Принципът на действие и основните свойства на лазера.

Квантовата електроника може да се определи като клон на електрониката, в който квантовите явления играят основна роля. Тази книга е посветена на разглеждането на конкретен аспект на квантовата електроника, а именно описанието на физическите принципи на действие на лазерите и техните характеристики. Преди да навлезете в подробно обсъждане на темата, препоръчително е да обърнете малко внимание на елементарно разглеждане на идеите, на които се основават лазерите.

Лазерът използва три основни явления, които възникват при взаимодействието на електромагнитните вълни с материята, а именно процесите на спонтанно и стимулирано излъчване и процеса на абсорбция.

Принципът на действие на лазера

Нека разгледаме две произволни енергийни нива 1 и 2 в някаква среда със съответните популации N 1 и N 2 . Нека плоска вълна се разпространява в тази среда по посока на оста z с интензитет, съответстващ на плътността на фотонния поток F. Тогава, в съответствие с изразите (1.3) - (1.6), промяната в плътността на потока dF, дължаща се на както стимулираните процеси на излъчване, така и на абсорбция, в слоя dz (защрихована област на фигура 1.2) се дава от уравнението

dF=σF(N 2 -. N 1) (1,7)

Уравнение (1.7) предполага, че в случай на N 2 > N 1 средата се държи като усилваща среда (т.е. dF/dz > 0), а в случай на N 2<. N 1 - как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N 2 e и N 1 e - населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

N 2 e /N 1 e = exp[-(E 2 -E 1)/kT], (1.8)

където k е константата на Болцман и T е абсолютната температура на средата. Така виждаме, че в случай на термодинамично равновесие N 2<. N 1 . В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте ν, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N 2 >. N 1, тогава средата ще действа като усилвател. В този случай ще кажем, че има инверсия на населението в средата, като имаме предвид, че разликата в населението (N 2 -. N 1 > 0) е с противоположен знак на това, което съществува при нормални условия (N 2 -. N 1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Ако честотата на прехода ν \u003d (E 2 - E 1) / h попада в микровълновия диапазон, тогава съответният усилвател се нарича мазер. Думата мазер се образува от началните букви на думите на следната фраза: микровълново усилване чрез стимулирано излъчване на радиация - усилване на микровълни чрез стимулирано излъчване на радиация. Ако честотата на прехода ν съответства на оптичния диапазон, тогава усилвателят се нарича лазер. Думата лазер (англ. laser) е образувана по подобен начин, само че началната буква "m", която идва от първата буква в думата microwave, е заменена с буквата "l", която идва от думата светлина ( светлина).

За да превърнете усилвателя в генератор, е необходимо да въведете подходяща положителна обратна връзка. В микровълновия диапазон това се постига чрез поставяне на активната среда в кухинен резонатор, който има резонанс с честота ν. В лазера обратната връзка обикновено се получава чрез поставяне на активната среда между две силно отразяващи огледала (например между плоскопаралелни огледала, както е показано на фиг. 1.3. Такава система от огледала обикновено се нарича резонатор на Фабри-Перо, оптичен резонатор или отворен резонатор). В този случай плоска електромагнитна вълна, разпространяваща се в посока, перпендикулярна на огледалата, ще се отразява на свой ред от тях, усилвайки се с всяко преминаване през активната среда. Ако едно от двете огледала се направи частично прозрачно, тогава лъч полезно лъчение може да бъде изолиран на изхода на системата.Въпреки това, както в мазерите, така и в лазерите, генерирането е възможно само ако е изпълнено определено прагово условие. Например в лазера генерацията започва, когато усилването на активната среда компенсира загубите в нея (да речем загубите поради частичното излизане на радиация от резонатора през огледалото). В съответствие с израз (1.7), усилването на радиацията за преминаване в активната среда (т.е. съотношението на изходната и входната плътност на фотонния поток) е равно на exp[σ(N 2 - N 1)∙l], където l е дължината на активната среда. Ако загубите в резонатора се определят само от предаването на огледалата, тогава прагът на генериране ще бъде достигнат, когато условието

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1,9)

където R 1 и R 2 са коефициентите на отражение на огледалата по отношение на интензитета. Това условие показва, че прагът е достигнат, когато инверсията на населението се доближи до определена критична стойност, наречена критична инверсия и дадена от

(N 2 - N 1) cr \u003d -ln (R 1 R 2) / 2σl (1.10)

Веднага щом се достигне критична инверсия, генерирането ще се развие от спонтанно излъчване. Наистина, фотони, които се излъчват спонтанно по оста на резонатора, ще бъдат усилени. Този механизъм е в основата на лазерния генератор, обикновено наричан просто лазер. Въпреки това думата лазер вече се прилага широко за всяко устройство, което излъчва стимулирано лъчение - независимо дали в далечния или близък инфрачервен диапазон, UV и дори рентгенови лъчи. В такива случаи ще говорим съответно за инфрачервен, ултравиолетов и рентгенов лазер. Имайте предвид също, че имената на твърдотелни, течни и газови лазери се определят от агрегатното състояние на активната среда.

Помпени вериги

Нека разгледаме проблема как може да се получи инверсия на населеността в дадена среда. На пръв поглед може да изглежда, че инверсия може да бъде създадена от взаимодействието на среда с достатъчно силна електромагнитна вълна с честота v, определена от израз (1.1). Тъй като при термодинамично равновесие ниво 1 е по-населено от ниво 2, абсорбцията преобладава над стимулираната емисия, т.е. под действието на падащата вълна възникват повече 1-2 прехода, отколкото 2-1 прехода, и може да се надяваме да постигнем инверсия на населението в насам. Въпреки това е лесно да се види, че такъв механизъм няма да работи (поне в стационарни условия). Когато настъпят условията, когато популациите на нивата се окажат еднакви (N 2 =N 1), процесите на стимулирано излъчване и абсорбция ще започнат да се компенсират взаимно и в съответствие с (1.7) средата ще стане прозрачен. В такава ситуация обикновено се говори за насищане на две нива.

Ориз. 1.4. Тристепенни (а) и четиристепенни (б) лазерни схеми.

По този начин, като се използват само две нива, е невъзможно да се получи инверсия на населението. Естествено възниква въпросът: може ли това да се направи с помощта на повече от две нива от неограничен набор от състояния на дадена атомна система? Ще видим, че в този случай отговорът ще бъде положителен и ще може да се говори съответно за три и четири нива на лазери в зависимост от броя на работещите нива (фиг. 1.4). В лазер с три нива (фиг. 1.4, а) атомите по някакъв начин се прехвърлят от основното ниво 1 към ниво 3. Ако се избере среда, в която атом, който е във възбудено състояние на ниво 3, бързо преминава към ниво 2 , тогава в такава среда е възможно да се получи инверсия на населението между нива 2 и 1. В лазер с четири нива (фиг. 1.4,6) атомите също се прехвърлят от нивото на земята (за удобство ще го наречем нула) до ниво 3. Ако след това атомите бързо преминат към ниво 2, тогава между нива 2 и 1 може да се получи инверсия на населението. Когато възниква генериране в такъв лазер с четири нива, атомите в процеса на стимулирано излъчване преминават от ниво 2 на ниво 1. Следователно, за непрекъснатата работа на лазер с четири нива е необходимо частиците, които са на ниво 1 отидете много бързо до нулевото ниво.

Ние показахме как три или четири енергийни нива на всяка система могат да бъдат използвани за получаване на инверсия на населението. Дали системата ще работи по три- или четиристепенна схема (и дали изобщо ще работи!), зависи от това доколко са изпълнени условията, разгледани по-горе. Може да възникне въпросът: защо да се използва схема на четири нива, ако вече една на три нива се оказва много ефективна за получаване на инверсия на населението? Факт е обаче, че е много по-лесно да се получи инверсия в четиристепенен лазер. За да проверим това, първо отбелязваме, че енергийната разлика между работните нива на лазера (фиг. 1.4) обикновено е много по-голяма от kT и в съответствие със статистиката на Болцман [вижте например формула (1.8) ], почти всички атоми в термодинамично равновесие са в основно състояние. Ако сега обозначим броя на атомите на единица обем на средата като Nt, тогава в случай на система от три нива тези атоми първоначално ще бъдат на ниво 1. Нека сега прехвърлим атомите от ниво 1 на ниво 3. Тогава от това ниво атомите ще се отпуснат с преход към по-ниско ниво 2. Ако такова отпускане се случи достатъчно бързо, тогава ниво 3 остава почти незаселено. В този случай, за да се направят популациите на нива 1 и 2 еднакви, половината от Nt атомите, разположени първоначално на нивото на земята, трябва да бъдат прехвърлени на ниво 2. Инверсията на населението ще бъде създадена от всеки атом, който е прехвърлен на горното ниво в повече от тази половина от общия брой атоми. Въпреки това, в лазер с четири нива, тъй като ниво 1 също първоначално е било незаселено, всеки атом, който е във възбудено състояние, ще допринесе за инверсията на населението. Тези прости съображения показват, че ако е възможно, трябва да се търсят активни медии, които работят по схема на четири нива. За да се получи инверсия на населението, разбира се е възможно да се използва по-голям брой енергийни нива.

Процесът, чрез който атомите се прехвърлят от ниво 1 към ниво 3 (в тристепенна лазерна схема), се нарича изпомпване. Има няколко начина, по които този процес може да се приложи на практика, например чрез използване на някои видове лампи, които дават достатъчно интензивна светлинна вълна, или чрез електрически разряд в активна среда.

Свойства на лазерните лъчи

Лазерното лъчение се характеризира с изключително висока степен на монохроматичност, кохерентност, насоченост и яркост. Към тези свойства може да се добави генерирането на светлинни импулси с кратка продължителност. Това свойство може би е по-малко фундаментално, но играе много важна роля. Нека сега разгледаме тези свойства по-подробно.

1.4.1. съгласуваност.

За всяка електромагнитна вълна могат да се дефинират две независими концепции за кохерентност, а именно пространствена и времева кохерентност. За да се определи пространствената кохерентност, разгледайте две точки P 1 и P 2, избрани с условието, че в момента t = 0 през тях преминава вълнов фронт на някаква електромагнитна вълна и нека E 1 (t) и E 2 (t ) са съответните електрически полета в тези точки. Според нашето условие в момента t = 0 фазовата разлика на електрическите полета в тези точки е равна на нула. Ако тази фазова разлика остане нула по всяко време t > 0, тогава се казва, че има пълна кохерентност между двете точки. Ако такова условие е изпълнено за всяка двойка точки от фронта на вълната, тогава тази вълна се характеризира с пълна пространствена кохерентност. За почти всяка точка P 1 , ако имаме достатъчна фазова корелация, точката P 2 трябва да бъде разположена вътре в някакъв краен регион, включително точката P 1 . В този случай се казва, че вълната се характеризира с частична пространствена кохерентност и за всяка точка P може съответно да се определи областта на кохерентност.

За да се определи времевата кохерентност, разгледайте електрическото поле на вълната в дадена точка P в моменти t и t + τ. Ако за даден интервал от време τ фазовата разлика на колебанията на полето остава същата по всяко време t, тогава се казва, че има времева кохерентност през интервала от време τ. Ако това условие е изпълнено за всяка стойност на τ, тогава вълната се характеризира с пълна времева кохерентност. Ако това се случи само за определен интервал от време t, така че 0< τ < τ 0 , то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ 0 . Представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. Электромагнитная волна с временем когерентности, равным τ 0 , имеет спектральную ширину Δν ~ 1/ τ 0 . В случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина 1/ Δν.

Трябва да се отбележи, че концепциите за времева и пространствена кохерентност всъщност са независими една от друга. Наистина, могат да се дадат примери за вълна, която има пълна пространствена кохерентност, но само частична времева кохерентност, и обратно. Концепциите за пространствена и времева кохерентност описват лазерната кохерентност само в първия ред.

Ориентация

Това свойство е проста последица от факта, че активната среда е поставена в резонатор, като плоскопаралелния резонатор, показан на фиг. 1.3. В такъв резонатор могат да се поддържат само такива електромагнитни вълни, които се разпространяват по оста на резонатора или в посока, много близка до оста. За по-задълбочено разбиране на свойствата на насоченост на лазерните лъчи (или, като цяло, всяка електромагнитна вълна), е удобно да се разгледат отделно случаите, когато лъчът има пълна пространствена кохерентност и когато има частична пространствена кохерентност.

Помислете първо за лъч с пълна пространствена кохерентност. Дори в този случай лъч с ограничена апертура неизбежно се разминава поради дифракция. Нека лъч с постоянен интензитет и плосък вълнов фронт пада върху екран с отвор с диаметър D. Според принципа на Хюйгенс, вълнов фронт в определена равнина P зад екрана може да се получи чрез суперпозиция на елементарни вълни, излъчвани от всяка точка на дупката. Поради крайния размер D на отвора, лъчът има крайна дивергенция θ. Стойността му може да се изчисли с помощта на теорията на дифракцията. За произволно амплитудно разпределение имаме

θ=βλ/D (1.11)

тук λ е дължината на вълната, а D е диаметърът на лъча. β е числен коефициент от порядъка на единица, чиято стойност зависи от формата на амплитудното разпределение и метода, по който се определят дивергенцията и диаметърът на лъча (за лъч с гаусово разпределение на интензитета по напречното сечение, образувано в едномодов резонатор, β=0,61). Лъч, чиято дивергенция се описва с израз (1.11), се нарича дифракционно ограничен. Ако вълната има частична пространствена кохерентност, тогава нейната дивергенция ще бъде по-голяма от минималната стойност на дивергенция поради дифракция. При подходящи работни условия лазерният изходен лъч може да бъде направен дифракционно ограничен.

Яркост

Нека дефинираме яркостта на всеки източник на електромагнитни вълни като мощността на излъчване, излъчено от единица повърхност на източника в единица телесен ъгъл. По-точно, разгледайте елемента площ dS на повърхността на източника в точка O (фиг. 1.7). Тогава мощността dP, излъчвана от повърхностния елемент dS в телесния ъгъл dΩ в посока 00" може да бъде записана както следва:

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

тук θ е ъгълът между посоката 00 "и нормалата към повърхността. Стойността на B зависи, като правило, от полярните координати θ и φ, т.е. от посоката 00" и от позицията на точка O. Това стойност B се нарича яркост на източника в точка O в посока 00".

Яркостта на лазер дори с ниска мощност (например няколко миливата) надвишава яркостта на конвенционалните източници с няколко порядъка. Това свойство се дължи главно на високата насоченост на лазерния лъч.

къси импулси

Използвайки специална техника, наречена заключване на режима, е възможно да се получат светлинни импулси, чиято продължителност е приблизително обратно пропорционална на ширината на преходната линия 2-1. Например в газови лазери, чиято широчина на линията на усилване е относително тясна, е възможно да се получат импулси на излъчване с продължителност -¦ 0,1 - 1 ns. Такива импулси не се считат за много кратки, тъй като дори някои флаш лампи са способни да излъчват светлинни импулси с продължителност по-малка от 1 ns. Въпреки това, за твърдотелни или течни лазери, ширината на линиите на усилване може да бъде 103±105 пъти по-голяма, отколкото за газовите лазери, и следователно импулсите, генерирани от тях, се оказват много по-къси (от 1 ps до ~ 5 fs). Получаването на такива къси светлинни импулси доведе до нови възможности в лазерните изследвания и техните приложения.

Свойството за генериране на къси импулси, което предполага концентрация на енергия във времето, е в известен смисъл аналогично на свойството монохроматичност, което означава концентрация на енергия в тесен диапазон на дължината на вълната. Генерирането на къси импулси обаче изглежда е по-малко фундаментално свойство от монохроматичността. Докато всеки лазер може по принцип да бъде направен да генерира достатъчно монохроматично лъчение, къси импулси могат да бъдат получени само от лазери с широка емисионна линия, т.е. на практика само от твърдотелни или течни лазери. Газовите лазери, които имат по-тесни линии на усилване, са най-подходящи за генериране на силно монохроматично лъчение.

Ширина на линията.

Равномерно разширение.

Всички процеси, които съкращават живота на частиците на нива, водят до разширяване на линиите на съответните преходи. Наистина, определянето на енергията на дадено състояние трябва да се извърши за време, което не надвишава живота в това състояние т. И тогава неточността при определяне на енергията в съответствие с връзката на несигурност "енергия - време"

ΔЕΔt ≥ ђ (1.13)

не може да бъде по-малко от ђ /τ. Неопределеността на енергията на състоянието води до неопределеността на честотата на прехода, равна на 1/2πτ. Времеконстантата τ е мярка за времето, необходимо на възбудената система да освободи своята енергия. Стойността на m се определя от скоростите на спонтанното излъчване и нерадиационните релаксационни преходи.

При липса на външни влияния спонтанното излъчване определя продължителността на живота на състоянието. Следователно възможно най-малката, така наречената естествена ширина на линията Δν 0 се определя от вероятността за спонтанен преход A:

Δν 0 \u003d A / 2π (1,14)

Естествената ширина е значителна само при много високи честоти. (A~ν 3) и за добре разрешени преходи. Обикновено ефектът от спонтанното излъчване върху широчината на линията може да бъде пренебрегнат, тъй като при реални условия релаксационните преходи намаляват живота по-ефективно.

Както вече беше споменато, в системи с дискретни енергийни нива, в допълнение към индуцираните и спонтанните преходи, важна роля играят нерадиационните релаксационни преходи. Тези преходи възникват в резултат на взаимодействията между квантовата частица и нейната среда. Механизмът на процесите на тези взаимодействия силно зависи от вида на конкретната система. Това може да е взаимодействието между йона и кристалната решетка; това могат да бъдат сблъсъци между газови или течни молекули и т.н. В крайна сметка резултатът от действието на релаксационните процеси е обмен на енергия между подсистемата на разглежданите частици и топлинни движения в цялата система като цяло, което води до термодинамично равновесие между тях.

Обикновено се обозначава равновесното време, времето на живот на частица на ниво T 1 и се нарича време на надлъжна релаксация. Тази терминология съответства на традицията, установена в изследването на явленията ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) и електронен парамагнитен резонанс (ЕПР). Надлъжната релаксация съответства на движението на вектора на високочестотното намагнитване на системата от частици по посока на външното постоянно магнитно поле. Има и време на напречна релаксация Т 2,което съответства на движението на вектора на намагнитване в равнина, перпендикулярна на посоката на външното постоянно поле.

време T 2 е мярка за продължителността на времето, през което частиците придобиват произволни фази една спрямо друга. Всеки процес, който допринася по време на релаксация Т 2всеки процес на загуба на енергия от частици води до загуба на фаза. Следователно Т 2< Т 1 . От времето Т 2е най-краткото време на релаксация, то определя ширината на преходната линия. Крайността на времето на живот на частица във възбудено енергийно състояние води до разширяване на енергийните нива. Излъчването от разширени нива придобива спектрална ширина. Най-общият, фундаментален механизъм, ограничаващ отгоре живота на една частица на възбудено ниво, е спонтанното излъчване, което следователно трябва да има спектрална ширина, съответстваща на скоростта на събитията на спонтанен разпад.

Квантовата електродинамика дава възможност да се изчисли спектралното разпределение на спонтанните емисионни кванти, излъчвани от ниво на ширина

ΔЕ = ђ /τ 0 . (1,15)

Контурът на спонтанната емисионна линия се оказва, че има така наречената форма на Лоренц с ширина

Δν l \u003d ΔE / ђ \u003d 1/2πτ 0 (1,16).

Лоренцианската форма на линия се определя от фактора на формата

q(ν) (1.17)

и има формата на резонансна крива с максимум при честота ν =ν 0 , падаща до нивото на половината от пиковата стойност при честоти ν=ν 0 ±Δν l /2. Очевидно пълната ширина на кривата при половината от максималната стойност е Δν l.

Ако вземем предвид възможността за спонтанен разпад не само на горното от двете разглеждани енергийни нива, но и на долното, когато долното ниво не е основното, тогава под Δν l, което е включено във формулата (1.17), трябва да се разбира стойността, определена от сумата от скоростите на разпад на тези нива

Δν l \u003d 1 / 2πτ 01 + 1 / 2πτ 02 (1,18)

Разширяването на линията поради крайния живот на състоянията, свързани с разглеждания преход, се нарича хомогенно. Всеки атом в съответното състояние излъчва линия с обща ширина Δν l и спектрална форма по време на прехода отгоре надолу q(ν).По същия начин всеки атом, който се намира в съответното долно състояние, поглъща радиация в спектъра с обща ширина Δν l и в съответствие със спектралната зависимост q(ν) при прехода отдолу нагоре. Невъзможно е да се припише конкретен спектрален компонент в q(ν) спектъра на който и да е конкретен атом. В случай на равномерно разширение, независимо от природата си, спектралната зависимост q(ν) е единична спектрална характеристика както на един атом, така и на целия набор от атоми. Промяната в тази характеристика, която по принцип е възможна при едно или друго въздействие върху съвкупност от атоми, настъпва едновременно и по един и същи начин за всички атоми на съвкупността.

Примери за равномерно разширяване са естествената ширина на линията и разширяването при сблъсък в газовете.

нехомогенно разширение.

Експериментално наблюдаваните спектрални линии могат да бъдат безструктурна суперпозиция на няколко спектрално неразрешими равномерно разширени линии. В тези случаи всяка частица не излъчва и не поглъща в границите на цялата експериментално наблюдавана линия. Такава спектрална линия се нарича нехомогенно разширена. Причината за нехомогенното разширение може да бъде всеки процес, който води до разлика в условията на излъчване (абсорбция) за някои от едни и същи атоми на ансамбъла от изследвани частици или наличието в ансамбъла на атоми с подобен, но различен спектър свойства (свръхфина структура от един или друг вид), равномерно разширени спектрални линии, които се припокриват само частично. Терминът "нехомогенно разширяване" произхожда от ЯМР спектроскопията, при която този тип разширяване се дължи на нехомогенността на външното магнетизиращо поле в изследваната проба.

Класически пример за нехомогенно разширение е Доплеровото разширение, което е характерно за газове при ниско налягане и (или) високи честоти.

Атомите (молекулите, йоните) на газа са в топлинно движение. Доплеровият ефект от първи ред води до изместване на честотата на излъчване на частиците, летящи към наблюдателя със скорост и,със стойността ν 0 u/с, където ν 0 е честотата на излъчване на частицата в покой, а c е скоростта на светлината. Естественото разширяване трансформира лъчение с честота ν 0 в спектрална линия, но това разширяване е хомогенно и честотното изместване ν 0 i/sтестване на цялата линия. Тъй като частиците на газа се движат с различни скорости, честотните измествания на тяхното излъчване са различни и общата форма на газовата линия като цяло се определя от разпределението на скоростта на частиците. Последното е вярно, строго погледнато, ако естествената ширина на линията е много по-тясна от честотните измествания на Доплер, което по правило е така. Тогава, ако е означено с p(u)функция на разпределение на скоростта на частиците, форм-факторът на Доплеровата линия q(ν) се оказва свързан с p(u)просто съотношение:

ν = ν 0 (1+u/s ) ). (1.20)

Следователно, u = c(ν - ν 0 )/ ν 0 и du = c dν . С максвеловото разпределение на скоростта на частиците

(1.21)

където е средната топлинна скорост

Тук ке константата на Болцман, T- температура на газа, Tе масата на атом (молекула) на газ. Комбинирайки (1.20) и (1.21), лесно се получава q(ν)като

, (1.22)

където Δν T =ν 0 u 0 /c е ширината на спектралната линия.

Линия, чиято форма се определя от фактора на формата (1.22), се нарича Доплерова разширена линия. Формата му се описва от функцията на Гаус и е симетрична по отношение на централната честота ν 0 . Крива на разпад q(ν)(1.22) за силно отклонение от ν 0 се появява много по-стръмно, отколкото в случая на лоренцианския контур на линията (1.17). В близост до централната честота кривата на Гаус е по-плоска. Очевидно ширината му се определя от параметъра Δν T . При отдалечаване от центъра на кривата с Δν T, интензитетът спада дведнъж.

AIG-Nd-лазер.

Ориз. 2.1. Лазерни активни преходи в YAG - Nd кристал.

а - схема на енергийните нива; b - зависимостта на интензитета на луминесценция (в произволни единици) от дължината на вълната.

YAG-Nd лазерът принадлежи към твърдотелните лазери с оптично напомпване. Лазерно активните вещества са синтетични кристали от итрий-алуминиев гранат (Y 3 Al 5 O 12), съдържащи Nd 3+ йони в обемна концентрация от приблизително 1,5%. По-високи концентрации са невъзможни поради разликата в радиусите на Nd 3+ и Y 3+ йони. YAG кристалите имат кубична решетка и следователно са оптически изотропни. На фиг. 2.1, а показва диаграма на енергийните нива на йона Nd 3+, разположен в електрическото поле на кристала. От лявата страна на фиг. 2.1, но се вижда, че схемата се отнася за четиристепенен лазер.

Нивелирите 4 F 3/2 и 4 I 11/2 играят ролята на горен и долен лазерни нивелири. Над нивото 4 F 3/2 има цяла последователност от нива на помпа или ленти на помпа, от които възбудените йони бързо преминават към горното лазерно ниво поради взаимодействие с решетката. Долното лазерно ниво е над нивото на земята с енергийна стойност, много по-голяма от kT. Следователно при термично равновесие това ниво е почти незаселено. Нивата 4 F 3/2 и 4 I 11/2 се разделят в кристалното поле, в резултат на което много от преходите, показани в дясната страна на фиг. 2, стават възможни. 2.1. (Съответните разделяния на други нива не са показани.) Най-интензивният преход се наблюдава при 1.0641 μm. Напречното сечение на този преход е 8,8-10~23 m2, радиационният живот на горното ниво е 230 μs, а добивът на луминесценция е 0,995. При стайна температура преходите са хомогенно разширени в резултат на взаимодействие с вибрациите на решетката. Поради закономерността на кристалната структура, нехомогенното разширение е пренебрежимо малко, докато в системи, базирани на неодимови стъкла, то е доминиращо. Основният лазерен преход има ширина на линията Δν≈120 GHz. Криптонова дъгова лампа е най-подходяща за изпомпване на YAG-Nd лазер, тъй като нейните емисионни ленти са в добро съответствие с нивата на помпата. На фиг. 2.2 показва веригата на помпата. Изпомпването се извършва в двоен елипсовиден рефлектор, изработен от материал с висока отражателна способност. Цилиндричният YAG прът е на обща фокусна линия. И двете криптонови лампи са поставени на другите две фокусни линии. За охлаждане на системата прътът и лампите се измиват с поток вода. Благодарение на добрата топлопроводимост на материала и неговите релаксационни свойства, както и благодарение на ефективното охлаждане, YAG лазерът може да работи при високи мощности на излъчване (до 102 W) в непрекъснат режим или при висока честота на повторение на импулса (до приблизително 100 Hz) и с енергия в импулс от 0,1 до 1 J.

Кристалът YAG има висок индекс на пречупване (n(1,064 µm) = 1,818). Поради това върху крайните повърхности се получава доста силно френелово отражение на лазерното лъчение. Тя може да бъде значително намалена чрез диелектрично покритие или чрез скосяване на прътите под ъгъл на Брюстър. Въпреки това, тези загуби често трябва да бъдат толерирани, което е приемливо поради голямото усилване в веществото. Но тогава е необходимо да се полират крайните повърхности под малък ъгъл на наклон една спрямо друга (поне около 1°), така че да не образуват лазерен резонатор или вторичен резонатор вътре в главния резонатор.

Ориз. 2.2. Помпено устройство с двоен елипсовиден рефлектор. 1 - лампи; 2 - YAG - Nd-пръчка; 3 - рефлектор; 4 - водно охлаждане.

Успешно са използвани различни методи за генериране на ултракъси светлинни импулси с YAG:Nd лазера. За лазер с непрекъснато изпомпване се използва основно методът на активно заключване на режима с използването на акустооптични или електрооптични модулатори. В случай на YAG: импулсно изпомпван Nd лазер най-често се използва пасивна синхронизация за създаване на такъв режим, при който лазерът излъчва поредица от ултракъси импулси. YAG: CW и импулсните Nd лазери често служат като източници на светлина за генериране на висши хармоници, както и за параметрично генериране.

Багрилни лазери

Органичните багрила в разтвор се характеризират с високо напречно сечение на абсорбция и емисия и широки ивици. Те са подходящи като активни вещества за лазери с регулируема дължина на вълната.

Вибрационните нива се наслагват върху системи от синглетни и триплетни електронни нива. Поради големия брой вибрационни степени на свобода и силното разширяване на линията в течностите, отделните вибрационни преходи в по-голямата си част остават напълно неразрешени, така че възниква хомогенна спектрална лента.

Багрилният лазер най-често се описва като четиристепенен лазер. Под действието на светлината на помпата се извършват преходи към възбудени вибрационни нива на състоянието S 1 в съответствие с принципа на Франк-Кондон. Вибрационната дезактивация на състоянието S 1 настъпва изключително бързо (~ 10 -13 s), поради което молекулите се събират на долния ръб на системата на ниво S 1.

Лазерът е генератор на оптични вълни, който използва енергията на индуцирани излъчващи атоми или молекули в среда с обратна популация на енергийни нива, които имат свойството да усилват светлината със специфични дължини на вълната. За многократно усилване на светлината се използва оптичен резонатор, който се състои от 2 огледала. Благодарение на различни методи на изпомпване в активния елемент се създава активна среда.

Фигура 1 - Схема на лазерното устройство

Поради горните условия, в лазера се генерира спектър, който е показан на фигура 2 (броят на лазерните режими се контролира от дължината на кухината):

Фигура 2 - Спектър на надлъжни лазерни модове

Лазерите имат висока степен на монохроматичност, висока степен на насоченост и поляризация на лъчението със значителен интензитет и яркост, висока степен на времева и пространствена кохерентност, могат да се настройват по дължина на вълната, могат да излъчват светлинни импулси с рекордно малка продължителност, за разлика от към топлинни източници на светлина.

По време на развитието на лазерната технология е създаден голям списък от лазери и лазерни системи, които отговарят на нуждите на лазерната технология, включително биотехнологията, със своите характеристики. Поради сложността на дизайна на биологичните системи, значителното разнообразие в естеството на тяхното взаимодействие със светлината определя необходимостта от използване на много видове лазерни устройства във фотобиологията и също така стимулира разработването на нови лазерни инструменти, включително средствата за доставяне лазерно лъчение към обекта на изследване или облъчване.

Подобно на обикновената светлина, лазерното лъчение се отразява, абсорбира, преизлъчва и разсейва от биологичната среда. Всички тези процеси носят информация за микро- и макроструктурата на обекта, движението и формата на отделните му части.

Монохроматичността е висока спектрална плътност на мощността на лазерното лъчение или значителна времева кохерентност на лъчение, осигуряваща: спектрален анализ с разделителна способност с няколко порядъка по-висока от тази на традиционните спектрометри; висока степен на селективност на възбуждане на определен вид молекули в тяхната смес, което е от съществено значение за биотехнологиите; прилагане на интерферометрични и холографски методи за диагностика на биологични обекти.

Поради факта, че лазерните лъчи са почти успоредни, с увеличаване на разстоянието светлинният лъч леко се увеличава в диаметър. Изброените свойства на лазерния лъч позволяват селективно въздействие върху различни части от биологичната тъкан, създавайки голяма плътност на енергия или мощност в малко петно.

Лазерните системи се разделят на следните групи:

1) Лазери с висока мощност на неодим, въглероден оксид, въглероден диоксид, аргон, рубин, метални пари и др.;

2) Лазери с нискоенергийно излъчване (хелий-кадмиев, хелий-неонов, азотен, багрилен и др.), които нямат изразен топлинен ефект върху телесните тъкани.

В момента има лазерни системи, които генерират радиация в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра. Биологичните ефекти, причинени от лазерното лъчение, зависят от дължината на вълната и дозата на светлинното лъчение.

В офталмологията често се използват: ексимерен лазер (с дължина на вълната 193 nm); аргон (488 nm и 514 nm); криптон (568 nm и 647 nm); хелиево-неонов лазер (630 nm); диод (810 nm); ND:YAG лазер с удвояване на честотата (532 nm), както и генериране на дължина на вълната 1,06 микрона; 10-CO2 лазер (10,6 µm). Обхватът на лазерното лъчение в офталмологията определя дължината на вълната.

Лазерните инсталации получават имената си в съответствие с активната среда, а по-подробна класификация включва твърдотелни, газови, полупроводникови, течни лазери и др. Списъкът на твърдотелните лазери включва: неодимов, рубинен, александритов, ербиев, холмиев; газът включва: аргон, ексимер, медни пари; до течни: лазери, които работят върху разтвори на багрила и други.

Революцията беше направена от появилите се полупроводникови лазери поради тяхната ефективност поради висока ефективност (до 60 - 80% за разлика от 10-30% при традиционните), малки размери и надеждност. В същото време други видове лазери продължават да се използват широко.

Едно от най-важните свойства за използването на лазери е тяхната характеристика, която позволява образуването на модел на петна, когато кохерентното лъчение се отразява от повърхността на обект. Светлината, разпръсната от повърхността, се състои от произволно разположени светли и тъмни петна - петна. Спекъл моделът се формира на базата на сложна интерференция на вторични вълни от второстепенни центрове на разсейване, които се намират на повърхността на обекта, който се изследва. Поради факта, че преобладаващата част от изследваните биологични обекти имат грапава повърхност и оптична нееднородност, те винаги образуват модел на петна и по този начин внасят изкривявания в крайните резултати от изследването. От своя страна спекъл полето съдържа информация за свойствата на изследваната повърхност и приповърхностния слой, която може да се използва за диагностични цели.

В очната хирургия лазерите се използват в следните области:

При операция на катаракта: за унищожаване на натрупването на катаракта върху лещата и дисекция на задната капсула на лещата, когато тя стане мътна в следоперативния период;

При глаукомна хирургия: при извършване на лазерна гониопунктура, трабекулопластика, ексимерно лазерно отстраняване на дълбоки слоеве на склералното ламбо, при извършване на процедурата на непроникваща дълбока склеректомия;

В офталмологичната онкохирургия: за отстраняване на определени видове тумори, разположени вътре в окото.

Най-важните свойства, присъщи на лазерното лъчение са: монохроматичност, кохерентност, насоченост, поляризация.

Кохерентност (от лат. cohaerens, свързан, свързан) - координираното протичане във времето на няколко колебателни вълнови процеса с еднаква честота и поляризация; свойство на два или повече осцилационни вълнови процеса, което определя способността им взаимно да се подсилват или отслабват, когато се добавят. Кохерентни трептения ще се наричат, ако разликата между техните фази остава постоянна през целия интервал от време и когато трептенията се сумират, се получава трептене със същата честота. Най-простият пример за две кохерентни трептения са две синусоидални трептения с еднаква честота.

Кохерентността на вълната предполага, че в различни точки вълните осцилират синхронно, с други думи, фазовата разлика между две точки не е свързана с времето. Липсата на кохерентност означава, че фазовата разлика между две точки не е постоянна, следователно се променя с времето. Тази ситуация възниква, ако вълната се генерира не от един източник на радиация, а от група идентични, но независими излъчватели.

Често простите източници излъчват некохерентни трептения, докато лазерите от своя страна излъчват кохерентни трептения. Благодарение на това свойство лазерното лъчение се фокусира възможно най-много, има способността да интерферира, по-малко е склонно към разминаване и има способността да получава по-висока енергийна плътност на петна.

Монохроматичност (гръцки monos - един, само + chroma - цвят, боя) - излъчване с една определена честота или дължина на вълната. Лъчението може условно да се приеме за монохроматично, ако принадлежи към спектралния диапазон 3-5 nm. Ако има само един разрешен електронен преход от възбудено към основно състояние в системата, тогава се създава монохроматично излъчване.

Поляризация - симетрия в разпределението на посоката на вектора на електрическите и магнитните полета в електромагнитната вълна по отношение на посоката на нейното разпространение. Вълната ще се нарича поляризирана, ако два взаимно перпендикулярни компонента на вектора на напрегнатост на електрическото поле осцилират с постоянна фазова разлика във времето. Неполяризирани - ако промените настъпват произволно. При надлъжна вълна възникването на поляризация не е възможно, тъй като смущенията при този тип вълни винаги съвпадат с посоката на разпространение. Лазерното лъчение е силно поляризирана светлина (от 75 до 100%).

Насочеността (едно от най-важните свойства на лазерното лъчение) е способността на лъчението да напуска лазера като светлинен лъч с много малка дивергенция. Тази характеристика е най-простото следствие от факта, че активната среда е поставена в резонатор (например плоскопаралелен резонатор). В такъв резонатор се поддържат само електромагнитни вълни, разпространяващи се по оста на резонатора или в непосредствена близост до него.

Основните характеристики на лазерното лъчение: дължина на вълната, честота, енергийни параметри. Тези характеристики са биотропни, т.е. определят ефекта на радиацията върху биологичните обекти.

Дължина на вълната ( л) представлява най-късото разстояние между две съседни осцилиращи точки на една и съща вълна. Често в медицината дължината на вълната се посочва в микрометри (µm) или нанометри (nm). В зависимост от дължината на вълната се променят коефициентът на отражение, дълбочината на проникване в тъканите на тялото, абсорбцията и биологичният ефект на лазерното лъчение.

Честотата характеризира броя трептения за единица време и е реципрочната стойност на дължината на вълната. Обикновено се изразява в херци (Hz). С увеличаване на честотата се увеличава и енергията на светлинния квант. Разграничаване: естествената честота на излъчване (за един генератор на лазерни трептения е непроменена); честота на модулация (в медицинските лазерни системи може да варира от 1 до 1000 Hz). Също така от голямо значение са енергийните параметри на лазерното облъчване.

Прието е да се разграничават три основни физически характеристики на дозирането: мощност на излъчване, енергия (доза) и плътност на дозата.

Радиационна мощност (радиационен поток, лъчист енергиен поток, Р) - представлява общата енергия, която се пренася от светлината за единица време през дадена повърхност; средната мощност на електромагнитното излъчване, което се предава през всяка повърхност. Обикновено се измерва във ватове или кратни.

Енергийна експозиция (радиационна доза, з) е енергийното облъчване от лазера за определен период от време; мощността на електромагнитната вълна, която се излъчва за единица време. Измерва се в [J] или [W * s]. Способността за извършване на работа е физическият смисъл на енергията. Това е типично в случаите, когато работата прави промени в тъканта с фотони. Биологичният ефект от излагането на светлина се характеризира с енергия. В този случай се получава същият биологичен ефект (например слънчево изгаряне), както при слънчевата светлина, което може да се постигне с ниска мощност и продължителност на експозиция или висока мощност и ниска експозиция. Получените ефекти ще бъдат идентични при същата доза.

Плътност на дозата "D" - получената енергия на единица площ на експозиция. Мерната единица в SI е [J / m 2]. Използва се и представянето в единици J/cm 2, поради факта, че засегнатите площи обикновено се измерват в квадратни сантиметри.

"лазерно лъчение"

Въведение

Лазерното лъчение е едно от най-интересните научни и технологични постижения на 20 век. Създаването на лазерите доведе до прераждането на научната и техническа оптика и развитието на напълно нови индустрии. За разлика от конвенционалните източници на топлинно излъчване, лазерът произвежда светлина, която има редица специални и много ценни свойства.
Важно е лазерното лъчение да е кохерентно и практически монохроматично. Преди появата на лазерите само радиовълните, излъчвани от добре стабилизиран предавател, притежаваха това свойство. И това направи възможно овладяването на обхвата на видимата светлина за предаване на информация и комуникация, като по този начин значително се увеличи количеството информация, предавана за единица време.
Поради факта, че стимулираното излъчване се разпространява строго по оста на резонатора, лазерният лъч се разширява слабо: неговата дивергенция е няколко дъгови секунди. един
Тези изброени качества позволяват да се фокусира лазерен лъч в изключително малко петно, като се получи огромна енергийна плътност във фокусната точка. Лазерното лъчение с висока мощност има огромна температура. Така например импулсен лазер с мощност 1015 W има температура на излъчване около 100 милиона градуса. Благодарение на тези свойства лазерите са намерили приложение в различни области на науката, технологиите и медицината. Много обещаващо е използването на лазерно лъчение за космически комуникации, в оптични локатори, които измерват големи разстояния с точност до милиметри, за предаване на телевизионни и компютърни сигнали по оптично влакно. Лазерите се използват при четене на информация от компактдискове, от баркодове на стоки. С помощта на лъч от лазери с ниска интензивност е възможно да се извършват хирургични операции, например да се "заварява" ретината, която се е отлепила от дъното на окото, да се извършват съдови операции. При обработката на материали лазерите се използват за заваряване, рязане и пробиване на много малки отвори с висока точност.Обещаващо е използването на лазерно лъчение с висока мощност за осъществяване на контролирана термоядрена реакция. Лазерите се използват и за топографски изследвания, тъй като лазерният лъч задава идеална права линия. Посоката на тунела под Ламанша е зададена с лазерен лъч. С помощта на лазерно лъчение се получават холографски триизмерни обемни изображения. В метрологията лазерът се използва за измерване на дължина, скорост и налягане. Създаването на лазери е резултат от използването на фундаментални физични закони в приложните изследвания. Това доведе до гигантски напредък в различни области на инженерството и технологиите. Създаването на лазера се превърна в определящ фактор в развитието на оптичните предавателни системи. Изложеното по-горе определя актуалността на изследването в тази работа.
Целта на тази работа е да се изследва лазерното лъчение. Целите на тази работа са да се разгледат:
- свойства на лазерното лъчение;
- кратка история на появата и усъвършенстването на лазерите;
- източници, свойства и видове лазери;
- вредно въздействие на лазерното лъчение;
- класове за лазерна безопасност и защитно оборудване.

1. Лазерна технология

Лазерната технология е все още много млада - няма и половин век. За това много кратко време обаче лазерът се превърна от странно лабораторно устройство в средство за научни изследвания, в инструмент, използван в индустрията. Трудно е да се намери такава област на съвременната технология, където лазерите няма да работят. Излъчването им се използва за комуникация, запис и четене на информация, за точни измервания; те са незаменими в медицината, хирургията и терапията. Много учени вярват, че драматичните промени, които лазерът е направил в човешкия живот, са подобни на последствията от индустриалното използване на електричество в края на 19 век.
Големите възможности на лазерната технология се обясняват със специалните свойства на лазерното лъчение. Природата му се изучава от квантовата механика. Неговите закони описват процесите, протичащи в лазера, поради което той се нарича още оптичен квантов генератор.
По този начин светлината е поток от специални частици, излъчвани от атоми - фотони или кванти на електромагнитно излъчване. Те трябва да се разглеждат като сегменти от вълна, а не като частици материя. Всеки фотон носи строго определена част от енергията, излъчена от атома. 2
Излъчваните фотони са абсолютно еднакви, честотите им са равни и фазите са еднакви. Когато се срещнат с два възбудени атома, ще има 4 фотона, след това 8, 16 и т. н. Ще има лавина от неразличими един от друг фотони, образуващи така нареченото монохроматично (едноцветно) кохерентно лъчение. Това стимулирано излъчване има редица интересни свойства.
Лазерното лъчение има много висока температура. Стойността му зависи от мощността на излъчване и понякога достига милиони градуси.
В този случай лазерът излъчва енергия с една честота, с една дължина на вълната. Преди това такова монохроматично излъчване се получаваше само в диапазона на радиовълните. Светлината, излъчвана дори от много малко парче гореща материя, винаги се състои от вълни с много различни честоти. Поради тази причина в оптиката, например, не е било възможно да се създадат тясно насочени и фокусирани лъчи на радиация, които радиоинженерите използват повече от дузина години.
Освен това лазерното лъчение е много стабилно. Електромагнитната вълна, генерирана от лазера, се разпространява на много километри, без да се променя. Неговата амплитуда, честота и фаза могат да останат постоянни за много дълго време. Това качество се нарича висока пространствена и времева кохерентност.
Тези три характеристики на лазерното лъчение са намерили приложение в различни отрасли на техниката, при решаване на различни технологични проблеми. За всеки случай можете да изберете лазер от желания тип и необходимата мощност. 3

2. Характеризиране на лазерите

2.1 Раждането на семейството на лазерите

Как да се получи кохерентно лъчение стана ясно през 1918 г., когато Алберт Айнщайн предсказа явлението стимулирано лъчение. Ако създадете среда, в която атомите са във възбудено състояние, и „изстреляте слаб поток от кохерентни фотони в нея, тогава нейният интензитет ще се увеличи. В началото на 50-те години. Руските изследователи Николай Генадиевич Басов, Александър Михайлович Прохоров и независимо от тях американският физик Чарлз Хард Таунс създадоха високочестотен усилвател на радиовълни на базата на амонячни молекули. Възбудените молекули, необходими за работа, бяха избрани от газовия поток чрез електрическо поле със сложна конфигурация. Новороденото устройство се наричаше мазер.
През 1960 г. американският физик Теодор Харолд Майман конструира първия лазерен квантов генератор в оптичния диапазон. Усилването на светлината се случи в рубинен кристал от прозрачно разнообразие от алуминиев оксид с малка добавка на хром (този материал беше посочен от Н. Г. Басов и А. М. Прохоров трета година по-рано). Лазерът използва охлаждан с течен азот рубинен прът с дължина около 4 см и диаметър 5 мм. Посребрените краища на пръта служеха за огледала, едното от които беше полупрозрачно. Енергията се изпомпва в кристала от мощна светкавица. Поток от високоенергийни фотони прехвърли хромовите атоми във възбудено състояние. На едно от високоенергийните нива атомите се забавят средно с 0,003 s, времето е огромно в атомни мащаби. През този период някои от атомите имат време спонтанно да излъчват фотони. Техният поток, многократно преминаващ между огледалата, кара всички възбудени атоми да излъчват светлинни кванти. В резултат на това се ражда светлинен проблясък - лазерен импулс с мощност десетки хиляди вата. Днес лазерните пръти се произвеждат от различни материали, но най-често от рубин, гранат и стъкло с примес на рядък метал - неодим.Някои твърдотелни лазери (например върху гранат) генерират стотици и хиляди импулси в секунда . четири
И през същата 1960 г. американските физици А Джеван, Б Бепнет и Д. Ариът създадоха газов лазер, работещ със смес от хелий и неон. Този лазер излъчва червена светлина вече не на импулси, а непрекъснато. Сместа от газове се оказа толкова добре подбрана, че хелиево-неоновите лазери все още са най-разпространените източници на кохерентна светлина, въпреки че е постигнато излъчване и от много други газове и пари. Енергията се изпомпва в газовата смес чрез светещ електрически разряд. Цветът на лъча зависи от състава на газа или парата, върху които работи лазерът. Аргонът, например, дава синя светлина, криптонът е жълт, ксенонът и медните пари са зелени. въглероден диоксид и водна пара невидими тестови (инфрачервени) лъчи.
Семейството на газовите лазери може да включва и квантови генератори, при които възбудените молекули не се подготвят предварително, а се появяват директно в момента на излъчване. Това са така наречените газодинамични и химически лазери, които развиват колосална мощност от стотици киловати и дори десетки мегавати в непрекъснат режим.
Газодинамичният лазер прилича на реактивен двигател. Молекулите на силно нагрят газ, излитащи от него, отделят енергия под формата на светлинно лъчение. В химическия лазер възбудените молекули възникват в резултат на химическа реакция. Най-енергийният от тях е комбинацията от атомен флуор с водород.
Течните лазери също дават непрекъснато излъчване. Работното вещество за тях са например разтвори на неодимови соли и анилинови съединения. Тъй като анилиновите съединения се използват за боядисване на тъкани, генераторите, базирани на тях, се наричат ​​багрилни лазери. За по-стабилна работа на лазера течността може да се прекара през хладилник.
Най-малките лазери са полупроводникови: няколко десетки от тях могат да бъдат поставени в кибритена кутия, а обемът на веществото, в което се получава стимулирано излъчване, не надвишава хилядни от кубическия милиметър. Енергията се изпомпва в полупроводник чрез електрически ток. Повече от половината от него се "превръща" в светлина, т.е. ефективността на тези лазери може да достигне повече от 50%.

2.2 Видове лазери

1) Твърдотелни лазери.
Първата твърда активна среда беше рубин - кристал от корунд Al2O3 с малка добавка на хромни йони Cr +++. Той е проектиран от Т. Майман (САЩ) през 1960 г. Стъклото с добавка на неодим Nd, итриев алуминиев гранат Y 2 Al 5 O 12 с добавка на хром, неодим и редкоземни елементи под формата на пръчки също се използва широко . Твърдотелните лазери обикновено се изпомпват от светкавица, която мига за около 10–3 секунди, а лазерният импулс е два пъти по-кратък. Част от времето се изразходва за създаване на обратна популация и в края на светкавицата интензитетът на светлината става недостатъчен за възбуждане на атомите и генерирането спира. Лазерният импулс има сложна структура, състои се от множество отделни пикове с продължителност около 10–6 секунди, разделени от интервали от приблизително 10–5 секунди. При този режим на така нареченото свободно генериране импулсната мощност може да достигне десетки киловати. Увеличаването на мощността просто чрез усилване на светлината на помпата и увеличаване на размера на лазерния прът е технически невъзможно. Следователно мощността на лазерните импулси се увеличава чрез намаляване на продължителността им. За целта пред едно от огледалата на резонатора се поставя затвор, който не позволява генерирането да започне, докато почти всички атоми на активното вещество не бъдат прехвърлени на горното ниво. След това затворът се отваря за кратко и цялата натрупана енергия се показва под формата на така наречения гигантски импулс. В зависимост от енергийния резерв и продължителността на светкавицата импулсната мощност може да варира от няколко мегавата до десетки терават (1012 вата). 5
2) Газови лазери.
Активната среда на газовите лазери са газове с ниско налягане (от стотни до няколко милиметра живачен стълб) или техни смеси, които запълват стъклена тръба със запоени електроди. Първият газов лазер, базиран на смес от хелий и неон, е създаден малко след рубинения лазер през 1960 г. от А. Джаван, У. Бенет и Д. Хериот (САЩ). Газовите лазери се изпомпват от електрически разряд, захранван от високочестотен генератор. Те генерират лъчение по същия начин, както при твърдотелните лазери, но газовите лазери произвеждат, като правило, непрекъснато лъчение. Тъй като плътността на газовете е много ниска, дължината на тръбата с активната среда трябва да бъде достатъчно голяма, така че масата на активното вещество да е достатъчна за получаване на висок интензитет на излъчване.
Газовите лазери също включват газодинамични, химически и ексимерни лазери (лазери, работещи върху електронни преходи на молекули, които съществуват само във възбудено състояние).
Газодинамичният лазер е подобен на реактивен двигател, в който горивото се изгаря с добавяне на газови молекули на активната среда. В горивната камера молекулите на газа се възбуждат и, охлаждайки се от свръхзвуков поток, те отделят енергия под формата на кохерентно излъчване с висока мощност в инфрачервената област, което излиза през газовия поток.
3) Химически лазери.
В химическите лазери (вариант на газодинамичния лазер) инверсията на населението се формира поради химични реакции. Най-високата мощност се развива от лазери, базирани на реакцията на атомен флуор с водород.
4) Течни лазери.
Активната среда на тези лазери (наричат ​​ги още лазери на багрила) са различни органични съединения под формата на разтвори. Първите багрилни лазери се появяват в края на 60-те години. Плътността на работното им вещество заема междинно положение между твърдо вещество и газ, поради което те генерират доста мощно лъчение (до 20 W) с малка клетка с активно вещество. Те работят както в импулсен, така и в непрекъснат режим, изпомпват се от флаш лампи и лазери. Възбудените нива на молекулите на багрилото имат голяма ширина, така че течните лазери излъчват няколко честоти наведнъж. И чрез промяна на клетките с разтвори на багрила, лазерното лъчение може да бъде настроено в много широк диапазон. Плавното регулиране на честотата на излъчване се извършва чрез настройка на резонатора.
5) Полупроводникови лазери.
Този тип оптични квантови генератори е създаден през 1962 г. едновременно от няколко групи американски изследователи (R. Hall, M. I. Neuten, T. Quist и др.), Въпреки че N. G. Basov et al., общият лазерен полупроводников материал е галиев арсенид GaAr. 6
В съответствие със законите на квантовата механика, електроните в твърдото тяло заемат широки енергийни ленти, състоящи се от множество непрекъснато разположени нива. Долната лента, наречена валентна зона, е разделена от горната лента (зона на проводимост) от така наречената забранена зона, в която няма енергийни нива. В полупроводника има малко електрони на проводимост, тяхната подвижност е ограничена, но под въздействието на топлинно движение отделните електрони могат да прескочат от валентната лента към проводимата лента, оставяйки празно място в нея - „дупка“. И ако електрон с енергия Ee спонтанно се върне обратно в зоната на проводимост, той се "рекомбинира" с дупка с енергия Ed, което е придружено от излъчване на фотон от забранената зона с честота n = Ee - Ed. Изпомпването на полупроводников лазер се извършва от постоянен електрически ток (в този случай от 50 до почти 100% от неговата енергия се превръща в радиация); резонаторът обикновено е полирани фасети на полупроводников кристал.
6) Лазери в природата.
Във Вселената са открити лазери с естествен произход. Инверсия на населението се случва в огромни междузвездни облаци от кондензирани газове. За изпомпване служи космическата радиация, светлината на близките звезди и т. н. Поради гигантската дължина на активната среда (газови облаци) - стотици милиони километри - такива астрофизични лазери не се нуждаят от резонатори: стимулирано електромагнитно излъчване в диапазона на дължината на вълната от няколко сантиметра (мъглявината Рак) до микрон (около на звездата Ета Карина) се среща в тях по време на едно преминаване на вълната.

2.3 Свойства на лазерното лъчение

За разлика от конвенционалните източници на топлинно излъчване, лазерът произвежда светлина, която има редица специални и много ценни свойства. 7
1. Лазерното лъчение е кохерентно и практически монохроматично. Преди появата на лазерите само радиовълните, излъчвани от добре стабилизиран предавател, притежаваха това свойство. Поради факта, че стимулираното излъчване се разпространява строго по оста на резонатора, лазерният лъч се разширява слабо: неговата дивергенция е няколко дъгови секунди.
Тези изброени качества позволяват да се фокусира лазерен лъч в изключително малко петно, като се получи огромна енергийна плътност във фокусната точка.
2. Мощното лазерно лъчение има огромна температура. Така например импулсен лазер с мощност от порядъка на петават (1015 W) има температура на излъчване от около 100 милиона градуса.
Тези уникални свойства на лазерното лъчение превърнаха квантовите генератори в незаменим инструмент в различни области на науката и технологиите.
1. Технологични лазери. Мощните непрекъснати лазери се използват за рязане, заваряване и запояване на детайли от различни материали. Високата температура на излъчване дава възможност за заваряване на материали, които не могат да бъдат съединени по друг начин (например метал с керамика). Високата монохроматичност на излъчването позволява фокусирането на лъча в точка с диаметър от порядъка на микрон и използването му за производството на микросхеми (т.нар. метод на лазерно писане - премахване на тънък слой). За обработка на части във вакуум или в атмосфера на инертен газ, лазерният лъч може да бъде въведен в процесната камера през прозрачен прозорец.
2. Лазерна комуникация. Появата на лазерите революционизира технологията за комуникация и запис на информация. Има прост модел: колкото по-висока е носещата честота (по-малка дължина на вълната) на комуникационния канал, толкова по-голяма е неговата честотна лента. Ето защо радиокомуникациите, които първоначално овладяха обхвата на дългите вълни, постепенно преминаха към все по-къси дължини на вълните. Но светлината е същата електромагнитна вълна като радиовълните, само че е десетки хиляди пъти по-къса, така че лазерният лъч може да предаде десетки хиляди пъти повече информация от високочестотен радиоканал. Лазерната комуникация се осъществява чрез оптично влакно - тънки стъклени нишки, светлината в които, поради пълно вътрешно отражение, се разпространява почти без загуба на много стотици километри. Лазерен лъч записва и възпроизвежда изображение (включително движещо се) и звук на CD.
3. Лазери в медицината. Лазерната технология се използва широко в хирургията и терапията. Лазерен лъч, инжектиран през зеницата на окото, „заварява“ отлепената ретина и коригира дефектите в очното дъно. Хирургическите операции, извършвани с "лазерен скалпел", по-малко нараняват живите тъкани. А лазерното лъчение с ниска мощност ускорява заздравяването на рани и има ефект, подобен на акупунктурата, практикувана от източната медицина (лазерпунктура).
4. Лазери в научните изследвания. Изключително високата температура на лъчението и високата му енергийна плътност правят възможно изследването на материята в екстремно състояние, което съществува само във вътрешността на горещи звезди. Правят се опити за осъществяване на термоядрена реакция чрез компресиране на ампула със смес от деутерий и тритий чрез система от лазерни лъчи (т.нар. инерционен термоядрен синтез). В генното инженерство и нанотехнологиите (технологии, занимаващи се с обекти с характерен размер 10–9 m), лазерните лъчи изрязват, преместват и свързват фрагменти от гени, биологични молекули и детайли с размер около една милионна от милиметъра (10–9 m ). За изследване на атмосферата се използват лазерни радари (лидари).
5. Военни лазери. Военните приложения на лазерите включват както използването им за прихващане на цели и комуникации, така и използването им като оръжие. Предвижда се лъчи от мощни химически и ексимерни лазери, наземни или орбитални, да унищожат или извадят от строя бойни сателити и вражески самолети. Създадени са образци на лазерни пистолети за въоръжение на екипажите на военни орбитални станции.

3. Механизми на вредното въздействие на лазерното лъчение

Тъканите и органите, които обикновено са изложени на лазерно лъчение, са очите и кожата. Има три основни вида увреждане на тъканите, причинени от лазерно облъчване. Това са топлинни ефекти, фотохимични ефекти, както и акустични преходни ефекти (само очите са засегнати). Топлинните ефекти могат да възникнат при всяка дължина на вълната и са резултат от радиация или светлинни ефекти върху охлаждащия потенциал на тъканния кръвен поток.
Във въздуха фотохимичните ефекти възникват между 200 и 400 nm и ултравиолетовите, и между 400 и 470 nm виолетовите дължини на вълната. Фотохимичните ефекти са свързани с продължителността и честотата на повторение на радиацията.
Акустични преходни ефекти, свързани с продължителността на импулса, могат да възникнат при кратки импулсни продължителности (до 1 ms) в зависимост от конкретната дължина на вълната на лазера. Акустичното въздействие на преходните ефекти е слабо разбрано, но може да причини увреждане на ретината, което е различно от термичното увреждане на ретината.
Потенциалните места на нараняване на окото са пряко свързани с дължината на вълната на лазерното лъчение. Дължини на вълните, по-къси от 300 nm или повече от 1400 nm, засягат роговицата. Дължини на вълните между 300 и 400 nm засягат вътреочната течност, ириса, лещата и стъкловидното тяло. Дължини на вълните от 400 nm и 1400 nm са насочени към ретината. осем
Увреждането на лазера върху ретината може да бъде много голямо поради фокусното усилване (оптично усилване) от очите, което е приблизително 105. Това означава, че радиацията от 1 mW/cm2 през окото ще бъде ефективно увеличена до 100 mW /cm2, когато достигне ретината.
При термични изгаряния на окото се нарушава охлаждащата функция на съдовете на ретината. В резултат на увреждащото действие на термичния фактор могат да възникнат кръвоизливи в стъкловидното тяло в резултат на увреждане на кръвоносните съдове.
Тъй като ретината може да се възстанови от незначително увреждане, големите наранявания на макулата могат да доведат до временна или постоянна загуба на зрителна острота или пълна слепота. Фотохимичното увреждане на роговицата от ултравиолетово лъчение може да доведе до фотокератоконюнктивит (често наричан болест на заварчиците или снежна слепота). Това болезнено състояние може да продължи няколко дни с много изтощителна болка. Дългосрочното излагане може да доведе до образуване на катаракта.
Общата продължителност на експозицията също влияе върху травмата на очите. Например, ако лазер с видима дължина на вълната (400 до 700 nm) има мощност на лъча по-малка от 1,0 MW и време на експозиция по-малко от 0,25 секунди (времето, необходимо на човек да затвори очи), няма да има увреждане към ретината. Лазерите от клас 1, 2A и 2 попадат в тази категория и обикновено не могат да увредят ретината. За съжаление, директни или отразени удари от лазери клас 3A, 3B или 4 и дифузни отражения от лазери над клас 4 могат да причинят щети, преди човек да успее рефлексивно да затвори очите си.
При импулсните лазери продължителността на импулса също влияе върху потенциалното увреждане на очите. Импулси, по-малки от 1 ms при въздействие върху ретината, могат да причинят преходни акустични ефекти, водещи до значително увреждане и кървене в допълнение към очакваното термично увреждане. Много импулсни лазери понастоящем имат импулсно време под 1 пикосекунда.
Стандартът ANSI определя максимално допустимата мощност на излагане на лазера на окото без никакви последствия (под влияние на специфични условия).
Кожните наранявания от лазери основно попадат в две категории: термично нараняване (изгаряния) от остро излагане на лазерни лъчи с висока мощност и фотохимично индуцирано нараняване от хронично излагане на дифузно ултравиолетово лазерно лъчение. Термично нараняване може да бъде резултат от директен контакт с лъча или неговото огледално отражение. Тези наранявания, макар и болезнени, обикновено не са сериозни и обикновено лесно се предотвратяват с подходящ контрол на лазерния лъч. Фотохимично увреждане може да възникне с течение на времето от излагане на директна светлина, огледални отражения или дори дифузни отражения. Ефектите може да са незначителни, но могат да причинят сериозни изгаряния, а продължителното излагане може да допринесе за образуването на рак на кожата. Може да са необходими добри предпазни очила и облекло за защита на кожата и очите. При работа с лазери е необходимо да се носят предпазни очила от лазерно лъчение. Очила са необходими дори за 15mW лазер, защото без тях очите се уморяват много.
Степента на защита на очилата от лазерно лъчение се измерва в OD (Optical Density). Оптичната плътност показва колко пъти очилата отслабват светлината. Едно означава "10 пъти". Съответно "оптична плътност 3" означава затихване с коефициент 1000, а 6 - с милион. Правилната оптична плътност за видим лазер е такава, че след очила от директно попадение на лазера остава мощността, съответстваща на клас II (максимум някъде около 1 mW).
Домашните очила на марката ZN-22 C3-C22 предпазват от червени и някои инфрачервени лазери. Приличат на очила за заварчици, но имат сини стъкла. Във връзка с широкото използване на източници на лазерно лъчение в научните изследвания, промишлеността, медицинските комуникации и др., Съществува необходимост от запазване на здравето на хората, работещи с различни лазерни инсталации. 9
Лазерът е източник на кохерентно излъчване, тоест движението на фотони, координирани във времето и пространството под формата на избран лъч. Характерът на въздействието върху зрителния апарат и степента на увреждащия ефект на лазера зависят от енергийната плътност на лъчението, дължината на вълната на лъчението (импулсно или непрекъснато). Характерът на увреждането на кожата зависи от цвета на кожата, например пигментираната кожа абсорбира лазерното лъчение много по-силно от непигментираната кожа. Светлата кожа отразява до 40% от падащата върху нея радиация. Под действието на лазерното лъчение се установяват редица нежелани промени в дихателната, храносмилателната, сърдечно-съдовата и ендокринната система. В някои случаи тези общи клинични симптоми са доста устойчиви, като резултат от въздействие върху нервната система.
Нека характеризираме действието на най-биологично опасните спектрални диапазони на лазерното облъчване. В инфрачервената област енергията на най-"късите" вълни (0,7-1,3 микрона) може да проникне на относително голяма дълбочина в кожата и прозрачната среда на окото. Дълбочината на проникване зависи от дължината на вълната на падащото лъчение. Областта с висока прозрачност при дължини на вълните от 0,75 до 1,3 µm има максимална прозрачност в областта от 1,1 µm. При тази дължина на вълната 20% от енергията, падаща върху повърхностния слой на кожата, прониква в кожата на дълбочина от 5 мм. В същото време при силно пигментирана кожа дълбочината на проникване може да бъде още по-голяма. Въпреки това човешката кожа противодейства на инфрачервеното лъчение доста добре, тъй като е в състояние да разсейва топлината поради кръвообращението и да понижава температурата на тъканта поради изпаряването на влагата от повърхността.
Но е много по-трудно да се предпазят очите от инфрачервено лъчение, топлината практически не се разсейва в тях, а лещата, която фокусира радиацията върху ретината, засилва ефекта от биологичното излагане. Всичко това налага да се обърне специално внимание на защитата на очите при работа с лазери. Роговицата на окото е прозрачна за радиация в диапазона на дължината на вълната от 0,75-1,3 μm и става практически непрозрачна само за дължини на вълните над 2 μm.
Степента на термично увреждане на роговицата зависи от погълнатата доза радиация, като се уврежда основно повърхностния, тънък слой. Ако във вълновия интервал от 1,2-1,7 μm стойността на радиационната енергия надвишава минималната доза на облъчване, тогава може да настъпи пълно разрушаване на защитния епителен слой. Ясно е, че такава дегенерация на тъканите в областта непосредствено зад зеницата сериозно засяга състоянието на органа на зрението.
Трябва да се има предвид, че ирисът, който се характеризира с висока степен на пигментация, абсорбира лъчение от почти целия инфрачервен диапазон. Той е особено податлив на действието на радиация с дължина на вълната 0,8-1,3 микрона, тъй като радиацията почти не се задържа от роговицата и водната течност на предната камера на окото.
Минималната стойност на плътността на енергията на излъчване във вълновия диапазон 0,8-1,1 μm, която може да причини увреждане на ириса, се счита за 4,2 J/cm 2 . Едновременното увреждане на роговицата и ириса винаги е остро и следователно е най-опасното. десет
Поглъщането от средата на окото на радиационна енергия в инфрачервената област, падаща върху роговицата, се увеличава с увеличаване на дължината на вълната. При дължини на вълните 1,4-1,9 μm роговицата и предната камера на окото поглъщат почти цялото падащо лъчение, а при дължини на вълните над 1,9 μm роговицата става единственият абсорбатор на радиационна енергия.
При оценката на допустимите нива на лазерна енергия е необходимо да се вземе предвид общият ефект върху прозрачната среда на окото, ретината и хороидеята. Нека да оценим ефекта на лазерното лъчение върху ретината на окото.
Прогнозирайки възможността за опасност от лазерно облъчване, е необходимо да се вземе предвид:
и т.н.................

Мощност. В първите лазери с активно вещество, изработено от рубин, енергията на светлинния импулс е била приблизително 0,1 J. Понастоящем енергията на излъчване на някои твърдотелни лазери достига хиляди джаули. С кратка продължителност на светлинния импулс можете да получите огромна мощност. И така, неодимовият лазер генерира импулси с продължителност 3·10 -12 s, а при импулсна енергия от 75 J мощността му достига 2,5·10 13 W! (За сравнение, мощността на Красноярската водноелектрическа централа е 6 10 9 W.) Мощността на газовите лазери е много по-ниска (до 50 kW), но тяхното предимство е, че излъчването им е непрекъснато, въпреки че има и импулсни лазери сред газовите лазери.

Ъгъл на отклонениелазерният лъч е много малък и следователно интензитетът на светлинния поток почти не намалява с разстоянието. Импулсните лазери могат да произвеждат интензитет на светлината до 10 14 W/m 2 . Мощните лазерни системи могат да произвеждат интензитет до 1020 W/m 2 . За сравнение отбелязваме, че средната стойност на интензитета на слънчевата светлина близо до земната повърхност е само 10 3 W/m 2 . Следователно яркостта на дори относително слабите лазери е милиони пъти по-голяма от яркостта на Слънцето.

съгласуваност. Координираното протичане във времето и пространството на няколко вълнови процеса, което се проявява при тяхното добавяне. Трептенията се наричат ​​кохерентни, ако фазовата разлика между тях остава постоянна във времето. При добавяне на две хармонични трептения със същата честота, но с различни амплитуди A 1 и A 2 и различни фази, се образува хармонично трептене със същата честота, чиято амплитуда, в зависимост от фазовата разлика, може да варира от A 1 - A 2 до A 1 + A 2 и тази амплитуда в дадена точка в пространството остава постоянна. Светлинните вълни, излъчвани от нагрети тела или по време на луминесценция, се създават по време на спонтанни преходи на електрони между различни енергийни нива в атоми, независими един от друг. Всеки атом излъчва електромагнитна вълна за време от 10–8 s, което се нарича време на кохерентност. През това време светлината се разпространява на разстояние от 3 м. Това разстояние се нарича кохерентна дължина или дължина на влака. Вълните извън дължината на влака вече ще бъдат некохерентни. Излъчването, генерирано от множество атоми, независими един от друг, се състои от множество влакове, чиито фази се променят произволно от 0 до 2p. За да се изолира кохерентната част от общия некохерентен светлинен поток на естествената светлина, се използват специални устройства (огледала на Френел, бипризми на Френел и др.), Които създават светлинни лъчи с много ниска интензивност, докато лазерното лъчение с цялата си огромна интензивност е напълно съгласувана.

По принцип некохерентен светлинен лъч не може да бъде фокусиран в много малко петно, тъй като това се предотвратява от разликата във фазите на неговите влакове. Кохерентното лазерно лъчение може да се фокусира в петно ​​с диаметър, равен на дължината на вълната на това лъчение, което прави възможно увеличаването на вече високия интензитет на лазерния светлинен лъч.

Едноцветен.Монохроматичното излъчване се нарича излъчване със строго еднаква дължина на вълната, но то може да бъде създадено само от хармонично трептене, което се случва с постоянна честота и амплитуда за безкрайно дълго време. Истинската радиация не може да бъде монохроматична само защото се състои от много влакове, а практически монохроматична радиация се счита за радиация с тесен спектрален интервал, който може приблизително да се характеризира със средна дължина на вълната. Преди появата на лазерите можеше да се получи лъчение с определена степен на монохроматичност с помощта на призмени монохроматори, които отделят тясна лента с дължина на вълната от непрекъснатия спектър, но мощността на светлината в такава лента е много ниска. Лазерното лъчение има висока степен на монохроматичност. Ширината на спектралните линии, генерирани от някои лазери, достига 10–7 nm.

Поляризация.Електромагнитното лъчение в рамките на един влак е поляризирано, но тъй като светлинните лъчи се състоят от много влакове, които са независими един от друг, естествената светлина не е поляризирана и се използват специални устройства за получаване на поляризирана светлина - призми на Никол, полароиди и др. За разлика от естествената светлина лазерното лъчение е напълно поляризиран.

Посока на излъчване.Важно свойство на лазерното лъчение е неговата строга насоченост, характеризираща се с много малка дивергенция на светлинния лъч, което е следствие от висока степен на кохерентност. Ъгълът на отклонение на много лазери е увеличен до приблизително 10–3 rad, което съответства на една дъгова минута. Такава насоченост, която е напълно недостижима в конвенционалните светлинни източници, прави възможно предаването на светлинни сигнали на големи разстояния с много малко затихване на интензитета им, което е изключително важно, когато лазерите се използват в системи за предаване на информация или в космоса.

Сила на електрическото поле.Друго свойство, което отличава лазерното лъчение от обикновената светлина, е високата напрегнатост на електрическото поле в него. Интензивността на потока от електромагнитна енергия I–EH(формула на Умов-Пойнтинг), където ди з- съответно интензитета на електрическото и магнитното поле в електромагнитната вълна. От тук може да се изчисли, че напрегнатостта на електрическото поле в светлинна вълна с интензитет 10 18 W/m 2 е 3-10 10 V/m, което надвишава напрегнатостта на полето вътре в атома. Силата на полето в светлинните вълни, генерирани от конвенционални светлинни източници, не надвишава 10 4 V/m.

При падане върху тяло електромагнитната вълна упражнява върху това тяло механичен натиск, който е пропорционален на интензитета на вълновия енергиен поток. Светлинното налягане, създадено през летен ден от ярка слънчева светлина, е приблизително 4 10 -6 Pa (припомнете си, че атмосферното налягане е 10 5 Pa). За лазерното лъчение стойността на светлинното налягане достига 10 12 Pa. Такова налягане позволява обработка (пробиване, изрязване на отвори и др.) на най-твърдите материали - диаманти и свръхтвърди сплави.

Взаимодействието на светлината с материята (отражение, абсорбция, дисперсия) се дължи на взаимодействието на електрическото поле на светлинна вълна с оптичните електрони на материята. Атомите на диелектриците в електрическо поле са поляризирани. При нисък интензитет диполният момент на единица обем вещество (или поляризационният вектор) е пропорционален на напрегнатостта на полето. Всички оптични характеристики на дадено вещество, като индекс на пречупване, индекс на абсорбция и други, по някакъв начин са свързани със степента на поляризация, която се определя от силата на електрическото поле на светлинната вълна. Тъй като тази връзка е линейна, т.е. величина Рпропорционален Д,което дава основание оптиката, занимаваща се с лъчение с относително нисък интензитет, да се нарече линейна оптика.

При лазерното лъчение силата на електрическото поле на вълната е сравнима със силата на полето в атомите и молекулите и може да ги променя в осезаеми граници. Това води до: факта, че диелектричната чувствителност престава да бъде постоянна стойност и става определена функция на силата на полето . Следователно зависимостта на поляризационния вектор от силата на полето вече няма да бъде линейна функция. Следователно се говори за нелинейна поляризация на средата и съответно за нелинейна оптика, при която диелектричната проницаемост на веществото, коефициентът на пречупване, коефициентът на поглъщане и други оптични величини вече няма да бъдат постоянни, а ще зависят от интензитет на падащата светлина.

Едно от най-забележителните постижения на физиката през втората половина на ХХ век е откриването на физически явления, които послужиха като основа за създаването на невероятно устройство - оптичен квантов генератор или лазер.

Лазерът е източник на монохроматична кохерентна светлина със силно насочен светлинен лъч. Самата дума „лазер“ е съставена от първите букви на английска фраза, означаваща усилване на светлината в резултат на стимулирано излъчване.“

Наистина, основният физически процес, който определя действието на лазера, е стимулираното излъчване на радиация. Това се случва, когато фотон взаимодейства с възбуден атом, когато енергията на фотона съвпада точно с енергията на възбуждане на атома (или молекулата)

В резултат на това взаимодействие атомът преминава в невъзбудено състояние и излишната енергия се излъчва под формата на нов фотон с абсолютно същата енергия, посока на разпространение и поляризация като първичния фотон. По този начин следствието от този процес е наличието на два абсолютно идентични фотона. При по-нататъшно взаимодействие на тези фотони с възбудени атоми, подобни на първия атом, може да възникне „верижна реакция“ на възпроизвеждане на идентични фотони, „летящи“ в точно същата посока, което ще доведе до появата на тясно насочен светлинен лъч. За възникването на лавина от еднакви фотони е необходима среда, в която да има повече възбудени атоми, отколкото невъзбудени, тъй като фотоните биха се абсорбирали, когато фотони взаимодействат с невъзбудени атоми. Такава среда се нарича среда с обратна популация на енергийни нива.

Така че, в допълнение към принудителното излъчване на фотони от възбудени атоми, има и процес на спонтанно, спонтанно излъчване на фотони по време на прехода на възбудени атоми в невъзбудено състояние и процес на абсорбция на фотони по време на прехода на атоми от невъзбудено състояние към възбудено. Тези три процеса, съпътстващи преходите на атомите към възбудени състояния и обратно, са постулирани от А. Айнщайн през 1916 г.

Ако броят на възбудените атоми е голям и има обратно разделение на нивата (има повече атоми в горното, възбудено състояние, отколкото в долното, невъзбудено състояние), тогава първият фотон, роден в резултат на спонтанно излъчване, ще предизвика все по-голяма лавина от появата на еднакви фотони. Ще има увеличение на спонтанното излъчване.

Възможността за усилване на светлината в среда с обратна населеност поради стимулирано излъчване е посочена за първи път през 1939 г. от съветския физик

В.А. Фабрикант, който предложи да се създаде обратна популация в електрически разряд в газ.

При едновременното производство (по принцип това е възможно) на голям брой спонтанно излъчени фотони ще възникнат голям брой лавини, всяка от които ще се разпространява в своята посока, зададена от началния фотон на съответната лавина. В резултат на това ще получим потоци от светлинни кванти, но няма да можем да получим нито насочен лъч, нито висока монохроматичност, тъй като всяка лавина е инициирана от собствен първоначален фотон. За да може среда с инвертирана популация да се използва за генериране на лазерен лъч, т.е. насочен лъч с висока монохроматичност, е необходимо да се „премахне“ инвертираната популация с помощта на първични фотони, които вече имат същата енергия, съвпадаща с енергията на даден преход в атома. В този случай ще имаме лазерен светлинен усилвател.

Съществува обаче и друг вариант за получаване на лазерен лъч, свързан с използването на система за обратна връзка. Спонтанно родените фотони, чиято посока на разпространение не е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създадат лавина от фотони, които излизат извън средата. В същото време фотони, чиято посока на разпространение е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създават лавини, които се усилват многократно в средата поради множество отражения от огледалата. Ако едно от огледалата има малко пропускане, тогава насочен фотонен поток ще излезе през него перпендикулярно на равнината на огледалата. При правилно подбрано предаване на огледалата, тяхното прецизно регулиране едно спрямо друго и спрямо надлъжната ос на средата с инверсна населеност, обратната връзка може да бъде толкова ефективна, че страничното излъчване да бъде напълно пренебрегнато в сравнение с излъчването, излизащо през огледала. На практика това наистина може да се направи. Тази верига за обратна връзка се нарича оптичен резонатор и именно този тип резонатор се използва в повечето съществуващи лазери.

През 1955 г. едновременно и независимо Н.Г. Басов и А. М. Прохоров в СССР и К. Таунс в САЩ предложиха принципа за създаване на първия в света генератор на кванти на електромагнитно излъчване върху среда с обърната популация, в която стимулираното излъчване в резултат на използване на обратна връзка доведе до генериране на изключително монохроматично излъчване.

Няколко години по-късно, през 1960 г., американският физик Т. Мейман пусна първия квантов генератор в оптичния диапазон - лазер, в който обратната връзка се осъществява с помощта на оптичния резонатор, описан по-горе, и обратната популация се възбужда в рубинени кристали облъчени с лъчение от ксенонова флаш лампа . Рубинният кристал е кристал от алуминиев оксид AL2O3 с малка добавка = 0,05% хром. Когато се добавят хромни атоми, прозрачните рубинени кристали стават розови и абсорбират радиация в две ленти от близката ултравиолетова област на спектъра. Общо рубинените кристали абсорбират около 15% от светлината на светкавица. Когато светлината се абсорбира от хромни йони, настъпва преход на йони във възбудено състояние. В резултат на вътрешни процеси възбудените хромни йони не преминават веднага в основно състояние, а през две възбудени нива. На тези нива се получава натрупване на йони и при достатъчно мощна светкавица на ксенонова лампа възниква обратна популация между междинните нива и основното ниво на хромни йони.

Краищата на рубинения прът са полирани, покрити с отразяващи интерферентни филми, като същевременно се запазва строгият паралел на краищата един към друг.

Когато възникне популационна инверсия на нивата на хромните йони в рубин, възниква лавинообразно увеличение на броя на индуцираните фотони и обратната връзка на оптичния резонатор, образуван от огледала в краищата на рубинения прът, осигурява образуването на тесен лъч червена светлина. Продължителността на лазерния импулс ==0,0001 s, малко по-кратка от продължителността на светкавицата на ксенонова лампа. Енергията на импулса на рубинения лазер е около 1J.

С помощта на механична система (въртящо се огледало) или бързодействащ електрически затвор може да се „включи“ обратната връзка (настройка на едно от огледалата) в момента на достигане на максималната инверсия на населението и съответно на максималната усилване на активната среда. В този случай мощността на стимулираното излъчване ще бъде изключително висока и инверсията на населеността ще бъде „отстранена“ от стимулирано излъчване за много кратко време.

В този режим на Q-switched резонатор се излъчва гигантски импулс от лазерно лъчение. Общата енергия на този импулс ще остане приблизително на същото ниво като в режим „свободно генериране“, но поради намаляването на продължителността на импулса със стотици пъти, мощността на излъчване също се увеличава стотици пъти, достигайки стойността = 100000000 W.

Нека разгледаме някои уникални свойства на лазерното лъчение.

По време на спонтанно излъчване атомът излъчва спектрална линия с крайна ширина. При лавинообразно нарастване на броя на стимулирано излъчените фотони в среда с обърната популация, интензитетът на излъчване на тази лавина ще се увеличи преди всичко в центъра на спектралната линия на даден атомен преход и като в резултат на този процес ширината на спектралната линия на първоначалното спонтанно излъчване ще намалее. На практика при специални условия е възможно относителната ширина на спектралната линия на лазерното лъчение да бъде 1 * 10000000-1 * 100000000 пъти по-малка от ширината на най-тесните линии на спонтанно излъчване, наблюдавани в природата.

В допълнение към стесняването на емисионната линия в лазера е възможно да се получи дивергенция на лъча по-малка от 0,00001 радиана, т.е. на ниво дъгови секунди.

Известно е, че насочен тесен лъч светлина може да се получи по принцип от всеки източник чрез поставяне на няколко екрана с малки отвори, разположени на една и съща права линия по пътя на светлинния поток. Нека си представим, че сме взели нагрято черно тяло и с помощта на диафрагми получихме лъч светлина, от който с помощта на призма или друго спектрално устройство беше изолиран лъч със спектрална ширина, съответстваща на ширината на спектъра на лазерното лъчение. Познавайки мощността на лазерното лъчение, ширината на неговия спектър и ъгловата дивергенция на лъча, е възможно, използвайки формулата на Планк, да се изчисли температурата на въображаемо черно тяло, използвано като източник на светлинен лъч, еквивалентен на лазер лъч. Това изчисление ще ни доведе до фантастична цифра: температурата на черно тяло трябва да бъде от порядъка на десетки милиони градуси! Удивителното свойство на лазерния лъч - неговата висока ефективна температура (дори при относително ниска средна мощност на лазерното лъчение или ниска енергия на лазерния импулс) отваря големи възможности за изследователите, които са абсолютно невъзможни без използването на лазер.

Лазерите се различават по: метода за създаване на инверсна популация в среда, или, с други думи, метода на изпомпване (оптично изпомпване, възбуждане чрез електронен удар, химическо изпомпване и др.); работна среда (газове, течности, стъкла, кристали, полупроводници и др.); дизайн на резонатора; режим на работа (импулсен, непрекъснат). Тези разлики се определят от многообразието на изискванията към характеристиките на лазера във връзка с практическите му приложения.