Презентация, доклад по физике на тему Принцип действия лазера

Даша
Учитель: Г.В.Елькина

Принцип действия лазера

сделан Ч.Таунсом в США, Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым в СССР.
Лазерной технике всего 40 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях жизни общества.

Н.Г.Басов А.М. Прохоров

Создатели лазера

- Усиление света индуцированным испусканием излучения), он же Оптический Квантовый Генератор - устройство, создающее когерентный пучок электромагнитного излучения в оптическом или смежных с ним (инфракрасном, ультрафиолетовом) диапазонах. Принцип действия лазера основан на явлении испускания атомами или молекулами фотона, при взаимодействии с другим фотоном.

даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок диаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое пятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Особенностью лазерного излучения является монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что от конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всех существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра и соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногие традиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненные разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучение некогерентно и малоинтенсивно. Лазерное излучение поляризовано.

именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний - либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы - с повышением или понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными - вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении число квантов уменьшается и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект - усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется - накачка.

С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Наибольшее распространение среди импульсных получили лазер на рубине и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый лазер работает на длине волны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4—5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 дж за время ~ 10-3 сек. Типичное значение мощности генерации твердотельных лазеров в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для лазеров на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт.

циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. В первых житкостный лазер использовались растворы редкоземельных хелатов. Они пока не нашли применения вследствие малости достижимой энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, предложенных и синтезированных в СССР, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом Жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Жидкостный лазер на красителях. Справа - насос, прокачивающий жидкость через холодильник.

высокая оптическая однородность.

В излучении Газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность.

Применение новых методов возбуждения  и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. Другими практически важными особенностями Полупроводниковых лазеров являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.
Полупроводниковые лазеры превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной кпд. Важным качеством полупроводниковых лазеры является возможность перестройки частоты излучения и управления световым пучком, т. е. модуляция интенсивности света с постоянной времени ~ 10-11 сек.

Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

от домашнего музыкального центра до суперсовременных устройств в исследованиях космоса, медицине и практически всех других сферах. Непрерывно расширяется область использования лазеров и в научных исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов. Одно из самых важных применений в информационной сфере родилось из создания так называемых лазеров на основе полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковый лазер является главной деталью в лазерных проигрывателях – «иголкой», списывающей информацию с компакт-диска.

Применение лазера