Η αρχή της λειτουργίας και οι κύριες ιδιότητες του λέιζερ.

Η κβαντική ηλεκτρονική μπορεί να οριστεί ως ένας κλάδος της ηλεκτρονικής στον οποίο τα κβαντικά φαινόμενα παίζουν θεμελιώδη ρόλο. Αυτό το βιβλίο είναι αφιερωμένο στην εξέταση μιας συγκεκριμένης πτυχής της κβαντικής ηλεκτρονικής, δηλαδή της περιγραφής των φυσικών αρχών της λειτουργίας των λέιζερ και των χαρακτηριστικών τους. Πριν ξεκινήσετε μια λεπτομερή συζήτηση του θέματος, είναι σκόπιμο να δοθεί κάποια προσοχή σε μια στοιχειώδη εξέταση των ιδεών στις οποίες βασίζονται τα λέιζερ.

Το λέιζερ χρησιμοποιεί τρία θεμελιώδη φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με την ύλη, δηλαδή τις διαδικασίες της αυθόρμητης και διεγερμένης εκπομπής και τη διαδικασία απορρόφησης.

Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ

Ας εξετάσουμε δύο αυθαίρετα ενεργειακά επίπεδα 1 και 2 σε κάποιο μέσο με τους αντίστοιχους πληθυσμούς N 1 και N 2 . Αφήστε ένα επίπεδο κύμα να διαδοθεί σε αυτό το μέσο προς την κατεύθυνση του άξονα z με ένταση που αντιστοιχεί στην πυκνότητα ροής φωτονίων F. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τις εκφράσεις (1.3) - (1.6), η αλλαγή στην πυκνότητα ροής dF λόγω και των δύο διεγερμένες διαδικασίες εκπομπής και απορρόφησης στο στρώμα dz (σκιασμένη περιοχή στο σχήμα 1.2) δίνεται από την εξίσωση

dF=σF(N 2 -. N 1) (1.7)

Η εξίσωση (1.7) υποδηλώνει ότι στην περίπτωση N 2 > N 1 το μέσο συμπεριφέρεται ως μέσο ενίσχυσης (δηλ. dF/dz > 0), και στην περίπτωση του 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)

όπου k είναι η σταθερά Boltzmann και T η απόλυτη θερμοκρασία του μέσου. Έτσι, βλέπουμε ότι στην περίπτωση της θερμοδυναμικής ισορροπίας 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, τότε το μέσο θα λειτουργήσει ως ενισχυτής. Σε αυτή την περίπτωση, θα πούμε ότι υπάρχει αντιστροφή πληθυσμού στο μέσο, ​​λαμβάνοντας υπόψη ότι η πληθυσμιακή διαφορά (N 2 -. N 1 > 0) είναι αντίθετη σε πρόσημο από αυτή που υπάρχει υπό κανονικές συνθήκες (N 2 -. Ν 1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Εάν η συχνότητα μετάβασης ν \u003d (E 2 - E 1) / h εμπίπτει στην περιοχή μικροκυμάτων, τότε ο αντίστοιχος ενισχυτής ονομάζεται μέιζερ. Η λέξη μέιζερ σχηματίζεται από τα αρχικά γράμματα των λέξεων της ακόλουθης φράσης: ενίσχυση μικροκυμάτων με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας - ενίσχυση μικροκυμάτων με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Εάν η συχνότητα μετάβασης ν αντιστοιχεί στο οπτικό εύρος, τότε ο ενισχυτής ονομάζεται λέιζερ. Η λέξη laser (Eng. laser) σχηματίζεται με παρόμοιο τρόπο, μόνο το αρχικό γράμμα "m", που προέρχεται από το πρώτο γράμμα της λέξης microwave, αντικαθίσταται από το γράμμα "l", που προέρχεται από τη λέξη φως ( φως).

Για να μετατρέψετε τον ενισχυτή σε γεννήτρια, είναι απαραίτητο να εισαγάγετε μια κατάλληλη θετική ανάδραση. Στην περιοχή μικροκυμάτων, αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση του ενεργού μέσου σε έναν συντονιστή κοιλότητας, ο οποίος έχει συντονισμό σε συχνότητα ν. Σε ένα λέιζερ, η ανάδραση συνήθως λαμβάνεται τοποθετώντας το ενεργό μέσο μεταξύ δύο κατόπτρων υψηλής ανακλαστικότητας (για παράδειγμα, μεταξύ κατόπτρων σε επίπεδα παράλληλα, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Ένα τέτοιο σύστημα κατόπτρων συνήθως ονομάζεται αντηχείο Fabry-Perot, ένα οπτικό αντηχείο ή ανοιχτό αντηχείο). Σε αυτή την περίπτωση, ένα επίπεδο ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται σε κατεύθυνση κάθετη στους καθρέφτες θα ανακλάται με τη σειρά τους από αυτά, ενισχύοντας με κάθε πέρασμα από το ενεργό μέσο. Εάν ένα από τα δύο κάτοπτρα είναι μερικώς διαφανές, τότε μπορεί να απομονωθεί μια δέσμη χρήσιμης ακτινοβολίας στην έξοδο του συστήματος.Ωστόσο, τόσο στα μέιζερ όσο και στα λέιζερ, η παραγωγή είναι δυνατή μόνο εάν ικανοποιείται μια συγκεκριμένη συνθήκη κατωφλίου. Για παράδειγμα, σε ένα λέιζερ, η παραγωγή ξεκινά όταν η ενίσχυση του ενεργού μέσου αντισταθμίζει τις απώλειες σε αυτό (ας πούμε, τις απώλειες λόγω της μερικής διαφυγής της ακτινοβολίας από τον συντονιστή μέσω του καθρέφτη). Σύμφωνα με την έκφραση (1.7), η ενίσχυση ακτινοβολίας ανά πέρασμα στο ενεργό μέσο (δηλ. ο λόγος της πυκνότητας ροής φωτονίων εξόδου και εισόδου) είναι ίση με exp[σ(N 2 - N 1)∙l], όπου l είναι το μήκος του ενεργού μέσου. Εάν οι απώλειες στον αντηχείο καθορίζονται μόνο από τη μετάδοση των κατόπτρων, τότε το κατώφλι παραγωγής θα επιτευχθεί όταν η κατάσταση

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1,9)

όπου R 1 και R 2 είναι οι συντελεστές ανάκλασης των κατόπτρων ως προς την ένταση. Αυτή η συνθήκη δείχνει ότι το κατώφλι επιτυγχάνεται όταν η αντιστροφή πληθυσμού πλησιάζει μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, που ονομάζεται κρίσιμη αναστροφή και ορίζεται από τη σχέση

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

Μόλις επιτευχθεί η κρίσιμη αναστροφή, η παραγωγή θα αναπτυχθεί από αυθόρμητη εκπομπή. Πράγματι, τα φωτόνια που εκπέμπονται αυθόρμητα κατά μήκος του άξονα του συντονιστή θα ενισχυθούν. Αυτός ο μηχανισμός βρίσκεται κάτω από τη γεννήτρια λέιζερ, που συνήθως ονομάζεται απλά λέιζερ. Ωστόσο, η λέξη λέιζερ χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε κάθε συσκευή που εκπέμπει διεγερμένη ακτινοβολία - είτε στο μακρινό είτε στο κοντινό υπέρυθρο, UV, ακόμη και ακτίνες Χ. Σε τέτοιες περιπτώσεις, θα μιλήσουμε για λέιζερ υπέρυθρων, υπεριωδών και ακτίνων Χ, αντίστοιχα. Σημειώστε επίσης ότι τα ονόματα των λέιζερ στερεάς κατάστασης, υγρού και αερίου καθορίζονται από την κατάσταση συσσωμάτωσης του ενεργού μέσου.

Κυκλώματα αντλιών

Ας εξετάσουμε το πρόβλημα του τρόπου με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί η αντιστροφή πληθυσμού σε ένα δεδομένο μέσο. Με την πρώτη ματιά, μπορεί να φαίνεται ότι μια αναστροφή θα μπορούσε να δημιουργηθεί από την αλληλεπίδραση ενός μέσου με ένα επαρκώς ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας v, που ορίζεται από την έκφραση (1.1). Δεδομένου ότι στο επίπεδο θερμοδυναμικής ισορροπίας 1 είναι πιο πυκνοκατοικημένο από το επίπεδο 2, η απορρόφηση υπερισχύει της διεγερμένης εκπομπής, δηλαδή, υπό τη δράση του προσπίπτοντος κύματος, συμβαίνουν περισσότερες 1-2 μεταβάσεις από τις μεταβάσεις 2-1, και μπορεί κανείς να ελπίζει ότι θα επιτύχει αντιστροφή πληθυσμού σε με αυτόν τον τρόπο. Ωστόσο, είναι εύκολο να δούμε ότι ένας τέτοιος μηχανισμός δεν θα λειτουργήσει (τουλάχιστον σε σταθερές συνθήκες). Όταν έρθουν οι συνθήκες που οι πληθυσμοί των επιπέδων αποδειχθούν οι ίδιοι (N 2 =N 1), οι διαδικασίες διεγερμένης εκπομπής και απορρόφησης θα αρχίσουν να αντισταθμίζουν η μία την άλλη και, σύμφωνα με το (1.7), το μέσο θα γίνει διαφανής. Σε μια τέτοια κατάσταση, συνήθως μιλάμε για κορεσμό δύο επιπέδων.

Ρύζι. 1.4. Κυκλώματα λέιζερ τριών επιπέδων (α) και τεσσάρων επιπέδων (β).

Έτσι, χρησιμοποιώντας μόνο δύο επίπεδα, είναι αδύνατο να επιτευχθεί αντιστροφή πληθυσμού. Φυσικά, τίθεται το ερώτημα: μπορεί αυτό να γίνει χρησιμοποιώντας περισσότερα από δύο επίπεδα από ένα απεριόριστο σύνολο καταστάσεων ενός δεδομένου ατομικού συστήματος; Θα δούμε ότι σε αυτή την περίπτωση η απάντηση θα είναι καταφατική και θα μπορούμε να μιλάμε για λέιζερ τριών και τεσσάρων επιπέδων, αντίστοιχα, ανάλογα με τον αριθμό των επιπέδων εργασίας (Εικ. 1.4). Σε ένα λέιζερ τριών επιπέδων (Εικ. 1.4, α), τα άτομα με κάποιο τρόπο μεταφέρονται από το κύριο επίπεδο 1 στο επίπεδο 3. Εάν επιλεγεί ένα μέσο στο οποίο ένα άτομο που βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση στο επίπεδο 3 περνά γρήγορα στο επίπεδο 2 , τότε σε ένα τέτοιο περιβάλλον είναι δυνατό να ληφθεί μια αντιστροφή πληθυσμού μεταξύ των επιπέδων 2 και 1. Σε ένα λέιζερ τεσσάρων επιπέδων (Εικ. 1.4,6), τα άτομα μεταφέρονται επίσης από το επίπεδο του εδάφους (για λόγους ευκολίας, θα το ονομάσουμε μηδέν) στο επίπεδο 3. Εάν μετά από αυτό τα άτομα περάσουν γρήγορα στο επίπεδο 2, τότε μεταξύ των επιπέδων 2 και 1, μπορεί να επιτευχθεί αντιστροφή πληθυσμού. Όταν λαμβάνει χώρα παραγωγή σε ένα τέτοιο λέιζερ τεσσάρων επιπέδων, τα άτομα στη διαδικασία διεγερμένης εκπομπής περνούν από το επίπεδο 2 στο επίπεδο 1. Επομένως, για τη συνεχή λειτουργία ενός λέιζερ τεσσάρων επιπέδων, είναι απαραίτητο τα σωματίδια που βρίσκονται στο επίπεδο 1 πηγαίνετε πολύ γρήγορα στο μηδενικό επίπεδο.

Δείξαμε πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν τρία ή τέσσερα ενεργειακά επίπεδα οποιουδήποτε συστήματος για να ληφθεί μια αντιστροφή πληθυσμού. Το εάν το σύστημα θα λειτουργήσει σε ένα σχήμα τριών ή τεσσάρων επιπέδων (και αν θα λειτουργήσει καθόλου!), Εξαρτάται από το πόσο καλά πληρούνται οι προϋποθέσεις που συζητήθηκαν παραπάνω. Μπορεί να προκύψει το ερώτημα: γιατί να χρησιμοποιήσετε ένα σχήμα τεσσάρων επιπέδων, εάν ήδη ένα τριών επιπέδων αποδεικνύεται πολύ αποτελεσματικό για τη λήψη αντιστροφής πληθυσμού; Ωστόσο, το γεγονός είναι ότι είναι πολύ πιο εύκολο να αποκτήσετε αναστροφή σε ένα λέιζερ τεσσάρων επιπέδων. Για να το δούμε αυτό, καταρχάς, σημειώνουμε ότι η διαφορά ενέργειας μεταξύ των επιπέδων εργασίας του λέιζερ (Εικ. 1.4) είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από kT και σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία Boltzmann [βλ., για παράδειγμα, τον τύπο (1.8) ], σχεδόν όλα τα άτομα σε θερμοδυναμική ισορροπία βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση. Αν τώρα υποδηλώσουμε τον αριθμό των ατόμων ανά μονάδα όγκου του μέσου ως Nt, τότε στην περίπτωση ενός συστήματος τριών επιπέδων, αυτά τα άτομα θα βρίσκονται αρχικά στο επίπεδο 1. Ας μεταφέρουμε τώρα τα άτομα από το επίπεδο 1 στο επίπεδο 3. Στη συνέχεια, από αυτό το επίπεδο τα άτομα θα χαλαρώσουν με μια μετάβαση σε ένα χαμηλότερο επίπεδο 2. Εάν αυτή η χαλάρωση συμβεί αρκετά γρήγορα, τότε το επίπεδο 3 παραμένει σχεδόν ακατοίκητο. Σε αυτήν την περίπτωση, για να γίνουν οι πληθυσμοί των επιπέδων 1 και 2 ίδιοι, τα μισά από τα άτομα Nt που βρίσκονται αρχικά στο επίπεδο του εδάφους πρέπει να μεταφερθούν στο επίπεδο 2. Η αντιστροφή πληθυσμού θα δημιουργηθεί από οποιοδήποτε άτομο που μεταφέρεται στο ανώτερο επίπεδο πέραν αυτού του μισού του συνολικού αριθμού ατόμων. Ωστόσο, σε ένα λέιζερ τεσσάρων επιπέδων, δεδομένου ότι το επίπεδο 1 ήταν επίσης αρχικά ακατοίκητο, κάθε άτομο που βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση θα συμβάλει στην αναστροφή του πληθυσμού. Αυτές οι απλές σκέψεις δείχνουν ότι, εάν είναι δυνατόν, θα πρέπει να αναζητήσετε ενεργά μέσα που λειτουργούν σύμφωνα με ένα σχήμα τεσσάρων επιπέδων. Για να επιτευχθεί μια αντιστροφή πληθυσμού, είναι φυσικά δυνατό να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερος αριθμός ενεργειακών επιπέδων.

Η διαδικασία με την οποία τα άτομα μεταφέρονται από το επίπεδο 1 στο επίπεδο 3 (σε ένα σχήμα λέιζερ τριών επιπέδων) ονομάζεται άντληση. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους αυτή η διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί στην πράξη, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ορισμένους τύπους λαμπτήρων που δίνουν ένα αρκετά έντονο κύμα φωτός ή μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης σε ενεργό μέσο.

Ιδιότητες ακτίνων λέιζερ

Η ακτινοβολία λέιζερ χαρακτηρίζεται από εξαιρετικά υψηλό βαθμό μονοχρωματικότητας, συνοχής, κατευθυντικότητας και φωτεινότητας. Σε αυτές τις ιδιότητες, μπορεί κανείς να προσθέσει τη δημιουργία παλμών φωτός μικρής διάρκειας. Αυτή η ιδιότητα είναι ίσως λιγότερο θεμελιώδης, αλλά παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. Ας εξετάσουμε τώρα αυτές τις ιδιότητες με περισσότερες λεπτομέρειες.

1.4.1. συνοχή.

Για οποιοδήποτε ηλεκτρομαγνητικό κύμα, μπορούν να οριστούν δύο ανεξάρτητες έννοιες συνοχής, δηλαδή η χωρική και η χρονική συνοχή. Για να προσδιορίσετε τη χωρική συνοχή, θεωρήστε δύο σημεία P 1 και P 2 , που επιλέχθηκαν με τέτοια συνθήκη ώστε τη χρονική στιγμή t = 0 ένα μέτωπο κύματος κάποιου ηλεκτρομαγνητικού κύματος να διέρχεται από αυτά, και έστω E 1 (t) και E 2 ( t) είναι τα αντίστοιχα ηλεκτρικά πεδία σε αυτά τα σημεία. Σύμφωνα με την συνθήκη μας, τη χρονική στιγμή t = 0, η διαφορά φάσης των ηλεκτρικών πεδίων σε αυτά τα σημεία είναι ίση με μηδέν. Εάν αυτή η διαφορά φάσης παραμένει μηδέν οποιαδήποτε στιγμή t > 0, τότε λέγεται ότι υπάρχει πλήρης συνοχή μεταξύ των δύο σημείων. Εάν μια τέτοια συνθήκη ικανοποιείται για οποιοδήποτε ζεύγος σημείων του μετώπου κύματος, τότε αυτό το κύμα χαρακτηρίζεται από πλήρη χωρική συνοχή. Για σχεδόν οποιοδήποτε σημείο P 1 , εάν έχουμε επαρκή συσχέτιση φάσης, το σημείο P 2 πρέπει να βρίσκεται μέσα σε κάποια πεπερασμένη περιοχή, συμπεριλαμβανομένου του σημείου P 1 . Σε αυτή την περίπτωση, το κύμα λέγεται ότι χαρακτηρίζεται από μερική χωρική συνοχή και για οποιοδήποτε σημείο P, η περιοχή συνοχής μπορεί να προσδιοριστεί ανάλογα.

Για να προσδιορίσετε τη χρονική συνοχή, θεωρήστε το ηλεκτρικό πεδίο του κύματος σε ένα δεδομένο σημείο P τις στιγμές t και t + τ. Εάν για ένα δεδομένο χρονικό διάστημα τ η διαφορά φάσης των ταλαντώσεων του πεδίου παραμένει η ίδια οποιαδήποτε στιγμή t, τότε λέγεται ότι υπάρχει χρονική συνοχή στο χρονικό διάστημα τ. Εάν αυτή η συνθήκη ικανοποιείται για οποιαδήποτε τιμή του τ, τότε το κύμα χαρακτηρίζεται από πλήρη χρονική συνοχή. Εάν αυτό συμβαίνει μόνο για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα t, έτσι ώστε το 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.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι έννοιες της χρονικής και χωρικής συνοχής είναι στην πραγματικότητα ανεξάρτητες μεταξύ τους. Πράγματι, μπορεί κανείς να δώσει παραδείγματα ενός κύματος που έχει πλήρη χωρική συνοχή αλλά μόνο μερική χρονική συνοχή, και το αντίστροφο. Οι έννοιες της χωρικής και χρονικής συνοχής περιγράφουν τη συνοχή λέιζερ μόνο στην πρώτη σειρά.

Προσανατολισμός

Αυτή η ιδιότητα είναι μια απλή συνέπεια του γεγονότος ότι το ενεργό μέσο τοποθετείται σε ένα αντηχείο, όπως το επίπεδο-παράλληλο αντηχείο που φαίνεται στο Σχ. 1.3. Σε έναν τέτοιο συντονιστή, μπορούν να υποστηριχθούν μόνο τέτοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται κατά μήκος του άξονα του συντονιστή ή σε μια κατεύθυνση πολύ κοντά στον άξονα. Για μια βαθύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων κατευθυντικότητας των ακτίνων λέιζερ (ή, γενικά, οποιουδήποτε ηλεκτρομαγνητικού κύματος), είναι βολικό να εξεταστούν χωριστά οι περιπτώσεις όπου η δέσμη έχει πλήρη χωρική συνοχή και όταν έχει μερική χωρική συνοχή.

Σκεφτείτε πρώτα μια δοκό με πλήρη χωρική συνοχή. Ακόμη και σε αυτή την περίπτωση, μια δέσμη με πεπερασμένο άνοιγμα αναπόφευκτα αποκλίνει λόγω της περίθλασης. Αφήστε μια δέσμη με σταθερή ένταση και ένα επίπεδο μέτωπο κύματος να προσπίπτει σε μια οθόνη με μια τρύπα διαμέτρου D. Σύμφωνα με την αρχή του Huygens, ένα μέτωπο κύματος σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο P πίσω από την οθόνη μπορεί να ληφθεί με υπέρθεση στοιχειωδών κυμάτων που εκπέμπονται από κάθε σημείο της τρύπας. Λόγω του πεπερασμένου μεγέθους D της οπής, η δοκός έχει πεπερασμένη απόκλιση θ. Η τιμή του μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τη θεωρία της περίθλασης. Για μια αυθαίρετη κατανομή πλάτους, έχουμε

θ=βλ/D (1.11)

εδώ λ είναι το μήκος κύματος και D η διάμετρος της δέσμης. Το β είναι ένας αριθμητικός συντελεστής της τάξης της μονάδας, η τιμή του οποίου εξαρτάται από το σχήμα της κατανομής του πλάτους και τη μέθοδο με την οποία προσδιορίζονται η απόκλιση και η διάμετρος της δέσμης (για μια δοκό με κατανομή έντασης Gauss στη διατομή, που σχηματίζεται σε αντηχείο μονής λειτουργίας, β=0,61). Μια δέσμη της οποίας η απόκλιση περιγράφεται από την έκφραση (1.11) ονομάζεται περιορισμένη περίθλαση. Εάν το κύμα έχει μερική χωρική συνοχή, τότε η απόκλιση του θα είναι μεγαλύτερη από την ελάχιστη τιμή απόκλισης λόγω της περίθλασης. Κάτω από κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας, η δέσμη εξόδου λέιζερ μπορεί να περιοριστεί σε περίθλαση.

Λάμψη

Ας ορίσουμε τη φωτεινότητα οποιασδήποτε πηγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ως την ισχύ της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια μονάδα επιφάνειας της πηγής σε μια μονάδα στερεάς γωνίας. Πιο συγκεκριμένα, λάβετε υπόψη το στοιχείο εμβαδού dS της επιφάνειας της πηγής στο σημείο O (Εικ. 1.7). Στη συνέχεια, η ισχύς dP που ακτινοβολείται από το επιφανειακό στοιχείο dS στη στερεά γωνία dΩ προς την κατεύθυνση 00" μπορεί να γραφτεί ως εξής:

dP = BcosθdSdΩ (1,12)

εδώ θ είναι η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης 00 "και της κανονικής προς την επιφάνεια. Η τιμή του Β εξαρτάται, κατά κανόνα, από τις πολικές συντεταγμένες θ και φ, δηλαδή από την κατεύθυνση 00" και από τη θέση του σημείου Ο. Αυτό τιμή Β ονομάζεται η φωτεινότητα της πηγής στο σημείο Ο προς την κατεύθυνση 00".

Η φωτεινότητα ενός λέιζερ ακόμη και χαμηλής ισχύος (για παράδειγμα, πολλών milliwatts) υπερβαίνει τη φωτεινότητα των συμβατικών πηγών κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Αυτή η ιδιότητα οφείλεται κυρίως στην υψηλή κατευθυντικότητα της δέσμης λέιζερ.

σύντομους παλμούς

Χρησιμοποιώντας μια ειδική τεχνική που ονομάζεται κλείδωμα λειτουργίας, είναι δυνατό να ληφθούν παλμοί φωτός των οποίων η διάρκεια είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη με το πλάτος της γραμμής μετάβασης 2-1. Για παράδειγμα, σε λέιζερ αερίου, των οποίων το πλάτος γραμμής ενίσχυσης είναι σχετικά στενό, είναι δυνατό να ληφθούν παλμοί ακτινοβολίας με διάρκεια -¦ 0,1 - 1 ns. Τέτοιοι παλμοί δεν θεωρούνται πολύ σύντομοι, καθώς ακόμη και ορισμένοι λαμπτήρες φλας είναι ικανοί να εκπέμπουν παλμούς φωτός με διάρκεια μικρότερη από 1 ns. Ωστόσο, για λέιζερ στερεάς κατάστασης ή υγρού, τα πλάτη γραμμής ενίσχυσης μπορεί να είναι 103±105 φορές μεγαλύτερα από τα λέιζερ αερίου και επομένως οι παλμοί που δημιουργούνται από αυτά αποδεικνύονται πολύ μικρότεροι (από 1 ps έως ~5 fs). Η απόκτηση τέτοιων σύντομων παλμών φωτός έχει οδηγήσει σε νέες δυνατότητες στην έρευνα με λέιζερ και στις εφαρμογές του.

Η ιδιότητα της δημιουργίας σύντομων παλμών, που συνεπάγεται τη συγκέντρωση ενέργειας με την πάροδο του χρόνου, είναι κατά κάποια έννοια ανάλογη με την ιδιότητα της μονοχρωματικότητας, που σημαίνει τη συγκέντρωση ενέργειας σε ένα στενό εύρος μηκών κύματος. Ωστόσο, η δημιουργία σύντομων παλμών φαίνεται να είναι λιγότερο θεμελιώδης ιδιότητα από τη μονοχρωματικότητα. Ενώ κάθε λέιζερ μπορεί κατ' αρχήν να κατασκευαστεί για να παράγει επαρκώς μονοχρωματική ακτινοβολία, οι σύντομοι παλμοί μπορούν να ληφθούν μόνο από λέιζερ με ευρεία γραμμή εκπομπής, δηλαδή, στην πράξη, μόνο από λέιζερ στερεάς κατάστασης ή υγρού. Τα λέιζερ αερίου, τα οποία έχουν στενότερες γραμμές απολαβής, είναι τα καταλληλότερα για την παραγωγή εξαιρετικά μονοχρωματικής ακτινοβολίας.

Πλάτος γραμμής.

Ομοιόμορφη επέκταση.

Οποιεσδήποτε διεργασίες που μειώνουν τη διάρκεια ζωής των σωματιδίων σε επίπεδα οδηγούν σε διεύρυνση των γραμμών των αντίστοιχων μεταπτώσεων. Πράγματι, ο προσδιορισμός της ενέργειας μιας κατάστασης θα πρέπει να πραγματοποιείται για χρόνο που δεν υπερβαίνει τη διάρκεια ζωής σε αυτήν την κατάσταση t. Και στη συνέχεια η ανακρίβεια προσδιορισμού της ενέργειας σύμφωνα με τη σχέση αβεβαιότητας "ενέργεια - χρόνος"

ΔΕΔt ≥ ђ (1,13)

δεν μπορεί να είναι μικρότερο από ђ /τ. Η αβεβαιότητα της ενέργειας της κατάστασης οδηγεί στην αβεβαιότητα της συχνότητας μετάβασης ίση με 1/2πτ. Η σταθερά χρόνου τ είναι ένα μέτρο του χρόνου που απαιτείται για το διεγερμένο σύστημα να απελευθερώσει την ενέργειά του. Η τιμή του m καθορίζεται από τους ρυθμούς της αυθόρμητης εκπομπής και των μεταπτώσεων χαλάρωσης μη ακτινοβολίας.

Ελλείψει εξωτερικών επιρροών, η αυθόρμητη εκπομπή καθορίζει τη διάρκεια ζωής της κατάστασης. Επομένως, το μικρότερο δυνατό, το λεγόμενο φυσικό πλάτος γραμμής Δν 0 προσδιορίζεται από την πιθανότητα αυθόρμητης μετάβασης Α:

Δν 0 \u003d A / 2π (1,14)

Το φυσικό πλάτος τείνει να είναι σημαντικό μόνο σε πολύ υψηλές συχνότητες. (Α~ν 3) και για καλώς επιτρεπόμενες μεταβάσεις. Συνήθως, η επίδραση της αυθόρμητης εκπομπής στο πλάτος γραμμής μπορεί να παραμεληθεί, καθώς υπό πραγματικές συνθήκες οι μεταβάσεις χαλάρωσης μειώνουν τη διάρκεια ζωής πιο αποτελεσματικά.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, σε συστήματα με διακριτά επίπεδα ενέργειας, εκτός από τις επαγόμενες και αυθόρμητες μεταβάσεις, σημαντικό ρόλο παίζουν και οι μη ακτινοβολούμενες μεταβάσεις χαλάρωσης. Αυτές οι μεταβάσεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ενός κβαντικού σωματιδίου και του περιβάλλοντος του. Ο μηχανισμός των διαδικασιών αυτών των αλληλεπιδράσεων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο ενός συγκεκριμένου συστήματος. Αυτή μπορεί να είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ του ιόντος και του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτά μπορεί να είναι συγκρούσεις μεταξύ μορίων αερίου ή υγρού κ.λπ. Τελικά, το αποτέλεσμα της δράσης των διεργασιών χαλάρωσης είναι η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του υποσυστήματος των υπό εξέταση σωματιδίων και οι θερμικές κινήσεις σε ολόκληρο το σύστημα ως σύνολο, οδηγώντας σε θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ τους.

Συνήθως, συμβολίζεται ο χρόνος ισορροπίας, η διάρκεια ζωής ενός σωματιδίου σε ένα επίπεδο Τ 1 και ονομάζεται χρόνος διαμήκους χαλάρωσης. Αυτή η ορολογία αντιστοιχεί στην παράδοση που καθιερώθηκε στη μελέτη των φαινομένων του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) και του παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων (EPR). Η διαμήκης χαλάρωση αντιστοιχεί στην κίνηση του διανύσματος μαγνήτισης υψηλής συχνότητας του συστήματος των σωματιδίων κατά την κατεύθυνση του εξωτερικού σταθερού μαγνητικού πεδίου. Υπάρχει και εγκάρσιος χρόνος χαλάρωσης T 2,που αντιστοιχεί στην κίνηση του διανύσματος μαγνήτισης σε επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση του εξωτερικού σταθερού πεδίου.

χρόνος ΤΤο 2 είναι ένα μέτρο του χρόνου κατά τον οποίο τα σωματίδια αποκτούν φάσεις τυχαίες μεταξύ τους. Κάθε διαδικασία που συμβάλλει κατά τη διάρκεια της χαλάρωσης Τ 2δηλ. οποιαδήποτε διαδικασία απώλειας ενέργειας από σωματίδια οδηγεί στην απώλεια μιας φάσης. Επομένως, Τ 2< Т 1 . Από τον καιρό Τ 2είναι ο συντομότερος χρόνος χαλάρωσης, είναι αυτός που καθορίζει το πλάτος της γραμμής μετάβασης. Το πεπερασμένο της διάρκειας ζωής ενός σωματιδίου σε διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση οδηγεί σε διεύρυνση των ενεργειακών επιπέδων. Η ακτινοβολία από διευρυμένα επίπεδα αποκτά φασματικό πλάτος. Ο πιο γενικός, θεμελιώδης μηχανισμός που περιορίζει από πάνω τη διάρκεια ζωής ενός σωματιδίου σε διεγερμένο επίπεδο είναι η αυθόρμητη εκπομπή, η οποία, επομένως, θα πρέπει να έχει ένα φασματικό πλάτος που αντιστοιχεί στον ρυθμό των γεγονότων αυθόρμητης διάσπασης.

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική καθιστά δυνατό τον υπολογισμό της φασματικής κατανομής των κβάντων αυθόρμητης εκπομπής που προέρχονται από ένα επίπεδο πλάτους

ΔΕ = ђ /τ 0 . (1.15)

Το περίγραμμα της γραμμής αυθόρμητης εκπομπής αποδεικνύεται ότι έχει το λεγόμενο σχήμα Lorentz με πλάτος

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

Το Lorentzian σχήμα μιας γραμμής καθορίζεται από τον παράγοντα μορφής

q(ν) (1.17)

και έχει τη μορφή καμπύλης συντονισμού με μέγιστο σε συχνότητα ν =ν 0 , που πέφτει στο επίπεδο της μισής τιμής κορυφής στις συχνότητες ν=ν 0 ±Δν l /2. Προφανώς, το πλήρες πλάτος της καμπύλης στο μισό της μέγιστης τιμής είναι Δν l.

Αν λάβουμε υπόψη την πιθανότητα αυθόρμητης αποσύνθεσης όχι μόνο του ανώτερου από τα δύο θεωρούμενα επίπεδα ενέργειας, αλλά και του κατώτερου, όταν το κατώτερο επίπεδο δεν είναι το κύριο, τότε στο Δν l, που περιλαμβάνεται στον τύπο ( 1.17), θα πρέπει να κατανοήσουμε την τιμή που καθορίζεται από το άθροισμα των ρυθμών αποσύνθεσης αυτών των επιπέδων

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

Η διεύρυνση της γραμμής λόγω της πεπερασμένης διάρκειας ζωής των καταστάσεων που σχετίζονται με την εξεταζόμενη μετάβαση ονομάζεται ομοιογενής. Κάθε άτομο στην αντίστοιχη κατάσταση ακτινοβολεί μια γραμμή με συνολικό πλάτος Δν l και φασματικό σχήμα κατά τη μετάβαση από πάνω προς τα κάτω q(ν).Ομοίως, κάθε άτομο, που βρίσκεται στην αντίστοιχη κατώτερη κατάσταση, απορροφά ακτινοβολία στο φάσμα με το συνολικό πλάτος Δν l και σύμφωνα με τη φασματική εξάρτηση q(ν) κατά τη μετάβαση από κάτω προς τα πάνω. Είναι αδύνατο να αποδοθεί κάποιο συγκεκριμένο φασματικό συστατικό στο φάσμα q(ν) σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο άτομο. Στην περίπτωση της ομοιόμορφης διεύρυνσης, ανεξάρτητα από τη φύση της, η φασματική εξάρτηση q(ν) είναι ένα ενιαίο φασματικό χαρακτηριστικό τόσο του ενός ατόμου όσο και ολόκληρου του συνόλου των ατόμων. Μια αλλαγή σε αυτό το χαρακτηριστικό, που είναι καταρχήν δυνατή με τη μία ή την άλλη δράση σε ένα σύνολο ατόμων, συμβαίνει ταυτόχρονα και με τον ίδιο τρόπο για όλα τα άτομα του συνόλου.

Παραδείγματα ομοιόμορφης διεύρυνσης είναι το φυσικό πλάτος γραμμής και η διεύρυνση λόγω σύγκρουσης στα αέρια.

ανομοιογενής διαστολή.

Οι πειραματικά παρατηρούμενες φασματικές γραμμές μπορεί να είναι μια άνευ δομής υπέρθεση πολλών φασματικά μη επιλύσιμων ομοιόμορφα διευρυμένων γραμμών. Σε αυτές τις περιπτώσεις, κάθε σωματίδιο δεν εκπέμπει ούτε απορροφά εντός των ορίων ολόκληρης της πειραματικά παρατηρούμενης γραμμής. Μια τέτοια φασματική γραμμή ονομάζεται ανομοιογενώς διευρυμένη. Ο λόγος για την ανομοιογενή διεύρυνση μπορεί να είναι οποιαδήποτε διεργασία που οδηγεί σε διαφορά στις συνθήκες εκπομπής (απορρόφησης) για ορισμένα από τα ίδια άτομα του συνόλου των σωματιδίων υπό μελέτη ή η παρουσία στο σύνολο ατόμων με παρόμοιο αλλά διαφορετικό φάσμα ιδιότητες (υπερλεπτή δομή του ενός ή του άλλου είδους), ομοιόμορφα διευρυμένες φασματικές γραμμές που επικαλύπτονται μόνο εν μέρει. Ο όρος "ανομοιογενής διεύρυνση" προήλθε από τη φασματοσκοπία NMR, στην οποία αυτός ο τύπος διεύρυνσης οφειλόταν στην ανομοιογένεια του εξωτερικού μαγνητιστικού πεδίου εντός του υπό μελέτη δείγματος.

Ένα κλασικό παράδειγμα ανομοιογενούς διεύρυνσης είναι η διεύρυνση Doppler, η οποία είναι χαρακτηριστική των αερίων σε χαμηλές πιέσεις και (ή) υψηλές συχνότητες.

Τα άτομα (μόρια, ιόντα) ενός αερίου βρίσκονται σε θερμική κίνηση. Το φαινόμενο Doppler πρώτης τάξης οδηγεί σε μια μετατόπιση της συχνότητας ακτινοβολίας των σωματιδίων που πετούν στον παρατηρητή με ταχύτητα και,με την τιμή ν 0 u/с, όπου ν 0 είναι η συχνότητα ακτινοβολίας του σωματιδίου σε ηρεμία και c είναι η ταχύτητα του φωτός. Η φυσική διεύρυνση μετατρέπει την ακτινοβολία στη συχνότητα ν 0 σε φασματική γραμμή, αλλά αυτή η διεύρυνση είναι ομοιογενής και η μετατόπιση συχνότητας ν 0 είναιδοκιμάζοντας ολόκληρη τη γραμμή. Δεδομένου ότι τα σωματίδια αερίου κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, οι μετατοπίσεις συχνότητας της ακτινοβολίας τους είναι διαφορετικές και το συνολικό σχήμα της γραμμής αερίου στο σύνολό της καθορίζεται από την κατανομή της ταχύτητας των σωματιδίων. Το τελευταίο ισχύει, αυστηρά, εάν το φυσικό εύρος γραμμής είναι πολύ στενότερο από τις μετατοπίσεις συχνότητας Doppler, κάτι που, κατά κανόνα, συμβαίνει. Στη συνέχεια, αν συμβολίζεται με p(u)συνάρτηση κατανομής ταχύτητας σωματιδίων, ο παράγοντας μορφής της γραμμής Doppler q(ν) αποδεικνύεται ότι σχετίζεται με p(u)απλή αναλογία:

ν = ν 0 (1+u/s ) ). (1.20)

Ως εκ τούτου, u = γ(ν - ν 0 )/ ν 0 και du = c dν . Με τη Μαξγουελιανή κατανομή ταχύτητας των σωματιδίων

(1.21)

πού είναι η μέση θερμική ταχύτητα

Εδώ κείναι η σταθερά Boltzmann, Τ- θερμοκρασία αερίου, tείναι η μάζα ενός ατόμου (μορίου) ενός αερίου. Συνδυάζοντας (1.20) και (1.21), είναι εύκολο να το αποκτήσετε q(ν)όπως και

, (1.22)

όπου Δν T =ν 0 u 0 /c είναι το πλάτος της φασματικής γραμμής.

Μια γραμμή της οποίας το σχήμα καθορίζεται από τον παράγοντα μορφής (1.22) ονομάζεται διευρυμένη γραμμή Doppler. Το σχήμα του περιγράφεται από τη συνάρτηση Gauss και είναι συμμετρικό ως προς την κεντρική συχνότητα ν 0 . Καμπύλη αποσύνθεσης q(ν)(1.22) για ισχυρό αποσυντονισμό από το ν 0 συμβαίνει πολύ πιο απότομα από ό,τι στην περίπτωση του περιγράμματος Lorentzian της γραμμής (1.17). Κοντά στην κεντρική συχνότητα, η καμπύλη Gauss είναι πιο επίπεδη. Προφανώς το πλάτος του καθορίζεται από την παράμετρο Δν T . Όταν απομακρύνεστε από το κέντρο της καμπύλης κατά Δν T, η ένταση πέφτει μιμια φορά.

AIG-Nd-λέιζερ.

Ρύζι. 2.1. Ενεργές μεταβάσεις λέιζερ σε κρύσταλλο YAG - Nd.

α - σύστημα ενεργειακών επιπέδων. β - εξάρτηση της έντασης της φωταύγειας (σε αυθαίρετες μονάδες) από το μήκος κύματος.

Το λέιζερ YAG-Nd ανήκει στα λέιζερ στερεάς κατάστασης με οπτική άντληση. Οι δραστικές στο λέιζερ ουσίες είναι συνθετικοί κρύσταλλοι γρανάτη υττρίου-αλουμινίου (Y 3 Al 5 O 12) που περιέχουν ιόντα Nd 3+ σε συγκέντρωση όγκου περίπου 1,5%. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις είναι αδύνατες λόγω της διαφοράς στις ακτίνες των ιόντων Nd 3+ και Y 3+. Οι κρύσταλλοι YAG έχουν κυβικό πλέγμα και επομένως είναι οπτικά ισότροποι. Στο σχ. 2.1, το a δείχνει ένα διάγραμμα των ενεργειακών επιπέδων του ιόντος Nd 3+ που βρίσκεται στο ηλεκτρικό πεδίο του κρυστάλλου. Από την αριστερή πλευρά του Σχ. 2.1, αλλά φαίνεται ότι το κύκλωμα αναφέρεται σε λέιζερ τεσσάρων επιπέδων.

Τα επίπεδα 4 F 3/2 και 4 I 11/2 παίζουν το ρόλο του ανώτερου και του κατώτερου επιπέδου λέιζερ. Πάνω από το επίπεδο 4 F 3/2, υπάρχει μια ολόκληρη σειρά επιπέδων αντλίας ή ζωνών αντλίας, από τις οποίες τα διεγερμένα ιόντα περνούν γρήγορα στο ανώτερο επίπεδο λέιζερ λόγω αλληλεπίδρασης με το πλέγμα. Το χαμηλότερο επίπεδο λέιζερ είναι πάνω από το επίπεδο του εδάφους κατά μια ενεργειακή τιμή πολύ μεγαλύτερη από kT. Επομένως, σε θερμική ισορροπία, αυτό το επίπεδο είναι σχεδόν ακατοίκητο. Τα επίπεδα 4 F 3/2 και 4 I 11/2 χωρίζονται στο κρυσταλλικό πεδίο, με αποτέλεσμα πολλές από τις μεταβάσεις που φαίνονται στη δεξιά πλευρά του Σχ. 2 να είναι δυνατές. 2.1. (Οι αντίστοιχες διασπάσεις άλλων επιπέδων δεν φαίνονται.) Η πιο έντονη μετάβαση παρατηρείται στα 1,0641 μm. Η διατομή αυτής της μετάβασης είναι 8,8-10~23 m2, η διάρκεια ζωής της ακτινοβολίας του ανώτερου επιπέδου είναι 230 μs και η απόδοση φωταύγειας είναι 0,995. Σε θερμοκρασία δωματίου, οι μεταβάσεις διευρύνονται ομοιογενώς ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με τους κραδασμούς του πλέγματος. Λόγω της κανονικότητας της κρυσταλλικής δομής, η ανομοιογενής διεύρυνση είναι αμελητέα μικρή, ενώ σε συστήματα που βασίζονται σε γυαλιά νεοδυμίου κυριαρχεί. Η κύρια μετάβαση λέιζερ έχει εύρος γραμμής Δν≈120 GHz. Ένας λαμπτήρας τόξου κρυπτονίου είναι ο πλέον κατάλληλος για την άντληση ενός λέιζερ YAG-Nd, καθώς οι ζώνες εκπομπής του είναι σε καλή συμφωνία με τα επίπεδα της αντλίας. Στο σχ. Το 2.2 δείχνει το κύκλωμα της αντλίας. Η άντληση πραγματοποιείται σε διπλό ελλειπτικό ανακλαστήρα κατασκευασμένο από υλικό με υψηλή ανακλαστικότητα. Η κυλινδρική ράβδος YAG βρίσκεται σε κοινή εστιακή γραμμή. Και οι δύο λάμπες κρυπτών τοποθετούνται στις άλλες δύο εστιακές γραμμές. Για την ψύξη του συστήματος, η ράβδος και οι λαμπτήρες πλένονται με ρεύμα νερού. Λόγω της καλής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού και των ιδιοτήτων χαλάρωσής του, καθώς και λόγω της αποτελεσματικής ψύξης, το λέιζερ YAG μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλή ισχύ ακτινοβολίας (έως 102 W) σε συνεχή λειτουργία ή σε υψηλούς ρυθμούς επανάληψης παλμών (έως περίπου 100 Hz) και με ενέργειες σε ώθηση από 0,1 έως 1 J.

Ο κρύσταλλος YAG έχει υψηλό δείκτη διάθλασης (n(1,064 μm) = 1,818). Επομένως, στις ακραίες επιφάνειες εμφανίζεται μάλλον ισχυρή ανάκλαση Fresnel της ακτινοβολίας λέιζερ. Μπορεί να μειωθεί σημαντικά με διηλεκτρική επίστρωση ή με λοξότμηση των ράβδων στη γωνία Brewster. Ωστόσο, αυτές οι απώλειες πρέπει συχνά να γίνονται ανεκτές, κάτι που είναι αποδεκτό λόγω της μεγάλης ενίσχυσης στην ουσία. Αλλά τότε είναι απαραίτητο να γυαλίσετε τις ακραίες επιφάνειες σε μια μικρή γωνία κλίσης μεταξύ τους (τουλάχιστον περίπου 1°) έτσι ώστε να μην σχηματίσουν αντηχείο λέιζερ ή δευτερεύοντα αντηχείο μέσα στον κύριο αντηχείο.

Ρύζι. 2.2. Μονάδα άντλησης με διπλό ελλειπτικό ανακλαστήρα. 1 - λαμπτήρες? 2 - YAG - Nd-rod; 3 - ανακλαστήρας? 4 - υδρόψυξη.

Διάφορες μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη δημιουργία υπερμικρών παλμών φωτός με το λέιζερ YAG:Nd. Για ένα λέιζερ με συνεχή άντληση, χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος κλειδώματος ενεργού τρόπου λειτουργίας με τη χρήση ακουστικο-οπτικών ή ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών. Στην περίπτωση ενός YAG: λέιζερ Nd με παλμική άντληση, ο παθητικός συγχρονισμός χρησιμοποιείται συχνότερα για τη δημιουργία ενός τέτοιου καθεστώτος στο οποίο το λέιζερ εκπέμπει μια σειρά υπερμικρών παλμών. YAG: CW και παλμικά λέιζερ Nd συχνά χρησιμεύουν ως πηγές φωτός για τη δημιουργία υψηλότερων αρμονικών, καθώς και για την παραμετρική παραγωγή.

Λέιζερ βαφής

Οι οργανικές βαφές σε διάλυμα χαρακτηρίζονται από διατομές υψηλής απορρόφησης και εκπομπής και ευρείες ζώνες. Είναι κατάλληλες ως δραστικές ουσίες για συντονίσιμα λέιζερ μήκους κύματος.

Τα επίπεδα δόνησης υπερτίθενται σε συστήματα ηλεκτρονικών επιπέδων απλής και τριπλής. Λόγω του μεγάλου αριθμού δονητικών βαθμών ελευθερίας και της ισχυρής γραμμής που διευρύνεται στα υγρά, οι μεμονωμένες δονητικές μεταπτώσεις παραμένουν ως επί το πλείστον εντελώς άλυτες, έτσι ώστε να προκύπτει μια ομοιογενής φασματική ζώνη.

Το λέιζερ βαφής περιγράφεται συνήθως ως λέιζερ τεσσάρων επιπέδων. Υπό τη δράση του φωτός της αντλίας, πραγματοποιούνται μεταβάσεις σε διεγερμένα επίπεδα δόνησης της κατάστασης S 1 σύμφωνα με την αρχή Franck-Condon. Η δονητική απενεργοποίηση της κατάστασης S 1 συμβαίνει εξαιρετικά γρήγορα (~ 10 -13 s), λόγω της οποίας τα μόρια συλλέγονται στο κάτω άκρο του συστήματος επιπέδου S 1.

Το λέιζερ είναι μια γεννήτρια οπτικών κυμάτων που χρησιμοποιεί την ενέργεια επαγόμενων ακτινοβολούμενων ατόμων ή μορίων σε μέσα με αντίστροφο πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων, τα οποία έχουν την ιδιότητα να ενισχύουν το φως συγκεκριμένων μηκών κύματος. Για την επανειλημμένη ενίσχυση του φωτός, χρησιμοποιείται ένας οπτικός συντονιστής, ο οποίος αποτελείται από 2 καθρέφτες. Λόγω διαφόρων μεθόδων άντλησης, δημιουργείται ένα ενεργό μέσο στο ενεργό στοιχείο.

Εικόνα 1 - Σχέδιο της συσκευής λέιζερ

Λόγω των παραπάνω συνθηκών, δημιουργείται ένα φάσμα στο λέιζερ, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 2 (ο αριθμός των τρόπων λειτουργίας λέιζερ ελέγχεται από το μήκος της κοιλότητας):

Εικόνα 2 - Φάσμα διαμήκων τρόπων λέιζερ

Τα λέιζερ έχουν υψηλό βαθμό μονοχρωματικότητας, υψηλό βαθμό κατευθυντικότητας και πόλωση της ακτινοβολίας με σημαντική ένταση και φωτεινότητα, υψηλό βαθμό χρονικής και χωρικής συνοχής, μπορούν να συντονιστούν σε μήκος κύματος, μπορούν να εκπέμψουν παλμούς φωτός μικρής διάρκειας ρεκόρ, σε αντίθεση σε πηγές θερμικού φωτός.

Καθ' όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης των τεχνολογιών λέιζερ, έχει δημιουργηθεί ένας μεγάλος κατάλογος λέιζερ και συστημάτων λέιζερ που ανταποκρίνονται στις ανάγκες της τεχνολογίας λέιζερ, συμπεριλαμβανομένης της βιοτεχνολογίας, με τα χαρακτηριστικά τους. Λόγω της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού των βιολογικών συστημάτων, η σημαντική ποικιλομορφία στη φύση της αλληλεπίδρασής τους με το φως καθορίζει την ανάγκη χρήσης πολλών τύπων συσκευών λέιζερ στη φωτοβιολογία και επίσης τονώνει την ανάπτυξη νέων εργαλείων λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων των μέσων παροχής ακτινοβολία λέιζερ στο αντικείμενο μελέτης ή έκθεσης.

Όπως το συνηθισμένο φως, η ακτινοβολία λέιζερ αντανακλάται, απορροφάται, εκπέμπεται εκ νέου και διασκορπίζεται από το βιολογικό περιβάλλον. Όλες αυτές οι διαδικασίες μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τη μικρο- και μακροδομή του αντικειμένου, την κίνηση και το σχήμα των επιμέρους τμημάτων του.

Η μονοχρωματικότητα είναι μια υψηλή φασματική πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας λέιζερ, ή μια σημαντική χρονική συνοχή της ακτινοβολίας, παρέχει: φασματική ανάλυση με ανάλυση αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή των παραδοσιακών φασματόμετρων. υψηλός βαθμός επιλεκτικότητας διέγερσης ενός συγκεκριμένου είδους μορίων στο μείγμα τους, ο οποίος είναι απαραίτητος για τις βιοτεχνολογίες· εφαρμογή συμβολομετρικών και ολογραφικών μεθόδων για τη διάγνωση βιολογικών αντικειμένων.

Λόγω του γεγονότος ότι οι ακτίνες λέιζερ είναι σχεδόν παράλληλες, με την αύξηση της απόστασης, η δέσμη φωτός αυξάνεται ελαφρώς σε διάμετρο. Οι αναφερόμενες ιδιότητες της δέσμης λέιζερ καθιστούν δυνατή την επιλεκτική δράση σε διάφορα μέρη του βιολογικού ιστού, δημιουργώντας μια μεγάλη πυκνότητα ενέργειας ή ισχύος σε ένα μικρό σημείο.

Τα συστήματα λέιζερ χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες:

1) Λέιζερ με υψηλή ισχύ σε νεοδύμιο, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα, αργό, ρουμπίνι, ατμούς μετάλλων κ.λπ.

2) Λέιζερ με ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας (ήλιο-κάδμιο, ήλιο-νέον, άζωτο, βαφή κ.λπ.), τα οποία δεν έχουν έντονη θερμική επίδραση στους ιστούς του σώματος.

Επί του παρόντος, υπάρχουν συστήματα λέιζερ που παράγουν ακτινοβολία στις υπεριώδεις, ορατές και υπέρυθρες περιοχές του φάσματος. Τα βιολογικά αποτελέσματα που προκαλούνται από την ακτινοβολία λέιζερ εξαρτώνται από το μήκος κύματος και τη δόση της ακτινοβολίας φωτός.

Στην οφθαλμολογία, χρησιμοποιούν συχνά: λέιζερ excimer (με μήκος κύματος 193 nm). αργό (488 nm και 514 nm); κρυπτόν (568 nm και 647 nm); Λέιζερ ηλίου-νέον (630 nm); δίοδος (810 nm); Λέιζερ ND:YAG με διπλασιασμό συχνότητας (532 nm), καθώς και παραγωγή σε μήκος κύματος 1,06 microns. Λέιζερ 10-CO2 (10,6 μm). Το εύρος της ακτινοβολίας λέιζερ στην οφθαλμολογία καθορίζει το μήκος κύματος.

Οι εγκαταστάσεις λέιζερ παίρνουν τα ονόματά τους σύμφωνα με το ενεργό μέσο και μια πιο λεπτομερής ταξινόμηση περιλαμβάνει λέιζερ στερεάς κατάστασης, αερίου, ημιαγωγών, υγρών λέιζερ και άλλα. Ο κατάλογος των λέιζερ στερεάς κατάστασης περιλαμβάνει: νεοδύμιο, ρουμπίνι, αλεξανδρίτη, έρβιο, χόλμιο. αέριο περιλαμβάνουν: αργό, excimer, ατμούς χαλκού. σε υγρά: λέιζερ που λειτουργούν σε διαλύματα βαφής και άλλα.

Η επανάσταση έγινε από τα εμφανιζόμενα λέιζερ ημιαγωγών λόγω της αποτελεσματικότητάς τους λόγω υψηλής απόδοσης (έως 60 - 80% σε αντίθεση με 10-30% με τα παραδοσιακά), μικρού μεγέθους και αξιοπιστίας. Ταυτόχρονα, άλλοι τύποι λέιζερ συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται ευρέως.

Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες για τη χρήση λέιζερ είναι το χαρακτηριστικό τους που επιτρέπει το σχηματισμό ενός μοτίβου κηλίδων όταν η συνεκτική ακτινοβολία ανακλάται από την επιφάνεια ενός αντικειμένου. Το φως που διαχέεται από την επιφάνεια αποτελείται από τυχαία διατεταγμένα φωτεινά και σκοτεινά σημεία - κηλίδες. Το μοτίβο κηλίδων σχηματίζεται με βάση σύνθετες παρεμβολές δευτερευόντων κυμάτων από μικρά κέντρα σκέδασης που βρίσκονται στην επιφάνεια του υπό μελέτη αντικειμένου. Λόγω του γεγονότος ότι η συντριπτική πλειοψηφία των υπό μελέτη βιολογικών αντικειμένων έχουν τραχιά επιφάνεια και οπτική ανομοιογένεια, σχηματίζουν πάντα ένα μοτίβο κηλίδων και έτσι εισάγουν παραμορφώσεις στα τελικά αποτελέσματα της μελέτης. Με τη σειρά του, το πεδίο στίγματος περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες της υπό μελέτη επιφάνειας και του στρώματος κοντά στην επιφάνεια, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαγνωστικούς σκοπούς.

Στην οφθαλμολογική χειρουργική, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται στους ακόλουθους τομείς:

Σε χειρουργική επέμβαση καταρράκτη: καταστροφή της συσσώρευσης καταρράκτη στον φακό και ανατομή της οπίσθιας κάψουλας του φακού όταν γίνεται θολό κατά την μετεγχειρητική περίοδο.

Στη χειρουργική επέμβαση γλαυκώματος: κατά την εκτέλεση γωνιοπαρακέντησης με λέιζερ, δοκιδοπλαστική, αφαίρεση με λέιζερ excimer των βαθιών στρωμάτων του κρημνού του σκληρού χιτώνα, κατά την εκτέλεση της διαδικασίας της μη διεισδυτικής βαθιάς σκληρεκτομής.

Στην οφθαλμική ογκοχειρουργική: για την αφαίρεση ορισμένων τύπων όγκων που βρίσκονται στο εσωτερικό του οφθαλμού.

Οι πιο σημαντικές ιδιότητες που ενυπάρχουν στην ακτινοβολία λέιζερ είναι: μονοχρωματικότητα, συνοχή, κατευθυντικότητα, πόλωση.

Συνοχή (από το λατινικό cohaerens, συνδεδεμένο, συνδεδεμένο) - η συντονισμένη ροή στο χρόνο πολλών διεργασιών ταλαντωτικών κυμάτων της ίδιας συχνότητας και πόλωσης. μια ιδιότητα δύο ή περισσότερων διεργασιών ταλαντωτικών κυμάτων που καθορίζει την ικανότητά τους να αλληλοενισχύονται ή να εξασθενούν η μία την άλλη όταν προστίθενται. Οι συνεκτικές ταλαντώσεις θα καλούνται εάν η διαφορά μεταξύ των φάσεων τους παραμένει σταθερή σε όλο το χρονικό διάστημα και όταν οι ταλαντώσεις αθροίζονται, προκύπτει μια ταλάντωση της ίδιας συχνότητας. Το απλούστερο παράδειγμα δύο συνεκτικών ταλαντώσεων είναι δύο ημιτονοειδείς ταλαντώσεις της ίδιας συχνότητας.

Η συνοχή των κυμάτων συνεπάγεται ότι σε διαφορετικά σημεία τα κύματα ταλαντώνονται συγχρονισμένα, με άλλα λόγια, η διαφορά φάσης μεταξύ δύο σημείων δεν σχετίζεται με το χρόνο. Η έλλειψη συνοχής σημαίνει ότι η διαφορά φάσης μεταξύ δύο σημείων δεν είναι σταθερή, επομένως αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η κατάσταση προκύπτει εάν το κύμα δεν δημιουργείται από μία μόνο πηγή ακτινοβολίας, αλλά από μια ομάδα πανομοιότυπων, αλλά ανεξάρτητων εκπομπών.

Συχνά, απλές πηγές εκπέμπουν ασυνάρτητες ταλαντώσεις, ενώ τα λέιζερ, με τη σειρά τους, εκπέμπουν συνεκτικές ταλαντώσεις. Λόγω αυτής της ιδιότητας, η ακτινοβολία λέιζερ εστιάζεται όσο το δυνατόν περισσότερο, έχει την ικανότητα να παρεμβαίνει, είναι λιγότερο επιρρεπής σε απόκλιση και έχει την ικανότητα να αποκτά υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας κηλίδας.

Μονοχρωματικότητα (ελληνικά monos - ένα, μόνο + chroma - χρώμα, βαφή) - ακτινοβολία μιας συγκεκριμένης συχνότητας ή μήκους κύματος. Η ακτινοβολία μπορεί υπό όρους να εκληφθεί ως μονοχρωματική εάν ανήκει στο φασματικό εύρος των 3-5 nm. Εάν υπάρχει μόνο μία επιτρεπόμενη ηλεκτρονική μετάβαση από τη διεγερμένη στη θεμελιώδη κατάσταση στο σύστημα, τότε δημιουργείται μονοχρωματική ακτινοβολία.

Πόλωση - συμμετρία στην κατανομή της διεύθυνσης του διανύσματος των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ως προς την κατεύθυνση διάδοσής του. Ένα κύμα θα ονομάζεται πολωμένο εάν δύο αμοιβαία κάθετες συνιστώσες του διανύσματος έντασης ηλεκτρικού πεδίου ταλαντώνονται με σταθερή διαφορά φάσης στο χρόνο. Μη πολωμένο - εάν οι αλλαγές συμβαίνουν τυχαία. Σε ένα διαμήκη κύμα, η εμφάνιση πόλωσης δεν είναι δυνατή, καθώς οι διαταραχές σε αυτό το είδος κυμάτων συμπίπτουν πάντα με την κατεύθυνση διάδοσης. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι πολύ πολωμένο φως (από 75 έως 100%).

Η κατευθυντικότητα (μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ) είναι η ικανότητα της ακτινοβολίας να αφήνει το λέιζερ ως δέσμη φωτός με πολύ χαμηλή απόκλιση. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι η απλούστερη συνέπεια του γεγονότος ότι το ενεργό μέσο τοποθετείται σε αντηχείο (για παράδειγμα, αντηχείο σε επίπεδο παράλληλο). Σε ένα τέτοιο αντηχείο υποστηρίζονται μόνο ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται κατά μήκος του άξονα του συντονιστή ή σε κοντινή απόσταση από αυτόν.

Τα κύρια χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας λέιζερ: μήκος κύματος, συχνότητα, παράμετροι ενέργειας. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι βιοτροπικά, δηλαδή καθορίζουν την επίδραση της ακτινοβολίας σε βιολογικά αντικείμενα.

Μήκος κύματος ( μεγάλο) αντιπροσωπεύει τη μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών ταλαντευόμενων σημείων του ίδιου κύματος. Συχνά στην ιατρική, το μήκος κύματος υποδεικνύεται σε μικρόμετρα (μm) ή νανόμετρα (nm). Ανάλογα με το μήκος κύματος, αλλάζει ο συντελεστής ανάκλασης, το βάθος διείσδυσης στους ιστούς του σώματος, η απορρόφηση και η βιολογική επίδραση της ακτινοβολίας λέιζερ.

Η συχνότητα χαρακτηρίζει τον αριθμό των ταλαντώσεων ανά μονάδα χρόνου και είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος. Συνήθως εκφράζεται σε Hertz (Hz). Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η ενέργεια του κβαντικού φωτός αυξάνεται. Διάκριση: η φυσική συχνότητα της ακτινοβολίας (για μία μόνο γεννήτρια ταλαντώσεων λέιζερ είναι αμετάβλητη). συχνότητα διαμόρφωσης (στα ιατρικά συστήματα λέιζερ μπορεί να κυμαίνεται από 1 έως 1000 Hz). Επίσης μεγάλη σημασία έχουν οι ενεργειακές παράμετροι της ακτινοβολίας λέιζερ.

Είναι σύνηθες να διακρίνουμε τρία κύρια φυσικά χαρακτηριστικά της δοσολογίας: ισχύς ακτινοβολίας, ενέργεια (δόση) και πυκνότητα δόσης.

Ισχύς ακτινοβολίας (ροή ακτινοβολίας, ροή ακτινοβολίας ενέργειας, R) - αντιπροσωπεύει τη συνολική ενέργεια που μεταφέρεται από το φως ανά μονάδα χρόνου μέσω μιας δεδομένης επιφάνειας. η μέση ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που μεταφέρεται μέσω οποιασδήποτε επιφάνειας. Τυπικά μετριέται σε watt ή πολλαπλάσια.

Έκθεση σε ενέργεια (δόση ακτινοβολίας, H) είναι η ενεργειακή ακτινοβολία από το λέιζερ για ορισμένο χρονικό διάστημα. η ισχύς ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται ανά μονάδα χρόνου. Μετριέται σε [J] ή [W * s]. Η ικανότητα να κάνεις δουλειά είναι η φυσική έννοια της ενέργειας. Αυτό είναι χαρακτηριστικό στην περίπτωση που το έργο κάνει αλλαγές στον ιστό με φωτόνια. Η βιολογική επίδραση της έκθεσης στο φως χαρακτηρίζεται από ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται το ίδιο βιολογικό αποτέλεσμα (για παράδειγμα, ηλιακό έγκαυμα), όπως στην περίπτωση του ηλιακού φωτός, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με χαμηλή ισχύ και διάρκεια έκθεσης ή υψηλή ισχύ και χαμηλή έκθεση. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται θα είναι πανομοιότυπα, στην ίδια δόση.

Πυκνότητα δόσης "D" - η ενέργεια που λαμβάνεται ανά μονάδα επιφάνειας έκθεσης. Η μονάδα μέτρησης στο SI είναι [J / m 2]. Χρησιμοποιείται επίσης η αναπαράσταση σε μονάδες J/cm 2, λόγω του ότι οι περιοχές που επηρεάζονται συνήθως μετρώνται σε τετραγωνικά εκατοστά.

"Ακτινοβολία λέιζερ"

Εισαγωγή

Η ακτινοβολία λέιζερ είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα επιστημονικά και τεχνολογικά επιτεύγματα του 20ου αιώνα. Η δημιουργία λέιζερ οδήγησε στην αναγέννηση της επιστημονικής και τεχνικής οπτικής και στην ανάπτυξη εντελώς νέων βιομηχανιών. Σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές θερμικής ακτινοβολίας, ένα λέιζερ παράγει φως που έχει μια σειρά από ιδιαίτερες και πολύ πολύτιμες ιδιότητες.
Είναι σημαντικό η ακτινοβολία λέιζερ να είναι συνεκτική και πρακτικά μονόχρωμη. Πριν από την εμφάνιση των λέιζερ, μόνο τα ραδιοκύματα που εκπέμπονταν από έναν καλά σταθεροποιημένο πομπό είχαν αυτήν την ιδιότητα. Και αυτό κατέστησε δυνατή την κυριαρχία του εύρους του ορατού φωτός για τη μετάδοση πληροφοριών και επικοινωνίας, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την ποσότητα των πληροφοριών που μεταδίδονται ανά μονάδα χρόνου.
Λόγω του γεγονότος ότι η διεγερμένη εκπομπή διαδίδεται αυστηρά κατά μήκος του άξονα του συντονιστή, η δέσμη λέιζερ διαστέλλεται ασθενώς: η απόκλισή της είναι μερικά δευτερόλεπτα τόξου. ένας
Αυτές οι αναφερόμενες ιδιότητες καθιστούν δυνατή την εστίαση μιας δέσμης λέιζερ σε ένα εξαιρετικά μικρό σημείο, αποκτώντας μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα στο σημείο εστίασης. Η ακτινοβολία λέιζερ υψηλής ισχύος έχει τεράστια θερμοκρασία. Έτσι, για παράδειγμα, ένα παλμικό λέιζερ με ισχύ 1015 W έχει θερμοκρασία ακτινοβολίας περίπου 100 εκατομμύρια βαθμούς. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, τα λέιζερ έχουν βρει εφαρμογή σε διάφορους τομείς της επιστήμης, της τεχνολογίας και της ιατρικής. Πολύ ελπιδοφόρα είναι η χρήση ακτινοβολίας λέιζερ για διαστημικές επικοινωνίες, σε οπτικούς εντοπιστές που μετρούν μεγάλες αποστάσεις με ακρίβεια χιλιοστών, για τη μετάδοση σημάτων τηλεόρασης και υπολογιστή μέσω οπτικής ίνας. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται κατά την ανάγνωση πληροφοριών από CD, από γραμμωτούς κώδικες εμπορευμάτων. Με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ χαμηλής έντασης, είναι δυνατό να γίνουν χειρουργικές επεμβάσεις, για παράδειγμα, να «συγκολληθεί» ο αμφιβληστροειδής που έχει αποκολληθεί από το βυθό του ματιού, να γίνουν αγγειακές επεμβάσεις. Στην επεξεργασία υλικών, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση, την κοπή και τη διάνοιξη πολύ μικρών οπών με υψηλή ακρίβεια.Η χρήση ακτινοβολίας λέιζερ υψηλής ισχύος για την υλοποίηση μιας ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης είναι πολλά υποσχόμενη. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται επίσης για τοπογραφικές έρευνες, επειδή η δέσμη λέιζερ θέτει μια ιδανική ευθεία γραμμή. Η κατεύθυνση της σήραγγας κάτω από τη Μάγχη ορίστηκε από μια ακτίνα λέιζερ. Με τη βοήθεια ακτινοβολίας λέιζερ λαμβάνονται ολογραφικές τρισδιάστατες ογκομετρικές εικόνες. Στη μετρολογία, ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μήκους, της ταχύτητας και της πίεσης. Η δημιουργία λέιζερ είναι το αποτέλεσμα της χρήσης θεμελιωδών φυσικών νόμων στην εφαρμοσμένη έρευνα. Έχει οδηγήσει σε τεράστια πρόοδο σε διάφορους τομείς της μηχανικής και της τεχνολογίας. Η δημιουργία του λέιζερ έγινε καθοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη συστημάτων οπτικής μετάδοσης. Τα παραπάνω καθορίζουν τη συνάφεια της μελέτης σε αυτήν την εργασία.
Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη της ακτινοβολίας λέιζερ. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι να ληφθούν υπόψη:
- ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ.
- ένα σύντομο ιστορικό της εμφάνισης και της βελτίωσης των λέιζερ.
- πηγές, ιδιότητες και τύποι λέιζερ.
- επιβλαβείς επιπτώσεις της ακτινοβολίας λέιζερ.
- Κατηγορίες ασφάλειας λέιζερ και προστατευτικός εξοπλισμός.

1. Τεχνολογία λέιζερ

Η τεχνολογία λέιζερ είναι ακόμα πολύ νέα - δεν είναι ούτε μισός αιώνας. Ωστόσο, σε αυτό το πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, το λέιζερ έχει μετατραπεί από μια περίεργη εργαστηριακή συσκευή σε μέσο επιστημονικής έρευνας, σε εργαλείο που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία. Είναι δύσκολο να βρεθεί ένας τέτοιος τομέας σύγχρονης τεχνολογίας όπου τα λέιζερ δεν θα λειτουργούσαν. Η ακτινοβολία τους χρησιμοποιείται για επικοινωνία, καταγραφή και ανάγνωση πληροφοριών, για ακριβείς μετρήσεις. είναι απαραίτητες στην ιατρική, τη χειρουργική και τη θεραπεία. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οι δραματικές αλλαγές που έχει κάνει το λέιζερ στην ανθρώπινη ζωή είναι παρόμοιες με τις συνέπειες της βιομηχανικής χρήσης της ηλεκτρικής ενέργειας στα τέλη του 19ου αιώνα.
Οι μεγάλες δυνατότητες της τεχνολογίας λέιζερ εξηγούνται από τις ειδικές ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ. Η φύση του μελετάται από την κβαντομηχανική. Είναι οι νόμοι του που περιγράφουν τις διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα λέιζερ, γι' αυτό ονομάζεται επίσης οπτική κβαντική γεννήτρια.
Έτσι, το φως είναι ένα ρεύμα ειδικών σωματιδίων που εκπέμπονται από άτομα - φωτόνια, ή κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Θα πρέπει να θεωρούνται ως τμήματα ενός κύματος και όχι ως σωματίδια ύλης. Κάθε φωτόνιο μεταφέρει ένα αυστηρά καθορισμένο μέρος της ενέργειας που εκπέμπεται από το άτομο. 2
Τα φωτόνια που εκπέμπονται είναι απολύτως πανομοιότυπα, οι συχνότητές τους ίσες και οι φάσεις ίδιες. Όταν συναντηθούν με δύο διεγερμένα άτομα, θα υπάρχουν 4 φωτόνια, Ύστερα 8, 16, κλπ. Θα υπάρξει μια χιονοστιβάδα φωτονίων που δεν διακρίνονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας τη λεγόμενη μονοχρωματική (μονόχρωμη) συνεκτική ακτινοβολία. Αυτή η διεγερμένη εκπομπή έχει μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες.
Η ακτινοβολία λέιζερ έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία. Η τιμή του εξαρτάται από την ισχύ της ακτινοβολίας και μερικές φορές φτάνει σε εκατομμύρια βαθμούς.
Σε αυτή την περίπτωση, το λέιζερ εκπέμπει ενέργεια σε μία συχνότητα, σε ένα μήκος κύματος. Προηγουμένως, μια τέτοια μονοχρωματική ακτινοβολία λαμβανόταν μόνο στην περιοχή ραδιοκυμάτων. Το φως που εκπέμπεται ακόμη και από ένα πολύ μικρό κομμάτι θερμής ύλης αποτελείται πάντα από κύματα πολύ διαφορετικών συχνοτήτων. Για το λόγο αυτό, δεν κατέστη δυνατό στην οπτική, για παράδειγμα, να δημιουργηθούν στενά κατευθυνόμενες και εστιασμένες δέσμες ακτινοβολίας, τις οποίες οι ραδιομηχανικοί χρησιμοποιούν για περισσότερα από δώδεκα χρόνια.
Επίσης, η ακτινοβολία λέιζερ είναι πολύ σταθερή. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που δημιουργείται από το λέιζερ διαδίδεται για πολλά χιλιόμετρα χωρίς να αλλάζει. Το πλάτος, η συχνότητα και η φάση του μπορούν να παραμείνουν σταθερές για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτή η ποιότητα ονομάζεται υψηλή χωρική και χρονική συνοχή.
Αυτά τα τρία χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας λέιζερ έχουν βρει εφαρμογή σε διάφορους κλάδους της τεχνολογίας, στην επίλυση διαφόρων τεχνολογικών προβλημάτων. Για κάθε περίπτωση, μπορείτε να επιλέξετε το λέιζερ του επιθυμητού τύπου και την απαιτούμενη ισχύ. 3

2. Χαρακτηρισμός λέιζερ

2.1 Γέννηση της οικογένειας των λέιζερ

Το πώς να αποκτήσετε συνεκτική ακτινοβολία έγινε σαφές το 1918 όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε το φαινόμενο της διεγερμένης ακτινοβολίας. Εάν δημιουργήσετε ένα μέσο στο οποίο τα άτομα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση και «εκτοξεύσετε ένα αδύναμο ρεύμα συνεκτικών φωτονίων σε αυτό, τότε η έντασή του θα αυξηθεί. Στις αρχές της δεκαετίας του '50. Οι Ρώσοι ερευνητές Nikolai Gennadievich Basov, Alexander Mikhailovich Prokhorov και, ανεξάρτητα από αυτούς, ο Αμερικανός φυσικός Charles Hard Towns δημιούργησαν έναν ενισχυτή ραδιοκυμάτων υψηλής συχνότητας που βασίζεται σε μόρια αμμωνίας. Τα διεγερμένα μόρια που χρειάζονται για την εργασία επιλέχθηκαν από τη ροή αερίου από ένα ηλεκτρικό πεδίο πολύπλοκης διαμόρφωσης. Η συσκευή του νεογέννητου ονομαζόταν μέιζερ.
Το 1960, ο Αμερικανός φυσικός Theodore Harold Maiman σχεδίασε την πρώτη κβαντική γεννήτρια λέιζερ στην οπτική περιοχή. Η ενίσχυση του φωτός συνέβη σε ένα ρουμπινί κρύσταλλο μιας διαφανούς ποικιλίας οξειδίου του αλουμινίου με ένα μικρό μείγμα χρωμίου (αυτό το υλικό επισημάνθηκε από τους N.G. Basov και A.M. Prokhorov έναν τρίτο χρόνο νωρίτερα). Το λέιζερ χρησιμοποίησε μια ράβδο ρουμπινιού που ψύχεται με υγρό άζωτο μήκους περίπου 4 cm και διαμέτρου 5 mm. Τα επάργυρα άκρα της ράβδου χρησίμευαν ως καθρέφτες, ένα από τα οποία ήταν ημιδιαφανές. Η ενέργεια διοχετεύτηκε στον κρύσταλλο από μια ισχυρή λάμπα φλας. Ένα ρεύμα φωτονίων υψηλής ενέργειας μετέφερε τα άτομα χρωμίου σε διεγερμένη κατάσταση. Σε ένα από τα επίπεδα υψηλής ενέργειας, τα άτομα καθυστερούν κατά μέσο όρο 0,003 s, ο χρόνος είναι τεράστιος σε ατομικές κλίμακες. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, μερικά από τα άτομα έχουν χρόνο να εκπέμπουν αυθόρμητα φωτόνια. Η ροή τους, που τρέχει επανειλημμένα ανάμεσα στους καθρέφτες, κάνει όλα τα διεγερμένα άτομα να εκπέμπουν κβάντα φωτός. Ως αποτέλεσμα, γεννιέται ένα ελαφρύ φλας - ένας παλμός λέιζερ με ισχύ δεκάδων χιλιάδων βατ. Σήμερα, οι ράβδοι λέιζερ κατασκευάζονται από διάφορα υλικά, αλλά πιο συχνά από ρουμπίνι, γρανάτης και γυαλί με πρόσμιξη σπάνιου μετάλλου - νεοδυμίου. Ορισμένα λέιζερ στερεάς κατάστασης (για παράδειγμα, σε γρανάτη) παράγουν εκατοντάδες και χιλιάδες παλμούς ανά δευτερόλεπτο . 4
Και το ίδιο 1960, οι Αμερικανοί φυσικοί A Dzhevan, B Bepnet και D. Arriot δημιούργησαν ένα λέιζερ αερίου που λειτουργούσε σε ένα μείγμα ηλίου και νέου. Αυτό το λέιζερ εξέπεμπε κόκκινο φως όχι πλέον σε παλμούς, αλλά συνεχώς. Το μείγμα αερίων αποδείχθηκε ότι επιλέχθηκε τόσο καλά που τα λέιζερ ηλίου-νέον εξακολουθούν να είναι οι πιο κοινές πηγές συνεκτικού φωτός, αν και η ακτινοβολία έχει επιτευχθεί επίσης από πολλά άλλα αέρια και ατμούς. Η ενέργεια διοχετεύεται στο μείγμα αερίων με μια λαμπερή ηλεκτρική εκκένωση. Το χρώμα της δέσμης εξαρτάται από τη σύνθεση του αερίου ή του ατμού στα οποία λειτουργεί το λέιζερ. Το αργό, για παράδειγμα, δίνει μπλε φως, κρυπτό κίτρινο, xenon και πράσινο ατμό χαλκού. αόρατες δοκιμαστικές (υπέρυθρες) ακτίνες διοξειδίου του άνθρακα και υδρατμών.
Η οικογένεια των λέιζερ αερίου μπορεί επίσης να περιλαμβάνει κβαντικές γεννήτριες, στις οποίες τα διεγερμένα μόρια δεν προετοιμάζονται εκ των προτέρων, αλλά εμφανίζονται απευθείας τη στιγμή της εκπομπής. Πρόκειται για τα λεγόμενα αεριοδυναμικά και χημικά λέιζερ, τα οποία αναπτύσσουν κολοσσιαία ισχύ εκατοντάδων κιλοβάτ και ακόμη και δεκάδων μεγαβάτ σε συνεχή λειτουργία.
Ένα αέριο δυναμικό λέιζερ μοιάζει με κινητήρα τζετ. Τα μόρια ενός πολύ θερμαινόμενου αερίου, που πετούν έξω από αυτό, εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας φωτός. Σε ένα χημικό λέιζερ, τα διεγερμένα μόρια προκύπτουν ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης. Το πιο ενεργητικό από αυτά είναι ο συνδυασμός ατομικού φθορίου με υδρογόνο.
Τα υγρά λέιζερ δίνουν επίσης συνεχή ακτινοβολία. Η ουσία εργασίας για αυτά είναι, για παράδειγμα, διαλύματα αλάτων νεοδυμίου και ενώσεις ανιλίνης. Δεδομένου ότι οι ενώσεις ανιλίνης χρησιμοποιούνται για τη βαφή υφασμάτων, οι γεννήτριες που βασίζονται σε αυτές ονομάζονται λέιζερ βαφής. Για πιο σταθερή λειτουργία του λέιζερ, το υγρό μπορεί να περάσει από ψυγείο.
Τα μικρότερα λέιζερ είναι ημιαγωγών: αρκετές δεκάδες από αυτά μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα σπιρτόκουτο και ο όγκος της ουσίας στην οποία λαμβάνει χώρα η διεγερμένη εκπομπή δεν υπερβαίνει τα χιλιοστά του κυβικού χιλιοστού. Η ενέργεια διοχετεύεται σε έναν ημιαγωγό με ηλεκτρικό ρεύμα. Πάνω από το μισό "μετατρέπεται" σε φως, δηλαδή, η απόδοση αυτών των λέιζερ μπορεί να φτάσει περισσότερο από 50%.

2.2 Τύποι λέιζερ

1) Λέιζερ στερεάς κατάστασης.
Το πρώτο στερεό ενεργό μέσο ήταν το ρουμπίνι - ένας κρύσταλλος κορουνδίου Al2O3 με μια μικρή ανάμειξη ιόντων χρωμίου Cr +++. Σχεδιάστηκε από τον T. Maiman (ΗΠΑ) το 1960. Γυαλί με πρόσμιξη νεοδυμίου Nd, γρανάτη αλουμινίου υττρίου Y 2 Al 5 O 12 με πρόσμειξη χρωμίου, νεοδυμίου και στοιχείων σπανίων γαιών με τη μορφή ράβδων χρησιμοποιείται επίσης ευρέως . Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης αντλούνται συνήθως από μια λυχνία φλας που αναβοσβήνει για περίπου 10-3 δευτερόλεπτα και ο παλμός λέιζερ είναι δύο φορές μικρότερος. Μέρος του χρόνου αφιερώνεται στη δημιουργία ενός αντίστροφου πληθυσμού και στο τέλος του φλας, η ένταση του φωτός γίνεται ανεπαρκής για να διεγείρει τα άτομα και η παραγωγή σταματά. Ο παλμός λέιζερ έχει μια πολύπλοκη δομή, αποτελείται από πολλές μεμονωμένες κορυφές με διάρκεια περίπου 10-6 δευτερολέπτων, που χωρίζονται με διαστήματα περίπου 10-5 δευτερολέπτων. Σε αυτόν τον τρόπο λεγόμενης ελεύθερης παραγωγής, η ισχύς παλμού μπορεί να φτάσει τα δεκάδες κιλοβάτ. Η αύξηση της ισχύος απλώς με την ενίσχυση του φωτός της αντλίας και την αύξηση του μεγέθους της ράβδου λέιζερ είναι τεχνικά αδύνατη. Επομένως, η ισχύς των παλμών λέιζερ αυξάνεται με τη μείωση της διάρκειάς τους. Για να γίνει αυτό, τοποθετείται ένα κλείστρο μπροστά από έναν από τους καθρέφτες του συντονιστή, το οποίο δεν επιτρέπει την έναρξη της παραγωγής έως ότου σχεδόν όλα τα άτομα της δραστικής ουσίας μεταφερθούν στο ανώτερο επίπεδο. Στη συνέχεια το κλείστρο ανοίγει για μικρό χρονικό διάστημα και όλη η συσσωρευμένη ενέργεια εμφανίζεται με τη μορφή ενός λεγόμενου γιγαντιαίου παλμού. Ανάλογα με το απόθεμα ενέργειας και τη διάρκεια του φλας, η ισχύς του παλμού μπορεί να κυμαίνεται από πολλά μεγαβάτ έως δεκάδες τεραβάτ (1012 βατ). 5
2) Λέιζερ αερίου.
Το ενεργό μέσο των λέιζερ αερίου είναι αέρια χαμηλής πίεσης (από εκατοστά έως αρκετά χιλιοστά υδραργύρου) ή τα μείγματά τους, τα οποία γεμίζουν έναν γυάλινο σωλήνα με συγκολλημένα ηλεκτρόδια. Το πρώτο λέιζερ αερίου που βασίζεται σε ένα μείγμα ηλίου και νέον δημιουργήθηκε λίγο μετά το λέιζερ ρουμπίνι το 1960 από τους A. Javan, W. Bennett και D. Herriot (ΗΠΑ). Τα λέιζερ αερίου αντλούνται από μια ηλεκτρική εκκένωση που τροφοδοτείται από μια γεννήτρια υψηλής συχνότητας. Παράγουν ακτινοβολία με τον ίδιο τρόπο όπως στα λέιζερ στερεάς κατάστασης, αλλά τα λέιζερ αερίου παράγουν, κατά κανόνα, συνεχή ακτινοβολία. Δεδομένου ότι η πυκνότητα των αερίων είναι πολύ χαμηλή, το μήκος του σωλήνα με το ενεργό μέσο πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε η μάζα της δραστικής ουσίας να είναι επαρκής για να ληφθεί υψηλή ένταση ακτινοβολίας.
Τα λέιζερ αερίου περιλαμβάνουν επίσης λέιζερ αεριοδυναμικά, χημικά και excimer (λέιζερ που λειτουργούν σε ηλεκτρονικές μεταβάσεις μορίων που υπάρχουν μόνο σε διεγερμένη κατάσταση).
Ένα αέριο-δυναμικό λέιζερ είναι παρόμοιο με έναν κινητήρα τζετ, στον οποίο το καύσιμο καίγεται με την προσθήκη μορίων αερίου του ενεργού μέσου. Στον θάλαμο καύσης, τα μόρια αερίου διεγείρονται και, αφού ψύχονται από υπερηχητική ροή, εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή συνεκτικής ακτινοβολίας υψηλής ισχύος στην υπέρυθρη περιοχή, η οποία εξέρχεται κατά μήκος της ροής αερίου.
3) Χημικά λέιζερ.
Στα χημικά λέιζερ (μια παραλλαγή του αεριοδυναμικού λέιζερ), η αναστροφή πληθυσμού σχηματίζεται λόγω χημικών αντιδράσεων. Η υψηλότερη ισχύς αναπτύσσεται από λέιζερ με βάση την αντίδραση του ατομικού φθορίου με το υδρογόνο.
4) Υγρά λέιζερ.
Το ενεργό μέσο αυτών των λέιζερ (λέγονται και λέιζερ βαφής) είναι διάφορες οργανικές ενώσεις με τη μορφή διαλυμάτων. Τα πρώτα λέιζερ βαφής εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Η πυκνότητα της ουσίας εργασίας τους καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ στερεού και αερίου, επομένως, παράγουν αρκετά ισχυρή ακτινοβολία (μέχρι 20 W) με ένα μικρό στοιχείο με μια δραστική ουσία. Λειτουργούν τόσο σε παλμική όσο και σε συνεχή λειτουργία, αντλούνται από λαμπτήρες φλας και λέιζερ. Τα διεγερμένα επίπεδα μορίων χρωστικής έχουν μεγάλο πλάτος, επομένως τα υγρά λέιζερ εκπέμπουν πολλές συχνότητες ταυτόχρονα. Και αλλάζοντας τα κύτταρα με διαλύματα βαφής, η ακτινοβολία λέιζερ μπορεί να συντονιστεί σε πολύ μεγάλο εύρος. Η ομαλή ρύθμιση της συχνότητας ακτινοβολίας πραγματοποιείται με συντονισμό του συντονιστή.
5) Λέιζερ ημιαγωγών.
Αυτός ο τύπος οπτικών κβαντικών γεννητριών δημιουργήθηκε το 1962 ταυτόχρονα από διάφορες ομάδες Αμερικανών ερευνητών (R. Hall, M. I. Neiten, T. Quist, κ.λπ.), αν και το κοινό υλικό ημιαγωγών λέιζερ N. G. Basov et al. είναι το αρσενίδιο του γαλλίου GaAr. 6
Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, τα ηλεκτρόνια σε ένα στερεό καταλαμβάνουν ευρείες ενεργειακές ζώνες, που αποτελούνται από πολλά συνεχώς τοποθετημένα επίπεδα. Η κάτω ζώνη, που ονομάζεται ζώνη σθένους, διαχωρίζεται από την άνω ζώνη (ζώνη αγωγιμότητας) με το λεγόμενο διάκενο ζώνης, στο οποίο δεν υπάρχουν επίπεδα ενέργειας. Υπάρχουν λίγα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε έναν ημιαγωγό, η κινητικότητά τους είναι περιορισμένη, αλλά υπό την επίδραση της θερμικής κίνησης, μεμονωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να πηδήξουν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας μια κενή θέση σε αυτήν - μια "τρύπα". Και αν ένα ηλεκτρόνιο με ενέργεια Ee επιστρέψει αυθόρμητα πίσω στη ζώνη αγωγιμότητας, "ανασυνδυάζεται" με μια οπή με ενέργεια Ed, η οποία συνοδεύεται από την εκπομπή ενός φωτονίου από το διάκενο ζώνης με συχνότητα n = Ee - Ed. Η άντληση ενός λέιζερ ημιαγωγών πραγματοποιείται με συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (σε αυτή την περίπτωση, από το 50 έως σχεδόν το 100% της ενέργειάς του μετατρέπεται σε ακτινοβολία). ο συντονιστής είναι συνήθως οι γυαλισμένες όψεις ενός κρυστάλλου ημιαγωγού.
6) Λέιζερ στη φύση.
Λέιζερ φυσικής προέλευσης έχουν ανακαλυφθεί στο Σύμπαν. Η αντιστροφή πληθυσμού συμβαίνει σε τεράστια διαστρικά νέφη συμπυκνωμένων αερίων. Η κοσμική ακτινοβολία, το φως των κοντινών αστεριών κ.λπ. χρησιμεύουν ως άντληση Λόγω του γιγαντιαίου μήκους του ενεργού μέσου (νέφη αερίου) - εκατοντάδες εκατομμύρια χιλιόμετρα - τέτοια αστροφυσικά λέιζερ δεν χρειάζονται συντονιστές: διεγερμένη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος από αρκετά εκατοστά (Νεφέλωμα Καβουριού) έως μικρόν (γειτονιά του αστεριού Eta Karina) εμφανίζεται σε αυτά κατά τη διάρκεια ενός μόνο περάσματος του κύματος.

2.3 Ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ

Σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές θερμικής ακτινοβολίας, ένα λέιζερ παράγει φως που έχει μια σειρά από ιδιαίτερες και πολύ πολύτιμες ιδιότητες. 7
1. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι συνεκτική και πρακτικά μονόχρωμη. Πριν από την εμφάνιση των λέιζερ, μόνο τα ραδιοκύματα που εκπέμπονταν από έναν καλά σταθεροποιημένο πομπό είχαν αυτήν την ιδιότητα. Λόγω του γεγονότος ότι η διεγερμένη εκπομπή διαδίδεται αυστηρά κατά μήκος του άξονα του συντονιστή, η δέσμη λέιζερ διαστέλλεται ασθενώς: η απόκλισή της είναι μερικά δευτερόλεπτα τόξου.
Αυτές οι αναφερόμενες ιδιότητες καθιστούν δυνατή την εστίαση μιας δέσμης λέιζερ σε ένα εξαιρετικά μικρό σημείο, αποκτώντας μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα στο σημείο εστίασης.
2. Η ακτινοβολία λέιζερ υψηλής ισχύος έχει τεράστια θερμοκρασία. Έτσι, για παράδειγμα, ένα παλμικό λέιζερ με ισχύ της τάξης ενός πετάβατ (1015 W) έχει θερμοκρασία ακτινοβολίας περίπου 100 εκατομμύρια βαθμούς.
Αυτές οι μοναδικές ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ έχουν κάνει τις κβαντικές γεννήτριες ένα απαραίτητο εργαλείο σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας.
1. Τεχνολογικά λέιζερ. Ισχυρά συνεχή λέιζερ χρησιμοποιούνται για κοπή, συγκόλληση και συγκόλληση εξαρτημάτων από διάφορα υλικά. Η υψηλή θερμοκρασία ακτινοβολίας καθιστά δυνατή τη συγκόλληση υλικών που δεν μπορούν να συνδεθούν με άλλες μεθόδους (για παράδειγμα, μέταλλο με κεραμικά). Η υψηλή μονοχρωματικότητα της ακτινοβολίας καθιστά δυνατή την εστίαση της δέσμης σε σημείο με διάμετρο της τάξης του μικρού και τη χρήση της για την κατασκευή μικροκυκλωμάτων (η λεγόμενη μέθοδος γραψίματος λέιζερ - αφαίρεση λεπτού στρώματος). Για την επεξεργασία εξαρτημάτων σε κενό ή σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου, η δέσμη λέιζερ μπορεί να εισαχθεί στον θάλαμο επεξεργασίας μέσω ενός διαφανούς παραθύρου.
2. Επικοινωνία με λέιζερ. Η έλευση των λέιζερ έφερε επανάσταση στην τεχνολογία της επικοινωνίας και της καταγραφής πληροφοριών. Υπάρχει ένα απλό μοτίβο: όσο μεγαλύτερη είναι η φέρουσα συχνότητα (μικρότερο μήκος κύματος) του καναλιού επικοινωνίας, τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος ζώνης του. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ραδιοεπικοινωνίες, οι οποίες αρχικά κατέκτησαν το εύρος των μεγάλων κυμάτων, σταδιακά άλλαξαν σε όλο και μικρότερα μήκη κύματος. Αλλά το φως είναι το ίδιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα με τα ραδιοκύματα, μόνο δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερο, επομένως μια δέσμη λέιζερ μπορεί να μεταδώσει δεκάδες χιλιάδες φορές περισσότερες πληροφορίες από ένα ραδιοφωνικό κανάλι υψηλής συχνότητας. Η επικοινωνία με λέιζερ πραγματοποιείται μέσω μιας οπτικής ίνας - λεπτών γυάλινων νημάτων, το φως στο οποίο, λόγω της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης, διαδίδεται σχεδόν χωρίς απώλεια για πολλές εκατοντάδες χιλιόμετρα. Μια δέσμη λέιζερ καταγράφει και αναπαράγει μια εικόνα (συμπεριλαμβανομένης μιας κινούμενης) και έναν ήχο σε CD.
3. Τα λέιζερ στην ιατρική. Η τεχνολογία λέιζερ χρησιμοποιείται ευρέως στη χειρουργική και τη θεραπεία. Μια ακτίνα λέιζερ που εγχέεται μέσω της κόρης του ματιού «συγκολλάει» τον αποκολλημένο αμφιβληστροειδή και διορθώνει ελαττώματα στον βυθό. Οι χειρουργικές επεμβάσεις που γίνονται με «νυστέρι λέιζερ» τραυματίζουν λιγότερο τους ζωντανούς ιστούς. Και η ακτινοβολία λέιζερ χαμηλής ισχύος επιταχύνει την επούλωση των πληγών και έχει αποτέλεσμα παρόμοιο με τον βελονισμό που ασκεί η ανατολίτικη ιατρική (βελονισμός με λέιζερ).
4. Τα λέιζερ στην επιστημονική έρευνα. Η εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία της ακτινοβολίας και η υψηλή ενεργειακή της πυκνότητα καθιστούν δυνατή τη μελέτη της ύλης σε μια ακραία κατάσταση που υπάρχει μόνο στο εσωτερικό των καυτών αστεριών. Γίνονται προσπάθειες να πραγματοποιηθεί μια θερμοπυρηνική αντίδραση συμπιέζοντας μια αμπούλα με ένα μείγμα δευτερίου και τριτίου από ένα σύστημα ακτίνων λέιζερ (η λεγόμενη αδρανειακή θερμοπυρηνική σύντηξη). Στη γενετική μηχανική και τη νανοτεχνολογία (τεχνολογία που ασχολείται με αντικείμενα με χαρακτηριστικό μέγεθος 10-9 m), οι ακτίνες λέιζερ κόβουν, μετακινούν και συνδέουν θραύσματα γονιδίων, βιολογικά μόρια και μέρη μεγέθους της τάξης του ενός εκατομμυριοστού του χιλιοστού (10 -9 μ). Τα ραντάρ λέιζερ (lidars) χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της ατμόσφαιρας.
5. Στρατιωτικά λέιζερ. Οι στρατιωτικές εφαρμογές των λέιζερ περιλαμβάνουν τόσο τη χρήση τους για απόκτηση στόχων και επικοινωνίες όσο και τη χρήση τους ως όπλα. Δέσμες ισχυρών χημικών και excimer λέιζερ, επίγειων ή τροχιακών, σχεδιάζονται να καταστρέψουν ή να απενεργοποιήσουν δορυφόρους μάχης και εχθρικά αεροσκάφη. Έχουν δημιουργηθεί δείγματα πιστολιών λέιζερ για τον οπλισμό των πληρωμάτων στρατιωτικών τροχιακών σταθμών.

3. Μηχανισμοί των βλαβερών επιπτώσεων της ακτινοβολίας λέιζερ

Οι ιστοί και τα όργανα που συνήθως εκτίθενται στην ακτινοβολία λέιζερ είναι τα μάτια και το δέρμα. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι βλάβης των ιστών που προκαλούνται από την ακτινοβολία λέιζερ. Πρόκειται για θερμικές επιδράσεις, φωτοχημικές επιδράσεις, καθώς και ακουστικές παροδικές επιδράσεις (επηρεάζονται μόνο τα μάτια). Οι θερμικές επιδράσεις μπορούν να συμβούν σε οποιοδήποτε μήκος κύματος και είναι αποτέλεσμα επιδράσεων ακτινοβολίας ή φωτός στο δυναμικό ψύξης της ροής του αίματος στους ιστούς.
Στον αέρα, τα φωτοχημικά φαινόμενα συμβαίνουν μεταξύ 200 και 400 nm και υπεριώδους, και μεταξύ 400 και 470 nm ιωδών μηκών κύματος. Τα φωτοχημικά φαινόμενα σχετίζονται με τη διάρκεια αλλά και τον ρυθμό επανάληψης της ακτινοβολίας.
Τα ακουστικά παροδικά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάρκεια του παλμού μπορούν να συμβούν σε μικρές διάρκειες παλμού (έως 1 ms) ανάλογα με το συγκεκριμένο μήκος κύματος λέιζερ. Η ακουστική επίδραση των παροδικών επιδράσεων είναι ελάχιστα κατανοητή, αλλά μπορεί να προκαλέσει βλάβη στον αμφιβληστροειδή που διαφέρει από τη θερμική βλάβη του αμφιβληστροειδούς.
Οι πιθανές θέσεις τραυματισμού του ματιού σχετίζονται άμεσα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ. Μήκη κύματος μικρότερα από 300 nm ή περισσότερα από 1400 nm επηρεάζουν τον κερατοειδή. Μήκη κύματος μεταξύ 300 και 400 nm επηρεάζουν το υδατοειδές υγρό, την ίριδα, τον φακό και το υαλοειδές. Μήκη κύματος από 400 nm και 1400 nm στοχεύουν στον αμφιβληστροειδή. οκτώ
Η βλάβη του λέιζερ στον αμφιβληστροειδή μπορεί να είναι πολύ μεγάλη λόγω του εστιακού κέρδους (οπτικό κέρδος) από τα μάτια, που είναι περίπου 105. Αυτό σημαίνει ότι η ακτινοβολία από 1 mW/cm2 μέσω του ματιού θα αυξηθεί αποτελεσματικά στα 100 mW /cm2 όταν φτάσει στον αμφιβληστροειδή.
Με θερμικά εγκαύματα του ματιού διαταράσσεται η λειτουργία ψύξης των αγγείων του αμφιβληστροειδούς. Ως αποτέλεσμα της καταστροφικής επίδρασης του θερμικού παράγοντα, μπορεί να εμφανιστούν αιμορραγίες στο υαλοειδές σώμα ως αποτέλεσμα βλάβης στα αιμοφόρα αγγεία.
Δεδομένου ότι ο αμφιβληστροειδής μπορεί να ανακάμψει από μικρές βλάβες, οι σοβαροί τραυματισμοί στην ωχρά κηλίδα μπορεί να οδηγήσουν σε προσωρινή ή μόνιμη απώλεια της οπτικής οξύτητας ή πλήρη τύφλωση. Ο φωτοχημικός τραυματισμός του κερατοειδούς από την υπεριώδη ακτινοβολία μπορεί να οδηγήσει σε φωτοκερατοεπιπεφυκίτιδα (συχνά αναφέρεται ως ασθένεια των συγκολλητών ή τύφλωση στο χιόνι). Αυτή η επώδυνη κατάσταση μπορεί να διαρκέσει για αρκετές ημέρες με πολύ εξουθενωτικό πόνο. Η μακροχρόνια έκθεση μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό καταρράκτη.
Η συνολική διάρκεια της έκθεσης επηρεάζει επίσης το τραύμα των ματιών. Για παράδειγμα, εάν ένα λέιζερ ορατού μήκους κύματος (400 έως 700 nm) έχει ισχύ δέσμης μικρότερη από 1,0 MW και χρόνο έκθεσης μικρότερο από 0,25 δευτερόλεπτα (ο χρόνος που χρειάζεται ένα άτομο για να κλείσει τα μάτια του), δεν θα υπάρξει ζημιά στον αμφιβληστροειδή. Τα λέιζερ κατηγορίας 1, 2Α και 2 ανήκουν σε αυτή την κατηγορία και γενικά δεν μπορούν να βλάψουν τον αμφιβληστροειδή. Δυστυχώς, άμεσα ή ανακλώμενα χτυπήματα από λέιζερ Κατηγορίας 3Α, 3Β ή 4 και διάχυτες αντανακλάσεις από λέιζερ πάνω από την Κλάση 4 μπορούν να προκαλέσουν ζημιά προτού ένα άτομο κλείσει αντανακλαστικά τα μάτια του.
Για τα παλμικά λέιζερ, η διάρκεια του παλμού επηρεάζει επίσης πιθανή βλάβη στα μάτια. Παλμοί μικρότεροι από 1 ms κατά την πρόσκρουση στον αμφιβληστροειδή μπορεί να προκαλέσουν ακουστικά παροδικά φαινόμενα με αποτέλεσμα σημαντική βλάβη και αιμορραγία πέρα ​​από την αναμενόμενη θερμική βλάβη. Πολλά παλμικά λέιζερ έχουν επί του παρόντος χρόνους παλμών μικρότερους από 1 picosecond.
Το πρότυπο ANSI ορίζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη έκθεση ισχύος του λέιζερ στο μάτι χωρίς συνέπειες (υπό την επίδραση συγκεκριμένων συνθηκών).
Οι δερματικοί τραυματισμοί από λέιζερ κατά κύριο λόγο διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: θερμικές βλάβες (εγκαύματα) από οξεία έκθεση σε ακτίνες λέιζερ υψηλής ισχύος και φωτοχημικά επαγόμενοι τραυματισμοί από χρόνια έκθεση σε διάχυτη υπεριώδη ακτινοβολία λέιζερ. Ο θερμικός τραυματισμός μπορεί να προκληθεί από την άμεση επαφή με τη δέσμη ή την κατοπτρική ανάκλασή της. Αυτοί οι τραυματισμοί, αν και επώδυνοι, συνήθως δεν είναι σοβαροί και συνήθως προλαμβάνονται εύκολα με τον κατάλληλο έλεγχο της δέσμης λέιζερ. Η φωτοχημική βλάβη μπορεί να συμβεί με την πάροδο του χρόνου από την έκθεση στο άμεσο φως, τις κατοπτρικές αντανακλάσεις ή ακόμη και τις διάχυτες αντανακλάσεις. Οι επιπτώσεις μπορεί να είναι μικρές, αλλά μπορεί να προκαλέσουν σοβαρά εγκαύματα και η παρατεταμένη έκθεση μπορεί να συμβάλει στον σχηματισμό καρκίνου του δέρματος. Καλά προστατευτικά γυαλιά και ρούχα μπορεί να είναι απαραίτητα για την προστασία του δέρματος και των ματιών. Όταν εργάζεστε με λέιζερ, είναι απαραίτητο να φοράτε γυαλιά που προστατεύουν από την ακτινοβολία λέιζερ. Τα γυαλιά χρειάζονται ακόμα και για λέιζερ 15mW, γιατί χωρίς αυτά τα μάτια κουράζονται πολύ.
Ο βαθμός προστασίας των γυαλιών από την ακτινοβολία λέιζερ μετριέται σε OD (Optical Density). Η οπτική πυκνότητα δείχνει πόσες φορές τα γυαλιά εξασθενούν το φως. Ένα σημαίνει «10 φορές». Αντίστοιχα, η "οπτική πυκνότητα 3" σημαίνει εξασθένηση κατά συντελεστή 1000 και 6 - κατά ένα εκατομμύριο. Η σωστή οπτική πυκνότητα για ένα ορατό λέιζερ είναι τέτοια ώστε μετά από γυαλιά από ένα άμεσο χτύπημα του λέιζερ, η ισχύς που αντιστοιχεί στην κατηγορία II παραμένει (μέγιστη κάπου γύρω στο 1 mW).
Τα οικιακά γυαλιά της μάρκας ZN-22 C3-C22 προστατεύουν από το κόκκινο και ορισμένα υπέρυθρα λέιζερ. Μοιάζουν με γυαλιά συγκόλλησης αλλά έχουν μπλε φακούς. Σε σχέση με την ευρεία χρήση πηγών ακτινοβολίας λέιζερ στην επιστημονική έρευνα, τη βιομηχανία, τις ιατρικές επικοινωνίες κ.λπ., υπάρχει ανάγκη διατήρησης της υγείας των ατόμων που χειρίζονται διάφορες εγκαταστάσεις λέιζερ. εννέα
Το λέιζερ είναι μια πηγή συνεκτικής ακτινοβολίας, δηλαδή η κίνηση των φωτονίων που συντονίζονται στο χρόνο και στο χώρο με τη μορφή μιας επιλεγμένης δέσμης. Η φύση της πρόσκρουσης στην οπτική συσκευή και ο βαθμός της καταστροφικής επίδρασης του λέιζερ εξαρτώνται από την ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας (παλμική ή συνεχής). Η φύση της δερματικής βλάβης εξαρτάται από το χρώμα του δέρματος, για παράδειγμα, το χρωματισμένο δέρμα απορροφά την ακτινοβολία λέιζερ πολύ πιο έντονα από το μη χρωματισμένο δέρμα. Το ανοιχτόχρωμο δέρμα αντανακλά έως και το 40% της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω του. Κάτω από τη δράση της ακτινοβολίας λέιζερ, εντοπίστηκαν ορισμένες ανεπιθύμητες αλλαγές στο αναπνευστικό, το πεπτικό, το καρδιαγγειακό και το ενδοκρινικό σύστημα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτά τα γενικά κλινικά συμπτώματα είναι αρκετά επίμονα, ως αποτέλεσμα επιρροής στο νευρικό σύστημα.
Ας χαρακτηρίσουμε τη δράση των πιο επικίνδυνων βιολογικά φασματικών σειρών ακτινοβολίας λέιζερ. Στην υπέρυθρη περιοχή, η ενέργεια των πιο «μικρών» κυμάτων (0,7-1,3 μικρά) μπορεί να διεισδύσει σε σχετικά μεγάλο βάθος στο δέρμα και στα διαφανή μέσα του ματιού. Το βάθος διείσδυσης εξαρτάται από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η περιοχή υψηλής διαφάνειας σε μήκη κύματος από 0,75 έως 1,3 μm έχει μέγιστη διαφάνεια στην περιοχή 1,1 μm. Σε αυτό το μήκος κύματος, το 20% της ενέργειας που προσπίπτει στο επιφανειακό στρώμα του δέρματος διεισδύει στο δέρμα σε βάθος 5 mm. Ταυτόχρονα, σε έντονα χρωματισμένα δέρματα, το βάθος διείσδυσης μπορεί να είναι ακόμη μεγαλύτερο. Ωστόσο, το ανθρώπινο δέρμα εξουδετερώνει την υπέρυθρη ακτινοβολία αρκετά καλά, καθώς είναι σε θέση να διαχέει τη θερμότητα λόγω της κυκλοφορίας του αίματος και να μειώνει τη θερμοκρασία του ιστού λόγω της εξάτμισης της υγρασίας από την επιφάνεια.
Αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να προστατεύσουμε τα μάτια από την υπέρυθρη ακτινοβολία, η θερμότητα ουσιαστικά δεν διαχέεται σε αυτά και ο φακός, ο οποίος εστιάζει την ακτινοβολία στον αμφιβληστροειδή, ενισχύει την επίδραση της βιολογικής έκθεσης. Όλα αυτά καθιστούν απαραίτητη την ιδιαίτερη προσοχή στην προστασία των ματιών κατά την εργασία με λέιζερ. Ο κερατοειδής χιτώνας του ματιού είναι διαφανής στην ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος 0,75-1,3 μm και γίνεται πρακτικά αδιαφανής μόνο για μήκη κύματος μεγαλύτερα από 2 μm.
Ο βαθμός θερμικής βλάβης στον κερατοειδή εξαρτάται από την απορροφούμενη δόση ακτινοβολίας και είναι κυρίως το επιφανειακό, λεπτό στρώμα που τραυματίζεται. Εάν στο διάστημα κύματος 1,2-1,7 μm η τιμή της ενέργειας ακτινοβολίας υπερβαίνει την ελάχιστη δόση ακτινοβολίας, τότε μπορεί να συμβεί πλήρης καταστροφή του προστατευτικού επιθηλιακού στρώματος. Είναι σαφές ότι ένας τέτοιος εκφυλισμός των ιστών στην περιοχή ακριβώς πίσω από την κόρη επηρεάζει σοβαρά την κατάσταση του οργάνου της όρασης.
Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η ίριδα, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό μελάγχρωσης, απορροφά την ακτινοβολία σχεδόν από ολόκληρη την υπέρυθρη ακτινοβολία. Είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στη δράση ακτινοβολίας με μήκος κύματος 0,8-1,3 microns, αφού η ακτινοβολία σχεδόν δεν συγκρατείται από τον κερατοειδή και το υδατοειδές υγρό του πρόσθιου θαλάμου του ματιού.
Η ελάχιστη τιμή της ενεργειακής πυκνότητας ακτινοβολίας στο εύρος κυμάτων 0,8-1,1 μm, που μπορεί να προκαλέσει βλάβη στην ίριδα, θεωρείται ότι είναι 4,2 J/cm 2 . Η ταυτόχρονη ήττα του κερατοειδούς και της ίριδας είναι πάντα οξεία και επομένως είναι η πιο επικίνδυνη. δέκα
Η απορρόφηση από τα μέσα του οφθαλμού της ενέργειας ακτινοβολίας στην υπέρυθρη περιοχή που προσπίπτει στον κερατοειδή αυξάνεται με την αύξηση του μήκους κύματος. Σε μήκη κύματος 1,4–1,9 μm, ο κερατοειδής και ο πρόσθιος θάλαμος του ματιού απορροφούν σχεδόν όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία και σε μήκη κύματος πάνω από 1,9 μm, ο κερατοειδής γίνεται ο μόνος απορροφητής ενέργειας ακτινοβολίας.
Κατά την αξιολόγηση των αποδεκτών επιπέδων ενέργειας λέιζερ, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η συνολική επίδραση στα διαφανή μέσα του ματιού, του αμφιβληστροειδούς και του χοριοειδούς. Ας αξιολογήσουμε την επίδραση της ακτινοβολίας λέιζερ στον αμφιβληστροειδή του ματιού.
Προβλέποντας την πιθανότητα κινδύνου ακτινοβολίας λέιζερ, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη:
και τα λοιπά.................

Εξουσία. Στα πρώτα λέιζερ με μια δραστική ουσία από ρουμπίνι, η ενέργεια του παλμού φωτός ήταν περίπου 0,1 J. Προς το παρόν, η ενέργεια ακτινοβολίας ορισμένων λέιζερ στερεάς κατάστασης φτάνει τα χιλιάδες joules. Με μια μικρή διάρκεια του παλμού φωτός, μπορείτε να αποκτήσετε τεράστια ισχύ. Έτσι, ένα λέιζερ νεοδυμίου παράγει παλμούς με διάρκεια 3·10 -12 s, και με ενέργεια παλμού 75 J, η ισχύς του φτάνει τα 2,5·10 13 W! (Για σύγκριση, η ισχύς του υδροηλεκτρικού σταθμού Krasnoyarsk είναι 6 10 9 W.) Η ισχύς των λέιζερ αερίου είναι πολύ χαμηλότερη (έως 50 kW), αλλά το πλεονέκτημά τους είναι ότι η ακτινοβολία τους εμφανίζεται συνεχώς, αν και υπάρχουν και παλμικά λέιζερ μεταξύ λέιζερ αερίου.

Γωνία απόκλισηςη δέσμη λέιζερ είναι πολύ μικρή και επομένως η ένταση της φωτεινής ροής σχεδόν δεν μειώνεται με την απόσταση. Τα παλμικά λέιζερ μπορούν να παράγουν εντάσεις φωτός έως και 10 14 W/m 2 . Τα ισχυρά συστήματα λέιζερ μπορούν να παράγουν εντάσεις έως και 1020 W/m 2 . Για σύγκριση, σημειώνουμε ότι η μέση τιμή της έντασης του ηλιακού φωτός κοντά στην επιφάνεια της γης είναι μόνο 10 3 W/m 2 . Κατά συνέπεια, η φωτεινότητα ακόμη και των σχετικά αδύναμων λέιζερ είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη φωτεινότητα του Ήλιου.

συνοχή. Η συντονισμένη ροή σε χρόνο και χώρο πολλών διεργασιών κυμάτων, η οποία εκδηλώνεται όταν προστίθενται. Οι ταλαντώσεις ονομάζονται συνεκτικές αν η διαφορά φάσης μεταξύ τους παραμένει σταθερή στο χρόνο. Κατά την προσθήκη δύο αρμονικών ταλαντώσεων με την ίδια συχνότητα, αλλά με διαφορετικά πλάτη A 1 και A 2 και διαφορετικές φάσεις, σχηματίζεται μια αρμονική ταλάντωση της ίδιας συχνότητας, το πλάτος της οποίας, ανάλογα με τη διαφορά φάσης, μπορεί να ποικίλλει από A 1 - A 2 έως A 1 + A 2, και αυτό το πλάτος σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου παραμένει σταθερό. Κύματα φωτός που εκπέμπονται από θερμαινόμενα σώματα ή κατά τη διάρκεια της φωταύγειας δημιουργούνται κατά τη διάρκεια αυθόρμητων μεταπτώσεων ηλεκτρονίων μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών επιπέδων σε άτομα ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Κάθε άτομο εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα για χρόνο 10–8 s, που ονομάζεται χρόνος συνοχής. Κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου, το φως διαδίδεται σε απόσταση 3 μ. Αυτή η απόσταση ονομάζεται μήκος συνοχής ή μήκος αμαξοστοιχίας. Τα κύματα εκτός του μήκους του τρένου θα είναι ήδη ασυνάρτητα. Η ακτινοβολία που παράγεται από ένα πλήθος ατόμων ανεξάρτητα μεταξύ τους αποτελείται από ένα πλήθος τρένων, οι φάσεις των οποίων αλλάζουν τυχαία από 0 σε 2p. Για την απομόνωση του συνεκτικού τμήματος από τη συνολική ασυνάρτητη φωτεινή ροή του φυσικού φωτός, χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές (καθρέπτες Fresnel, διπρίσματα Fresnel κ.λπ.), οι οποίες δημιουργούν δέσμες φωτός πολύ χαμηλής έντασης, ενώ η ακτινοβολία λέιζερ, με όλη της την τεράστια ένταση, είναι απολύτως συνεπής.

Κατ 'αρχήν, μια ασυνάρτητη δέσμη φωτός δεν μπορεί να εστιαστεί σε ένα πολύ μικρό σημείο, καθώς αυτό αποτρέπεται από τη διαφορά στις φάσεις των αμαξοστοιχιών της. Η συνεκτική ακτινοβολία λέιζερ μπορεί να εστιαστεί σε ένα σημείο με διάμετρο ίση με το μήκος κύματος αυτής της ακτινοβολίας, γεγονός που καθιστά δυνατή την αύξηση της ήδη υψηλής έντασης της δέσμης φωτός λέιζερ.

Μονόχρωμος.Η μονοχρωματική ακτινοβολία ονομάζεται ακτινοβολία με αυστηρά το ίδιο μήκος κύματος, αλλά μπορεί να δημιουργηθεί μόνο από μια αρμονική ταλάντωση που συμβαίνει με σταθερή συχνότητα και πλάτος για απείρως μεγάλο χρονικό διάστημα. Η πραγματική ακτινοβολία δεν μπορεί να είναι μονόχρωμη μόνο και μόνο επειδή αποτελείται από πολλά τρένα και πρακτικά η μονοχρωματική ακτινοβολία θεωρείται ακτινοβολία με στενό φασματικό διάστημα, το οποίο μπορεί να χαρακτηριστεί κατά προσέγγιση από ένα μέσο μήκος κύματος. Πριν από την εμφάνιση των λέιζερ, η ακτινοβολία με έναν ορισμένο βαθμό μονοχρωματικότητας μπορούσε να ληφθεί χρησιμοποιώντας μονοχρωματικά πρίσματα, τα οποία ξεχωρίζουν μια στενή ζώνη μήκους κύματος από το συνεχές φάσμα, αλλά η ισχύς φωτός σε μια τέτοια ζώνη είναι πολύ χαμηλή. Η ακτινοβολία λέιζερ έχει υψηλό βαθμό μονοχρωματικότητας. Το πλάτος των φασματικών γραμμών που παράγονται από ορισμένα λέιζερ φτάνει τα 10-7 nm.

Πόλωση.Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μέσα σε ένα τρένο είναι πολωμένη, αλλά δεδομένου ότι οι δέσμες φωτός αποτελούνται από πολλά τρένα που είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, το φυσικό φως δεν είναι πολωμένο και χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές για τη λήψη πολωμένου φωτός - πρίσματα Nicol, πολαροειδή κ.λπ. Σε αντίθεση με την ακτινοβολία λέιζερ φυσικού φωτός είναι εντελώς πολωμένο.

Κατεύθυνση ακτινοβολίας.Μια σημαντική ιδιότητα της ακτινοβολίας λέιζερ είναι η αυστηρή κατευθυντικότητά της, που χαρακτηρίζεται από μια πολύ μικρή απόκλιση της δέσμης φωτός, η οποία είναι συνέπεια υψηλού βαθμού συνοχής. Η γωνία απόκλισης πολλών λέιζερ έχει ανέλθει σε περίπου 10–3 rad, που αντιστοιχεί σε ένα λεπτό τόξου. Αυτή η κατευθυντικότητα, η οποία είναι εντελώς ανέφικτη στις συμβατικές πηγές φωτός, καθιστά δυνατή τη μετάδοση φωτεινών σημάτων σε τεράστιες αποστάσεις με πολύ μικρή εξασθένηση της έντασής τους, κάτι που είναι εξαιρετικά σημαντικό όταν χρησιμοποιούνται λέιζερ σε συστήματα μετάδοσης πληροφοριών ή στο διάστημα.

Ένταση ηλεκτρικού πεδίου.Μια άλλη ιδιότητα που διακρίνει την ακτινοβολία λέιζερ από το συνηθισμένο φως είναι η υψηλή ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε αυτήν. Η ένταση της ροής της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας I–EH(φόρμουλα Umov-Poynting), όπου μικαι H- αντίστοιχα, την ένταση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στο ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Από εδώ μπορεί να υπολογιστεί ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα φωτεινό κύμα με ένταση 10 18 W/m 2 είναι 3-10 10 V/m, που υπερβαίνει την ένταση του πεδίου μέσα στο άτομο. Η ένταση πεδίου σε κύματα φωτός που παράγονται από συμβατικές πηγές φωτός δεν υπερβαίνει τα 10 4 V/m.

Όταν πέφτει πάνω σε ένα σώμα, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ασκεί μηχανική πίεση σε αυτό το σώμα, η οποία είναι ανάλογη με την ένταση της ροής ενέργειας των κυμάτων. Η φωτεινή πίεση που δημιουργείται μια καλοκαιρινή μέρα από το έντονο ηλιακό φως είναι περίπου 4 10 -6 Pa (υπενθυμίζουμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση είναι 10 5 Pa). Για την ακτινοβολία λέιζερ, η τιμή της πίεσης φωτός φτάνει τα 10 12 Pa. Μια τέτοια πίεση επιτρέπει την επεξεργασία (διάτρηση, κοπή οπών κ.λπ.) των πιο σκληρών υλικών - διαμαντιών και υπερσκληρών κραμάτων.

Η αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη (αντανάκλαση, απορρόφηση, διασπορά) οφείλεται στην αλληλεπίδραση του ηλεκτρικού πεδίου ενός φωτεινού κύματος με τα οπτικά ηλεκτρόνια της ύλης. Τα άτομα διηλεκτρικών σε ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι πολωμένα. Σε χαμηλή ένταση, η διπολική ροπή μιας μονάδας όγκου μιας ουσίας (ή του διανύσματος πόλωσης) είναι ανάλογη με την ένταση του πεδίου. Όλα τα οπτικά χαρακτηριστικά μιας ουσίας, όπως ο δείκτης διάθλασης, ο δείκτης απορρόφησης και άλλα, σχετίζονται κατά κάποιο τρόπο με τον βαθμό πόλωσης, ο οποίος καθορίζεται από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου του φωτεινού κύματος. Εφόσον αυτή η σχέση είναι γραμμική, δηλ. μέγεθος Rαναλογικά ΜΙ,που δίνει λόγους να ονομάζουμε οπτική που ασχολείται με ακτινοβολία σχετικά χαμηλών εντάσεων γραμμική οπτική.

Στην ακτινοβολία λέιζερ, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου του κύματος είναι συγκρίσιμη με την ισχύ του πεδίου σε άτομα και μόρια και μπορεί να τα αλλάξει μέσα σε απτά όρια. Αυτό οδηγεί: στο γεγονός ότι η διηλεκτρική επιδεκτικότητα παύει να είναι σταθερή τιμή και γίνεται μια ορισμένη συνάρτηση της έντασης του πεδίου . Κατά συνέπεια, η εξάρτηση του διανύσματος πόλωσης από την ένταση του πεδίου δεν θα είναι πλέον γραμμική συνάρτηση. Επομένως, μιλάμε για μη γραμμική πόλωση του μέσου και, κατά συνέπεια, για μη γραμμική οπτική, στην οποία η διαπερατότητα της ουσίας, ο δείκτης διάθλασης, ο δείκτης απορρόφησης και άλλα οπτικά μεγέθη δεν θα είναι πλέον σταθερές, αλλά θα εξαρτώνται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός.

Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα επιτεύγματα της φυσικής στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα ήταν η ανακάλυψη φυσικών φαινομένων που χρησίμευσαν ως βάση για τη δημιουργία μιας εκπληκτικής συσκευής - μιας οπτικής κβαντικής γεννήτριας ή λέιζερ.

Το λέιζερ είναι μια πηγή μονοχρωματικού συνεκτικού φωτός με μια εξαιρετικά κατευθυντική δέσμη φωτός. Η ίδια η λέξη «λέιζερ» αποτελείται από τα πρώτα γράμματα μιας αγγλικής φράσης που σημαίνει ενίσχυση του φωτός ως αποτέλεσμα διεγερμένης εκπομπής».

Πράγματι, η κύρια φυσική διαδικασία που καθορίζει τη δράση ενός λέιζερ είναι η διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα διεγερμένο άτομο όταν η ενέργεια του φωτονίου ταιριάζει ακριβώς με την ενέργεια διέγερσης του ατόμου (ή του μορίου)

Ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης, το άτομο περνά σε μια μη διεγερμένη κατάσταση και η περίσσεια ενέργειας εκπέμπεται με τη μορφή ενός νέου φωτονίου με ακριβώς την ίδια ενέργεια, κατεύθυνση διάδοσης και πόλωση με το πρωτεύον φωτόνιο. Έτσι, συνέπεια αυτής της διαδικασίας είναι η παρουσία δύο απολύτως πανομοιότυπων φωτονίων. Με περαιτέρω αλληλεπίδραση αυτών των φωτονίων με διεγερμένα άτομα παρόμοια με το πρώτο άτομο, μπορεί να συμβεί μια «αλυσιδωτή αντίδραση» αναπαραγωγής πανομοιότυπων φωτονίων που «πετούν» προς την ίδια ακριβώς κατεύθυνση, η οποία θα οδηγήσει στην εμφάνιση μιας δέσμης φωτός στενά κατευθυνόμενης. Για την εμφάνιση μιας χιονοστιβάδας πανομοιότυπων φωτονίων, χρειάζεται ένα μέσο στο οποίο θα υπάρχουν περισσότερα διεγερμένα άτομα από μη διεγερμένα, καθώς τα φωτόνια θα απορροφώνται όταν τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τα μη διεγερμένα άτομα. Ένα τέτοιο μέσο ονομάζεται μέσο με αντίστροφο πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων.

Έτσι, εκτός από την εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίων από διεγερμένα άτομα, υπάρχει επίσης μια διαδικασία αυθόρμητης, αυθόρμητης εκπομπής φωτονίων κατά τη μετάβαση των διεγερμένων ατόμων σε μια μη διεγερμένη κατάσταση και μια διαδικασία απορρόφησης φωτονίων κατά τη μετάβαση των ατόμων από ανενόχλητη κατάσταση σε ενθουσιασμένη. Αυτές οι τρεις διεργασίες που συνοδεύουν τις μεταβάσεις των ατόμων σε διεγερμένες καταστάσεις και το αντίστροφο υποβλήθηκαν από τον Α. Αϊνστάιν το 1916.

Εάν ο αριθμός των διεγερμένων ατόμων είναι μεγάλος και υπάρχει αντίστροφος διαχωρισμός των επιπέδων (υπάρχουν περισσότερα άτομα στην ανώτερη, διεγερμένη κατάσταση παρά στην κατώτερη, μη διεγερμένη κατάσταση), τότε το πρώτο φωτόνιο που γεννήθηκε ως αποτέλεσμα αυθόρμητης εκπομπής θα προκαλέσει μια ολοένα αυξανόμενη χιονοστιβάδα εμφάνισης πανομοιότυπων φωτονίων. Θα υπάρξει αύξηση της αυθόρμητης εκπομπής.

Η πιθανότητα ενίσχυσης του φωτός σε ένα μέσο με αντίστροφο πληθυσμό λόγω διεγερμένης εκπομπής επισημάνθηκε για πρώτη φορά το 1939 από τον Σοβιετικό φυσικό

V.A. Fabrikant, ο οποίος πρότεινε να δημιουργηθεί ένας αντίστροφος πληθυσμός σε μια ηλεκτρική εκκένωση σε ένα αέριο.

Με την ταυτόχρονη παραγωγή (κατ' αρχήν είναι δυνατό) μεγάλου αριθμού φωτονίων που εκπέμπονται αυθόρμητα, θα προκύψει ένας μεγάλος αριθμός χιονοστιβάδων, καθεμία από τις οποίες θα διαδοθεί προς τη δική της κατεύθυνση, που δίνεται από το αρχικό φωτόνιο της αντίστοιχης χιονοστιβάδας. Ως αποτέλεσμα, θα λάβουμε ρεύματα από κβάντα φωτός, αλλά δεν θα μπορέσουμε να αποκτήσουμε ούτε κατευθυνόμενη δέσμη ούτε υψηλή μονοχρωματικότητα, αφού κάθε χιονοστιβάδα ξεκίνησε από το δικό της αρχικό φωτόνιο. Προκειμένου ένα μέσο με ανεστραμμένο πληθυσμό να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει μια δέσμη λέιζερ, δηλαδή μια κατευθυνόμενη δέσμη με υψηλή μονοχρωματικότητα, είναι απαραίτητο να «αφαιρέσουμε» τον αντίστροφο πληθυσμό χρησιμοποιώντας πρωτεύοντα φωτόνια που έχουν ήδη την ίδια ενέργεια, που συμπίπτει με το ενέργεια μιας δεδομένης μετάπτωσης σε άτομο. Σε αυτή την περίπτωση, θα έχουμε έναν ενισχυτή φωτός λέιζερ.

Υπάρχει, ωστόσο, μια άλλη επιλογή για τη λήψη δέσμης λέιζερ, που σχετίζεται με τη χρήση ενός συστήματος ανάδρασης. Τα αυθόρμητα γεννημένα φωτόνια, η κατεύθυνση διάδοσης των οποίων δεν είναι κάθετη στο επίπεδο των κατόπτρων, θα δημιουργήσουν μια χιονοστιβάδα φωτονίων που υπερβαίνουν το μέσο. Ταυτόχρονα, τα φωτόνια των οποίων η κατεύθυνση διάδοσης είναι κάθετη στο επίπεδο των κατόπτρων θα δημιουργήσουν χιονοστιβάδες που πολλαπλασιάζονται στο μέσο λόγω πολλαπλών αντανακλάσεων από τους καθρέφτες. Εάν ένα από τα κάτοπτρα έχει μικρή μετάδοση, τότε μια κατευθυνόμενη ροή φωτονίων θα εξέλθει από αυτό κάθετα στο επίπεδο των κατόπτρων. Με σωστά επιλεγμένη μετάδοση των κατόπτρων, την ακριβή προσαρμογή τους σε σχέση μεταξύ τους και σε σχέση με τον διαμήκη άξονα του μέσου με ανεστραμμένο πληθυσμό, η ανάδραση μπορεί να είναι τόσο αποτελεσματική ώστε η «πλάγια» ακτινοβολία μπορεί να παραμεληθεί εντελώς σε σύγκριση με την ακτινοβολία. που αναδύεται μέσα από τους καθρέφτες. Στην πράξη, αυτό μπορεί πράγματι να γίνει. Αυτό το κύκλωμα ανάδρασης ονομάζεται οπτικός συντονιστής και είναι αυτός ο τύπος αντηχείου που χρησιμοποιείται στα περισσότερα υπάρχοντα λέιζερ.

Το 1955, ταυτόχρονα και ανεξάρτητα, ο Ν.Γ. Οι Basov και A. M. Prokhorov στην ΕΣΣΔ και οι C. Towns στις ΗΠΑ πρότειναν την αρχή της δημιουργίας της πρώτης στον κόσμο γεννήτρια κβαντών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ένα μέσο με ανεστραμμένο πληθυσμό, στο οποίο η διεγερμένη εκπομπή ως αποτέλεσμα της χρήσης ανατροφοδότησης οδήγησε στην παραγωγή εξαιρετικά μονοχρωματικής ακτινοβολίας.

Λίγα χρόνια αργότερα, το 1960, ο Αμερικανός φυσικός T. Maiman εκτόξευσε την πρώτη κβαντική γεννήτρια στην οπτική περιοχή - ένα λέιζερ, στο οποίο η ανάδραση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον οπτικό συντονιστή που περιγράφηκε παραπάνω και ο αντίστροφος πληθυσμός ενθουσιάστηκε σε ρουμπίνι κρύσταλλοι ακτινοβολημένοι με ακτινοβολία από λάμπα φλας xenon. Ο ρουμπίνι κρύσταλλος είναι ένας κρύσταλλος από οξείδιο του αλουμινίου AL2O3 με μικρή προσθήκη = 0,05% χρώμιο. Όταν προστίθενται άτομα χρωμίου, διαφανείς κρύσταλλοι ρουμπίνι γίνονται ροζ και απορροφούν την ακτινοβολία σε δύο ζώνες της σχεδόν υπεριώδους περιοχής του φάσματος. Συνολικά, οι κρύσταλλοι ρουμπίνι απορροφούν περίπου το 15% του φωτός μιας λάμπας φλας. Όταν το φως απορροφάται από ιόντα χρωμίου, συμβαίνει η μετάβαση των ιόντων σε διεγερμένη κατάσταση. Ως αποτέλεσμα εσωτερικών διεργασιών, τα διεγερμένα ιόντα χρωμίου δεν περνούν αμέσως στη βασική κατάσταση, αλλά μέσω δύο διεγερμένων επιπέδων. Σε αυτά τα επίπεδα, συμβαίνει η συσσώρευση ιόντων και με μια αρκετά ισχυρή αναλαμπή μιας λάμπας ξένον, δημιουργείται ένας αντίστροφος πληθυσμός μεταξύ των ενδιάμεσων επιπέδων και του επιπέδου εδάφους των ιόντων χρωμίου.

Τα άκρα της ράβδου ρουμπίνι είναι γυαλισμένα, καλυμμένα με αντανακλαστικές μεμβράνες παρεμβολής, διατηρώντας παράλληλα τον αυστηρό παραλληλισμό των άκρων μεταξύ τους.

Όταν συμβαίνει μια πληθυσμιακή αντιστροφή των επιπέδων ιόντων χρωμίου σε ένα ρουμπίνι, εμφανίζεται μια αύξηση χιονοστιβάδας στον αριθμό των επαγόμενων φωτονίων και η ανάδραση στον οπτικό συντονιστή που σχηματίζεται από καθρέφτες στα άκρα της ράβδου ρουμπινιού εξασφαλίζει το σχηματισμό μιας στενής δέσμης κόκκινου φωτός. Η διάρκεια του παλμού λέιζερ==0,0001 s, ελαφρώς μικρότερη από τη διάρκεια του φλας της λάμπας xenon. Η ενέργεια του παλμού λέιζερ ρουμπίνι είναι περίπου 1J.

Με τη βοήθεια ενός μηχανικού συστήματος (περιστρεφόμενος καθρέφτης) ή ενός ηλεκτρικού κλείστρου υψηλής ταχύτητας, μπορεί κανείς να «ανοίξει» την ανάδραση (ρυθμίστε έναν από τους καθρέφτες) τη στιγμή που η μέγιστη αναστροφή πληθυσμού και, κατά συνέπεια, η μέγιστη ενίσχυση του ενεργού μέσου επιτυγχάνεται. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς της διεγερμένης εκπομπής θα είναι εξαιρετικά υψηλή και η πληθυσμιακή αντιστροφή θα «αφαιρείται» από την διεγερμένη εκπομπή σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.

Σε αυτό το καθεστώς αντηχείου με μεταγωγή Q, εκπέμπεται ένας τεράστιος παλμός ακτινοβολίας λέιζερ. Η συνολική ενέργεια αυτού του παλμού θα παραμείνει περίπου στο ίδιο επίπεδο με τη λειτουργία "ελεύθερης παραγωγής", αλλά λόγω της μείωσης της διάρκειας του παλμού κατά εκατοντάδες φορές, η ισχύς ακτινοβολίας αυξάνεται επίσης κατά εκατοντάδες φορές, φτάνοντας την τιμή = 100000000 W.

Ας εξετάσουμε μερικές μοναδικές ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ.

Κατά τη διάρκεια της αυθόρμητης εκπομπής, ένα άτομο εκπέμπει μια φασματική γραμμή πεπερασμένου πλάτους. Με μια αύξηση σαν χιονοστιβάδα στον αριθμό των διεγερμένων εκπεμπόμενων φωτονίων σε ένα μέσο με ανεστραμμένο πληθυσμό, η ένταση ακτινοβολίας αυτής της χιονοστιβάδας θα αυξηθεί, πρώτα απ 'όλα, στο κέντρο της φασματικής γραμμής μιας δεδομένης ατομικής μετάπτωσης και ως Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, το πλάτος της φασματικής γραμμής της αρχικής αυθόρμητης εκπομπής θα μειωθεί. Στην πράξη, υπό ειδικές συνθήκες, είναι δυνατό να γίνει το σχετικό πλάτος της φασματικής γραμμής ακτινοβολίας λέιζερ 1 * 10000000-1 * 100000000 φορές μικρότερο από το πλάτος των στενότερων γραμμών αυθόρμητης εκπομπής που παρατηρούνται στη φύση.

Εκτός από τη στένωση της γραμμής εκπομπής στο λέιζερ, είναι δυνατό να ληφθεί μια απόκλιση δέσμης μικρότερη από 0,00001 ακτίνια, δηλαδή σε επίπεδο δευτερολέπτων τόξου.

Είναι γνωστό ότι μια κατευθυντική στενή δέσμη φωτός μπορεί να ληφθεί κατ' αρχήν από οποιαδήποτε πηγή τοποθετώντας έναν αριθμό οθονών με μικρές οπές που βρίσκονται στην ίδια ευθεία γραμμή στην διαδρομή της φωτεινής ροής. Ας φανταστούμε ότι πήραμε ένα θερμαινόμενο μαύρο σώμα και με τη βοήθεια διαφραγμάτων λάβαμε μια δέσμη φωτός, από την οποία απομονώθηκε μια δέσμη με φασματικό πλάτος που αντιστοιχεί στο πλάτος του φάσματος ακτινοβολίας λέιζερ χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα ή άλλη φασματική συσκευή. Γνωρίζοντας τη δύναμη της ακτινοβολίας λέιζερ, το πλάτος του φάσματος της και τη γωνιακή απόκλιση της δέσμης, είναι δυνατό, χρησιμοποιώντας τον τύπο Planck, να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία ενός φανταστικού μαύρου σώματος που χρησιμοποιείται ως πηγή δέσμης φωτός ισοδύναμη με ένα λέιζερ δέσμη. Αυτός ο υπολογισμός θα μας οδηγήσει σε ένα φανταστικό νούμερο: η θερμοκρασία ενός μαύρου σώματος πρέπει να είναι της τάξης των δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών! Μια εκπληκτική ιδιότητα μιας δέσμης λέιζερ - η υψηλή αποτελεσματική θερμοκρασία της (ακόμη και σε σχετικά χαμηλή μέση ισχύ ακτινοβολίας λέιζερ ή χαμηλή ενέργεια παλμού λέιζερ) ανοίγει μεγάλες ευκαιρίες για τους ερευνητές που είναι απολύτως αδύνατες χωρίς τη χρήση λέιζερ.

Τα λέιζερ διαφέρουν ως προς: τη μέθοδο δημιουργίας ενός αντίστροφου πληθυσμού σε ένα μέσο ή, με άλλα λόγια, τη μέθοδο άντλησης (οπτική άντληση, διέγερση από κρούση ηλεκτρονίων, χημική άντληση κ.λπ.). περιβάλλον εργασίας (αέρια, υγρά, γυαλιά, κρύσταλλα, ημιαγωγοί κ.λπ.) Σχεδιασμός αντηχείου? τρόπος λειτουργίας (παλμικός, συνεχής). Αυτές οι διαφορές καθορίζονται από την ποικιλία των απαιτήσεων για τα χαρακτηριστικά λέιζερ σε σχέση με τις πρακτικές εφαρμογές του.