Princip rada i glavna svojstva lasera.

Kvantna elektronika se može definirati kao grana elektronike u kojoj kvantni fenomeni igraju fundamentalnu ulogu. Ova knjiga je posvećena razmatranju posebnog aspekta kvantne elektronike, odnosno opisu fizičkih principa rada lasera i njihovih karakteristika. Prije ulaska u detaljnu raspravu o ovoj temi, preporučljivo je posvetiti malo pažnje elementarnom razmatranju ideja na kojima su laseri zasnovani.

Laser koristi tri fundamentalna fenomena koji se javljaju prilikom interakcije elektromagnetnih talasa sa materijom, a to su procesi spontane i stimulisane emisije i proces apsorpcije.

Princip rada lasera

Razmotrimo dva proizvoljna nivoa energije 1 i 2 u nekom mediju sa odgovarajućim populacijama N 1 i N 2 . Neka se ravan talas širi u ovom mediju u pravcu ose z intenzitetom koji odgovara gustini fluksa fotona F. Tada, u skladu sa izrazima (1.3) - (1.6), promena gustine fluksa dF usled oba stimulirani procesi emisije i apsorpcije u sloju dz (osenčeno područje na slici 1.2) dat je jednadžbom

dF=σF(N 2 -. N 1) (1.7)

Jednačina (1.7) implicira da se u slučaju N 2 > N 1 medij ponaša kao medij za pojačavanje (tj. dF/dz > 0), au slučaju 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)

gdje je k Boltzmannova konstanta, a T apsolutna temperatura medija. Dakle, vidimo da je u slučaju termodinamičke ravnoteže 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, tada će medij djelovati kao pojačalo. U ovom slučaju, reći ćemo da postoji inverzija populacije u mediju, imajući u vidu da je razlika populacije (N 2 -. N 1 > 0) suprotna po predznaku od one koja postoji u normalnim uslovima (N 2 -). N 1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Ako prijelazna frekvencija ν \u003d (E 2 - E 1) / h padne u mikrovalni raspon, tada se odgovarajuće pojačalo naziva maser. Riječ maser formirana je od početnih slova riječi sljedeće fraze: mikrovalno pojačanje stimuliranom emisijom zračenja - pojačanje mikrovalova stimuliranom emisijom zračenja. Ako prijelazna frekvencija ν odgovara optičkom rasponu, tada se pojačalo naziva laser. Riječ laser (engleski laser) formirana je na sličan način, samo je početno slovo "m", koje dolazi od prvog slova u riječi mikrovalna, zamijenjeno slovom "l" koje dolazi od riječi svjetlost (svjetlo ).

Da bi se pojačalo pretvorilo u generator, potrebno je uvesti odgovarajuću pozitivnu povratnu spregu. U mikrovalnom opsegu to se postiže stavljanjem aktivnog medija u rezonator šupljine, koji ima rezonanciju na frekvenciji ν. U laseru se povratna informacija obično dobija postavljanjem aktivnog medija između dva visoko reflektirajuća ogledala (na primjer, između ravno-paralelnih ogledala, kao što je prikazano na slici 1.3. Takav sistem ogledala se obično naziva Fabry-Perot rezonator, tj. optički rezonator ili otvoreni rezonator). U ovom slučaju, ravan elektromagnetski val koji se širi u smjeru okomitom na ogledala će se reflektirati od njih, pojačavajući se svakim prolaskom kroz aktivni medij. Ako se jedno od dva ogledala učini djelimično providnim, onda se na izlazu sistema može izolovati snop korisnog zračenja, ali i kod masera i kod lasera generiranje je moguće samo ako je zadovoljen određeni granični uslov. Na primjer, kod lasera generiranje počinje kada pojačanje aktivnog medija nadoknađuje gubitke u njemu (recimo, gubitke zbog djelomičnog izlaska zračenja iz rezonatora kroz ogledalo). U skladu s izrazom (1.7), pojačanje zračenja po prolazu u aktivnom mediju (tj. odnos gustine fluksa izlaznih i ulaznih fotona) je jednako exp[σ(N 2 - N 1)∙l], gdje je l je dužina aktivnog medija. Ako su gubici u rezonatoru određeni samo prenosom ogledala, tada će prag generisanja biti dostignut kada se ispuni uslov

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1.9)

gdje su R 1 i R 2 koeficijenti refleksije ogledala u smislu intenziteta. Ovaj uslov pokazuje da je prag dostignut kada se inverzija populacije približi određenoj kritičnoj vrijednosti, koja se naziva kritična inverzija i definira se relacijom

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

Čim se postigne kritična inverzija, generacija će se razviti iz spontane emisije. Zaista, fotoni koji se spontano emituju duž ose rezonatora će biti pojačani. Ovaj mehanizam leži u osnovi laserskog generatora, koji se obično naziva jednostavno laser. Međutim, riječ laser sada se široko primjenjuje na bilo koji uređaj koji emituje stimulirano zračenje - bilo u dalekom ili bliskom infracrvenom, UV, pa čak i rendgenskom zračenju. U takvim slučajevima govorimo o infracrvenim, ultraljubičastim i rendgenskim laserima, respektivno. Imajte na umu da su nazivi lasera u čvrstom stanju, tečnosti i gasa određeni agregatnim stanjem aktivnog medija.

Krugovi pumpi

Razmotrimo problem kako se inverzija populacije može dobiti u datom mediju. Na prvi pogled može izgledati da bi inverzija mogla nastati interakcijom medija sa dovoljno jakim elektromagnetnim talasom frekvencije v, određenom izrazom (1.1). Budući da je u termodinamičkoj ravnoteži nivo 1 naseljeniji od nivoa 2, apsorpcija prevladava nad stimuliranom emisijom, tj. pod djelovanjem upadnog vala dolazi do više 1-2 prijelaza nego 2-1 prijelaza, a može se nadati da će se postići inverzija populacije u ovuda. Međutim, lako je vidjeti da takav mehanizam neće raditi (barem u stacionarnim uvjetima). Kada dođu uslovi kada se pokažu da su populacije nivoa iste (N 2 =N 1), procesi stimulisane emisije i apsorpcije će početi da se kompenzuju i, u skladu sa (1.7), medij će postati transparentan. U takvoj situaciji obično se govori o dvostepenom zasićenju.

Rice. 1.4. Trostepena (a) i četvorostepena (b) laserska kola.

Dakle, koristeći samo dva nivoa, nemoguće je dobiti inverziju populacije. Naravno, postavlja se pitanje: da li se to može učiniti koristeći više od dva nivoa iz neograničenog skupa stanja datog atomskog sistema? Videćemo da će u ovom slučaju odgovor biti potvrdan i da će se moći govoriti o laserima sa tri odnosno četiri nivoa, u zavisnosti od broja radnih nivoa (slika 1.4). U trostepenom laseru (slika 1.4, a), atomi se nekako prenose sa glavnog nivoa 1 na nivo 3. Ako se odabere medij u kojem atom koji je u pobuđenom stanju na nivou 3 brzo prelazi na nivo 2. , onda je u takvom okruženju moguće dobiti inverziju populacije između nivoa 2 i 1. Kod lasera sa četiri nivoa (sl. 1.4,6), atomi se takođe prenose sa nivoa tla (zbog pogodnosti, nazvaćemo ga nula) na nivo 3. Ako nakon toga atomi brzo pređu na nivo 2, tada se između nivoa 2 i 1 može dobiti inverzija populacije. Kada dođe do generisanja u ovakvom četvorostepenom laseru, atomi u procesu stimulisane emisije prelaze sa nivoa 2 na nivo 1. Stoga je za kontinuiran rad četvorostepenog lasera neophodno da čestice koje se nalaze na nivou 1. ići vrlo brzo na nulti nivo.

Pokazali smo kako se tri ili četiri nivoa energije bilo kog sistema mogu koristiti za dobijanje inverzije populacije. Da li će sistem raditi na šemi od tri ili četiri nivoa (i da li će uopšte raditi!), Zavisi od toga koliko su ispunjeni gore navedeni uslovi. Može se postaviti pitanje: zašto koristiti šemu na četiri nivoa, ako se već ona na tri nivoa pokazuje kao vrlo učinkovita za postizanje inverzije populacije? Međutim, činjenica je da je mnogo lakše postići inverziju u laseru sa četiri nivoa. Da bismo to vidjeli, prije svega, napominjemo da je razlika energije između radnih nivoa lasera (slika 1.4) obično mnogo veća od kT, a u skladu sa Boltzmannovom statistikom [vidi, na primjer, formulu (1.8) ], gotovo svi atomi u termodinamičkoj ravnoteži su u osnovnom stanju. Ako sada broj atoma po jedinici zapremine medija označimo sa Nt, onda će u slučaju sistema na tri nivoa ti atomi u početku biti na nivou 1. Prebacimo sada atome sa nivoa 1 na nivo 3. Tada će se sa ovog nivoa atomi opustiti s prijelazom na niži nivo 2. Ako se takva relaksacija dogodi dovoljno brzo, tada nivo 3 ostaje gotovo nepopunjen. U ovom slučaju, da bi se populacije nivoa 1 i 2 učinile istim, polovina atoma Nt lociranih u početku na nivou tla mora biti prebačena na nivo 2. Inverziju populacije stvorit će svaki atom koji se prenese na gornji nivo više od ove polovine ukupnog broja atoma. Međutim, u četvorostepenom laseru, budući da nivo 1 takođe nije prvobitno bio nenaseljen, svaki atom koji je u pobuđenom stanju doprineće inverziji populacije. Ova jednostavna razmatranja pokazuju da, ako je moguće, treba tražiti aktivne medije koji rade prema šemi od četiri nivoa. Da bi se dobila populacijska inverzija, naravno, moguće je koristiti veći broj energetskih nivoa.

Proces kojim se atomi prenose sa nivoa 1 na nivo 3 (u trostepenoj laserskoj šemi) naziva se pumpanje. Postoji nekoliko načina na koje se ovaj proces može provesti u praksi, na primjer, korištenjem nekih tipova lampi koje daju dovoljno intenzivan svjetlosni val, ili pomoću električnog pražnjenja u aktivnom mediju.

Osobine laserskih zraka

Lasersko zračenje karakteriše izuzetno visok stepen monohromatnosti, koherentnosti, usmerenosti i svetline. Ovim svojstvima se može dodati i generiranje svjetlosnih impulsa kratkog trajanja. Ovo svojstvo je možda manje fundamentalno, ali igra veoma važnu ulogu. Razmotrimo sada ova svojstva detaljnije.

1.4.1. koherentnost.

Za bilo koji elektromagnetski talas mogu se definisati dva nezavisna koncepta koherencije, odnosno prostorna i vremenska koherencija. Da biste odredili prostornu koherentnost, razmotrite dvije tačke P 1 i P 2 , izabrane pod takvim uslovom da u trenutku t = 0 kroz njih prođe valni front nekog elektromagnetnog vala, i neka E 1 (t) i E 2 ( t) su odgovarajuća električna polja u ovim tačkama. Prema našem uslovu, u trenutku t = 0, fazna razlika električnih polja u ovim tačkama je jednaka nuli. Ako ova razlika faza ostane nula u bilo kojem trenutku t > 0, onda se kaže da postoji potpuna koherentnost između dvije tačke. Ako je takav uslov zadovoljen za bilo koji par tačaka talasnog fronta, tada se ovaj talas karakteriše potpuna prostorna koherentnost. Za skoro svaku tačku P 1 , ako imamo dovoljnu faznu korelaciju, tačka P 2 mora se nalaziti unutar nekog konačnog regiona, uključujući tačku P 1 . U ovom slučaju se kaže da je val karakteriziran djelomičnom prostornom koherencijom, a za bilo koju tačku P, područje koherencije se može odrediti u skladu s tim.

Da bi se odredila vremenska koherentnost, razmotrite električno polje talasa u datoj tački P u vremenima t i t + τ. Ako za dati vremenski interval τ fazna razlika oscilacija polja ostaje ista u bilo kojem trenutku t, onda kažemo da postoji vremenska koherentnost u vremenskom intervalu τ. Ako je ovaj uslov zadovoljen za bilo koju vrijednost τ, tada je val karakteriziran potpunom vremenskom koherentnošću. Ako se to dešava samo za određeni vremenski interval t, takav da je 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.

Treba napomenuti da su koncepti vremenske i prostorne koherentnosti zapravo nezavisni jedan od drugog. Zaista, mogu se dati primjeri talasa koji ima potpunu prostornu koherentnost, ali samo djelomičnu vremensku koherentnost, i obrnuto. Koncepti prostorne i vremenske koherencije opisuju lasersku koherenciju samo u prvom redu.

Orijentacija

Ovo svojstvo je jednostavna posljedica činjenice da je aktivni medij smješten u rezonator, kao što je ravnoparalelni rezonator prikazan na Sl. 1.3. U takvom rezonatoru mogu se podržati samo takvi elektromagnetski valovi koji se šire duž ose rezonatora ili u smjeru koji je vrlo blizu osi. Za dublje razumijevanje svojstava usmjerenosti laserskih zraka (ili, općenito, bilo kojeg elektromagnetnog vala), prikladno je odvojeno razmotriti slučajeve kada snop ima punu prostornu koherentnost i kada ima djelomičnu prostornu koherentnost.

Razmotrimo prvo snop sa potpunom prostornom koherentnošću. Čak iu ovom slučaju, snop sa konačnim otvorom neminovno divergira zbog difrakcije. Neka snop konstantnog intenziteta i ravni talasni front pada na ekran sa rupom prečnika D. Prema Huygensovom principu, talasni front u određenoj ravni P iza ekrana može se dobiti superpozicijom elementarnih talasa koje emituje svaka tačka od rupe. Zbog konačne veličine D rupe, greda ima konačnu divergenciju θ. Njegova vrijednost se može izračunati korištenjem teorije difrakcije. Za proizvoljnu distribuciju amplitude imamo

θ=βλ/D (1.11)

ovdje λ je talasna dužina, a D je prečnik snopa. β je numerički koeficijent reda jedinice čija vrijednost ovisi o obliku raspodjele amplitude i metodi kojom se određuju divergencija i prečnik snopa (za snop s Gausovom raspodjelom intenziteta po poprečnom presjeku, formiran u jednomodnom rezonatoru, β=0,61). Snop čija je divergencija opisana izrazom (1.11) naziva se difrakcijski ograničenim. Ako val ima djelomičnu prostornu koherentnost, tada će njegova divergencija biti veća od minimalne vrijednosti divergencije zbog difrakcije. Pod odgovarajućim radnim uslovima, laserski izlazni snop može biti ograničen difrakcijom.

Osvetljenost

Definirajmo svjetlinu bilo kojeg izvora elektromagnetnih valova kao snagu zračenja koje se emituje sa jedinične površine izvora u jedinični čvrsti ugao. Preciznije, razmotrite element površine dS površine izvora u tački O (slika 1.7). Tada se snaga dP koju zrači površinski element dS u solidan ugao dΩ u smjeru 00" može napisati na sljedeći način:

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

ovdje je θ ugao između pravca 00 "i normale na površinu. Vrijednost B zavisi, po pravilu, od polarnih koordinata θ i φ, odnosno od pravca 00" i od položaja tačke O. Ovo vrijednost B naziva se svjetlina izvora u tački O u smjeru 00".

Svjetlina lasera čak i male snage (na primjer, nekoliko milivata) premašuje svjetlinu konvencionalnih izvora za nekoliko redova veličine. Ovo svojstvo je uglavnom zbog visoke usmjerenosti laserskog snopa.

kratkih impulsa

Koristeći specijalnu tehniku ​​koja se naziva mod-locking, moguće je dobiti impulse svjetlosti čije je trajanje približno obrnuto proporcionalno širini prelazne linije 2-1. Na primjer, u gasnim laserima, čija je širina linije pojačanja relativno uska, moguće je dobiti impulse zračenja u trajanju od -¦ 0,1 - 1 ns. Takvi impulsi se ne smatraju vrlo kratkim, jer čak i neke blic lampe mogu emitovati svjetlosne impulse kraće od 1 ns. Međutim, za čvrste ili tekuće lasere, širine linije pojačanja mogu biti 103±105 puta veće nego za plinske lasere, pa se stoga impulsi koje oni generiraju ispadaju mnogo kraći (od 1 ps do ~5 fs). Dobivanje tako kratkih svjetlosnih impulsa dovelo je do novih mogućnosti u laserskom istraživanju i njegovoj primjeni.

Svojstvo generiranja kratkih impulsa, koje podrazumijeva koncentraciju energije tokom vremena, u nekom je smislu analogno svojstvu monokromatičnosti, što znači koncentraciju energije u uskom rasponu valnih dužina. Međutim, čini se da je generiranje kratkih impulsa manje fundamentalno svojstvo od monokromatizma. Dok se bilo koji laser u principu može napraviti da generiše dovoljno monohromatsko zračenje, kratki impulsi se mogu dobiti samo od lasera sa širokom linijom emisije, odnosno, u praksi, samo od čvrstog ili tekućeg lasera. Plinski laseri, koji imaju uže linije pojačanja, najprikladniji su za generiranje visoko monohromatskog zračenja.

Širina linije.

Uniformno širenje.

Svaki proces koji skraćuje životni vek čestica na nivoima dovode do proširenja linija odgovarajućih prelaza. Zaista, određivanje energije nekog stanja treba provoditi za vrijeme koje ne prelazi životni vijek u ovom stanju t. A onda se nepreciznost određivanja energije u skladu sa relacijom nesigurnosti "energija - vrijeme"

ΔEΔt ≥ đ (1.13)

ne može biti manji od đ /τ. Nesigurnost energije stanja dovodi do nesigurnosti prelazne frekvencije jednake 1/2πτ. Vremenska konstanta τ je mjera vremena potrebnog da pobuđeni sistem oslobodi svoju energiju. Vrijednost m određena je stopama spontane emisije i neradijativne relaksacije prijelaza.

U nedostatku vanjskih utjecaja, spontana emisija određuje vijek trajanja stanja. Stoga je najmanja moguća, takozvana prirodna širina linije Δν 0, određena vjerovatnoćom spontanog prijelaza A:

Δν 0 \u003d A / 2π (1.14)

Prirodna širina ima tendenciju da bude značajna samo na vrlo visokim frekvencijama. (A~ν 3) i za dobro dozvoljene prelaze. Obično se efekat spontane emisije na širinu linije može zanemariti, jer u realnim uslovima relaksacioni prelazi efikasnije smanjuju životni vek.

Kao što je već pomenuto, u sistemima sa diskretnim nivoima energije, pored indukovanih i spontanih prelaza, važnu ulogu imaju i neradijativne relaksacione tranzicije. Ovi prijelazi nastaju kao rezultat interakcije između kvantne čestice i njenog okruženja. Mehanizam procesa ovih interakcija u velikoj meri zavisi od tipa određenog sistema. Ovo može biti interakcija između jona i kristalne rešetke; to mogu biti sudari između molekula gasa ili tečnosti, itd. U krajnjoj liniji, rezultat delovanja relaksacionih procesa je razmena energije između podsistema razmatranih čestica i toplotnih kretanja u čitavom sistemu u celini, što dovodi do termodinamičke ravnoteže između njima.

Obično se označava ravnotežno vrijeme, životni vijek čestice na nivou T 1 i naziva se longitudinalno vrijeme relaksacije. Ova terminologija odgovara tradiciji uspostavljenoj u proučavanju fenomena nuklearne magnetne rezonancije (NMR) i elektronske paramagnetne rezonance (EPR). Longitudinalna relaksacija odgovara kretanju vektora visokofrekventne magnetizacije sistema čestica duž pravca spoljašnjeg konstantnog magnetnog polja. Postoji i poprečno vrijeme opuštanja T 2 ,što odgovara kretanju vektora magnetizacije u ravni okomitoj na smjer vanjskog konstantnog polja.

Vrijeme T 2 je mjera dužine vremena tokom kojeg čestice dobijaju nasumične faze jedna u odnosu na drugu. Bilo koji proces koji doprinosi tokom opuštanja T 2 tj. svaki proces gubitka energije česticama dovodi do gubitka faze. Dakle, T 2< Т 1 . Od vremena T 2 je najkraće vrijeme opuštanja, to je ono što određuje širinu prelazne linije. Konačnost životnog vijeka čestice u pobuđenom energetskom stanju dovodi do proširenja energetskih nivoa. Zračenje proširenih nivoa poprima spektralnu širinu. Najopštiji, fundamentalni mehanizam koji odozgo ograničava životni vek čestice na pobuđenom nivou je spontana emisija, koja, prema tome, treba da ima širinu spektra koja odgovara brzini događaja spontanog raspada.

Kvantna elektrodinamika omogućava izračunavanje spektralne distribucije kvanta spontane emisije koji dolazi sa nivoa širine

ΔE = đ /τ 0 . (1.15)

Ispada da kontura linije spontane emisije ima takozvani Lorentzov oblik širine

Δν l \u003d ΔE / đ = 1/2πτ 0 (1.16).

Lorentzov oblik linije određen je faktorom forme

q(ν) (1.17)

i ima oblik rezonantne krive sa maksimumom na frekvenciji ν =ν 0 , koja pada na nivo od polovine vršne vrijednosti na frekvencijama ν=ν 0 ±Δν l /2. Očigledno, puna širina krive na polovini maksimalne vrijednosti je Δν l.

Ako uzmemo u obzir mogućnost spontanog raspada ne samo gornjeg od dva razmatrana energetska nivoa, već i donjeg, kada niži nivo nije glavni, onda pod Δν l, koji je uključen u formulu ( 1.17), treba razumjeti vrijednost koja je određena zbirom stopa opadanja ovih nivoa

Δν l \u003d 1 / 2πτ 01 + 1 / 2πτ 02 (1.18)

Širenje linije zbog konačnog životnog vijeka stanja povezanih s razmatranim prijelazom naziva se homogeno. Svaki atom u odgovarajućem stanju zrači linijom ukupne širine Δν l i spektralnog oblika tokom prijelaza od vrha ka dnu q(ν). Slično, svaki atom, koji se nalazi u odgovarajućem donjem stanju, apsorbuje zračenje u spektru ukupne širine Δν l iu skladu sa spektralnom zavisnošću q(ν) tokom prelaza odozdo ka vrhu. Nemoguće je pripisati bilo koju određenu spektralnu komponentu u q(ν) spektru bilo kojem određenom atomu. U slučaju jednolikog širenja, bez obzira na njegovu prirodu, spektralna zavisnost q(ν) je pojedinačna spektralna karakteristika i jednog atoma i čitavog skupa atoma. Promjena ove karakteristike, koja je u principu moguća pod ovim ili onim djelovanjem na ansambl atoma, događa se istovremeno i na isti način za sve atome ansambla.

Primjeri ravnomjernog širenja su prirodna širina linije i koliziona proširenja u plinovima.

nehomogena ekspanzija.

Eksperimentalno uočene spektralne linije mogu biti superpozicija bez strukture nekoliko spektralno nerazrješivih jednoliko proširenih linija. U tim slučajevima, svaka čestica ne emituje niti apsorbuje u granicama čitave eksperimentalno posmatrane linije. Takva spektralna linija naziva se nehomogeno proširena. Razlog za nehomogeno širenje može biti bilo koji proces koji dovodi do razlike u uslovima emisije (apsorpcije) za neke od istih atoma iz ansambla čestica koji se proučava, ili prisustvo u ansamblu atoma sa sličnim, ali različitim spektralnim svojstva (hiperfina struktura ove ili one vrste), ravnomjerno proširene spektralne linije koje se samo djelomično preklapaju. Termin "nehomogeno širenje" nastao je u NMR spektroskopiji, u kojoj je ova vrsta proširenja nastala zbog nehomogenosti vanjskog magnetizirajućeg polja unutar uzorka koji se proučava.

Klasičan primjer nehomogenog širenja je Doplerovo širenje, koje je karakteristično za plinove pri niskim pritiscima i (ili) visokim frekvencijama.

Atomi (molekuli, joni) gasa su u toplotnom kretanju. Doplerov efekat prvog reda dovodi do pomeranja frekvencije zračenja čestica koje lete ka posmatraču brzinom i, za vrijednost ν 0 u/s, gdje je ν 0 frekvencija zračenja čestice u mirovanju, a c je brzina svjetlosti. Prirodno proširenje transformiše zračenje na frekvenciji ν 0 u spektralnu liniju, ali ovo proširenje je homogeno, a pomak frekvencije ν 0 i/s testiranje cijele linije. Budući da se čestice plina kreću različitim brzinama, pomaci frekvencije njihovog zračenja su različiti, a ukupni oblik plinovoda u cjelini određen je distribucijom brzina čestica. Potonje je tačno, striktno govoreći, ako je prirodna širina linije mnogo uža od doplerovih pomaka frekvencije, što u pravilu i jeste. Zatim, ako je označeno sa p(u) funkcija raspodjele brzine čestica, čini se da je faktor forme Doplerove linije q(ν) povezan sa p(u) jednostavan omjer:

ν = ν 0 (1+u/s ) ). (1.20)

dakle, u = c(ν - ν 0 )/ ν 0 i du = c dν . Sa Maksvelovskom raspodelom brzina čestica

(1.21)

gdje je prosječna toplinska brzina

Evo k je Boltzmannova konstanta, T-temperatura gasa, t je masa atoma (molekula) gasa. Kombinujući (1.20) i (1.21), lako je dobiti q(ν) as

, (1.22)

gdje je Δν T =ν 0 u 0 /c širina spektralne linije.

Linija čiji je oblik određen faktorom oblika (1.22) naziva se Doplerovom proširenom linijom. Njegov oblik je opisan Gaussovom funkcijom i simetričan je u odnosu na središnju frekvenciju ν 0 . Kriva propadanja q(ν)(1.22) za snažno odstupanje od ν 0 dolazi mnogo strmije nego u slučaju Lorentzove konture linije (1.17). U blizini središnje frekvencije, Gaussova kriva je ravnija. Očigledno, njegova širina je određena parametrom Δν T . Kada se udaljite od centra krivulje za Δν T, intenzitet opada e jednom.

AIG-Nd-laser.

Rice. 2.1. Laserski aktivni prijelazi u YAG - Nd kristalu.

a - šema energetskih nivoa; b - zavisnost intenziteta luminiscencije (u proizvoljnim jedinicama) od talasne dužine.

YAG-Nd laser spada u solid-state lasere sa optičkim pumpanjem. Lasersko aktivne supstance su sintetički kristali itrijum-aluminijum granata (Y 3 Al 5 O 12) koji sadrže jone Nd 3+ u volumnoj koncentraciji od približno 1,5%. Veće koncentracije su nemoguće zbog razlike u radijusima iona Nd 3+ i Y 3+. YAG kristali imaju kubičnu rešetku i stoga su optički izotropni. Na sl. 2.1, a prikazuje dijagram energetskih nivoa jona Nd 3+ koji se nalazi u električnom polju kristala. Sa lijeve strane sl. 2.1, ali se može vidjeti da se krug odnosi na četverostepeni laser.

Nivoi 4 F 3/2 i 4 I 11/2 igraju ulogu gornjeg i donjeg laserskog nivoa. Iznad nivoa 4 F 3/2, postoji čitav niz nivoa pumpe ili opsega pumpe, iz kojih pobuđeni joni brzo prelaze na gornji nivo lasera zbog interakcije sa rešetkom. Donji laserski nivo je iznad nivoa tla za energetsku vrijednost mnogo veću od kT. Stoga, u termalnoj ravnoteži, ovaj nivo je gotovo nepopunjen. Nivoi 4 F 3/2 i 4 I 11/2 se cijepaju u kristalnom polju, zbog čega postaju mogući mnogi od prijelaza prikazanih na desnoj strani slike 2. 2.1. (Odgovarajuće podjele drugih nivoa nisu prikazane.) Najintenzivniji prijelaz je uočen na 1,0641 μm. Poprečni presek ovog prelaza je 8,8-10~23 m2, životni vek zračenja gornjeg nivoa je 230 μs, a prinos luminiscencije je 0,995. Na sobnoj temperaturi, prelazi su homogeno prošireni kao rezultat interakcije sa vibracijama rešetke. Zbog pravilnosti kristalne strukture, nehomogeno proširenje je zanemarljivo malo, dok je u sistemima baziranim na neodimijumskim staklima ono dominantno. Glavni laserski prelaz ima širinu linije od Δν≈120 GHz. Kriptonska lučna lampa je najpogodnija za pumpanje YAG-Nd lasera, budući da se njeni emisioni opsegi dobro slažu sa nivoima pumpe. Na sl. 2.2 prikazuje krug pumpe. Pumpanje se vrši u dvostrukom eliptičnom reflektoru od materijala visoke refleksije. Cilindrični YAG štap je na zajedničkoj fokalnoj liniji. Obje kriptonske lampe su postavljene na druge dvije žarišne linije. Za hlađenje sistema, šipka i lampe se ispiru mlazom vode. Zbog dobre toplotne provodljivosti materijala i njegovih relaksacionih svojstava, kao i zbog efikasnog hlađenja, YAG laser može raditi na velikim snagama zračenja (do 102 W) u kontinuiranom režimu ili pri visokim stopama ponavljanja impulsa (do približno 100 Hz) i sa energijama u impulsu od 0,1 do 1 J.

YAG kristal ima visok indeks prelamanja (n(1,064 µm) = 1,818). Stoga se na krajnjim površinama javlja prilično jaka Fresnelova refleksija laserskog zračenja. Može se značajno smanjiti dielektričnim premazom ili zakošenjem šipki pod Brewsterovim uglom. Međutim, ovi gubici se često moraju tolerisati, što je prihvatljivo zbog velikog pojačanja u supstanci. Ali tada je potrebno polirati krajnje površine pod malim kutom nagiba jedna u odnosu na drugu (najmanje oko 1°) kako ne bi formirale laserski rezonator ili sekundarni rezonator unutar glavnog rezonatora.

Rice. 2.2. Pumpna jedinica sa dvostrukim eliptičan reflektor. 1 - lampe; 2 - YAG - Nd-šip; 3 - reflektor; 4 - vodeno hlađenje.

Različite metode su uspješno korištene za generiranje ultrakratkih svjetlosnih impulsa sa YAG:Nd laserom. Za laser sa kontinuiranim pumpanjem uglavnom se koristi metoda aktivnog zaključavanja moda uz upotrebu akusto-optičkih ili elektro-optičkih modulatora. U slučaju YAG: Nd lasera sa impulsnom pumpom, pasivna sinhronizacija se najčešće koristi za stvaranje takvog režima u kojem laser emituje niz ultrakratkih impulsa. YAG: CW i impulsni Nd laseri često služe kao izvori svjetlosti za generiranje viših harmonika, kao i za parametarsko generiranje.

Laseri za bojenje

Organske boje u rastvoru odlikuju se visokim presjecima apsorpcije i emisije i širokim trakama. Pogodni su kao aktivne supstance za lasere podesivih talasnih dužina.

Vibracioni nivoi su superponirani na sisteme singletnih i tripletnih elektronskih nivoa. Zbog velikog broja vibracionih stepena slobode i jakog proširenja linija u tečnostima, pojedinačni vibracijski prelazi uglavnom ostaju potpuno nerazjašnjeni, tako da nastaje homogena spektralna traka.

Laser na boji se najčešće opisuje kao laser na četiri nivoa. Pod dejstvom svetlosti pumpe, prelazi na pobuđene vibracione nivoe S 1 stanja se dešavaju u skladu sa Franck-Condon principom. Vibraciona deaktivacija S 1 stanja se dešava izuzetno brzo (~ 10 -13 s), zbog čega se molekuli skupljaju na donjoj ivici sistema S 1 nivoa.

Laser je optički generator talasa koji koristi energiju induciranog zračenja atoma ili molekula u medijima sa inverznom populacijom energetskih nivoa, koji imaju svojstvo pojačavanja svetlosti određenih talasnih dužina. Za višestruko pojačavanje svjetlosti koristi se optički rezonator koji se sastoji od 2 ogledala. Zbog različitih metoda pumpanja, aktivni medij se stvara u aktivnom elementu.

Slika 1 - Šema laserskog uređaja

Zbog gore navedenih uslova, u laseru se generiše spektar koji je prikazan na slici 2 (broj laserskih modova kontroliše se dužinom šupljine):

Slika 2 - Spektar longitudinalnih laserskih modova

Laseri imaju visok stepen monohromatnosti, visok stepen usmerenosti i polarizacije zračenja sa značajnim intenzitetom i svetlinom, visokim stepenom vremenske i prostorne koherentnosti, mogu se podešavati po talasnoj dužini, mogu emitovati svetlosne impulse rekordno kratkog trajanja, za razliku od na termalne izvore svjetlosti.

Kroz razvoj laserskih tehnologija stvorena je velika lista lasera i laserskih sistema koji svojim karakteristikama zadovoljavaju potrebe laserske tehnologije, uključujući i biotehnologiju. Zbog složenosti dizajna bioloških sistema, značajna raznolikost u prirodi njihove interakcije sa svetlošću određuje potrebu upotrebe mnogih vrsta laserskih uređaja u fotobiologiji, a takođe stimuliše razvoj novih laserskih alata, uključujući i sredstva za isporuku. lasersko zračenje na predmet proučavanja ili izlaganja.

Poput obične svjetlosti, lasersko zračenje se reflektira, apsorbira, ponovno emituje i raspršuje u biološkom okruženju. Svi ovi procesi nose informacije o mikro i makro strukturi objekta, kretanju i obliku njegovih pojedinih dijelova.

Monokromatičnost je visoka spektralna gustina snage laserskog zračenja, ili značajna vremenska koherentnost zračenja, omogućava: spektralnu analizu sa rezolucijom nekoliko redova veličine većom od one kod tradicionalnih spektrometara; visok stepen selektivnosti ekscitacije određene vrste molekula u njihovoj mešavini, što je bitno za biotehnologije; implementacija interferometrijskih i holografskih metoda za dijagnostiku bioloških objekata.

Zbog činjenice da su laserski snopovi gotovo paralelni, sa povećanjem udaljenosti, svjetlosni snop se lagano povećava u promjeru. Navedena svojstva laserskog snopa omogućavaju selektivno djelovanje na različite dijelove biološkog tkiva, stvarajući veliku gustoću energije ili snage na maloj tački.

Laserski sistemi su podeljeni u sledeće grupe:

1) Laseri velike snage na neodimijum, ugljen monoksid, ugljen dioksid, argon, rubin, metalne pare itd.;

2) Laseri sa niskoenergetskim zračenjem (helijum-kadmijum, helijum-neon, azot, boje, itd.), koji nemaju izražen termički efekat na telesna tkiva.

Trenutno postoje laserski sistemi koji stvaraju zračenje u ultraljubičastom, vidljivom i infracrvenom području spektra. Biološki efekti izazvani laserskim zračenjem zavise od talasne dužine i doze svetlosnog zračenja.

U oftalmologiji često koriste: ekscimer laser (valne dužine 193 nm); argon (488 nm i 514 nm); kripton (568 nm i 647 nm); helijum-neonski laser (630 nm); dioda (810 nm); ND:YAG laser sa udvostručavanjem frekvencije (532 nm), kao i generisanjem na talasnoj dužini od 1,06 mikrona; 10-CO2 laser (10,6 µm). Opseg laserskog zračenja u oftalmologiji određuje talasnu dužinu.

Laserske instalacije dobijaju nazive prema aktivnom mediju, a detaljnija klasifikacija uključuje čvrste, gasne, poluprovodničke, tečne lasere i druge. Lista solid-state lasera uključuje: neodimijum, rubin, aleksandrit, erbijum, holmijum; gasovi uključuju: argon, ekscimer, bakarnu paru; na tečne: lasere koji rade na rastvorima boja i drugi.

Revoluciju su napravili poluvodički laseri koji su se pojavili zbog svoje efikasnosti zbog visoke efikasnosti (do 60 - 80% za razliku od 10-30% kod tradicionalnih), male veličine i pouzdanosti. U isto vrijeme, druge vrste lasera i dalje se široko koriste.

Jedno od najvažnijih svojstava za upotrebu lasera je njihova karakteristika koja omogućava formiranje šare šare kada se koherentno zračenje reflektuje od površine objekta. Svjetlost koja se raspršuje po površini sastoji se od nasumično raspoređenih svijetlih i tamnih mrlja - mrlja. Spekl obrazac se formira na osnovu složene interferencije sekundarnih talasa iz manjih centara rasejanja koji se nalaze na površini objekta koji se proučava. Zbog činjenice da ogromna većina bioloških objekata koji se proučavaju imaju hrapavu površinu i optičku nehomogenost, oni uvijek formiraju šareni uzorak i time unose izobličenja u konačne rezultate istraživanja. Zauzvrat, spekle polje sadrži informacije o svojstvima površine koja se proučava i sloja blizu površine, koji se mogu koristiti u dijagnostičke svrhe.

U oftalmološkoj kirurgiji laseri se koriste u sljedećim područjima:

U operaciji katarakte: uništavanje nakupine katarakte na sočivu i disekcija stražnje kapsule sočiva kada se zamuti u postoperativnom periodu;

U hirurgiji glaukoma: kod izvođenja laserske goniopunkture, trabekuloplastike, ekscimer laserskog uklanjanja dubokih slojeva skleralnog režnja, kod izvođenja postupka nepenetrantne duboke sklerektomije;

U oftalmološkoj onkohirurgiji: za uklanjanje određenih vrsta tumora koji se nalaze unutar oka.

Najvažnija svojstva inherentna laserskom zračenju su: monohromatnost, koherentnost, usmjerenost, polarizacija.

Koherencija (od latinskog cohaerens, povezan, povezan) - koordiniran tok u vremenu više oscilatornih talasnih procesa iste frekvencije i polarizacije; svojstvo dva ili više procesa oscilatornog talasa koje određuje njihovu sposobnost da se međusobno pojačavaju ili slabe kada se dodaju. Koherentne oscilacije će se nazivati ​​ako razlika između njihovih faza ostane konstantna kroz vremenski interval i kada se oscilacije zbroje, dobije se oscilacija iste frekvencije. Najjednostavniji primjer dvije koherentne oscilacije su dvije sinusoidne oscilacije iste frekvencije.

Koherencija talasa podrazumeva da u različitim tačkama talasi osciluju sinhrono, drugim rečima, fazna razlika između dve tačke nije povezana sa vremenom. Nedostatak koherentnosti znači da fazna razlika između dvije tačke nije konstantna, stoga se mijenja tokom vremena. Ova situacija nastaje ako talas ne generiše jedan izvor zračenja, već grupa identičnih, ali nezavisnih emitera.

Često, jednostavni izvori emituju nekoherentne oscilacije, dok laseri, zauzvrat, emituju koherentne oscilacije. Zbog ovog svojstva lasersko zračenje je maksimalno fokusirano, ima sposobnost interferencije, manje je sklono divergenciji i ima sposobnost da dobije veću gustinu energije tačke.

Monokromatičnost (grč. monos - jedan, samo + chroma - boja, boja) - zračenje jedne određene frekvencije ili talasne dužine. Zračenje se uslovno može uzeti kao monohromatsko ako pripada spektralnom opsegu od 3-5 nm. Ako postoji samo jedan dozvoljen elektronski prelaz iz pobuđenog u osnovno stanje u sistemu, tada se stvara monohromatsko zračenje.

Polarizacija - simetrija u raspodjeli smjera vektora električnih i magnetskih polja u elektromagnetnom valu s obzirom na smjer njegovog širenja. Talas će se nazivati ​​polariziranim ako dvije međusobno okomite komponente vektora jakosti električnog polja osciliraju sa konstantnom faznom razlikom u vremenu. Nepolarizovano - ako se promene dešavaju nasumično. Kod longitudinalnog talasa pojava polarizacije nije moguća, jer se perturbacije u ovoj vrsti talasa uvek poklapaju sa smerom širenja. Lasersko zračenje je visoko polarizovana svetlost (od 75 do 100%).

Usmjerenost (jedno od najvažnijih svojstava laserskog zračenja) je sposobnost zračenja da napusti laser kao svjetlosni snop s vrlo malom divergencijom. Ova karakteristika je najjednostavnija posljedica činjenice da je aktivni medij smješten u rezonator (na primjer, ravnoparalelni rezonator). U takvom rezonatoru podržavaju se samo elektromagnetski valovi koji se šire duž ose rezonatora ili u njegovoj neposrednoj blizini.

Glavne karakteristike laserskog zračenja: talasna dužina, frekvencija, energetski parametri. Ove karakteristike su biotropne, odnosno određuju uticaj zračenja na biološke objekte.

talasna dužina ( l) predstavlja najkraću udaljenost između dvije susjedne oscilirajuće tačke istog vala. Često u medicini, talasna dužina je naznačena u mikrometrima (µm) ili nanometrima (nm). U zavisnosti od talasne dužine menjaju se koeficijent refleksije, dubina prodiranja u tkiva tela, apsorpcija i biološki efekat laserskog zračenja.

Frekvencija karakteriše broj oscilacija u jedinici vremena i recipročna je talasnoj dužini. Obično se izražava u hercima (Hz). Kako frekvencija raste, energija kvanta svjetlosti se povećava. Razlikovati: prirodna frekvencija zračenja (za jedan generator laserskih oscilacija je nepromijenjena); frekvencija modulacije (u medicinskim laserskim sistemima može varirati od 1 do 1000 Hz). Od velikog značaja su i energetski parametri laserskog zračenja.

Uobičajeno je razlikovati tri glavne fizičke karakteristike doziranja: snagu zračenja, energiju (dozu) i gustinu doze.

Snaga zračenja (fluks zračenja, tok energije zračenja, R) - predstavlja ukupnu energiju koju svjetlost prenosi u jedinici vremena kroz datu površinu; prosječna snaga elektromagnetnog zračenja koja se prenosi kroz bilo koju površinu. Obično se mjeri u vatima ili višekratnicima.

Izloženost energiji (doza zračenja, H) je energija zračenja lasera u određenom vremenskom periodu; snaga elektromagnetnog talasa koji se emituje u jedinici vremena. Mjeri se u [J] ili [W * s]. Sposobnost rada je fizičko značenje energije. Ovo je tipično u slučaju kada rad vrši promjene u tkivu sa fotonima. Biološki efekat izlaganja svetlosti karakteriše energija. U ovom slučaju dolazi do istog biološkog efekta (npr. opekotina od sunca) kao i kod sunčeve svjetlosti, što se može postići malom snagom i trajanjem izlaganja ili velikom snagom i malom ekspozicijom. Dobiveni efekti će biti identični, pri istoj dozi.

Gustoća doze "D" - energija primljena po jedinici površine izloženosti. Jedinica mjere u SI je [J / m 2]. Takođe se koristi i prikaz u jedinicama J/cm 2, zbog činjenice da se zahvaćene površine obično mjere u kvadratnim centimetrima.

"Lasersko zračenje"

Uvod

Lasersko zračenje je jedno od najzanimljivijih naučnih i tehnoloških dostignuća 20. veka. Stvaranje lasera dovelo je do ponovnog rođenja naučne i tehničke optike i razvoja potpuno novih industrija. Za razliku od konvencionalnih izvora termičkog zračenja, laser proizvodi svjetlost koja ima niz posebnih i vrlo vrijednih svojstava.
Važno je da lasersko zračenje bude koherentno i praktično monohromatsko. Prije pojave lasera, samo radio valovi koje je emitirao dobro stabilizirani predajnik imali su ovo svojstvo. I to je omogućilo savladavanje opsega vidljive svjetlosti za prijenos informacija i komunikacije, čime je značajno povećana količina informacija koje se prenose u jedinici vremena.
Zbog činjenice da se stimulirana emisija širi striktno duž ose rezonatora, laserski snop se slabo širi: njegova divergencija je nekoliko lučnih sekundi. jedan
Ove navedene kvalitete omogućavaju fokusiranje laserskog snopa u izuzetno malu tačku, dobijajući ogromnu gustinu energije u tački fokusa. Lasersko zračenje velike snage ima ogromnu temperaturu. Tako, na primjer, impulsni laser snage 1015 W ima temperaturu zračenja od oko 100 miliona stepeni. Zbog ovih svojstava laseri su našli primenu u raznim oblastima nauke, tehnologije i medicine. Veoma obećavajuća je upotreba laserskog zračenja za svemirske komunikacije, u optičkim lokatorima koji mjere velike udaljenosti s tačnošću do milimetara, za prijenos televizijskih i kompjuterskih signala preko optičkog vlakna. Laseri se koriste za čitanje informacija sa CD-a, sa bar kodova robe. Uz pomoć snopa lasera niskog intenziteta moguće je izvršiti hirurške operacije, na primjer, "zavariti" mrežnicu koja se odvojila od očnog dna, izvršiti vaskularne operacije. U obradi materijala, laseri se koriste za zavarivanje, rezanje i bušenje vrlo malih rupa sa velikom preciznošću.Obećavajuće je korištenje laserskog zračenja velike snage za provedbu kontrolirane termonuklearne reakcije. Laseri se koriste i za topografska snimanja, jer laserski snop postavlja idealnu pravu liniju. Pravac tunela ispod Lamanša je zadao laserski snop. Uz pomoć laserskog zračenja dobijaju se holografske trodimenzionalne volumetrijske slike. U mjeriteljstvu, laser se koristi za mjerenje dužine, brzine i pritiska. Stvaranje lasera rezultat je upotrebe osnovnih fizikalnih zakona u primijenjenim istraživanjima. To je dovelo do gigantskog napretka u različitim oblastima inženjerstva i tehnologije. Stvaranje lasera postalo je odlučujući faktor u razvoju optičkih transmisionih sistema. Navedeno određuje relevantnost studije u ovom radu.
Svrha ovog rada je proučavanje laserskog zračenja. Ciljevi ovog rada su razmotriti:
- svojstva laserskog zračenja;
- kratku istoriju nastanka i poboljšanja lasera;
- izvori, svojstva i vrste lasera;
- štetno dejstvo laserskog zračenja;
- klase sigurnosti lasera i zaštitne opreme.

1. Laserska tehnologija

Laserska tehnologija je još vrlo mlada - nije stara ni pola vijeka. Međutim, za ovo vrlo kratko vrijeme, laser se iz radoznalog laboratorijskog uređaja pretvorio u sredstvo naučnog istraživanja, u alat koji se koristi u industriji. Teško je pronaći takvo područje moderne tehnologije u kojem laseri ne bi radili. Njihovo zračenje se koristi za komunikaciju, snimanje i čitanje informacija, za tačna mjerenja; nezamjenjivi su u medicini, hirurgiji i terapiji. Mnogi naučnici smatraju da su dramatične promjene koje je laser napravio u ljudskom životu slične posljedicama industrijske upotrebe električne energije krajem 19. stoljeća.
Velike mogućnosti laserske tehnologije objašnjavaju se posebnim svojstvima laserskog zračenja. Njegovu prirodu proučava kvantna mehanika. Njegovi zakoni opisuju procese koji se odvijaju u laseru, zbog čega se naziva i optički kvantni generator.
Dakle, svjetlost je tok posebnih čestica koje emituju atomi - fotoni, odnosno kvanti elektromagnetnog zračenja. O njima treba razmišljati kao o segmentima talasa, a ne kao o česticama materije. Svaki foton nosi strogo određeni dio energije koju emituje atom. 2
Emitovani fotoni su apsolutno identični, njihove frekvencije su jednake, a faze su iste. Kada se sretnu sa dva pobuđena atoma, biće 4 fotona, zatim 8, 16 itd. Doći će do lavine fotona koji se međusobno ne razlikuju, formirajući takozvano monohromatsko (jednobojno) koherentno zračenje. Ova stimulirana emisija ima niz zanimljivih svojstava.
Lasersko zračenje ima veoma visoku temperaturu. Njegova vrijednost ovisi o snazi ​​zračenja i ponekad doseže milione stepeni.
U ovom slučaju, laser emituje energiju na jednoj frekvenciji, na jednoj talasnoj dužini. Ranije se takvo monohromatsko zračenje dobijalo samo u radiotalasnom opsegu. Svjetlost koju emituje čak i vrlo mali komad vruće materije uvijek se sastoji od valova vrlo različitih frekvencija. Iz tog razloga, u optici, na primjer, nije bilo moguće stvoriti usko usmjerene i fokusirane snopove zračenja, koje radio inženjeri koriste više od deset godina.
Takođe, lasersko zračenje je veoma stabilno. Elektromagnetski talas koji generiše laser širi se mnogo kilometara bez promene. Njegova amplituda, frekvencija i faza mogu ostati konstantne jako dugo vremena. Ova kvaliteta se naziva visoka prostorna i vremenska koherentnost.
Ove tri karakteristike laserskog zračenja našle su primenu u raznim granama tehnike, u rešavanju različitih tehnoloških problema. Za svaki slučaj možete odabrati laser željene vrste i potrebne snage. 3

2. Karakterizacija lasera

2.1 Rođenje porodice lasera

Kako doći do koherentnog zračenja postalo je jasno 1918. godine kada je Albert Ajnštajn predvidio fenomen stimulisanog zračenja. Ako stvorite medij u kojem su atomi u pobuđenom stanju, i „u njega lansirate slab tok koherentnih fotona, tada će se njegov intenzitet povećati. Početkom 50-ih. Ruski istraživači Nikolaj Genadijevič Basov, Aleksandar Mihajlovič Prohorov i, nezavisno od njih, američki fizičar Charles Hard Towns stvorili su visokofrekventno pojačalo radio talasa na bazi molekula amonijaka. Pobuđene molekule potrebne za rad odabrane su iz strujanja plina pomoću električnog polja složene konfiguracije. Uređaj za novorođenče zvao se maser.
Godine 1960. američki fizičar Theodore Harold Maiman dizajnirao je prvi laserski kvantni generator u optičkom opsegu. Pojačavanje svjetlosti dogodilo se u kristalu rubina od prozirne sorte aluminijevog oksida s malom primjesom hroma (na ovaj materijal su ukazali N.G. Basov i A.M. Prokhorov treću godinu ranije). Laser je koristio rubinsku šipku hlađenu tekućim dušikom dužine oko 4 cm i prečnika 5 mm. Posrebreni krajevi štapa služili su kao ogledala, od kojih je jedno bilo prozirno. Energija je upumpana u kristal snažnom blic lampom. Struja fotona visoke energije prevela je atome hroma u pobuđeno stanje. Na jednom od visokoenergetskih nivoa, atomi kasne u prosjeku 0,003 s, vrijeme je ogromno na atomskim skalama. Tokom ovog perioda, neki od atoma imaju vremena da spontano emituju fotone. Njihov tok, koji se neprestano odvija između ogledala, uzrokuje da svi pobuđeni atomi emituju kvante svjetlosti. Kao rezultat toga, rađa se svjetlosni bljesak - laserski impuls snage nekoliko desetina hiljada vati. Danas se laserske šipke izrađuju od različitih materijala, ali najčešće od rubina, granata i stakla sa primjesom rijetkog metala - neodimija. Neki laseri u čvrstom stanju (npr. na granatu) generiraju stotine i hiljade impulsa u sekundi . 4
I iste 1960. američki fizičari A Dževan, B Bepnet i D. Ariot stvorili su gasni laser koji radi na mešavini helijuma i neona. Ovaj laser nije emitirao crvenu svjetlost više u impulsima, već kontinuirano. Pokazalo se da je mješavina plinova tako dobro odabrana da su helijum-neonski laseri i dalje najčešći izvori koherentne svjetlosti, iako je zračenje postignuto i iz mnogih drugih plinova i para. Energija se upumpava u gasnu mešavinu užarenim električnim pražnjenjem. Boja zraka zavisi od sastava gasa ili pare na koju laser radi. Argon, na primjer, daje plavo svjetlo, kripton žutu, ksenon i bakarnu paru zelenu. ugljični dioksid i vodena para nevidljivi test (infracrveni) zraci.
Porodica gasnih lasera može uključivati ​​i kvantne generatore, u kojima se pobuđeni molekuli ne pripremaju unaprijed, već se pojavljuju direktno u trenutku emisije. To su takozvani gasnodinamički i hemijski laseri, koji u neprekidnom režimu razvijaju kolosalnu snagu od stotina kilovata, pa čak i desetina megavata.
Gasnodinamički laser podsjeća na mlazni motor. Molekuli jako zagrijanog plina, leteći iz njega, daju energiju u obliku svjetlosnog zračenja. U hemijskom laseru pobuđene molekule nastaju kao rezultat hemijske reakcije. Najenergetnija od njih je kombinacija atomskog fluora sa vodikom.
Tečni laseri takođe daju kontinuirano zračenje. Radna tvar za njih su, na primjer, otopine neodimijevih soli i anilinskih spojeva. Budući da se anilinska jedinjenja koriste za bojenje tkanina, generatori na njihovoj osnovi nazivaju se laseri za bojenje. Za stabilniji rad lasera, tečnost se može propuštati kroz frižider.
Najmanji laseri su poluvodički: nekoliko desetina ih se može staviti u kutiju šibica, a zapremina supstance u kojoj se javlja stimulisana emisija ne prelazi hiljaditi deo kubnog milimetra. Energija se pumpa u poluvodič pomoću električne struje. Više od polovine se "pretvara" u svetlost, odnosno efikasnost ovih lasera može dostići i više od 50%.

2.2 Vrste lasera

1) Solid state laseri.
Prvi čvrsti aktivni medij bio je rubin - kristal korunda Al2O3 sa malom primjesom jona hroma Cr +++. Dizajnirao ga je T. Maiman (SAD) 1960. Staklo sa dodatkom neodimijum Nd, itrijum aluminijum granat Y 2 Al 5 O 12 sa dodatkom hroma, neodima i retkozemnih elemenata u obliku šipki je takođe široko u upotrebi. . Solid-state laseri se obično pumpaju blic lampom koja treperi oko 10-3 sekunde, a laserski puls je dva puta kraći. Dio vremena se troši na stvaranje inverzne populacije, a na kraju bljeska, intenzitet svjetlosti postaje nedovoljan da pobuđuje atome i generacija prestaje. Laserski puls ima složenu strukturu, sastoji se od više pojedinačnih pikova u trajanju od oko 10-6 sekundi, razdvojenih intervalima od približno 10-5 sekundi. U ovom načinu takozvane slobodne generacije, snaga impulsa može doseći desetine kilovata. Povećanje snage jednostavnim pojačavanjem svjetla pumpe i povećanjem veličine laserske šipke je tehnički nemoguće. Stoga se snaga laserskih impulsa povećava smanjenjem njihovog trajanja. Da bi se to postiglo, ispred jednog od ogledala rezonatora postavlja se zatvarač, koji ne dopušta početak stvaranja sve dok se gotovo svi atomi aktivne tvari ne prenesu na gornji nivo. Zatim se zatvarač na kratko otvara i sva akumulirana energija se prikazuje u obliku takozvanog džinovskog impulsa. U zavisnosti od rezerve energije i trajanja bljeska, snaga impulsa može se kretati od nekoliko megavata do desetina teravata (1012 vati). 5
2) Gasni laseri.
Aktivni medij plinskih lasera su plinovi niskog pritiska (od stotinki do nekoliko milimetara žive) ili njihove mješavine, koje ispunjavaju staklenu cijev sa zalemljenim elektrodama. Prvi plinski laser na bazi mješavine helijuma i neona stvoren je ubrzo nakon rubin lasera 1960. godine od strane A. Javan, W. Bennetta i D. Herriota (SAD). Plinski laseri se pumpaju električnim pražnjenjem koje napaja visokofrekventni generator. Oni stvaraju zračenje na isti način kao kod lasera u čvrstom stanju, ali plinski laseri proizvode, po pravilu, kontinuirano zračenje. Pošto je gustina gasova veoma mala, dužina cevi sa aktivnim medijumom mora biti dovoljno velika da masa aktivne supstance bude dovoljna za dobijanje visokog intenziteta zračenja.
Gasni laseri takođe uključuju gasnodinamičke, hemijske i eksimer lasere (lasere koji rade na elektronskim prelazima molekula koji postoje samo u pobuđenom stanju).
Gasnodinamički laser je sličan mlaznom motoru, u kojem se gorivo sagorijeva uz dodatak molekula plina aktivnog medija. U komori za sagorevanje, molekuli gasa se pobuđuju i, hlađeni nadzvučnim strujanjem, daju energiju u obliku koherentnog zračenja velike snage u infracrvenom području, koje izlazi preko strujanja gasa.
3) Hemijski laseri.
U hemijskim laserima (varijanta gasnodinamičkog lasera) inverzija populacije nastaje usled hemijskih reakcija. Najveću snagu razvijaju laseri zasnovani na reakciji atomskog fluora sa vodonikom.
4) Tečni laseri.
Aktivni medij ovih lasera (nazivaju se i laseri na boji) su različita organska jedinjenja u obliku rastvora. Prvi laseri na boji pojavili su se kasnih 1960-ih. Gustoća njihove radne tvari zauzima srednju poziciju između čvrste tvari i plina, stoga generiraju prilično snažno zračenje (do 20 W) s malom ćelijom s aktivnom tvari. Rade u impulsnom i kontinuiranom režimu, pumpaju se blic lampama i laserima. Pobuđeni nivoi molekula boje imaju veliku širinu, tako da tečni laseri emituju nekoliko frekvencija odjednom. A promjenom ćelija s otopinama boja, lasersko zračenje se može podesiti u vrlo širokom rasponu. Glatko podešavanje frekvencije zračenja vrši se podešavanjem rezonatora.
5) Poluprovodnički laseri.
Ovu vrstu optičkih kvantnih generatora stvorilo je 1962. godine istovremeno nekoliko grupa američkih istraživača (R. Hall, M. I. Neiten, T. Quist, itd.), iako je N. G. Basov i dr. uobičajeni laserski poluvodički materijal galijum arsenid GaAr. 6
U skladu sa zakonima kvantne mehanike, elektroni u čvrstom stanju zauzimaju široke energetske pojaseve, koji se sastoje od mnogih kontinuirano lociranih nivoa. Donji pojas, nazvan valentni pojas, odvojen je od gornjeg pojasa (pojasa provodljivosti) takozvanim pojasom pojasa, u kojem nema energetskih nivoa. U poluvodiču ima malo elektrona provodljivosti, njihova pokretljivost je ograničena, ali pod utjecajem toplinskog kretanja, pojedinačni elektroni mogu skočiti iz valentnog pojasa u provodni pojas, ostavljajući u njemu prazno mjesto - "rupu". A ako se elektron sa energijom Ee spontano vrati nazad u provodni pojas, on se "rekombinuje" sa rupom sa energijom Ed, što je praćeno emisijom fotona iz pojasa frekvencije n = Ee - Ed. Pumpanje poluvodičkog lasera vrši se jednosmjernom električnom strujom (u ovom slučaju, od 50 do gotovo 100% njegove energije se pretvara u zračenje); rezonator su obično polirane fasete poluvodičkog kristala.
6) Laseri u prirodi.
U svemiru su otkriveni laseri prirodnog porijekla. Do inverzije stanovništva dolazi u ogromnim međuzvjezdanim oblacima kondenziranih plinova. Kao pumpanje služe kosmičko zračenje, svjetlost obližnjih zvijezda itd. Zbog gigantske dužine aktivnog medija (plinskih oblaka) - stotine miliona kilometara - ovakvim astrofizičkim laserima nisu potrebni rezonatori: stimulirano elektromagnetno zračenje u opsegu talasnih dužina od nekoliko centimetara (rakova maglina) do mikrona (susedstvo zvezde Eta Karina) se u njima javlja tokom jednog prolaska talasa.

2.3 Osobine laserskog zračenja

Za razliku od konvencionalnih izvora termičkog zračenja, laser proizvodi svjetlost koja ima niz posebnih i vrlo vrijednih svojstava. 7
1. Lasersko zračenje je koherentno i praktično monohromatsko. Prije pojave lasera, samo radio valovi koje je emitirao dobro stabilizirani predajnik imali su ovo svojstvo. Zbog činjenice da se stimulirana emisija širi striktno duž ose rezonatora, laserski snop se slabo širi: njegova divergencija je nekoliko lučnih sekundi.
Ove navedene kvalitete omogućavaju fokusiranje laserskog snopa u izuzetno malu tačku, dobijajući ogromnu gustinu energije u tački fokusa.
2. Lasersko zračenje velike snage ima ogromnu temperaturu. Tako, na primjer, impulsni laser snage reda petavata (1015 W) ima temperaturu zračenja od oko 100 miliona stepeni.
Ova jedinstvena svojstva laserskog zračenja učinila su kvantne generatore nezamjenjivim oruđem u različitim oblastima nauke i tehnologije.
1. Tehnološki laseri. Snažni kontinuirani laseri koriste se za rezanje, zavarivanje i lemljenje dijelova od različitih materijala. Visoka temperatura zračenja omogućava zavarivanje materijala koji se ne mogu spojiti drugim metodama (na primjer, metal s keramikom). Visoka monokromatičnost zračenja omogućava fokusiranje snopa do tačke promjera reda mikrona i korištenje za izradu mikro krugova (tzv. metoda laserskog scribinga - uklanjanje tankog sloja). Za obradu dijelova u vakuumu ili atmosferi inertnog plina, laserski snop se može uvesti u procesnu komoru kroz prozirni prozor.
2. Laserska komunikacija. Pojava lasera revolucionirala je tehnologiju komunikacije i snimanja informacija. Postoji jednostavan obrazac: što je veća frekvencija nosioca (manja talasna dužina) komunikacijskog kanala, to je veća njegova propusnost. Zato su radio komunikacije, koje su u početku ovladale opsegom dugih talasa, postepeno prešle na sve kraće talasne dužine. Ali svjetlost je isti elektromagnetski talas kao i radio talasi, samo desetine hiljada puta kraći, tako da laserski snop može prenijeti desetine hiljada puta više informacija od visokofrekventnog radio kanala. Laserska komunikacija se odvija kroz optičko vlakno – tanke staklene niti, u kojima se svjetlost, zbog totalne unutrašnje refleksije, širi gotovo bez gubitaka stotinama kilometara. Laserski snop snima i reprodukuje sliku (uključujući pokretnu) i zvuk na CD-ovima.
3. Laseri u medicini. Laserska tehnologija se široko koristi u hirurgiji i terapiji. Laserski snop ubrizgan kroz zenicu oka "zavari" odvojenu mrežnjaču i koriguje defekte na očnom dnu. Hirurške operacije koje se izvode "laserskim skalpelom" manje povrijeđuju živa tkiva. A lasersko zračenje male snage ubrzava zacjeljivanje rana i ima učinak sličan akupunkturi koju prakticira orijentalna medicina (laserska akupunktura).
4. Laseri u naučnim istraživanjima. Ekstremno visoka temperatura zračenja i njegova velika gustoća energije omogućavaju proučavanje materije u ekstremnom stanju koje postoji samo u unutrašnjosti vrućih zvijezda. Pokušava se izvršiti termonuklearna reakcija kompresijom ampule sa mješavinom deuterijuma i tritijuma sistemom laserskih zraka (tzv. inercijalna termonuklearna fuzija). U genetskom inžinjeringu i nanotehnologiji (tehnologija koja se bavi objektima karakteristične veličine 10-9 m), laserski zraci seku, pomiču i povezuju fragmente gena, bioloških molekula i dijelova veličine od milionitog dijela milimetra (10 -9 m). Laserski radari (lidari) se koriste za proučavanje atmosfere.
5. Vojni laseri. Vojne primjene lasera uključuju i njihovu upotrebu za stjecanje ciljeva i komunikacije i njihovu upotrebu kao oružja. Zraci snažnih hemijskih i eksimer lasera, zemaljskih ili orbitalnih, planiraju se za uništavanje ili onesposobljavanje borbenih satelita i neprijateljskih aviona. Stvoreni su uzorci laserskih pištolja za naoružavanje posada vojnih orbitalnih stanica.

3. Mehanizmi štetnog djelovanja laserskog zračenja

Tkiva i organi koji su najčešće izloženi laserskom zračenju su oči i koža. Postoje tri glavne vrste oštećenja tkiva uzrokovanih laserskim zračenjem. To su toplotni efekti, fotohemijski efekti, kao i akustični prolazni efekti (zahvaćene su samo oči). Toplotni efekti se mogu javiti na bilo kojoj talasnoj dužini i rezultat su zračenja ili svetlosnih efekata na potencijal hlađenja krvotoka tkiva.
U vazduhu se javljaju fotohemijski efekti između 200 i 400 nm i ultraljubičastih, i između 400 i 470 nm ljubičastih talasnih dužina. Fotohemijski efekti su povezani sa trajanjem i takođe stopom ponavljanja zračenja.
Akustični prijelazni efekti povezani s trajanjem impulsa mogu se javiti u kratkom trajanju impulsa (do 1 ms) ovisno o specifičnoj talasnoj dužini lasera. Akustički utjecaj prolaznih efekata slabo je shvaćen, ali može uzrokovati oštećenje mrežnice koje se razlikuje od termalne ozljede mrežnice.
Potencijalna mjesta ozljede oka direktno su povezana s talasnom dužinom laserskog zračenja. Talasna dužina kraća od 300 nm ili više od 1400 nm utiče na rožnjaču. Talasna dužina između 300 i 400 nm utiče na očnu vodicu, šarenicu, sočivo i staklasto tijelo. Talasne dužine od 400 nm i 1400 nm usmjerene su na retinu. osam
Oštećenje lasera na mrežnjači može biti veoma veliko zbog fokusnog pojačanja (optičkog pojačanja) iz očiju, koje iznosi približno 105. To znači da će se zračenje od 1 mW/cm2 kroz oko efektivno povećati na 100 mW /cm2 kada dođe do mrežnjače.
Termičkim opekotinama oka poremećena je funkcija hlađenja žila mrežnice. Kao rezultat štetnog djelovanja termičkog faktora, mogu nastati krvarenja u staklasto tijelo kao posljedica oštećenja krvnih žila.
Budući da se mrežnica može oporaviti od manjih oštećenja, velika oštećenja macule macule mogu dovesti do privremenog ili trajnog gubitka vidne oštrine ili potpunog sljepoće. Fotohemijska povreda rožnjače ultraljubičastim zračenjem može dovesti do fotokeratokonjunktivitisa (često se naziva bolest zavarivača ili snježno sljepilo). Ovo bolno stanje može trajati nekoliko dana sa vrlo iscrpljujućim bolom. Dugotrajno izlaganje može dovesti do stvaranja katarakte.
Ukupno trajanje izlaganja takođe utiče na traumu oka. Na primjer, ako laser vidljive valne dužine (400 do 700 nm) ima snagu zraka manju od 1,0 MW i vrijeme ekspozicije manje od 0,25 sekundi (vrijeme koje je potrebno osobi da zatvori oči), neće biti štete na retinu. Laseri klase 1, 2A i 2 spadaju u ovu kategoriju i općenito ne mogu oštetiti mrežnicu. Nažalost, direktni ili reflektovani pogoci lasera klase 3A, 3B ili 4 i difuzne refleksije od lasera iznad klase 4 mogu uzrokovati štetu prije nego što osoba može refleksno zatvoriti oči.
Za pulsne lasere, trajanje impulsa također utiče na potencijalno oštećenje oka. Impulsi manji od 1 ms pri udaru u mrežnicu mogu uzrokovati akustične prolazne efekte koji rezultiraju značajnim oštećenjem i krvarenjem uz očekivano termalno oštećenje. Mnogi impulsni laseri trenutno imaju vrijeme impulsa manje od 1 pikosekunde.
ANSI standard definiše maksimalnu dozvoljenu snagu izlaganja lasera oku bez ikakvih posledica (pod uticajem specifičnih uslova).
Povrede kože od lasera prvenstveno spadaju u dve kategorije: termičke povrede (opekotine) od akutnog izlaganja laserskim zrakama velike snage i fotohemijski izazvane povrede usled hroničnog izlaganja difuznom ultraljubičastom laserskom zračenju. Toplotna ozljeda može biti posljedica direktnog kontakta sa zrakom ili njenog zrcalnog odraza. Ove povrede, iako bolne, obično nisu ozbiljne i obično se lako spriječe pravilnom kontrolom laserskog snopa. Fotohemijska oštećenja mogu nastati tokom vremena od izlaganja direktnoj svjetlosti, zrcalnih refleksija ili čak difuznih refleksija. Posljedice mogu biti neznatne, ali mogu uzrokovati teške opekotine, a produženo izlaganje može doprinijeti nastanku raka kože. Za zaštitu kože i očiju mogu biti potrebne dobre zaštitne naočale i odjeća. Prilikom rada sa laserima potrebno je nositi zaštitne naočare koje štite od laserskog zračenja. Naočare su potrebne čak i za laser od 15mW, jer se bez njih oči jako umaraju.
Stepen zaštite naočara od laserskog zračenja mjeri se u OD (Optical Density). Optička gustina pokazuje koliko puta naočare prigušuju svjetlost. Jedan znači "10 puta". Prema tome, "optička gustina 3" znači slabljenje za faktor od 1000, a 6 - za milion. Ispravna optička gustoća za vidljivi laser je takva da nakon naočara od direktnog udara lasera ostaje snaga koja odgovara klasi II (maksimalno negdje oko 1 mW).
Domaće naočare marke ZN-22 C3-C22 štite od crvenih i nekih infracrvenih lasera. Izgledaju kao naočale za zavarivače, ali imaju plava stakla. U vezi sa širokom upotrebom izvora laserskog zračenja u naučnim istraživanjima, industriji, medicinskim komunikacijama i dr., postoji potreba za očuvanjem zdravlja ljudi koji koriste različite laserske instalacije. devet
Laser je izvor koherentnog zračenja, odnosno kretanja fotona koordiniranih u vremenu i prostoru u obliku odabranog snopa. Priroda uticaja na vizuelni aparat i stepen štetnog dejstva lasera zavise od gustoće energije zračenja, talasne dužine zračenja (pulsno ili kontinuirano). Priroda oštećenja kože ovisi o boji kože, na primjer, pigmentirana koža apsorbira lasersko zračenje mnogo jače od nepigmentirane kože. Svijetla koža reflektira do 40% zračenja koje pada na nju. Pod dejstvom laserskog zračenja utvrđen je niz nepoželjnih promena u respiratornom, probavnom, kardiovaskularnom i endokrinom sistemu. U nekim slučajevima, ovi opšti klinički simptomi su prilično uporni, kao rezultat uticaja na nervni sistem.
Okarakterizirajmo djelovanje biološki najopasnijih spektralnih opsega laserskog zračenja. U infracrvenom području, energija najkraćih talasa (0,7-1,3 mikrona) može prodrijeti na relativno veliku dubinu u kožu i prozirne medije oka. Dubina prodiranja zavisi od talasne dužine upadnog zračenja. Područje visoke prozirnosti na talasnim dužinama od 0,75 do 1,3 µm ima maksimalnu transparentnost u području od 1,1 µm. Na ovoj talasnoj dužini, 20% energije koja pada na površinski sloj kože prodire u kožu do dubine od 5 mm. Istovremeno, u visoko pigmentiranoj koži dubina prodiranja može biti i veća. Ipak, ljudska koža se prilično dobro suprotstavlja infracrvenom zračenju, jer je sposobna da rasprši toplinu zbog cirkulacije krvi i snizi temperaturu tkiva zbog isparavanja vlage s površine.
Ali mnogo je teže zaštititi oči od infracrvenog zračenja, toplina se u njima praktički ne raspršuje, a sočivo, koje fokusira zračenje na mrežnicu, pojačava učinak biološke izloženosti. Zbog svega ovoga potrebno je obratiti posebnu pažnju na zaštitu očiju pri radu sa laserima. Rožnica oka je prozirna za zračenje u opsegu valnih dužina od 0,75-1,3 μm i postaje praktično neprozirna samo za valne dužine veće od 2 μm.
Stepen termičkog oštećenja rožnjače zavisi od apsorbovane doze zračenja, a povređuje se uglavnom površinski, tanki sloj. Ako u intervalu valova od 1,2-1,7 mikrona vrijednost energije zračenja prelazi minimalnu dozu zračenja, tada može doći do potpunog uništenja zaštitnog epitelnog sloja. Jasno je da takva degeneracija tkiva u području neposredno iza zjenice ozbiljno utiče na stanje organa vida.
Treba imati na umu da šarenica, koju karakteriše visok stepen pigmentacije, apsorbuje zračenje iz skoro čitavog infracrvenog opsega. Posebno je podložan dejstvu zračenja talasne dužine od 0,8-1,3 mikrona, jer se zračenje gotovo ne zadržava u rožnici i očne vodice prednje očne komore.
Minimalna vrijednost gustine energije zračenja u talasnom području od 0,8-1,1 μm, koja može uzrokovati oštećenje šarenice, smatra se 4,2 J/cm 2 . Istovremeni poraz rožnice i šarenice uvijek je akutan, pa je stoga i najopasniji. deset
Apsorpcija medija oka energije zračenja u infracrvenom području koje pada na rožnicu povećava se sa povećanjem talasne dužine. Na talasnim dužinama od 1,4-1,9 μm, rožnjača i prednja očna komora apsorbuju skoro sve upadno zračenje, a na talasnim dužinama iznad 1,9 μm, rožnica postaje jedini apsorber energije zračenja.
Prilikom procjene prihvatljivih nivoa laserske energije potrebno je uzeti u obzir ukupni učinak na prozirne medije oka, retine i horoidee. Procijenimo učinak laserskog zračenja na retinu oka.
Predviđajući mogućnost opasnosti od laserskog zračenja, potrebno je uzeti u obzir:
itd...................

Snaga. U prvim laserima sa aktivnom supstancom napravljenom od rubina, energija svetlosnog impulsa bila je približno 0,1 J. Trenutno energija zračenja nekih lasera u čvrstom stanju dostiže hiljade džula. Uz kratko trajanje svjetlosnog impulsa, možete dobiti ogromnu snagu. Dakle, neodimijum laser generiše impulse u trajanju od 3·10 -12 s, a sa energijom impulsa od 75 J, njegova snaga dostiže 2,5·10 13 W! (Poređenja radi, snaga Krasnojarske hidroelektrane je 6 10 9 W.) Snaga gasnih lasera je mnogo manja (do 50 kW), ali je njihova prednost u tome što se njihovo zračenje dešava neprekidno, iako postoje i pulsni laseri. među gasnim laserima.

Ugao divergencije laserski snop je vrlo mali, pa se intenzitet svjetlosnog toka gotovo ne smanjuje s rastojanjem. Pulsni laseri mogu proizvesti intenzitet svjetlosti do 10 14 W/m 2 . Snažni laserski sistemi mogu proizvesti intenzitete do 1020 W/m 2 . Poređenja radi, napominjemo da je prosječna vrijednost intenziteta sunčeve svjetlosti u blizini površine zemlje samo 10 3 W/m 2 . Shodno tome, sjaj čak i relativno slabih lasera je milionima puta veći od sjaja Sunca.

koherentnost. Koordinirani tok u vremenu i prostoru nekoliko valnih procesa, koji se manifestuje kada se oni dodaju. Oscilacije se nazivaju koherentnim ako je razlika faza između njih konstantna u vremenu. Prilikom sabiranja dvije harmonijske oscilacije iste frekvencije, ali sa različitim amplitudama A 1 i A 2 i različitim fazama, formira se harmonijska oscilacija iste frekvencije čija amplituda, ovisno o razlici faza, može varirati od A 1 - A 2 do A 1 + A 2 , a ova amplituda u datoj tački u prostoru ostaje konstantna. Svetlosni talasi koje emituju zagrejana tela ili tokom luminescencije nastaju tokom spontanih prelaza elektrona između različitih energetskih nivoa u atomima nezavisno jedan od drugog. Svaki atom emituje elektromagnetski val u vremenu od 10-8 s, što se naziva vrijeme koherencije. Za to vrijeme svjetlost se širi na udaljenosti od 3 m. Ova udaljenost se naziva dužina koherentnosti ili dužina vlaka. Talasi izvan dužine voza će već biti nekoherentni. Zračenje koje generiše mnoštvo atoma nezavisnih jedan od drugog sastoji se od mnoštva nizova, čije se faze nasumično mijenjaju od 0 do 2p. Za izolaciju koherentnog dijela od ukupnog nekoherentnog svjetlosnog toka prirodne svjetlosti koriste se posebni uređaji (Fresnelova ogledala, Fresnelove biprizme, itd.), koji stvaraju svjetlosne snopove vrlo niskog intenziteta, dok je lasersko zračenje sa svim svojim ogromnim intenzitetom. potpuno koherentan.

U principu, nekoherentni svjetlosni snop ne može se fokusirati u vrlo malu tačku, jer je to spriječeno razlikom u fazama njegovih vlakova. Koherentno lasersko zračenje se može fokusirati u tačku čiji je prečnik jednak talasnoj dužini ovog zračenja, što omogućava povećanje ionako visokog intenziteta laserskog svetlosnog snopa.

Monochromatic. Monokromatsko zračenje naziva se zračenje sa striktno istom talasnom dužinom, ali ono se može stvoriti samo harmonijskom oscilacijom koja se javlja sa konstantnom frekvencijom i amplitudom beskonačno dugo vremena. Pravo zračenje ne može biti monohromatsko samo zato što se sastoji od mnogo nizova, a praktično monohromatsko zračenje se smatra zračenjem sa uskim spektralnim intervalom, koje se može približno okarakterisati prosečnom talasnom dužinom. Prije pojave lasera, zračenje s određenim stupnjem monohromatike moglo se dobiti pomoću prizmi monohromatora, koji izdvajaju uski pojas talasnih dužina iz kontinuiranog spektra, ali je svjetlosna snaga u takvom pojasu vrlo mala. Lasersko zračenje ima visok stepen monohromatnosti. Širina spektralnih linija koje proizvode neki laseri dostiže 10-7 nm.

Polarizacija. Elektromagnetno zračenje unutar jednog vlaka je polarizirano, ali kako se svjetlosni snopovi sastoje od mnogo vlakova koji su međusobno nezavisni, prirodna svjetlost nije polarizirana i za dobijanje polarizirane svjetlosti koriste se posebni uređaji - Nicol prizme, polaroidi itd. Za razliku od prirodnog svjetlosnog laserskog zračenja je potpuno polarizovan.

Smjer zračenja. Važna osobina laserskog zračenja je njegova striktna usmjerenost, koju karakterizira vrlo mala divergencija svjetlosnog snopa, što je posljedica visokog stepena koherencije. Ugao divergencije mnogih lasera je doveden na oko 10-3 rad, što odgovara jednoj lučnoj minuti. Takva usmjerenost, koja je u konvencionalnim izvorima svjetlosti potpuno nedostižna, omogućava prijenos svjetlosnih signala na velike udaljenosti uz vrlo malo slabljenja njihovog intenziteta, što je izuzetno važno kada se laseri koriste u sistemima za prijenos informacija ili u svemiru.

Jačina električnog polja. Još jedno svojstvo koje razlikuje lasersko zračenje od obične svjetlosti je velika jačina električnog polja u njemu. Intenzitet toka elektromagnetne energije I–EH(Umov-Poyntingova formula), gdje E i H- intenzitet električnog i magnetnog polja u elektromagnetnom talasu. Odavde se može izračunati da je jačina električnog polja u svjetlosnom talasu intenziteta 10 18 W/m 2 3-10 10 V/m, što premašuje jačinu polja unutar atoma. Jačina polja u svjetlosnim valovima koje stvaraju konvencionalni izvori svjetlosti ne prelazi 10 4 V/m.

Prilikom pada na tijelo, elektromagnetski val vrši mehanički pritisak na ovo tijelo, koji je proporcionalan intenzitetu toka energije valova. Svjetlosni pritisak koji ljetnog dana stvara jaka sunčeva svjetlost je približno 4 10 -6 Pa (podsjetimo da je atmosferski pritisak 10 5 Pa). Za lasersko zračenje, vrijednost svjetlosnog pritiska dostiže 10 12 Pa. Takav pritisak omogućava obradu (probijanje, izrezivanje rupa itd.) najtvrđih materijala – dijamanta i supertvrdih legura.

Interakcija svjetlosti sa materijom (refleksija, apsorpcija, disperzija) nastaje zbog interakcije električnog polja svjetlosnog vala s optičkim elektronima materije. Atomi dielektrika u električnom polju su polarizovani. Pri malom intenzitetu, dipolni moment jedinične zapremine supstance (ili vektor polarizacije) je proporcionalan jačini polja. Sve optičke karakteristike supstance, kao što su indeks prelamanja, indeks apsorpcije i druge, nekako su povezane sa stepenom polarizacije, koji je određen jačinom električnog polja svetlosnog talasa. Pošto je ovaj odnos linearan, tj. magnitude R proporcionalan E,što daje osnov da se optiku koja se bavi zračenjem relativno niskih intenziteta nazove linearnom optikom.

U laserskom zračenju, jačina električnog polja talasa je uporediva sa jačinom polja u atomima i molekulima i može ih promeniti u opipljivim granicama. To dovodi do: činjenice da dielektrična osjetljivost prestaje biti konstantna vrijednost i postaje određena funkcija jačine polja . Posljedično, ovisnost vektora polarizacije o jačini polja više neće biti linearna funkcija. Stoga se govori o nelinearnoj polarizaciji medija i, shodno tome, o nelinearnoj optici, u kojoj permitivnost tvari, indeks loma, indeks apsorpcije i druge optičke veličine više neće biti konstantne, već će ovisiti o intenzitet upadne svetlosti.

Jedno od najznačajnijih dostignuća fizike u drugoj polovini dvadesetog veka bilo je otkriće fizičkih fenomena koji su poslužili kao osnova za stvaranje neverovatnog uređaja - optičkog kvantnog generatora, ili lasera.

Laser je izvor monohromatskog koherentnog svjetla sa visoko usmjerenim svjetlosnim snopom. Sama riječ "laser" sastoji se od prvih slova engleske fraze koja znači pojačanje svjetlosti kao rezultat stimulirane emisije."

Zaista, glavni fizički proces koji određuje djelovanje lasera je stimulirana emisija zračenja. Događa se kada foton stupi u interakciju s pobuđenim atomom kada energija fotona točno odgovara energiji pobude atoma (ili molekule)

Kao rezultat ove interakcije, atom prelazi u nepobuđeno stanje, a višak energije se emituje u obliku novog fotona s potpuno istom energijom, smjerom širenja i polarizacijom kao primarni foton. Dakle, posljedica ovog procesa je prisustvo dva apsolutno identična fotona. Daljnjom interakcijom ovih fotona s pobuđenim atomima sličnim prvom atomu, može doći do „lančane reakcije“ reprodukcije identičnih fotona koji „lete“ u potpuno istom smjeru, što će dovesti do pojave usko usmjerenog svjetlosnog snopa. Za pojavu lavine identičnih fotona potreban je medij u kojem bi bilo više pobuđenih atoma nego nepobuđenih, budući da bi fotoni bili apsorbirani kada bi fotoni stupili u interakciju s nepobuđenim atomima. Takav medij se naziva medij sa inverznom populacijom nivoa energije.

Dakle, pored prisilne emisije fotona od strane pobuđenih atoma, postoji i proces spontane, spontane emisije fotona pri prelasku pobuđenih atoma u nepobuđeno stanje i proces apsorpcije fotona pri prelasku atoma iz neuzbuđeno stanje u uzbuđeno stanje. Ova tri procesa koji prate prelaze atoma u pobuđena stanja i obratno, postulirao je A. Einstein 1916. godine.

Ako je broj pobuđenih atoma velik i postoji inverzno razdvajanje nivoa (ima više atoma u gornjem, pobuđenom stanju nego u donjem, nepobuđenom stanju), tada će prvi foton rođen kao rezultat spontane emisije uzrokovati sve veća lavina pojave identičnih fotona. Doći će do povećanja spontane emisije.

Na mogućnost pojačanja svjetlosti u mediju s inverznom populacijom zbog stimulirane emisije prvi je ukazao sovjetski fizičar 1939.

V.A. Fabrikant, koji je predložio stvaranje inverzne populacije u električnom pražnjenju u plinu.

Uz istovremenu proizvodnju (u principu je to moguće) velikog broja spontano emitovanih fotona nastat će veliki broj lavina od kojih će se svaka širiti u svom smjeru, zadanom početnim fotonom odgovarajuće lavine. Kao rezultat toga, primićemo tokove svetlosnih kvanta, ali nećemo moći da dobijemo ni usmereni snop ni visoku monohromatičnost, jer je svaka lavina pokrenuta sopstvenim početnim fotonom. Da bi se medij s invertiranom populacijom koristio za generiranje laserskog snopa, odnosno usmjerenog zraka visoke monokromatičnosti, potrebno je "ukloniti" inverznu populaciju koristeći primarne fotone koji već imaju istu energiju, koja se poklapa sa energija date tranzicije u atomu. U ovom slučaju imaćemo lasersko pojačalo svetlosti.

Postoji, međutim, još jedna opcija za dobijanje laserskog snopa, povezana sa upotrebom sistema povratne sprege. Spontano rođeni fotoni, čiji smjer širenja nije okomit na ravan ogledala, stvorit će lavinu fotona koji nadilaze sredinu. Istovremeno, fotoni čiji je smjer širenja okomit na ravan ogledala stvarat će lavine koje se višestruko pojačavaju u mediju zbog višestrukih refleksija od ogledala. Ako jedno od ogledala ima mali prijenos, tada će usmjereni fotonski tok izaći kroz njega okomito na ravan ogledala. Sa pravilno odabranim prijenosom zrcala, njihovim preciznim podešavanjem jedno u odnosu na drugo i u odnosu na uzdužnu osu medija sa invertiranom populacijom, povratna sprega može biti toliko efikasna da se "bočno" zračenje može potpuno zanemariti u odnosu na zračenje. izranja kroz ogledala. U praksi se to zaista može učiniti. Ovaj krug povratne sprege naziva se optički rezonator, i upravo se ovaj tip rezonatora koristi u većini postojećih lasera.

1955. godine, istovremeno i samostalno, N.G. Basov i A. M. Prokhorov u SSSR-u i C. Towns u SAD-u predložili su princip stvaranja prvog svjetskog generatora kvanta elektromagnetnog zračenja na mediju s invertiranom populacijom, u kojem je stimulirana emisija kao rezultat korištenja povratne sprege dovela do stvaranje izrazito monohromatskog zračenja.

Nekoliko godina kasnije, 1960. godine, američki fizičar T. Maiman lansirao je prvi kvantni generator u optičkom opsegu - laser, u kojem je povratna informacija vršena pomoću optičkog rezonatora opisanog gore, a inverzna populacija je bila uzbuđena u rubinima kristali ozračeni zračenjem ksenonske blic lampe. Kristal rubina je kristal aluminijum oksida AL2O3 sa malim dodatkom = 0,05% hroma. Kada se dodaju atomi hroma, prozirni kristali rubina postaju ružičasti i apsorbuju zračenje u dva pojasa bliskog ultraljubičastog područja spektra. Ukupno, kristali rubina apsorbiraju oko 15% svjetlosti bljeskalice. Kada joni hroma apsorbuju svetlost, dolazi do prelaska jona u pobuđeno stanje. Kao rezultat unutrašnjih procesa, pobuđeni joni hroma ne prelaze odmah u osnovno stanje, već kroz dva pobuđena nivoa. Na ovim nivoima dolazi do akumulacije jona, a sa dovoljno snažnim bljeskom ksenonske lampe, nastaje inverzna populacija između srednjih nivoa i osnovnog nivoa jona hroma.

Krajevi rubinske šipke su polirani, prekriveni reflektirajućim interferentnim filmovima, uz održavanje stroge paralelnosti krajeva jedan s drugim.

Kada dođe do populacijske inverzije nivoa iona hroma u rubinu, dolazi do lavinskog povećanja broja induciranih fotona, a povratna sprega na optičkom rezonatoru formiranom od ogledala na krajevima rubinske šipke osigurava formiranje uskog snopa crvenog svetla. Trajanje laserskog impulsa==0,0001 s, nešto kraće od trajanja blica ksenonske lampe. Energija impulsa rubinskog lasera je oko 1J.

Uz pomoć mehaničkog sistema (rotirajuće ogledalo) ili brzog električnog zatvarača, može se „uključiti“ povratna sprega (podesiti jedno od ogledala) u trenutku kada je maksimalna inverzija populacije i, posljedično, maksimalno pojačanje aktivnog medija je postignut. U ovom slučaju će snaga stimulisane emisije biti izuzetno velika, a inverzija populacije će biti „uklonjena“ stimulisanom emisijom u vrlo kratkom vremenu.

U ovom režimu Q-switched rezonatora, emituje se ogroman impuls laserskog zračenja. Ukupna energija ovog impulsa će ostati približno na istom nivou kao u režimu „slobodne generacije“, ali usled smanjenja trajanja impulsa za stotine puta, snaga zračenja se takođe povećava stotinama puta, dostižući vrednost = 100000000 W.

Razmotrimo neka jedinstvena svojstva laserskog zračenja.

Tokom spontane emisije, atom emituje spektralnu liniju konačne širine. Sa lavinskim povećanjem broja stimulisano emitovanih fotona u sredini sa inverznom populacijom, intenzitet zračenja ove lavine će se povećati, pre svega, u centru spektralne linije datog atomskog prelaza, a kao kao rezultat ovog procesa, širina spektralne linije početne spontane emisije će se smanjiti. U praksi, pod posebnim uslovima, moguće je učiniti relativnu širinu spektralne linije laserskog zračenja 1 * 10000000-1 * 100000000 puta manju od širine najužih linija spontane emisije uočene u prirodi.

Osim sužavanja emisione linije u laseru, moguće je dobiti divergenciju zraka manju od 0,00001 radijana, odnosno na nivou lučnih sekundi.

Poznato je da se usmjereni uski snop svjetlosti u principu može dobiti iz bilo kojeg izvora postavljanjem većeg broja ekrana sa malim rupama smještenim na istoj pravoj liniji na putu svjetlosnog toka. Zamislimo da smo uzeli zagrijano crno tijelo i uz pomoć dijafragmi primili snop svjetlosti, iz kojeg je pomoću prizme ili drugog spektralnog uređaja izoliran snop spektralne širine koja odgovara širini spektra laserskog zračenja. Poznavajući snagu laserskog zračenja, širinu njegovog spektra i kutnu divergenciju snopa, moguće je, koristeći Planckovu formulu, izračunati temperaturu zamišljenog crnog tijela koje se koristi kao izvor svjetlosnog snopa ekvivalentnog laseru. greda. Ovaj proračun će nas dovesti do fantastične brojke: temperatura crnog tijela mora biti reda desetina miliona stepeni! Neverovatno svojstvo laserskog snopa - njegova visoka efektivna temperatura (čak i pri relativno niskoj prosečnoj snazi ​​laserskog zračenja ili niskoj energiji laserskog impulsa) otvara velike mogućnosti za istraživače koje su apsolutno nemoguće bez upotrebe lasera.

Laseri se razlikuju po: načinu stvaranja inverzne populacije u mediju ili, drugim riječima, načinu pumpanja (optičko pumpanje, pobuđivanje udarom elektrona, hemijsko pumpanje itd.); radno okruženje (gasovi, tečnosti, stakla, kristali, poluprovodnici, itd.); dizajn rezonatora; način rada (pulsni, kontinuirani). Ove razlike su određene različitim zahtjevima za karakteristike lasera u vezi s njegovom praktičnom primjenom.