n перехід, а також пучком електронів. Існують і інші методи накачування (газодинамічні, що полягають у різкому охолодженні попередньо нагрітих газів; фотодисоціація, окремий випадок хімічної накачування та ін).

    На малюнку: а - трирівнева та б - чотирирівнева схеми накачування активного середовища лазера.

    Класична трирівнева система накачування робочого середовища використовується, наприклад, у рубіновому лазері. Рубін являє собою кристал корунду Al 2 O 3 , легований невеликою кількістю міонів хрому Cr 3 + , які і є джерелом лазерного випромінювання. Через вплив електричного полякристалічної решіткикорунду зовнішній енергетичний рівень хрому E 2 розщеплений (див. ефект Штарка). Саме це уможливлює використання немонохроматичного випромінювання як накачування. При цьому атом переходить із основного стану з енергією. E 0 у збуджене з енергією близько E 2 . У цьому стані атом може бути порівняно недовго (порядку 10 -8 с), майже відразу відбувається безвипромінювальний перехід на рівень E 1 , у якому атом може бути значно довше (до 10 -3 з), це так званий метастабільний рівень. Виникає можливість здійснення індукованого випромінювання під впливом інших випадкових фотонів. Щойно атомів, що у метастабільному стані стає більше, ніж у основному, починається процес генерації.

    Слід зазначити, що створити інверсію населення атомів хрому Cr за допомогою накачування безпосередньо з рівня E 0 на рівень E 1 не можна. Це пов'язано з тим, що якщо поглинання та вимушене випромінювання відбуваються між двома рівнями, то обидва ці процеси протікають з однаковою швидкістю. Тому в даному випадку накачування може лише зрівняти населення двох рівнів, чого недостатньо для виникнення генерації.

    У деяких лазерах, наприклад, у неодимовому, генерація випромінювання в якому відбувається на іонах неодиму Nd 3+ , використовується чотирирівнева схема накачування. Тут між метастабільним E 2 та основним рівнем E 0 є проміжний - робочий рівень E 1 . Вимушене випромінювання відбувається під час переходу атома між рівнями E 2 та E 1 . Перевага цієї схеми у тому, що у разі легко виконати умова інверсної населеності, оскільки час життя верхнього робочого рівня ( E 2) на кілька порядків більше часу життя нижнього рівня ( E 1). Це значно знижує вимоги до джерела накачування. Крім того, подібна схема дозволяє створювати потужні лазери, що працюють у безперервному режимі, що дуже важливо для деяких застосувань. Однак подібні лазери мають істотний недолік у вигляді низького квантового ККД, яке визначається як відношення енергії випромінюваного фотона до енергії поглиненого фотона накачування (η квантове = hν випромінювання /hν накачування)

    Складно в наш час знайти людину, яка ніколи не чула б слова «лазер»Проте чітко уявляють, що це таке, вельми небагато.

    За півстоліття з моменту винаходу лазери різних видівзнайшли застосування у широкому спектрі напрямів, від медицини до цифрової техніки. Так що ж таке лазер, який принцип його дії і для чого він потрібен?

    Що таке лазер?

    Можливість існування лазерів була передбачена Альбертом Ейнштейном, який ще в 1917 опублікував роботу, що говорить про можливість випромінювання електронами квантів світла певної довжини. Це було названо вимушеним випромінюванням, але тривалий час воно вважалося нереалізованим з технічної погляду.

    Однак з розвитком технічних та технологічних можливостей створення лазера стало справою часу. У 1954 році радянські вчені М. Басов та А. Прохоров отримали Нобелівську преміюстворення мазера – першого мікрохвильового генератора, працюючого на аміаку. А 1960 року американець Т. Мейман виготовив перший квантовий генератор оптичних променів, названий ним лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Пристрій перетворює енергію на оптичне випромінювання тонкої спрямованості, тобто. світловий промінь, потік квантів світла (фотонів) високої концентрації

    Принцип функціонування лазера

    Явище, у якому заснована робота лазера, називається вимушеним, чи індукованим, випромінюванням середовища. Атоми певної речовини можуть випускати фотони під дією інших фотонів, при цьому енергія фотона, що впливає, повинна бути рівною різниці між енергетичними рівнямиатома до випромінювання та після нього.

    Випромінений фотон є когерентним тому, що викликав випромінювання, тобто. точно подібний до першого фотону. Через війну слабкий потік світла у середовищі посилюється, причому не хаотично, а одному заданому напрямі. Утворюється промінь вимушеного випромінювання, яке отримало назву лазера.

    Класифікація лазерів

    У міру дослідження природи та властивостей лазерів було відкрито різні види цих променів. За видом стану вихідної речовини лазери можуть бути:

    • газовими;
    • рідинними;
    • твердотільні;
    • на вільних електронах.



    В даний час розроблено кілька способів отримання лазерного променя:

    • з допомогою електричного тліючого чи дугового розряду у газовому середовищі – газоразрядные;
    • за допомогою розширення гарячого газу та створення інверсій населення – газодинамічні;
    • за допомогою пропускання струму через напівпровідник із збудженням середовища – діодні чи інжекційні;
    • шляхом оптичного накачування середовища лампою-спалахом, світлодіодом, іншим лазером тощо;
    • шляхом електронно-променевого накачування середовища;
    • ядерним накачуванням при надходженні випромінювання з ядерного реактора;
    • з допомогою спеціальних хімічних реакцій – хімічні лазери.

    Всі вони мають свої особливості та відмінності, завдяки яким знаходять застосування в різних сферах промисловості.

    Практичне використання лазерів

    На сьогоднішній день лазери різних типівзастосовуються у десятках галузей промисловості, медицини, IT технологій та інших сферах діяльності. З їх допомогою здійснюються:

    • різання та зварювання металів, пластмас, інших матеріалів;
    • нанесення зображень, написів та маркування поверхні виробів;
    • свердління надтонких отворів, прецизійна обробка напівпровідникових кристалічних деталей;
    • формування покриттів виробів напиленням, наплавленням, поверхневим легуванням тощо;
    • передача інформаційних пакетів за допомогою скловолокна;
    • виконання хірургічних операцій та інших лікувальних впливів;
    • косметологічні процедури омолодження шкіри, видалення дефектних утворень та ін;
    • наведення на ціль різних видівозброєнь, від стрілецької до ракетної зброї;
    • створення та використання голографічних методів;
    • застосування у різних науково-дослідних роботах;
    • вимірювання відстаней, координат, щільності робочих середовищ, швидкості потоків та багатьох інших параметрів;
    • запуск хімічних реакцій щодо різних технологічних процесів.



    Існує ще чимало напрямків, в яких лазери вже використовуються або знайдуть застосування найближчим часом.