Laser
Laser ( englanniksi laser , lyhenne sanoista l light a amplification by s stimulated mission of radiation ) tai optinen kvanttigeneraattori on laite, joka muuntaa pumpun energian ( valo , sähkö , lämpö , kemiallinen jne . ) energiaksi. Koherentista , monokromaattisesta , polarisoidusta ja kapeasti suunnatusta säteilyvuosta.
Laserin toiminnan fyysinen perusta on stimuloidun (indusoidun) säteilyn kvanttimekaaninen ilmiö . Lasersäteily voi olla jatkuvaa, vakioteholla tai pulssisäteilyä ja saavuttaa erittäin suuret huipputehot. Joissakin järjestelmissä laserin työelementtiä käytetään optisena vahvistimena toisesta lähteestä tulevalle säteilylle. On olemassa suuri määrä erilaisia lasereita, jotka käyttävät työväliaineena kaikkia aineen aggregoituja tiloja . Tietyntyyppiset laserit, kuten väriaineliuoslaserit tai polykromaattiset solid-state-laserit , voivat tuottaa koko alueen taajuuksia ( optisia ontelomuotoja ) laajalla spektrialueella. Laserit vaihtelevat mikroskooppisista joidenkin puolijohdelasereiden jalkapallokentän kokoon joihinkin neodyymilasilasereihin . Lasersäteilyn ainutlaatuiset ominaisuudet mahdollistivat niiden käytön eri tieteen ja teknologian aloilla sekä arjessa CD- levyjen , viivakoodien lukemisesta ja kirjoittamisesta hallitun lämpöydinfuusion tutkimukseen asti .
Tärkeimmät päivämäärät
- 1916 : A. Einstein ennustaa stimuloidun emission ilmiön olemassaolon - minkä tahansa laserin toiminnan fyysisen perustan [1] .
- Tämä ilmiö sai tiukan teoreettisen perustelun kvanttimekaniikan puitteissa ranskalaisen tiedemiehen ja fyysikon P. Diracin ( 1902-1984) teoksissa vuosina 1927-1930 . [2] [3]
- 1928 : R. Ladenburgin ja G. Kopfermannin kokeellinen vahvistus stimuloidun emission olemassaolosta. [neljä]
- Vuonna 1940 V. Fabrikant ja F. Butaeva ennustivat mahdollisuuden käyttää stimuloitua säteilyä väliaineen populaatioinversiolla sähkömagneettisen säteilyn vahvistamiseen [4] .
- 1950 : A. Kastler ( 1966 Nobelin fysiikan palkinto ) ehdottaa menetelmää väliaineen optiseen pumppaamiseen käänteisen populaation luomiseksi siihen. Totesivat käytännössä vuonna 1952 Brossel , Kastler ja Winter [5] . Ennen kvanttigeneraattorin luomista oli jäljellä yksi askel: tuoda positiivinen palaute väliaineeseen eli sijoittaa tämä väliaine resonaattoriin [4] .
- 1954 : ensimmäinen mikroaaltogeneraattori - ammoniakkimaser ( Ch. Towns , Basov N. G. ( 1922-2001) ja Prokhorov A. M. (1916-2001) - Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1964 ). Takaisinkytkentää toimi onteloresonaattori , jonka mitat olivat noin 12,6 mm ( aallonpituus , joka säteilee ammoniakin siirtyessä viritetyltä värähtelytasolta päävärähtelytasolle ) [ 4] . Optisen alueen sähkömagneettisen säteilyn vahvistamiseksi oli tarpeen luoda onkaloresonaattori, jonka mitat olisivat mikronin luokkaa . Tähän liittyvien teknisten vaikeuksien vuoksi monet tutkijat uskoivat tuolloin, että näkyvän säteilyn generaattorin luominen oli mahdotonta [6] .
- 1960 : 16. toukokuuta T. Meiman esitteli ensimmäisen optisen kvanttigeneraattorin - laserin - toiminnan [7] . Aktiivisena väliaineena käytettiin keinotekoista rubiinikidettä ( alumiinioksidi Al 2 O 3 pienellä kromi Cr:n seoksella), ja onkaloresonaattorin sijasta käytettiin Fabry-Perot-resonaattoria , joka muodostui hopeapeilipinnoitteista. kristallin päät. Tämä laser toimi pulssitilassa aallonpituudella 694,3 nm [4] . Saman vuoden joulukuussa luotiin helium-neon-laser , joka säteilee jatkuvassa tilassa ( A. Javan , W. Bennett , D. Harriot). Aluksi laser toimi infrapuna-alueella , sitten sitä muutettiin lähettämään näkyvää punaista valoa, jonka aallonpituus oli 632,8 nm [6] .
- Laserien fysiikka kehittyy edelleen intensiivisesti. Laserin keksimisen jälkeen lähes joka vuosi on ilmestynyt uusia sen tyyppejä, jotka on mukautettu eri tarkoituksiin [6] . Vuonna 1961 luotiinneodyymilasilaser , ja seuraavan viiden vuoden aikana kehitettiin laserdiodeja , värilasereita , hiilidioksidilasereita ja kemiallisia lasereita . Vuonna 1963 J. Alferov (1930-2019) ja G. Kremer ja Jack Colby ( Nobelin fysiikan palkinto 2000 ) kehittivät puolijohdeheterorakenteiden teorian , jonka pohjalta luotiin monia lasereita.
Neuvostoliiton tiedeakatemian akateemikko Zh.Alferov sekä Herbert Kremer ja D.Kolby saivat 10. joulukuuta 2000 Tukholmassa puolijohdefysiikan Nobelin palkinnon modernin IT-tekniikan parantamisesta, valokuitukaapelin luomisesta ja cd 💿-levyjen lukemisen periaate järjestelmän levyasemissa PC-lohko. Neuvostoliiton kvanttifysiikot N. Basov ja A. Prokhorov patentoivat IR-laserin vuonna 1963 yhdessä amerikkalaisen fyysikon Ch. Townsin (Columbia University) kanssa. Vuonna 1964 he saivat Nobelin fysiikan palkinnon kvanttielektroniikasta.
Kuinka se toimii
Laserin toiminnan fyysinen perusta on stimuloidun (indusoidun) säteilyn ilmiö [8] . Ilmiön ydin on, että virittyvä atomi (tai muu kvanttijärjestelmä ) pystyy emittoimaan fotonin toisen fotonin vaikutuksesta ilman sen absorptiota, jos jälkimmäisen energia on yhtä suuri kuin atomin tasojen välinen energiaero . ennen ja jälkeen säteilyn. Tässä tapauksessa emittoitunut fotoni on koherentti säteilyn aiheuttaneen fotonin kanssa (se on sen "tarkka kopio"). Näin valo vahvistuu . Tämä ilmiö eroaa spontaanista emissiosta , jossa emittoivilla fotoneilla on satunnaiset etenemis-, polarisaatio- ja vaihesuunnat [9] [10] .
Todennäköisyys , että satunnainen fotoni aiheuttaa virittyneen atomin indusoidun emission, on täsmälleen yhtä suuri kuin todennäköisyys, että virittymättömässä tilassa oleva atomi absorboi tämän fotonin [11] . Siksi valon vahvistamiseksi on välttämätöntä, että väliaineessa on enemmän virittyneitä atomeja kuin virittymättömiä (ns. populaatioinversio ). Termodynaamisen tasapainon tilassa tämä ehto ei täyty, joten laseraktiivisen väliaineen pumppaamiseen käytetään erilaisia järjestelmiä ( optinen , sähköinen , kemiallinen jne.) [12] .
Ensisijainen syntylähde on spontaani emissioprosessi, joten fotonien sukupolvien jatkuvuuden varmistamiseksi tarvitaan positiivisen palautteen olemassaolo , jonka vuoksi emittoidut fotonit aiheuttavat myöhempiä stimuloituja emissioita. Tätä varten laserin aktiivinen väliaine sijoitetaan optiseen resonaattoriin . Yksinkertaisimmassa tapauksessa se koostuu kahdesta vastakkain asennetusta peilistä , joista toinen on läpikuultava - sen läpi lasersäde poistuu osittain resonaattorista. Peileistä heijastuva säteilysäde kulkee toistuvasti resonaattorin läpi aiheuttaen siihen indusoituja siirtymiä. Säteily voi olla jatkuvaa tai pulssia. Samaan aikaan käyttämällä erilaisia laitteita (pyöriviä prismoja , Kerr-soluja jne.) takaisinkytkennän nopeaan sammuttamiseen ja päälle kytkemiseen ja siten pulssijakson lyhentämiseen, voidaan luoda olosuhteet erittäin suuren tehon säteilyn tuottamiseen (ns. kutsutaan jättiläispulsseiksi ) [9] . Tätä lasertoimintatapaa kutsutaan Q -kytketyksi tilaksi .
Laserin tuottama säteily on monokromaattista (yhdestä tai erillisestä aallonpituusjoukosta ), koska todennäköisyys lähettää tietyn aallonpituuden omaava fotoni on suurempi kuin levenemiseen liittyvän lähellä sijaitsevan spektriviivan, ja vastaavasti indusoitujen siirtymien todennäköisyydellä tällä taajuudella on myös maksimi. Siksi tietyn aallonpituuden fotonit hallitsevat vähitellen syntyvaiheessa kaikkia muita fotoneja [12] . Lisäksi peilien erikoisjärjestelyn vuoksi lasersäteeseen tallentuvat vain ne fotonit, jotka etenevät resonaattorin optisen akselin suuntaisesti pienellä etäisyydellä siitä, loput fotonit poistuvat nopeasti resonaattorista. äänenvoimakkuutta. Siten lasersäteellä on hyvin pieni erotuskulma [13] . Lopuksi lasersäteellä on tiukasti määritelty polarisaatio . Tätä varten resonaattoriin viedään erilaisia polarisaattoreita , esimerkiksi ne voivat olla tasolasilevyjä, jotka on asennettu Brewsterin kulmaan lasersäteen etenemissuuntaan nähden [14] .
Laserlaite
Kaikki laserit koostuvat kolmesta pääosasta:
- aktiivinen (työ)ympäristö;
- pumppausjärjestelmät (energialähde);
- optinen resonaattori (voi puuttua, jos laser toimii vahvistintilassa).
Jokainen niistä tarjoaa laserin toiminnan suorittaakseen sen erityisiä toimintoja.
Aktiivinen ympäristö
Tällä hetkellä laser-työvälineenä käytetään erilaisia aggregoituja aineita : kiinteää , nestemäistä , kaasumaista , plasmaa [15] . Normaalitilassa viritetyissä energiatasoissa olevien atomien lukumäärä määräytyy Boltzmannin jakauman [16] mukaan :
missä N on viritetyssä tilassa olevien atomien lukumäärä energialla E , N 0 on perustilassa olevien atomien lukumäärä (energia on nolla), k on Boltzmannin vakio , T on väliaineen lämpötila . Toisin sanoen viritetyssä tilassa tällaisia atomeja on vähemmän kuin perustilassa, joten myös todennäköisyys, että väliaineen läpi etenevä fotoni aiheuttaa stimuloitua emissioa, on pieni verrattuna sen absorption todennäköisyyteen. Siksi aineen läpi kulkeva sähkömagneettinen aalto kuluttaa energiansa atomien virittymiseen. Tässä tapauksessa säteilyn intensiteetti pienenee Bouguerin lain [2] mukaan :
missä I 0 on alkuintensiteetti, I l on etäisyyden l ylittäneen säteilyn intensiteetti aineessa, a 1 on aineen absorptioindeksi . Koska riippuvuus on eksponentiaalinen , säteily imeytyy hyvin nopeasti.
Siinä tapauksessa, että virittyneiden atomien lukumäärä on suurempi kuin virittymättömien atomien lukumäärä (eli populaation inversion tilassa), tilanne on suoraan päinvastainen. Stimuloidut emissiot menevät yli absorption ja emissio vahvistuu lain mukaan [2] :
jossa a 2 on kvanttivahvistus. Todellisissa lasereissa vahvistusta tapahtuu, kunnes stimuloidusta emissiosta tuleva energiamäärä on yhtä suuri kuin resonaattorissa menetetty energiamäärä [17] . Nämä häviöt liittyvät työaineen metastabiilin tason kyllästymiseen, jonka jälkeen pumpun energiaa käytetään vain sen lämmittämiseen, sekä monien muiden tekijöiden läsnäoloon (sironta keskipitkällä epähomogeenisuudella, imeytyminen epäpuhtauksiin , epätäydellisyys). heijastavat peilit, hyödyllinen ja ei-toivottu säteily ympäristöön jne.). ) [2] .
Pumppujärjestelmä
Lasermedian käänteisen populaation luomiseen käytetään erilaisia mekanismeja. Puolijohdelasereissa se suoritetaan säteilyttämällä tehokkailla kaasupurkaussalamalampuilla , fokusoidulla auringon säteilyllä (ns. optinen pumppaus) ja säteilyllä muista lasereista (erityisesti puolijohdelasereista) [ 9] [18] . Tässä tapauksessa on mahdollista työskennellä vain pulssi- tai toistuvasti pulssitilassa, koska tarvitaan erittäin suuria pumppausenergiatiheyksiä, jotka aiheuttavat voimakasta kuumenemista ja työainesauvan tuhoutumista pitkäaikaisen altistuksen aikana [19] . Kaasu- ja nestelaserit (katso helium -neonlaser , värilaser ) käyttävät sähköpurkauspumppua . Nämä laserit toimivat jatkuvasti. Kemiallisten lasereiden pumppaus tapahtuu kemiallisten reaktioiden virtauksen kautta niiden aktiivisessa väliaineessa . Tässä tapauksessa populaation inversio tapahtuu joko suoraan reaktiotuotteissa tai erityisesti lisätyissä epäpuhtauksissa, joilla on sopiva energiatasorakenne. Puolijohdelasereita pumpataan voimakkaalla tasavirralla pn -liitoksen kautta ja myös elektronisuihkulla . On olemassa muitakin pumppausmenetelmiä (kaasudynaaminen, joka koostuu esikuumennettujen kaasujen terävästä jäähdytyksestä ; fotodissosiaatio , kemiallisen pumppauksen erikoistapaus jne.) [17] .
Klassista kolmitasoista järjestelmää työväliaineen pumppaamiseen käytetään esimerkiksi rubiinilaserissa. Rubiini on Al 2 O 3 -korundin kide, joka on seostettu pienellä määrällä Cr 3+ -kromi - ioneja , jotka ovat lasersäteilyn lähde. Korundin kidehilan sähkökentän vaikutuksesta kromin E 2 ulkoinen energiataso jakautuu (katso Starkin vaikutus ). Tämä mahdollistaa ei-monokromaattisen säteilyn käyttämisen pumppuna [9] . Tässä tapauksessa atomi siirtyy perustilasta energialla E 0 viritettyyn tilaan, jonka energia on noin E 2 . Atomi voi pysyä tässä tilassa suhteellisen lyhyen ajan (luokkaa 10 -8 s ), ei-säteilyllinen siirtyminen E 1 -tasolle tapahtuu lähes välittömästi , jolloin atomi voi pysyä paljon pidempään (jopa 10 -3 s ). ), tämä on niin kutsuttu metastabiili taso . On mahdollista toteuttaa indusoitu emissio muiden satunnaisten fotonien vaikutuksesta. Heti kun metastabiilissa tilassa on enemmän atomeja kuin päätilassa, muodostusprosessi alkaa [17] [20] .
On mahdotonta luoda Cr-atomien populaatioinversiota pumppaamalla suoraan E 0 - tasolta E 1 - tasolle . Tämä johtuu siitä, että jos absorptio ja stimuloitu emissio tapahtuvat kahden tason välillä, niin nämä molemmat prosessit etenevät samalla nopeudella. Siksi tässä tapauksessa pumppaus voi vain tasoittaa kahden tason populaatiot, mikä ei riitä sukupolven syntymiseen [9] .
Joissakin lasereissa, esimerkiksi neodyymilasereissa, joissa säteilyä syntyy Nd 3+ -neodyymi -ioneille , käytetään nelitasoista pumppausjärjestelmää. Tässä metastabiilin E 2 ja päätason E 0 välillä on välitaso E 1 . Stimuloitu emissio tapahtuu, kun atomi kulkee tasojen E 2 ja E 1 välillä . Tämän kaavion etuna on, että tässä tapauksessa käänteinen populaatioehto on helppo täyttää, koska ylemmän työtason ( E 2 ) elinikä on useita suuruusluokkaa pidempi kuin alemman tason ( E 1 ). Tämä vähentää merkittävästi pumppulähteen vaatimuksia [17] . Lisäksi tällainen järjestelmä mahdollistaa suuritehoisten jatkuvaaaltolaserien luomisen, mikä on erittäin tärkeää joissakin sovelluksissa [15] . Tällaisilla lasereilla on kuitenkin merkittävä haittapuoli alhaisen kvanttihyötysuhteen muodossa, joka määritellään emittoidun fotonin energian suhteeksi absorboituneen pumpun fotonin energiaan (η kvantti = hν säteily / hν pumppu )
Optinen resonaattori
Laserpeilit eivät ainoastaan varmista positiivisen palautteen olemassaoloa, vaan toimivat myös resonaattorina, jotka tukevat joitain laserin generoituja moodeja , jotka vastaavat tietyn resonaattorin seisovia aaltoja [21] ja vaimentavat muita [16] . Jos resonaattorin optiselle pituudelle L mahtuu kokonaisluku puoliaaltoja n :
silloin tällaiset aallot, jotka kulkevat resonaattorin läpi, eivät muuta vaihettaan ja häiriön vuoksi vahvistavat toisiaan. Kaikki muut aallot, joiden taajuudet ovat lähellä toisiaan, kumoavat vähitellen toisensa. Siten optisen resonaattorin luonnollisten taajuuksien spektri määräytyy suhteesta:
missä c on valon nopeus tyhjiössä . Vierekkäisten resonaattoritaajuuksien välit ovat samat ja yhtä suuret
Eri syistä ( Doppler-laajeneminen , ulkoiset sähkö- ja magneettikentät , kvanttimekaaniset vaikutukset jne.) säteilyspektrin viivoilla on aina rajallinen leveys , joten voi syntyä tilanteita , joissa spektriviivan leveys (termi " vahvistuskaista” käytetään lasertekniikassa) sopii useille resonaattorin luonnollisille taajuuksille. Tässä tapauksessa lasersäteily on monimuotoista [22] . Näiden tilojen synkronointi mahdollistaa sen, että säteily on sarja lyhyitä ja voimakkaita pulsseja. Jos lasersäteilyssä on kuitenkin vain yksi taajuus, niin tässä tapauksessa peilijärjestelmän resonanssiominaisuudet ilmenevät heikosti spektriviivan resonanssiominaisuuksien taustaa vasten [12] .


Tarkemmassa laskelmassa on tarpeen ottaa huomioon, että aallot, jotka etenevät paitsi resonaattorin optisen akselin suuntaisesti, myös pienessä kulmassa siihen nähden, vahvistuvat. Vahvistusehto on tällöin muodossa [16] :

Tämä johtaa siihen, että lasersäteen intensiteetti on erilainen tähän säteeseen nähden kohtisuorassa olevan tason eri kohdissa. On olemassa vaaleiden pisteiden järjestelmä, jotka erotetaan tummilla solmuviivoilla. Näiden ei-toivottujen vaikutusten eliminoimiseksi käytetään erilaisia kalvoja , jotka hajottavat filamentteja, ja käytetään myös erilaisia optisten resonaattoreiden kaavioita [23] .
Laserien luokittelu
- Solid-state laserit luminoivilla kiinteillä aineilla ( dielektriset kiteet ja lasit). Aktivaattoreina käytetään yleensä harvinaisten maametallien tai rautaryhmän Fe ioneja . Pumppaus on optista ja puolijohdelasereista , joka suoritetaan kolmi- tai nelitasoisen järjestelmän mukaan. Nykyaikaiset solid-state laserit pystyvät toimimaan pulssi-, cw- ja kvasi-cw-moodissa [18] .
- Puolijohdelaserit . Muodollisesti ne ovat myös puolijohteita, mutta ne erotetaan perinteisesti omaan ryhmään, koska niillä on erilainen pumppausmekanismi (ylimääräisten varauksenkuljettajien ruiskuttaminen pn-liitoksen tai heteroliitoksen kautta , sähköinen rikkoutuminen voimakkaassa kentässä, nopeiden elektronien pommittaminen ), ja kvanttisiirtymiä tapahtuu sallittujen energiakaistojen välillä , ei erillisten energiatasojen välillä . Puolijohdelaserit ovat yleisimmin käytetty laserlaji jokapäiväisessä elämässä [24] . Lisäksi niitä käytetään spektroskopiassa , muiden lasereiden pumppausjärjestelmissä ja myös lääketieteessä (katso fotodynaaminen hoito ).
- Vertical Emitting Lasers (VCSELs) – "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" on eräänlainen diodipuolijohdelaser, joka lähettää valoa kohtisuoraan kiteen pintaan nähden, toisin kuin perinteiset laserdiodit, jotka säteilevät tasossa, joka on yhdensuuntainen kiteen pinnan kanssa. vohveleita.
- Värityslaserit . Lasertyyppi, joka käyttää fluoresoivaa liuosta aktiivisena väliaineena laajaspektristen orgaanisten väriaineiden muodostamiseen . Lasersiirtymiä tapahtuu ensimmäisen virittyneen ja maasingletin elektronisen tilan eri värähtelyalatasojen välillä. Optinen pumppaus, voi toimia jatkuvassa ja pulssitilassa. Pääominaisuus on kyky virittää säteilyn aallonpituutta laajalla alueella. Niitä käytetään spektroskooppisissa tutkimuksissa [25] .
- Kaasulaserit ovat lasereita, joiden aktiivinen väliaine on kaasujen ja höyryjen seos . Ne erottuvat suuresta tehosta, yksivärisyydestä sekä kapeasta säteilyn suunnasta. Ne toimivat jatkuvassa ja pulssitilassa. Kaasulaserit jaetaan pumppausjärjestelmästä riippuen kaasupurkauslasereihin, optisella virityksellä ja varautuneilla hiukkasvirityksellä varustettuihin kaasulasereihin (esim. ydinpumppulaserit [26] , 80-luvun alussa niihin perustuvia ohjuspuolustusjärjestelmiä). testattu [27] , mutta ilman suurta menestystä [28] ), kaasudynaamiset ja kemialliset laserit. Lasersiirtymien tyypin mukaan erotetaan atomisiirtymiin perustuvat kaasulaserit, ionilaserit, molekyylilaserit, jotka perustuvat molekyylien elektronisiin, värähtely- ja rotaatiosiirtymiin sekä eksimeerilaserit [29] .
- Kaasudynaamiset laserit ovat lämpöpumppaavia kaasulasereita, joissa populaation inversio syntyy heteronukleaaristen molekyylien virittyneiden värähtely-kiertotasojen välille suurella nopeudella (yleensä N 2 + CO 2 + He tai N 2 + ) liikkuvan kaasuseoksen adiabaattisen laajenemisen avulla. CO 2 + H 2 O , työaine on CO 2 , katso Hiilidioksidilaser ) [30] .
- Eksimeerilaserit ovat kaasulasereita, jotka toimivat eksimeerimolekyylien ( jalokaasudimeerien ja niiden monohalogenidien ) energiasiirtymillä , jotka voivat olla olemassa vain jonkin aikaa viritetyssä tilassa. Pumppaus suoritetaan johtamalla elektronisuihku kaasuseoksen läpi, jonka vaikutuksesta atomit siirtyvät virittyneeseen tilaan muodostaen eksimeeriä, jotka ovat itse asiassa väliaine, jolla on populaatioinversio . Eksimeerilaserit erottuvat korkeista energiaominaisuuksista, generointiaallonpituuden pienestä hajautumisesta ja sen sujuvasta virittämisestä laajalla alueella [31] .
- Kemialliset laserit ovat eräänlaisia lasereita, joiden energialähteenä ovat kemialliset reaktiot työväliaineen komponenttien välillä (kaasuseos). Lasersiirtymiä tapahtuu reaktiotuotteiden yhdistemolekyylien virittyneen värähtely-kierto- ja maatason välillä. Kemiallisten reaktioiden toteuttamiseksi ympäristössä tarvitaan jatkuvaa vapaiden radikaalien läsnäoloa , jota varten käytetään erilaisia menetelmiä vaikuttaa molekyyleihin hajottamaan niitä. Niille on ominaista laaja sukupolvispektri lähi- infrapuna-alueella , jatkuvan ja pulssisäteilyn suuri teho [32] .
- Vapaaelektronilaserit ovat lasereita, joiden aktiivinen väliaine on ulkoisessa sähkömagneettisessa kentässä värähtelevä vapaiden elektronien virta (jonka johdosta säteilyä tapahtuu) ja joka etenee relativistisella nopeudella säteilyn suuntaan. Pääominaisuus on sukupolven taajuuden tasainen laaja-alainen viritys. On olemassa ubitroneja ja scattroneita , ensimmäisen pumppaus suoritetaan aaltolaitteen spatiaalisesti jaksollisessa staattisessa kentässä, toisen -voimakkaalla sähkömagneettisen aallon kentällä. On olemassa myös syklotroniresonanssilasereita ja strofotroneja , jotka perustuvat elektronien bremsstrahlungiin, sekä kärpäsmatroneja , jotka käyttävät Tšerenkovin vaikutusta ja siirtymäsäteilyä . Koska jokainen elektroni emittoi jopa 108 fotonia, vapaiden elektronien laserit ovat itse asiassa klassisia laitteita ja niitä kuvaavat klassisen sähködynamiikan lait [33] .
- Kvanttikaskadilaserit ovat puolijohdelasereita, jotka lähettävät keski- ja kauko- infrapunasäteilyä [34] . Toisin kuin tavanomaiset puolijohdelaserit, jotka emittoivat pakotettujen siirtymien kautta sallittujen elektroni- ja aukkotasojen välillä, jotka erotetaan puolijohteen kaistavälillä , kvanttikaskadilaserien säteilyä tapahtuu, kun elektronit kulkevat puolijohdeheterorakenteen kerrosten välillä ja koostuu kahdesta tyyppisestä säteestä ja toissijaisesta säteestä. sillä on hyvin epätavallisia ominaisuuksia, eikä se vaadi suuria määriä energiaa [35] .
- Kuitulaser - laser, jonka resonaattori on rakennettu valokuidun pohjalle, jonka sisällä syntyy kokonaan tai osittain säteilyä. Täysin kuitutoteutuksessa tällaista laseria kutsutaan täyskuitulaseriksi, kun lasersuunnittelussa käytetään kuitua ja muita elementtejä, sitä kutsutaan kuitudiskreetiksi tai hybridiksi.
- Muuntyyppiset laserit, joiden periaatteiden kehittäminen on tällä hetkellä tutkimuksen painopistealue ( röntgenlaserit [36] , gammalaserit [37] jne.).
Lasereiden käyttö
Keksinnöstä lähtien laserit ovat osoittautuneet "valmiiksi ratkaisuiksi vielä tuntemattomiin ongelmiin" [38] . Lasersäteilyn ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi niitä käytetään laajasti monilla tieteen ja teknologian aloilla sekä jokapäiväisessä elämässä ( CD-soittimet , lasertulostimet , viivakoodinlukijat , laserosoittimet jne.). Helposti saavutettava korkea säteilyenergiatiheys mahdollistaa paikallisen lämpökäsittelyn ja siihen liittyvät koneistukset ( leikkaus , hitsaus , juottaminen , kaiverrus ). Kuumavyöhykkeen tarkka ohjaus mahdollistaa sellaisten materiaalien hitsauksen, joita ei voida hitsata tavanomaisilla menetelmillä (esim . keramiikka ja metalli ). Lasersäde voidaan kohdistaa pisteeseen, jonka halkaisija on mikronin luokkaa , mikä mahdollistaa sen käytön mikroelektroniikassa materiaalien tarkkuustyöstössä (puolijohdekiteiden leikkaaminen, erittäin ohuiden reikien poraus piirilevyihin ) [39] . Myös eri materiaaleista valmistettujen tuotteiden lasermerkintä ja taiteellinen kaiverrus [40] (mukaan lukien läpinäkyvien materiaalien kolmiulotteinen kaiverrus) ovat saaneet laajaa käyttöä . Lasereilla valmistetaan materiaalien pintapinnoitteita ( laserseos , laserpinnoitus , tyhjiölaserpinnoitus ) niiden kulutuskestävyyden lisäämiseksi . Materiaalien laserkäsittelyn aikana niihin ei vaikuteta mekaanisesti , lämmitysvyöhyke on pieni, joten lämpömuodonmuutoksia esiintyy vain vähäisiä . Lisäksi koko teknologinen prosessi voidaan täysin automatisoida. Laserkäsittelylle on siksi ominaista korkea tarkkuus ja tuottavuus.
Lasereita käytetään holografiassa itse hologrammien luomiseen ja holografisen tilavuuskuvan saamiseksi. Jotkut laserit, kuten värilaserit , pystyvät tuottamaan lähes minkä tahansa aallonpituuden monokromaattista valoa , kun taas säteilypulssit voivat saavuttaa 10–16 s ja siten valtavia tehoja (ns. jättiläispulssit ). Näitä ominaisuuksia käytetään spektroskopiassa sekä epälineaaristen optisten vaikutusten tutkimuksessa . Laserin avulla oli mahdollista mitata etäisyys Kuuhun useiden senttimetrien tarkkuudella. Avaruusobjektien lasermittaus on jalostellut useiden tähtitieteisten perusvakioiden arvoja ja myötävaikuttanut avaruusnavigoinnin parametrien tarkentamiseen , laajentanut ymmärrystä ilmakehän rakenteesta ja aurinkokunnan planeettojen pinnasta [17 ] . Ilmakehän vääristymiä korjaavalla mukautuvalla optisella järjestelmällä varustetuissa tähtitieteellisissä teleskoopeissa laserilla luodaan keinotekoisia vertailutähtiä yläilmakehään.
Lasereiden käyttö metrologiassa ja mittaustekniikassa ei rajoitu etäisyyksien mittaamiseen. Lasereilla on täällä monenlaisia sovelluksia: ajan, paineen, lämpötilan, nesteiden ja kaasujen virtausnopeuksien, kulmanopeuden ( lasergyroskooppi ), aineiden pitoisuuden, optisen tiheyden, erilaisten optisten parametrien ja ominaisuuksien mittaamiseen, vibrometriassa jne.
Ultralyhyitä laserpulsseja käytetään laserkemiassa kemiallisten reaktioiden ohjaamiseen ja analysointiin . Tässä lasersäteilyn avulla voidaan varmistaa tarkka lokalisointi, annostus, absoluuttinen steriiliys ja suuri energiansyöttö järjestelmään [41] . Parhaillaan kehitetään erilaisia laserjäähdytysjärjestelmiä [42] ja pohditaan mahdollisuuksia toteuttaa hallittua lämpöydinfuusiota lasereilla . Lasereita käytetään myös sotilaallisiin tarkoituksiin, kuten ohjaus- ja tähtäysapuvälineisiin . Tarkastellaan ilmassa, meressä ja maassa sijaitsevien taistelujärjestelmien suuritehoisten lasereiden luomista [43] [44] .
Lääketieteessä lasereita käytetään verettöminä veitsenä ja niitä käytetään silmäsairauksien ( kaihi , verkkokalvon irtauma , lasernäkökorjaus jne.) hoidossa. Niitä käytetään laajalti myös kosmetologiassa (laserkarvojen poisto , verisuonten ja pigmentoituneiden ihovaurioiden hoito, laserkuorinta , tatuointien ja ikäläiskien poisto ) [45] .
Lasersäteilyn vuorovaikutuksen tutkimiseksi aineen kanssa ja hallitun lämpöydinfuusion aikaansaamiseksi rakennetaan suuria laserkomplekseja , joiden teho voi ylittää 1 PW .
Laserkommunikaatio
Tällä hetkellä ns. laserviestintä kehittyy nopeasti . Tiedetään, että mitä suurempi viestintäkanavan kantoaaltotaajuus on , sitä suurempi on sen kaistanleveys [2] . Siksi radioviestinnällä on taipumus siirtyä yhä lyhyemmille aallonpituuksille. Valoaallon aallonpituus on keskimäärin kuusi suuruusluokkaa pienempi kuin radioalueen aallonpituus, joten lasersäteilyn avulla voidaan välittää paljon suurempi määrä tietoa . Laserviestintä tapahtuu sekä avoimissa että suljetuissa valonohjausrakenteissa, esimerkiksi valokuidun yli . Sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiöstä johtuva valo voi levitä sitä pitkin pitkiä matkoja käytännössä heikkenemättä [46] .
Laserturvallisuus
Kaikki, jopa pienitehoiset laserit, ovat vaaraksi ihmisen näkökyvylle. Laseria käytetään usein jokapäiväisessä elämässä, konserteissa, musiikkitapahtumissa. Monia verkkokalvon palovammoja on kirjattu [ 47 ] , jotka johtivat tilapäiseen tai täydelliseen sokeuteen.
Elokuvat
Muistiinpanot
- ↑ Elyashevich M.A. Einsteinin kertoimet // Fyysinen tietosanakirja : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 497. - 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .
- ↑ 1 2 3 4 5 S. Trankovsky. LASER (optinen kvanttigeneraattori) . Krugosvet.ru. Haettu 28. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011. (määrätön)
- ↑ Dirac PAM (1927). Säteilyn emission ja absorption kvanttiteoria . Proceedings of the Royal Society A . 114 . s. 243-265. (Englanti)
- ↑ 1 2 3 4 5 Aleksei Levin. Kvanttimajakka: Tarina yhdestä 1900-luvun tärkeimmistä keksinnöistä, laserista . Popmech.ru (1. kesäkuuta 2006). Haettu 28. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011. (määrätön)
- ↑ Ivar Waller. Fysiikan Nobelin palkinto 1966 : Esittelypuhe . Elsevier Publishing Company (1972). Käyttöpäivä: 20. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011.
- ↑ 1 2 3 François Balembois et Sebastien Unohda. Laser : Fundamentals // Jotkut tärkeät päivämäärät . Optics4 insinöörit. Haettu 11. joulukuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 16. joulukuuta 2013.
- ↑ Maiman, TH Stimuloitu optinen säteily rubiinissa // Luonto . - 1960. - Voi. 187 , no. 4736 . - s. 493-494 . - doi : 10.1038/187493a0 .
- ↑ Sivukhin D.V. Fysiikan yleinen kurssi. Optiikka. - M .: Nauka , 1985. - T. 4. - S. 704-706. — 735 s.
- ↑ 1 2 3 4 5 Oraevsky A. N. Laser // Toim. ME Zhabotinsky Quantum elektroniikka. Pieni tietosanakirja. - M . : "Neuvostoliiton tietosanakirja" , 1969. - S. 89-118 .
- ↑ R. Feynman , R. Layton, M. Sands. 3 - säteily, aallot, kvantit; 4 - kinetiikka, lämpö, ääni // Feynman Lectures on Physics . - 3. painos - M .: Mir, 1976. - T. 1. - S. 311-315. — 496 s.
- ↑ Einstein A. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie (saksa) // Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. - 1916. - Bd. 18 . — S. 318 .
- ↑ 1 2 3 Oraevsky A. N. Laser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Laatutekijä - Magneto-optiikka. - S. 546-552. - 704 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-061-4 .
- ↑ François Balembois ja Sebastien Unohda. Laser : Fundamentals // Lähetetyn lasersäteen spatiaaliset ominaisuudet (englanniksi) (linkki ei ole käytettävissä) . Prn1.univ-lemans.fr. Haettu 30. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 6. kesäkuuta 2008.
- ↑ Redkin Yu. N. Osa 5. Atomin, kiinteän kappaleen ja atomiytimen fysiikka // Yleisen fysiikan kurssi. - Kirov: VyatGGU, 2006. - S. 57. - 152 s.
- ↑ 1 2 Sivukhin D.V. Fysiikan yleinen kurssi. - Painos 2. - M . : Tiede , 1985. - T. IV. Optiikka. - S. 714-721. — 735 s.
- ↑ 1 2 3 Sivukhin D.V. Yleinen fysiikan kurssi. - Painos 2. - M . : Tiede , 1985. - T. IV. Optiikka. - S. 703-714. — 735 s.
- ↑ 1 2 3 4 5 Zhabotinsky M.E. Laser (optinen kvanttigeneraattori) // Physical Encyclopedic Dictionary / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1983. - S. 337-340. — 928 s. - 100 000 kappaletta.
- ↑ 1 2 Shcherbakov I. A. Solid-state laser // Physical Encyclopedia : [5 osana] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 49-50. — 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .
- ↑ Francesson A.V. Pumppaus // Fyysinen tietosanakirja : [5 osana] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1992. - T. 3: Magnetoplasmic - Poyntingin lause. - S. 239-241. — 672 s. - 48 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-019-3 .
- ↑ François Balembois ja Sebastien Unohda. Laser : Fundamentals // Spektroskooppiset järjestelmät laserin luomiseen (englanniksi) (linkki ei ole käytettävissä) . Prn1.univ-lemans.fr. Haettu 28. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 6. kesäkuuta 2008.
- ↑ Sivukhin D.V. Fysiikan yleinen kurssi. Sähkö. - M .: Science , 1985. - T. 3. - S. 624-627. - 713 s.
- ↑ François Balembois ja Sebastien Unohda. Laser : Fundamentals // Ontelon käyttöolosuhteet (englanniksi) (linkki ei ole käytettävissä) . Prn1.univ-lemans.fr. Haettu 31. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 6. kesäkuuta 2008.
- ↑ Bykov V.P. Optinen resonaattori // Fyysinen tietosanakirja : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1992. - T. 3: Magnetoplasmic - Poyntingin lause. - S. 454-457. — 672 s. - 48 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-019-3 .
- ↑ Eliseev P. G. Semiconductor laser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 51-55. - 704 s. - 40 000 kappaletta. - ISBN 5-85270-087-8 .
- ↑ Rubinov A.N. Värilaserit // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Laatutekijä - Magneto-optiikka. - S. 564. - 704 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-061-4 .
- ↑ Yakovlenko S.I. Nuclear-pumped laser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Laatutekijä - Magneto-optiikka. - S. 552. - 704 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-061-4 .
- ↑ Hecht, Jeff. Röntgenlaserin (neopr.) historia // Optiikka- ja fotoniikkauutiset. - Optical Society of America, 2008. - Toukokuu ( osa 19 , nro 5 ). - S. 26-33 . (Englanti)
- ↑ United States Nuclear Tests 1945-1992 (eng.) (pdf) (linkki ei saatavilla) . Yhdysvaltain energiaministeriö. Haettu 16. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011.
- ↑ Petrash G. G. Gas laser // Fyysinen tietosanakirja : [5 osana] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-ilmiö - Pitkät rivit. - S. 381. - 707 s. - 100 000 kappaletta.
- ↑ Biryukov A.S. Kaasudynaaminen laser // Physical Encyclopedia : [5 tilavuudessa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-ilmiö - Pitkät rivit. - S. 381-382. — 707 s. - 100 000 kappaletta.
- ↑ A.V. Jeletski. Excimer laser // Fyysinen tietosanakirja : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 500-501. — 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .
- ↑ Jeletsky A.V. Kemiallinen laser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 411-412. — 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .
- ↑ Bratman V. L., Ginzburg N. S. Vapaiden elektronien laserit // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Laatutekijä - Magneto-optiikka. - S. 564-566. - 704 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-061-4 .
- ↑ Faist J. et ai. Quantum Cascade Laser (englanniksi) // Tiede. - 1994. - huhtikuu ( nide 264 , nro 5158 ). - s. 553-556 . - doi : 10.1126/tiede.264.5158.553 . — PMID 17732739 . (Englanti)
- ↑ Kazarinov RF, Suris RA Mahdollisuus vahvistaa sähkömagneettisia aaltoja puolijohteessa superhilalla (englanniksi) // Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov : Journal. - 1971. - huhtikuu ( osa 5 , nro 4 ) . - s. 797-800 . (Englanti)
- ↑ Andreev A. V. Röntgenlaser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 365-366. - 704 s. - 40 000 kappaletta. - ISBN 5-85270-087-8 .
- ↑ Andreev A.V. Gamma laser // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-ilmiö - Pitkät rivit. - S. 411-412. — 707 s. - 100 000 kappaletta.
- ↑ Townes CH Ensimmäinen laser // Vuosisata luontoa: Kaksikymmentäyksi löytöä, joka muutti tiedettä ja maailmaa . - University of Chicago Press, 2003. - S. 107-112. - ISBN 0-226-28413-1 . (Englanti)
- ↑ Laserleikkaus ja rei'itys . Laser-reserv.ru. Haettu 6. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011. (määrätön)
- ↑ Naydenov A. Ja mitä muuta luonnonpuusta voidaan tehdä laserilla? (linkki ei saatavilla) . I-laser.ru (24. tammikuuta 2008). Haettu 7. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. tammikuuta 2012. (määrätön)
- ↑ Karlov N. V. Laserkemia // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Laatutekijä - Magneto-optiikka. - S. 340-341. - 704 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-061-4 .
- ↑ Laserjäähdytys ja neutraalien atomien vangitseminen (pääsemätön linkki) . Institute of Spectroscopy RAS. Haettu 6. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 3. joulukuuta 2011. (määrätön)
- ↑ Sakov V. Combat 100 kW Northrop Grumman laser. Melkein kannettava . 3dnews.ru (21. maaliskuuta 2009). Haettu 7. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 7. heinäkuuta 2009. (määrätön)
- ↑ Pae, Peter. Northrop Advance tuo laserpistoolin aikakauden lähemmäksi // Los Angeles Times . – 19.3.2009. - P.B2 .
- ↑ Laserit kirurgiaan ja kosmetologiaan . Medlaser.ru. Haettu 7. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. elokuuta 2011. (määrätön)
- ↑ Ievsky A. V., Stelmakh M. F. [bse.sci-lib.com/article084692.html Optinen viestintä] // Toim. A. M. Prokhorova Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja . - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1977.
- ↑ Häikäisevä show: Yleisö menetti näkyvistä konsertissa . Haettu 19. syyskuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 29. syyskuuta 2015. (määrätön)
Kirjallisuus
- Tarasov LV Koherentin optisen säteilyn generaattoreiden prosessien fysiikka . - M . : Radio ja viestintä, 1981. - 440 s. Arkistoitu 17. lokakuuta 2007 Wayback Machinessa
- Kondilenko I. I., Korotkov P. A., Khizhnyak A. I. Laserin fysiikka . - Kiova: Vishcha-koulu, 1984. - 232 s. (linkki ei saatavilla)
- Zvelto O. Laserien periaatteet . - M .: Mir, 1990. - 559 s. — ISBN 5-03-001053-X .
- Brunner V. Lasertekniikan käsikirja: Per. hänen kanssaan. — M .: Energoatomizdat, 1991. — 544 s. — ISBN 5-283-02480-6 .
- Kvanttielektroniikka. Pieni tietosanakirja. /Toim. M. E. Zhabotinsky. - M . : "Neuvostoliiton tietosanakirja" , 1969. - 500 s.
- Tarasov L. V. Laserit. Todellisuus ja Toivo . - M .: Tiede , 1985. - T. 42. - 176 s. — (Kvanttikirjasto). Arkistoitu 25. helmikuuta 2010 Wayback Machinessa
- Wagner SD Optiset kvanttigeneraattorit: Oppikirja erikoiskurssille. - Petroskoi, 1991.
- William T. Silfvast. Laserin perusteet. - New York: Cambridge University Press, 1996. - ISBN 0-521-55617-1 . (Englanti)
- Lasereiden luomisen 50-vuotisjuhlaan // UFN . - 2011. - T. 181 . (Venäjän kieli)
- Koebner G. Laserien teollinen sovellus. - M., Mashinostroenie , 1988. - ISBN 5-217-00266-2 . – Levikki 19700 kappaletta. - 280 s.
Lue lisää
- Maitland, A., Dunn, M. Johdatus laserfysiikkaan. - M., Mir , 1978. - 408 s.
Linkit
Temaattiset sivustot |
|
---|
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|
---|
Bibliografisissa luetteloissa |
---|
|
|