Všechny materiály, pro které lze zajistit inverzi populace, lze použít jako laserové médium. To je možné s následujícími materiály:

a) volné atomy, ionty, molekuly, ionty molekul v plynech nebo parách;

b) molekuly barviv rozpuštěné v kapalinách;

c) atomy, ionty vložené do pevný;

d) dopované polovodiče;

e) volné elektrony.

Počet médií, která jsou schopna generovat laserové záření a počet laserových přechodů je velmi velký. Jen v neonovém prvku je pozorováno asi 200 různých laserových přechodů. Podle typu laserového aktivního prostředí se rozlišují plynové, kapalinové, polovodičové a pevnolátkové lasery. Pro zajímavost je třeba poznamenat, že lidský dech skládající se z oxidu uhličitého, dusíku a vodní páry je vhodným aktivním médiem pro slabý CO 2 laser a některé druhy ginů již laserové záření generovaly, protože obsahují dostatečné množství chininu s modrou fluorescencí.

Laserové generační čáry jsou známé od ultrafialové oblasti spektra (100 nm) až po milimetrové vlnové délky ve vzdálené infračervené oblasti. Lasery plynule přecházejí do maserů. V oblasti laserů probíhá intenzivní výzkum v oblasti rentgenových vln (obr. 16), ale praktický význam nabyly pouze dvě až tři desítky typů laserů. CO 2 lasery, argonové a kryptonové iontové lasery, CW a pulzní Nd:YAG lasery, CW a pulzní barvivové lasery, He-Ne lasery a GaAs lasery nyní našly nejširší lékařské uplatnění. Excimerové lasery, Nd:YAG lasery se zdvojením frekvence, Er:YAG lasery a lasery z kovových par se také stále častěji používají v medicíně.

Rýže. 16. Typy laserů nejčastěji používaných v medicíně.

Laserově aktivní média lze navíc rozlišit podle toho, zda tvoří diskrétní laserové čáry, tzn. pouze ve velmi úzkém specifickém rozsahu vlnových délek, nebo vyzařují spojitě v širokém rozsahu vlnových délek. Volné atomy a ionty mají díky svým dobře definovaným úrovním energie diskrétní laserové čáry. Mnoho pevnolátkových laserů také emituje na diskrétních liniích (rubínové lasery, Nd:YAG lasery). Byly však vyvinuty i pevnolátkové lasery (lasery s barevným středem, alexandritové, diamantové lasery), jejichž vlnové délky záření se mohou plynule měnit v rozsáhlé spektrální oblasti. To se týká zejména barvivových laserů, u kterých tato technika pokročila v největší míře. Vzhledem k pásové struktuře energetických hladin polovodičů nemají polovodičové lasery také diskrétní jasné generační linie laseru.

V naší době je těžké najít člověka, který by to slovo nikdy neslyšel "laser" jen málokdo však jasně chápe, co to je.

Půl století od vynálezu laserů odlišné typy našel uplatnění v celé řadě oblastí, od medicíny po digitální technologie. Co je tedy laser, jaký je princip jeho činnosti a k ​​čemu slouží?

Co je laser?

Možnost existence laserů předpověděl Albert Einstein, který v roce 1917 publikoval článek pojednávající o možnosti elektronů emitujících světelná kvanta určité délky. Tento jev se nazýval stimulovaná emise, ale dlouhou dobu byl považován z technického hlediska za nerealizovatelný.

S rozvojem technických a technologických možností se však vytvoření laseru stalo otázkou času. V roce 1954 obdrželi sovětští vědci N. Basov a A. Prochorov Nobelovu cenu za vytvoření maseru, prvního mikrovlnného generátoru poháněného čpavkem. A v roce 1960 Američan T. Maiman vyrobil první kvantový generátor optických paprsků, který nazval laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Zařízení přeměňuje energii na optické záření úzkého směru, tzn. světelný paprsek, proud světelných kvant (fotonů) vysoké koncentrace.

Princip činnosti laseru

Jev, na kterém je založen provoz laseru, se nazývá stimulované neboli indukované záření média. Atomy určité látky mohou za působení jiných fotonů emitovat fotony, přičemž energie působícího fotonu se musí rovnat rozdílu energetických hladin atomu před a po ozáření.

Vyzařovaný foton je koherentní s tím, který emisi vyvolal, tzn. přesně jako první foton. V důsledku toho se slabý světelný tok v médiu zesílí, a ne náhodně, ale najednou daný směr. Vzniká svazek stimulovaného záření, který se nazývá laser.

Klasifikace laserů

Při studiu podstaty a vlastností laserů byly objeveny různé typy těchto paprsků. Podle stavu výchozí látky mohou být lasery:

• plyn;
• kapalina;
• pevné skupenství;
• na volných elektronech.

V současné době bylo vyvinuto několik metod pro získání laserového paprsku:

• pomocí elektrického doutnavého nebo obloukového výboje v plynném médiu - plynový výboj;
• rozšiřováním horkého plynu a vytvářením populačních inverzí – plynová dynamika;
• průchodem proudu polovodičem s buzením prostředí - diodou nebo injekcí;
• optickým čerpáním média zábleskovou lampou, LED, dalším laserem atd.;
• čerpáním média elektronovým paprskem;
• jaderné čerpání při příjmu záření z nukleární reaktor;
• pomocí speciálních chemických reakcí – chemických laserů.

Všechny mají své vlastní vlastnosti a rozdíly, kvůli kterým se používají různé obory průmysl.

Praktické využití laserů

K dnešnímu dni se lasery různých typů používají v desítkách průmyslových odvětví, lékařství, IT technologiích a dalších oblastech činnosti. Jsou zvyklí:

• řezání a svařování kovů, plastů, jiných materiálů;
• kreslení obrázků, nápisů a označování povrchu výrobků;
• vrtání ultratenkých děr, přesné zpracování polovodičových krystalických dílů;
• vytváření povlaků výrobků nástřikem, nanášením, legováním povrchu atd.;
• Přenos informačních paketů pomocí skleněných vláken;
• provádění chirurgických operací a jiných terapeutických účinků;
• kosmetické procedury pro omlazení pokožky, odstranění vadných útvarů atd.;
• cílení různé druhy zbraně, od ručních zbraní po raketové zbraně;
• tvorba a používání holografických metod;
• uplatnění v různých výzkumných projektech;
• měření vzdáleností, souřadnic, hustoty pracovních médií, průtoků a mnoha dalších parametrů;
• spuštění chemických reakcí pro provádění různých technologických procesů.

Oblastí, ve kterých se lasery již používají nebo najdou uplatnění ve velmi blízké budoucnosti, je mnohem více.

Bez nadsázky lze laser označit za jeden z nejvýznamnějších objevů 20. století.

Co je laser

mluvící jednoduchými slovy,laser - Jedná se o zařízení, které vytváří silný úzký paprsek světla. Název "laser" ( laser) se tvoří sečtením prvních písmen slov, která tvoří anglický výraz l noc A zesílení podle s simulované E mise z r záření, což znamená „zesílení světla stimulovanou emisí“. Laser vytváří světelné paprsky takové síly, že jsou schopny vypálit díry i do velmi odolných materiálů, přičemž na tom stráví jen zlomek vteřiny.

Běžné světlo se od zdroje rozptyluje různými směry. K sestavení do paprsku se používají různé optické čočky nebo konkávní zrcadla. A ačkoli takový světelný paprsek může dokonce zapálit oheň, ano energii nelze srovnávat s energií laserového paprsku.

Princip činnosti laseru

V fyzický základ laser práce leží fenomén nucený, nebo indukované, záření . Jaká je její podstata? Jaký druh záření se nazývá stimulovaný?

Ve stabilním stavu má atom látky nejnižší energii. S takovým stavem se počítá hlavní a všechny ostatní státy vzrušený . Porovnáme-li energii těchto stavů, pak ve vybuzeném stavu je ve srovnání se základním stavem nadměrná. Když atom přejde z excitovaného stavu do stabilního stavu, atom spontánně emituje foton. Toto elektromagnetické záření se nazývá spontánní emise.

Dojde-li k přechodu z excitovaného stavu do stavu stabilního násilně vlivem vnějšího (indukujícího) fotonu, pak vzniká nový foton, jehož energie se rovná rozdílu energií přechodových hladin. Takové záření se nazývá nucený .

Nový foton je "přesnou kopií" fotonu, který způsobil emisi. Má stejnou energii, frekvenci a fázi. Není však absorbován atomem. V důsledku toho již existují dva fotony. Ovlivňují další atomy a způsobují další výskyt nových fotonů.

Nový foton je emitován atomem pod vlivem indukujícího fotonu, když je atom v excitovaném stavu. Atom v neexcitovaném stavu jednoduše absorbuje indukující foton. Proto, aby se světlo zesílilo, je nutné, aby tam bylo více excitovaných atomů než těch nevybuzených. Takový stav se nazývá populační inverze.

Jak funguje laser

Konstrukce laseru obsahuje 3 prvky:

1. Zdroj energie, který se nazývá „čerpací“ mechanismus laseru.

2. Pracovní těleso laseru.

3. Systém zrcadel, neboli optický rezonátor.

Zdroje energie mohou být různé: elektrické, tepelné, chemické, světelné atd. Jejich úkolem je „napumpovat“ pracovní těleso laseru energií, aby v něm vyvolalo generování laserového světelného toku. Zdroj energie je tzv mechanismus"pumpování" laseru . Mohou být chemická reakce, jiný laser, záblesková lampa, elektrické jiskřiště atd.

pracovní orgán nebo laserové materiály , pojmenujte látky, které plní funkce aktivní prostředí. Laserový paprsek vychází z pracovního těla. jak se to stane?

Na samém začátku procesu je pracovní tekutina ve stavu termodynamické rovnováhy a většina atomů je v normálním stavu. Aby došlo k ozáření, je nutné působit na atomy tak, aby systém přešel do stavu populační inverze. Tento úkol provádí laserový čerpací mechanismus. Jakmile se v jednom atomu objeví nový foton, spustí proces produkce fotonů v dalších atomech. Tento proces se brzy stane lavinou. Všechny produkované fotony budou mít stejnou frekvenci a světelné vlny vytvoří světelný paprsek obrovské síly.

Jako aktivní média v laserech se používají pevné, kapalné, plynné a plazmové látky. Například v prvním laseru, vytvořeném v roce 1960, byl aktivním médiem rubín.

Pracovní kapalina je umístěna v optický rezonátor . Nejjednodušší z nich se skládá ze dvou rovnoběžných zrcadel, z nichž jedno je průsvitné. Část světla odráží a část propouští. Paprsek světla se odráží od zrcátek a vrací se zpět a zesílí. Tento proces se mnohokrát opakuje. Na výstupu laseru vzniká velmi silná světelná vlna. V rezonátoru může být více zrcadel.

Kromě toho se v laserech používají další zařízení - zrcadla, která mohou měnit úhel natočení, filtry, modulátory atd. S jejich pomocí lze měnit vlnovou délku, dobu trvání pulzu a další parametry.

Kdy byl vynalezen laser?

V roce 1964 se laureáty stali ruští fyzici Alexander Michajlovič Prochorov a Nikolaj Gennadjevič Basov a také americký fyzik Charles Hard Towns. Nobelova cena ve fyzice, který jim byl udělen za objev principu fungování kvantového generátoru na čpavek (maser), který vyrobili nezávisle na sobě.

Alexandr Michajlovič Prochorov

Nikolaj Gennadjevič Basov

Nutno říci, že maser vznikl 10 let před touto událostí, v roce 1954. Vyzařoval koherentní elektromagnetické vlny v rozsahu centimetrů a stal se prototypem laseru.

Autorem prvního funkčního optického laseru je americký fyzik Theodore Maiman. 16. května 1960 poprvé obdržel červený laserový paprsek z červené rubínové tyče. Vlnová délka tohoto záření byla 694 nanometrů.

Theodor Maiman

Moderní lasery přicházejí v různých velikostech, od mikroskopických polovodičových laserů po obrovské neodymové lasery o velikosti fotbalového hřiště.

Aplikace laserů

Bez laserů to nejde moderní život. Laserové technologie se používají v různých odvětvích: věda, technika, lékařství.

V každodenním životě používáme laserové tiskárny. Prodejny používají laserové čtečky čárových kódů.

Pomocí laserových paprsků v průmyslu je možné provádět povrchové úpravy s nejvyšší přesností (řezání, nástřik, legování atd.).

Laser umožnil měřit vzdálenost vesmírných objektů s přesností na centimetry.

Nástup laserů v medicíně hodně změnil.

Je těžké si představit moderní chirurgii bez laserových skalpelů, které poskytují nejvyšší sterilitu a přesně řezají tkáň. S jejich pomocí se provádějí téměř bezkrevné operace. Pomocí laserového paprsku jsou cévy těla očištěny od cholesterolových plaků. Laser má široké využití v oftalmologii, kde se používá ke korekci zraku, léčbě odchlípení sítnice, šedého zákalu atd. S jeho pomocí dochází k drcení ledvinových kamenů. Je nepostradatelný v neurochirurgii, ortopedii, stomatologii, kosmetologii atd.

Ve vojenských záležitostech se používají laserové lokalizační a navigační systémy.

Laser- jedná se o světelný zdroj s vlastnostmi, které se výrazně liší od všech ostatních zdrojů (žárovky, zářivky, plameny, přírodní svítidla atd.). Laserový paprsek má řadu pozoruhodných vlastností. Šíří se na velké vzdálenosti a má přísně přímočarý směr. Paprsek se pohybuje ve velmi úzkém paprsku s malou mírou divergence (k Měsíci se dostane s ohniskem stovek metrů). Laserový paprsek má velké teplo a dokáže prorazit díru do jakéhokoli materiálu. Intenzita světla paprsku je větší než intenzita nejsilnějších světelných zdrojů.
Název laseru je zkratka anglické fráze: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). zesílení světla stimulovanou emisí.
Všechny laserové systémy lze rozdělit do skupin podle typu použitého aktivního média. Nejdůležitější typy laserů jsou:

pevné skupenství

polovodič

kapalina

plyn
Aktivním prostředím je soubor atomů, molekul, iontů nebo krystalu (polovodičový laser), který působením světla může získat zesilující vlastnosti.

Každý atom má tedy samostatnou sadu energetických úrovní. Elektrony atomu, který je v základním stavu (stav s minimální energií), při pohlcování světelných kvant přecházejí na vyšší energetickou hladinu - atom je excitován; když je emitováno kvantum světla, vše se děje naopak. Navíc k emisi světla, tedy k přechodu na nižší energetickou hladinu (obr. 1b), může dojít spontánně (spontánně) nebo působením vnějšího záření (vynucené) (obr. 1c). Navíc, pokud jsou kvanta spontánní emise emitována v náhodných směrech, pak je kvanta stimulované emise emitována ve stejném směru jako kvanta, která toto záření způsobila, to znamená, že obě kvanta jsou zcela totožná.

Obr.1 Typy laserového záření

Aby přechody, při kterých dochází k energetickému záření (přechody z horní energetické hladiny na spodní), převládaly, je potřeba vytvořit zvýšenou koncentraci excitovaných atomů nebo molekul (vytvořit převrácenou populaci). To povede ke zvýšení světla dopadajícího na látku. Stav látky, ve kterém se vytváří inverzní populace energetických hladin, se nazývá aktivní a médium sestávající z takové látky se nazývá aktivní médium.

Proces vytváření populace inverzní úrovně se nazývá pumpování. A další klasifikace laserů se provádí podle způsobu čerpání (optický, tepelný, chemický, elektrický atd.). Způsoby čerpání závisí na typu laseru (pevnolátkový, kapalný, plynový, polovodičový atd.).
Za hlavní problém procesu čerpání lze uvažovat na příkladu tříúrovňového laseru (obr. 2)

Obr. 2 schéma tříúrovňového laseru

Nižší laserová hladina I s energií E1 je hlavní energetická hladina systému, kde jsou zpočátku umístěny všechny aktivní atomy. Čerpání excituje atomy a podle toho je přenáší z úrovně země I do úrovně III s energií E3. Atomy, které jsou na úrovni III, emitují světelná kvanta a přejdou na úroveň I, nebo rychle přejdou na horní laserovou úroveň II. Pro akumulaci excitovaných atomů na horní laserové úrovni II, s energií E2, je nutné mít rychlou relaxaci atomů z úrovně III na II, která musí překročit rychlost rozpadu horní úrovně laseru II. Takto vytvořená inverzní populace poskytne podmínky pro zesílení záření.

Aby však došlo ke generování, je také nutné poskytnout zpětnou vazbu, to znamená, že stimulovaná emise, jakmile se objeví, způsobí nové akty stimulované emise. K vytvoření takového procesu je aktivní médium umístěno v optickém rezonátoru.

Optický rezonátor je soustava dvou zrcadel s aktivním prostředím mezi nimi (obr. 3). Poskytuje vícenásobný původ světelných vln šířících se podél jeho osy podél zesilovacího média, čímž je dosaženo vysokého vyzařovacího výkonu.

Obr.3 Laserové schéma

Při dosažení určitého výkonu vystupuje záření polopropustným zrcadlem. Vzhledem k účasti na vývoji generování pouze té části kvant, které jsou rovnoběžné s osou rezonátoru, účinnost. laserů obvykle nepřesahuje 1 %. V některých případech, obětování určitých vlastností, K.P.D. lze zvýšit až o 30 %.

Pro realizaci generování elektromagnetických vln pomocí zesilovače, jak je známo z radiofyziky, je nutné přivést výstupní signál zesilovače na jeho vstup a vytvořit zpětnovazební smyčku. V optice se taková zpětná vazba vytváří pomocí Fabry-Perotova interferometru, který vytváří rezonátor. Obrázek 1.11. je uvedeno schematické znázornění laserového zařízení, které se skládá z: 1) aktivního média délky L, 2) zdroje čerpadla, například zábleskové lampy, 3) dvou zrcadel s koeficienty odrazu R1 a R2, které tvoří Fabry-Perotův interferometr.

Rýže. 1.11. zásadový optický design laser

Pro vytvoření laseru jsou nutné tři podmínky:

1. přítomnost aktivního média s inverzí populace, 2. přítomnost zpětné vazby, 3. přebytek zisku nad ztrátami

Generování laseru začne, když zesílení aktivního prostředí kompenzuje ztráty v něm, zesílení záření na jeden průchod aktivním prostředím (tj. poměr výstupní a vstupní hustoty fotonového toku) se rovná

exp (1.12)

Pokud jsou ztráty v rezonátoru určeny pouze přenosem zrcadel, pak bude prahová hodnota generování dosažena, když podmínka

R1R2exp = 1 (1,13)

Tato podmínka ukazuje, že prahové hodnoty je dosaženo, když se blíží inverze populace kritický. Jakmile je dosaženo kritické inverze, generace se vyvine ze spontánní emise. Fotony, které jsou spontánně emitovány podél osy rezonátoru, budou skutečně zesíleny. Tento mechanismus je základem generace laseru.

1.4.1. Metody vytváření inverzní populace.

Dosud jsme uvažovali o dvouúrovňových systémech, ale laserování v takových systémech není možné. Ve stavu termodynamické rovnováhy N 1 > N 2, proto při vystavení elektromagnetickému poli počet nucených přechodů zdola nahoru (1 -» 2) další číslo nucené přechody shora dolů (2 -» 1): v tomto případě populace nižší úrovně klesá a horní roste. Při dostatečně vysoké objemové hustotě energie elektromagnetického pole lze úrovňové populace vyrovnat , když se počty vynucených přechodů 1 -» 2 a 2 -» 1 rovnají, tzn. nastává dynamická rovnováha. Nazývá se fenomén vyrovnání úrovně populace přechodová saturace. Působením elektromagnetického pole na dvouúrovňový systém lze tedy dosáhnout saturace přechodu, nikoli však inverze populace.

1.4.1. třístupňový systém.

Obrázek 1.12. je znázorněno schéma znázorňující činnost opticky čerpaného tříúrovňového laseru (například rubínového). V počátečním stavu jsou všechny atomy v laserovém materiálu na nižší úrovni 1. Pumpování přenáší atomy z nižší úrovně do úrovně 3, která se skládá z mnoha podúrovní, které tvoří široký absorpční pás. Tato úroveň umožňuje použít jako čerpadlo zdroj se širokým spektrem záření, například zábleskovou lampu. Většina excitovaných atomů rychle přechází do průměrná úroveň 2 bez záření. Ale nakonec kvantový systém se vrací na nižší úroveň 1 s emisí fotonu. Tento přechod je laserový přechod.

Pokud je intenzita pumpy menší než práh laseru, pak záření doprovázející přechod atomů z úrovně 2 do úrovně 1 je spontánní. Když intenzita pumpy překročí generační práh, záření se stimuluje. K tomu dochází, když populace úrovně 2 překročí populaci úrovně 1. Toho lze dosáhnout, pokud je životnost na úrovni 2 delší než doba relaxace z úrovně 3 na úroveň 2, tzn.

Rýže. 1.12. Diagram energetické hladiny tříúrovňového laseru.

Počet atomů N 3 na úrovni E 3 je malý ve srovnání s počtem atomů na jiných úrovních, tzn.

(1.15)

Hlavní myšlenkou tříúrovňového systému je, že atomy jsou efektivně pumpovány z úrovně 1 do metastabilní úrovně 2, rychle procházejí úrovní 3. V tomto případě je systém také reprezentován jako dvouúrovňový systém. Pro generování je nutné, aby populace úrovně 2 byla větší než populace úrovně 1. V tříúrovňovém systému pro generování laseru je tedy nutné, aby více než polovina atomů z nižší energetické úrovně 1 byla převedena na metastabilní úroveň 2.

1.4.2. čtyřstupňový systém.

Čtyřúrovňový laserový systém, podle jehož schématu je většina laserů na skle a krystalech aktivovaných ionty vzácných zemin, je znázorněna na obrázku 1.13.

Rýže. 1.13. Diagram energetické hladiny čtyřúrovňového laseru

Je třeba poznamenat, že v tříúrovňovém systému dochází ke generování laseru mezi excitovanou úrovní 2 a spodní úrovní 1, která je vždy obsazena. A ve čtyřúrovňovém systému se laserový přechod provádí na úroveň 1, která je nad spodní úrovní a která nemusí být osídlena vůbec nebo osídlena, ale mnohem méně než nejnižší úroveň. K vytvoření inverzní populace tedy stačí vybudit malý počet aktivních atomů, protože téměř okamžitě přejdou na úroveň 2. To znamená, Generační práh pro čtyřúrovňový laserový systém bude mnohem nižší než pro tříúrovňový.