Princip rada i glavna svojstva lasera.

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

Laser koristi tri temeljna fenomena koji se javljaju tijekom interakcije elektromagnetskih valova s ​​materijom, a to su procesi spontane i stimulirane emisije i proces apsorpcije.

Princip rada lasera

Razmotrimo dvije proizvoljne razine energije 1 i 2 u nekom mediju s odgovarajućim populacijama N 1 i N 2 . Neka se ravni val širi u tom mediju u smjeru osi z s intenzitetom koji odgovara gustoći toka fotona F. Tada, u skladu s izrazima (1.3) - (1.6), promjena gustoće toka dF zbog oba stimulirani procesi emisije i apsorpcije u sloju dz (zasjenjeno područje na slici 1.2) dan je jednadžbom

dF=σF(N 2 -. N 1) (1.7)

Iz jednadžbe (1.7) slijedi da se u slučaju N 2 > N 1 medij ponaša kao medij za pojačavanje (tj. dF/dz > 0), au slučaju N 2<. N 1 - как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N 2 e и N 1 e - населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

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

gdje je k Boltzmannova konstanta, a T apsolutna temperatura medija. Dakle, vidimo da je u slučaju termodinamičke ravnoteže N 2<. N 1 . В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте ν, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N 2 >. N 1, tada će medij djelovati kao pojačalo. U ovom slučaju, reći ćemo da postoji inverzija populacije u mediju, imajući na umu da je razlika populacije (N 2 -. N 1 > 0) suprotna po predznaku od one koja postoji u normalnim uvjetima (N 2 -. N 1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

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

Da bi se pojačalo pretvorilo u generator potrebno je uvesti odgovarajuću pozitivnu povratnu spregu. U mikrovalnom području to se postiže stavljanjem aktivnog medija u šupljinski rezonator, koji ima rezonanciju na frekvenciji ν. U laseru se povratna sprega obično dobiva stavljanjem aktivnog medija između dva zrcala s visokom refleksijom (na primjer, između ravno paralelnih zrcala, kao što je prikazano na slici 1.3. Takav sustav zrcala obično se naziva Fabry-Perot rezonator, optički rezonator ili otvoreni rezonator). U tom će se slučaju od njih zauzvrat reflektirati ravni elektromagnetski val koji se širi u smjeru okomitom na zrcala, pojačavajući se svakim prolaskom kroz aktivni medij. Ako se jedno od dva zrcala učini djelomično prozirnim, tada se na izlazu sustava može izolirati snop korisnog zračenja, no i kod masera i kod lasera generiranje je moguće samo ako je zadovoljen određeni granični uvjet. Na primjer, u laseru generiranje počinje kada pojačanje aktivnog medija nadoknađuje gubitke u njemu (recimo, gubitke zbog djelomičnog izlaska zračenja iz rezonatora kroz zrcalo). U skladu s izrazom (1.7), pojačanje zračenja po prolazu u aktivnom mediju (tj. omjer gustoće izlaznog i ulaznog fotona) jednako je exp[σ(N 2 - N 1)∙l], gdje je l je duljina aktivnog medija. Ako su gubici u rezonatoru određeni samo prijenosom zrcala, tada će prag generiranja biti dostignut kada se uvjet

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1,9)

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

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

Čim se postigne kritična inverzija, iz spontane emisije će se razviti generacija. Doista, fotoni koji se spontano emitiraju duž osi rezonatora bit će pojačani. Ovaj mehanizam je u osnovi laserskog generatora, koji se obično naziva jednostavno laser. Međutim, riječ laser danas se široko primjenjuje na bilo koji uređaj koji emitira stimulirano zračenje - bilo u dalekom ili bliskom infracrvenom, UV, pa čak i X-zrakama. U takvim slučajevima govorimo o infracrvenim, ultraljubičastim i rendgenskim laserima. Također imajte na umu da su nazivi lasera u čvrstom stanju, tekućine i plina određeni agregacijskim stanjem aktivnog medija.

Krugovi pumpe

Razmotrimo problem kako se inverzija populacije može dobiti u danom mediju. Na prvi pogled moglo bi se činiti da bi inverzija mogla nastati interakcijom medija s dovoljno jakim elektromagnetskim valom frekvencije v, definiranom izrazom (1.1). Budući da je u termodinamičkoj ravnoteži razina 1 naseljenija od razine 2, apsorpcija prevladava nad stimuliranom emisijom, tj. pod djelovanjem upadnog vala događa se više 1-2 prijelaza nego 2-1 prijelaza, a može se nadati da će se inverzija populacije postići u ovuda. Međutim, lako je vidjeti da takav mehanizam neće raditi (barem u stacionarnim uvjetima). Kada dođu uvjeti kada se populacije razina pokažu jednakima (N 2 =N 1), procesi stimulirane emisije i apsorpcije počet će se međusobno kompenzirati i, u skladu s (1.7), medij će postati transparentan. U takvoj situaciji obično se govori o dvostupanjskom zasićenju.

Riža. 1.4. Trorazinski (a) i četverorazinski (b) laserski krugovi.

Dakle, koristeći samo dvije razine, nemoguće je dobiti inverziju populacije. Naravno, postavlja se pitanje: može li se to učiniti korištenjem više od dvije razine iz neograničenog skupa stanja danog atomskog sustava? Vidjet ćemo da će u ovom slučaju odgovor biti potvrdan i da će se moći govoriti o laserima s tri odnosno četiri razine, ovisno o broju radnih razina (slika 1.4). U trorazinskom laseru (slika 1.4, a) atomi se nekako prenose s glavne razine 1 na razinu 3. Ako se odabere medij u kojem atom koji je u pobuđenom stanju na razini 3 brzo prelazi na razinu 2 , tada je u takvom okruženju moguće dobiti inverziju populacije između razina 2 i 1. Kod četverorazinskog lasera (sl. 1.4,6) atomi se također prenose s razine tla (zbog praktičnosti nazvat ćemo ga nula) na razinu 3. Ako nakon toga atomi brzo prijeđu na razinu 2, tada se između razina 2 i 1 može dobiti inverzija populacije. Kada dođe do generiranja u ovakvom četverorazinskom laseru, atomi u procesu stimulirane emisije prelaze s razine 2 na razinu 1. Stoga je za kontinuirani rad četverorazinskog lasera potrebno da čestice koje se nalaze na razini 1 ići vrlo brzo na nultu razinu.

Pokazali smo kako se tri ili četiri razine energije bilo kojeg sustava mogu koristiti za dobivanje inverzije populacije. Hoće li sustav raditi na shemi od tri ili četiri razine (i hoće li uopće raditi!), Ovisi o tome koliko su ispunjeni gore navedeni uvjeti. Može se postaviti pitanje: zašto koristiti četverorazinsku shemu, ako se već ona na tri razine pokazuje vrlo učinkovitom za dobivanje inverzije populacije? Međutim, činjenica je da je mnogo lakše postići inverziju u laseru s četiri razine. Da bismo to vidjeli, prije svega napominjemo da je razlika energije između radnih razina lasera (slika 1.4) obično mnogo veća od kT, a u skladu s Boltzmannovom statistikom [vidi, na primjer, formulu (1.8) ], gotovo svi atomi u termodinamičkoj ravnoteži su u osnovnom stanju. Ako sada broj atoma po jedinici volumena medija označimo kao Nt, tada će u slučaju sustava na tri razine ti atomi u početku biti na razini 1. Prebacimo sada atome s razine 1 na razinu 3. Tada će se s ove razine atomi opustiti s prijelazom na nižu razinu 2. Ako se takva relaksacija dogodi dovoljno brzo, tada razina 3 ostaje gotovo nepopunjena. U ovom slučaju, da bi se populacije razina 1 i 2 učinile istim, polovica atoma Nt koji se u početku nalazi na razini tla mora se prenijeti na razinu 2. Inverziju populacije stvorit će svaki atom koji se prenese na gornju razinu više od ove polovice ukupnog broja atoma. Međutim, u četverorazinskom laseru, budući da razina 1 također izvorno nije bila naseljena, svaki atom koji je u pobuđenom stanju pridonijet će inverziji populacije. Ova jednostavna razmatranja pokazuju da, ako je moguće, treba tražiti aktivne medije koji djeluju prema shemi od četiri razine. Da bi se dobila populacijska inverzija, moguće je, naravno, koristiti veći broj energetskih razina.

Proces kojim se atomi prenose s razine 1 na razinu 3 (u trorazinskoj laserskoj shemi) naziva se pumpanje. Postoji nekoliko načina na koje se ovaj proces može provesti u praksi, na primjer korištenjem nekih tipova svjetiljki koje daju dovoljno intenzivan svjetlosni val, ili pomoću električnog pražnjenja u aktivnom mediju.

Svojstva laserskih zraka

Lasersko zračenje karakterizira iznimno visok stupanj monokromatičnosti, koherentnosti, usmjerenosti i svjetline. Ovim svojstvima može se dodati generiranje svjetlosnih impulsa kratkog trajanja. Ovo svojstvo je možda manje temeljno, ali igra vrlo važnu ulogu. Razmotrimo sada ta svojstva detaljnije.

1.4.1. koherentnost.

Za bilo koji elektromagnetski val mogu se definirati dva nezavisna koncepta koherencije, odnosno prostorna i vremenska koherencija. Da bismo odredili prostornu koherentnost, razmotrimo dvije točke P 1 i P 2 , izabrane uz takav uvjet da u trenutku t = 0 kroz njih prolazi valna fronta nekog elektromagnetskog vala, te neka E 1 (t) i E 2 ( t) su odgovarajuća električna polja u tim točkama. Prema našem uvjetu, u trenutku t = 0, fazna razlika električnih polja u tim točkama jednaka je nuli. Ako ova razlika faza ostane nula u bilo kojem trenutku t > 0, onda se kaže da postoji potpuna koherentnost između dvije točke. Ako je takav uvjet zadovoljen za bilo koji par točaka valne fronte, tada je ovaj val karakteriziran potpunom prostornom koherentnošću. Za gotovo svaku točku P 1 , ako imamo dovoljnu faznu korelaciju, točka P 2 mora se nalaziti unutar nekog konačnog područja, uključujući točku P 1 . U ovom slučaju kaže se da je val karakteriziran djelomičnom prostornom koherencijom, a za bilo koju točku P može se odrediti područje koherencije.

Kako bi se odredila vremenska koherentnost, razmotrite električno polje vala u danoj točki P u vremenima t i t + τ. Ako za zadani vremenski interval τ fazna razlika oscilacija polja ostaje ista u bilo kojem trenutku t, onda se kaže da postoji vremenska koherencija u vremenskom intervalu τ. Ako je ovaj uvjet zadovoljen za bilo koju vrijednost τ, tada val karakterizira potpuna vremenska koherentnost. Ako se to događa samo za određeni vremenski interval t, takav da je 0< τ < τ 0 , то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ 0 . Представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. Электромагнитная волна с временем когерентности, равным τ 0 , имеет спектральную ширину Δν ~ 1/ τ 0 . В случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина 1/ Δν.

Treba napomenuti da su koncepti vremenske i prostorne koherentnosti zapravo neovisni jedan o drugom. Doista, mogu se dati primjeri vala koji ima potpunu prostornu koherenciju, ali samo djelomičnu vremensku koherenciju, i obrnuto. Koncepti prostorne i vremenske koherencije opisuju lasersku koherenciju samo u prvom redu.

Orijentacija

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

Razmotrimo najprije gredu s potpunom prostornom koherentnošću. Čak i u ovom slučaju, snop s konačnim otvorom neminovno divergira zbog difrakcije. Neka zraka konstantnog intenziteta i ravne valne fronte pada na zaslon s rupom promjera D. Prema Huygensovom principu, valna fronta u određenoj ravnini P iza zaslona može se dobiti superpozicijom elementarnih valova koje emitira svaka točka od rupe. Zbog konačne veličine D rupe, greda ima konačnu divergenciju θ. Njegova se vrijednost može izračunati pomoću teorije difrakcije. Za proizvoljnu raspodjelu amplitude imamo

θ=βλ/D (1.11)

ovdje je λ valna duljina, a D promjer snopa. β je numerički koeficijent reda jedinice čija vrijednost ovisi o obliku raspodjele amplitude i metodi kojom se određuju divergencija i promjer snopa (za snop s Gaussovom raspodjelom intenziteta po poprečnom presjeku, formiran u jednomodnom rezonatoru, β=0,61). Zraka čija je divergencija opisana izrazom (1.11) naziva se difrakcijski ograničena. Ako val ima djelomičnu prostornu koherenciju, tada će njegova divergencija biti veća od minimalne vrijednosti divergencije zbog difrakcije. Pod odgovarajućim radnim uvjetima, laserska izlazna zraka može biti ograničena difrakcijom.

Svjetlina

Definirajmo svjetlinu bilo kojeg izvora elektromagnetskih valova kao snagu zračenja emitiranog s jedinične površine izvora u jedinični kut. Točnije, razmotrite element površine dS izvorne površine u točki O (slika 1.7). Tada se snaga dP koju zrači površinski element dS u kruti kut dΩ u smjeru 00" može zapisati na sljedeći način:

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

ovdje je θ kut između smjera 00 "i normale na površinu. Vrijednost B ovisi, u pravilu, o polarnim koordinatama θ i φ, tj. o smjeru 00" i o položaju točke O. Ovo vrijednost B naziva se svjetlina izvora u točki O u smjeru 00".

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

kratkih impulsa

Koristeći posebnu tehniku ​​koja se zove mod-locking, moguće je dobiti impulse svjetlosti čije je trajanje približno obrnuto proporcionalno širini prijelazne linije 2-1. Na primjer, u plinskim laserima, čija je širina linije pojačanja relativno uska, moguće je dobiti impulse zračenja u trajanju od -¦ 0,1 - 1 ns. Takvi se impulsi ne smatraju vrlo kratkim, budući da su čak i neke bljeskalice sposobne emitirati svjetlosne impulse kraće od 1 ns. Međutim, za čvrste ili tekuće lasere širine linije pojačanja mogu biti 103 ± 105 puta veće nego za plinske lasere, pa se stoga impulsi koje oni stvaraju pokazuju znatno kraćima (od 1 ps do ~ 5 fs). Dobivanje tako kratkih svjetlosnih impulsa dovelo je do novih mogućnosti u laserskom istraživanju i njegovoj primjeni.

Svojstvo generiranja kratkih impulsa, koje podrazumijeva koncentraciju energije tijekom vremena, u nekom je smislu analogno svojstvu monokromatičnosti, što znači koncentraciju energije u uskom rasponu valnih duljina. Međutim, čini se da je stvaranje kratkih impulsa manje temeljno svojstvo od monokromatičnosti. Dok se svaki laser u principu može napraviti da generira dovoljno monokromatsko zračenje, kratki impulsi mogu se dobiti samo od lasera sa širokom linijom emisije, tj. u praksi samo od lasera u čvrstom ili tekućem stanju. Plinski laseri, koji imaju uže linije pojačanja, najprikladniji su za generiranje visoko monokromatskog zračenja.

Širina linije.

Ujednačeno širenje.

Svaki proces koji skraćuje životni vijek čestica na razinama dovode do širenja linija odgovarajućih prijelaza. Doista, određivanje energije stanja trebalo bi provoditi za vrijeme koje ne prelazi životni vijek u ovom stanju t. A zatim netočnost određivanja energije u skladu s relacijom nesigurnosti "energija - vrijeme"

ΔEΔt ≥ đ (1.13)

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

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

Δν 0 \u003d A / 2π (1.14)

Prirodna širina obično je značajna samo na vrlo visokim frekvencijama. (A~ν 3) i za dobro dopuštene prijelaze. Obično se učinak spontane emisije na širinu linije može zanemariti, jer u stvarnim uvjetima relaksacijski prijelazi učinkovitije smanjuju vijek trajanja.

Kao što je već spomenuto, u sustavima s diskretnim energetskim razinama, osim induciranih i spontanih prijelaza, važnu ulogu imaju neradijacijski relaksacijski prijelazi. Ti prijelazi nastaju kao rezultat interakcije između kvantne čestice i njezine okoline. Mehanizam procesa ovih interakcija uvelike ovisi o vrsti pojedinog sustava. To može biti interakcija između iona i kristalne rešetke; to mogu biti sudari između molekula plina ili tekućine itd. U konačnici, rezultat djelovanja relaksacijskih procesa je izmjena energije između podsustava razmatranih čestica i toplinskih gibanja u cijelom sustavu u cjelini, što dovodi do termodinamičke ravnoteže između ih.

Obično se označava vrijeme ravnoteže, životni vijek čestice na razini T 1 i naziva se longitudinalno vrijeme opuštanja. Ova terminologija odgovara tradiciji uspostavljenoj u proučavanju fenomena nuklearne magnetske rezonancije (NMR) i elektronske paramagnetske rezonancije (EPR). Uzdužna relaksacija odgovara gibanju vektora visokofrekventne magnetizacije sustava čestica duž smjera vanjskog konstantnog magnetskog polja. Postoji i poprečno vrijeme opuštanja T 2 ,što odgovara gibanju vektora magnetizacije u ravnini okomitoj na smjer vanjskog konstantnog polja.

Vrijeme T Slika 2 je mjera duljine vremena tijekom kojeg čestice dobivaju nasumične faze jedna u odnosu na drugu. Svaki proces koji doprinosi tijekom opuštanja T 2 tj. svaki proces gubitka energije česticama dovodi do gubitka faze. Dakle, T 2< Т 1 . Od vremena T 2 je najkraće vrijeme opuštanja, to je ono što određuje širinu prijelazne linije. Konačnost životnog vijeka čestice u pobuđenom energetskom stanju dovodi do proširenja energetskih razina. Zračenje proširenih razina poprima spektralnu širinu. Najopćenitiji, temeljni mehanizam koji odozgo ograničava životni vijek čestice na pobuđenoj razini je spontana emisija, koja bi stoga trebala imati spektralnu širinu koja odgovara brzini događaja spontanog raspada.

Kvantna elektrodinamika omogućuje izračunavanje spektralne raspodjele kvanta spontane emisije koji proizlazi iz razine širine

ΔE = đ /τ 0 . (1.15)

Ispada da kontura linije spontane emisije ima takozvani Lorentzov oblik širine

Δν l = ΔE / ђ = 1/2πτ 0 (1.16).

Lorentzijev oblik linije određen je faktorom oblika

q(ν) (1.17)

i ima oblik rezonantne krivulje s maksimumom na frekvenciji ν =ν 0 , koja pada na razinu od polovice vršne vrijednosti na frekvencijama ν=ν 0 ±Δν l /2. Očito je puna širina krivulje na pola maksimalne vrijednosti Δν l.

Ako uzmemo u obzir mogućnost spontanog raspada ne samo gornje od dvije razmatrane energetske razine, već i donje, kada donja razina nije glavna, onda pod Δν l, koji je uključen u formulu ( 1.17), treba razumjeti vrijednost koja je određena zbrojem stopa raspada ovih razina

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

Širenje linije zbog konačnog životnog vijeka stanja povezanih s razmatranim prijelazom naziva se homogeno. Svaki atom u odgovarajućem stanju zrači linijom ukupne širine Δν l i spektralnog oblika tijekom prijelaza od vrha prema dnu q(ν). Slično, svaki atom, koji je u odgovarajućem donjem stanju, apsorbira zračenje u spektru ukupne širine Δν l iu skladu sa spektralnom ovisnošću q(ν) tijekom prijelaza odozdo prema vrhu. Nemoguće je pripisati bilo koju određenu spektralnu komponentu u q(ν) spektru nekom određenom atomu. U slučaju jednolikog širenja, bez obzira na njegovu prirodu, spektralna ovisnost q(ν) je pojedinačna spektralna karakteristika i jednog atoma i cijelog skupa atoma. Promjena ove karakteristike, koja je u načelu moguća pod jednim ili drugim djelovanjem na skup atoma, događa se istovremeno i na isti način za sve atome skupa.

Primjeri jednolikog širenja su prirodna širina linije i sudarsko širenje u plinovima.

nehomogena ekspanzija.

Eksperimentalno promatrane spektralne linije mogu biti bezstrukturna superpozicija nekoliko spektralno nerazrješivih jednoliko proširenih linija. U tim slučajevima svaka čestica ne emitira niti apsorbira u granicama cijele eksperimentalno promatrane linije. Takva spektralna linija naziva se nehomogeno proširena. Razlog nehomogenog širenja može biti bilo koji proces koji dovodi do razlike u uvjetima emisije (apsorpcije) za neke od istih atoma iz skupa čestica koji se proučava, ili prisutnost u ansamblu atoma sa sličnim, ali različitim spektralnim svojstva (hiperfina struktura ove ili one vrste), jednoliko proširene spektralne linije koje se samo djelomično preklapaju. Izraz "nehomogeno širenje" nastao je u NMR spektroskopiji, u kojoj je ova vrsta proširenja nastala zbog nehomogenosti vanjskog magnetizirajućeg polja unutar uzorka koji se proučava.

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

Atomi (molekule, ioni) plina su u toplinskom gibanju. Doplerov efekt prvog reda dovodi do pomaka frekvencije zračenja čestica koje lete prema promatraču brzinom i, za vrijednost ν 0 u/s, gdje je ν 0 frekvencija zračenja čestice u mirovanju, a c je brzina svjetlosti. Prirodno proširenje pretvara zračenje na frekvenciji ν 0 u spektralnu liniju, ali to proširenje je homogeno, a pomak frekvencije ν 0 je testiranje cijele linije. Budući da se čestice plina kreću različitim brzinama, pomaci frekvencije njihova zračenja su različiti, a ukupni oblik plinovoda u cjelini određen je raspodjelom brzine čestica. Potonje je točno, strogo govoreći, ako je prirodna širina linije puno uža od doplerovih pomaka frekvencije, što u pravilu i jest. Zatim, ako je označeno sa p(u) funkcija raspodjele brzine čestica, čini se da je faktor oblika Dopplerove linije q(ν) povezan s p(u) jednostavan omjer:

ν = ν 0 (1+u/s ) ). (1.20)

Stoga, u = c(ν - ν 0 )/ ν 0 i du = c dν . Uz Maxwellovu raspodjelu brzina čestica

(1.21)

gdje je prosječna toplinska brzina

Ovdje k je Boltzmannova konstanta, T-temperatura plina, t je masa atoma (molekule) plina. Kombinirajući (1.20) i (1.21), lako je dobiti q(ν) kao

, (1.22)

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

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

AIG-Nd-laser.

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

a - shema energetskih razina; b - ovisnost intenziteta luminiscencije (u proizvoljnim jedinicama) o valnoj duljini.

YAG-Nd laser spada u solid-state lasere s optičkim pumpanjem. Lasersko aktivne tvari su sintetski kristali itrij-aluminij granata (Y 3 Al 5 O 12) koji sadrže ione Nd 3+ u volumnoj koncentraciji od približno 1,5%. Veće koncentracije su nemoguće zbog razlike u polumjerima iona Nd 3+ i Y 3+. YAG kristali imaju kubičnu rešetku i stoga su optički izotropni. Na sl. 2.1, a prikazuje dijagram energetskih razina iona Nd 3+ koji se nalazi u električnom polju kristala. S lijeve strane sl. 2.1, ali se može vidjeti da se krug odnosi na četverorazinski laser.

Nivoi 4 F 3/2 i 4 I 11/2 igraju ulogu gornje i donje laserske razine. Iznad razine 4 F 3/2, postoji cijeli niz razina pumpe ili pumpnih traka, iz kojih pobuđeni ioni brzo prelaze na gornju lasersku razinu zbog interakcije s rešetkom. Niža laserska razina je iznad razine tla za energetsku vrijednost mnogo veću od kT. Stoga, u toplinskoj ravnoteži, ova razina je gotovo nepopunjena. Razine 4 F 3/2 i 4 I 11/2 dijele se u kristalnom polju, zbog čega postaju mogući mnogi prijelazi prikazani na desnoj strani slike 2. 2.1. (Odgovarajuća cijepanja drugih razina nisu prikazana.) Najintenzivniji prijelaz je uočen na 1,0641 μm. Poprečni presjek ovog prijelaza je 8,8-10~23 m2, vijek trajanja zračenja gornje razine je 230 μs, a prinos luminiscencije je 0,995. Na sobnoj temperaturi prijelazi su homogeno prošireni kao rezultat interakcije s vibracijama rešetke. Zbog pravilnosti kristalne strukture, nehomogeno proširenje je zanemarivo malo, dok je u sustavima na bazi neodim stakla ono dominantno. Glavni laserski prijelaz ima širinu linije od Δν≈120 GHz. Kriptonska lučna svjetiljka najprikladnija je za pumpanje YAG-Nd lasera, budući da su njezini rasponi emisije u dobrom skladu s razinama pumpe. Na sl. 2.2 prikazuje krug crpke. Pumpanje se vrši u dvostrukom eliptičnom reflektoru izrađenom od materijala visoke refleksije. Cilindrična YAG šipka nalazi se na zajedničkoj žarišnoj liniji. Obje kriptonske lampe postavljene su na druge dvije žarišne linije. Za hlađenje sustava, šipka i svjetiljke se ispiru mlazom vode. Zbog dobre toplinske vodljivosti materijala i njegovih relaksacijskih svojstava, kao i zbog učinkovitog hlađenja, YAG laser može raditi pri velikim snagama zračenja (do 102 W) u kontinuiranom načinu rada ili pri visokim stopama ponavljanja impulsa (do približno 100 Hz) i s energijama u impulsu od 0,1 do 1 J.

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

Riža. 2.2. Crpna jedinica s dvostrukim eliptičnim reflektorom. 1 - svjetiljke; 2 - YAG - Nd-šipka; 3 - reflektor; 4 - vodeno hlađenje.

Različite metode uspješno su korištene za generiranje ultrakratkih svjetlosnih impulsa s YAG:Nd laserom. Za laser s kontinuiranim pumpanjem uglavnom se koristi metoda aktivnog zaključavanja moda uz korištenje akustooptičkih ili elektrooptičkih modulatora. U slučaju YAG: Nd lasera s impulsnom pumpom, pasivna sinkronizacija najčešće se koristi za stvaranje takvog režima u kojem laser emitira niz ultrakratkih impulsa. YAG: CW i impulsni Nd laseri često služe kao izvori svjetlosti za generiranje viših harmonika, kao i za parametarsko generiranje.

Laseri za bojenje

Organske boje u otopini karakteriziraju visoki presjeci apsorpcije i emisije te široke vrpce. Prikladni su kao aktivne tvari za lasere podesivih valnih duljina.

Vibracijske razine su superponirane na sustave singletnih i tripletnih elektroničkih razina. Zbog velikog broja vibracijskih stupnjeva slobode i jakog proširenja linija u tekućinama, pojedinačni vibracijski prijelazi većinom ostaju potpuno nerazriješeni, tako da nastaje homogeni spektralni pojas.

Laser za bojenje najčešće se opisuje kao laser na četiri razine. Pod djelovanjem svjetla pumpe dolazi do prijelaza na pobuđene vibracijske razine stanja S 1 u skladu s Franck-Condonovim principom. Vibracijska deaktivacija S 1 stanja događa se iznimno brzo (~ 10 -13 s), zbog čega se molekule skupljaju na donjem rubu sustava S 1 razine.

Laser je optički generator valova koji koristi energiju induciranog zračenja atoma ili molekula u medijima s inverznom populacijom energetskih razina, koje imaju svojstvo pojačavanja svjetlosti određenih valnih duljina. Za višestruko pojačavanje svjetlosti koristi se optički rezonator koji se sastoji od 2 zrcala. Zbog različitih metoda crpljenja u aktivnom elementu stvara se aktivni medij.

Slika 1 - Shema laserskog uređaja

Zbog navedenih uvjeta u laseru se generira spektar koji je prikazan na slici 2 (broj laserskih modova kontrolira se duljinom šupljine):

Slika 2 - Spektar longitudinalnih laserskih modova

Laseri imaju visok stupanj monokromatičnosti, visok stupanj usmjerenosti i polarizacije zračenja sa značajnim intenzitetom i svjetlinom, visokim stupnjem vremenske i prostorne koherentnosti, mogu se podešavati u valnoj duljini, mogu emitirati svjetlosne impulse rekordno kratkog trajanja, za razliku od na toplinske izvore svjetlosti.

Tijekom razvoja laserskih tehnologija stvorena je velika lista lasera i laserskih sustava koji svojim karakteristikama zadovoljavaju potrebe laserske tehnologije, uključujući i biotehnologiju. Zbog složenosti dizajna bioloških sustava, značajna raznolikost u prirodi njihove interakcije sa svjetlom određuje potrebu korištenja mnogih vrsta laserskih uređaja u fotobiologiji, a također potiče razvoj novih laserskih alata, uključujući sredstva za isporuku lasersko zračenje na objekt proučavanja ili izlaganja.

Poput obične svjetlosti, lasersko zračenje reflektira se, apsorbira, ponovno emitira i raspršuje biološki okoliš. Svi ti procesi nose informacije o mikro i makro strukturi predmeta, kretanju i obliku njegovih pojedinih dijelova.

Monokromatičnost je visoka spektralna gustoća snage laserskog zračenja, ili značajna vremenska koherentnost zračenja, osigurava: spektralnu analizu s razlučivosti nekoliko redova veličine većom od one kod tradicionalnih spektrometara; visok stupanj selektivnosti ekscitacije određene vrste molekula u njihovoj smjesi, što je bitno za biotehnologije; primjena interferometrijskih i holografskih metoda za dijagnosticiranje bioloških objekata.

Zbog činjenice da su laserske zrake gotovo paralelne, s povećanjem udaljenosti svjetlosni snop lagano povećava promjer. Navedena svojstva laserske zrake omogućuju selektivno djelovanje na različite dijelove biološkog tkiva, stvarajući veliku gustoću energije ili snage na maloj točki.

Laserski sustavi podijeljeni su u sljedeće grupe:

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

2) Laseri s niskoenergetskim zračenjem (helij-kadmij, helij-neon, dušik, boja i dr.), koji nemaju izražen toplinski učinak na tjelesna tkiva.

Trenutno postoje laserski sustavi koji generiraju zračenje u ultraljubičastom, vidljivom i infracrvenom području spektra. Biološki učinci uzrokovani laserskim zračenjem ovise o valnoj duljini i dozi svjetlosnog zračenja.

U oftalmologiji često koriste: excimer laser (s valne duljine 193 nm); argon (488 nm i 514 nm); kripton (568 nm i 647 nm); helij-neonski laser (630 nm); dioda (810 nm); ND:YAG laser s udvostručenjem frekvencije (532 nm), kao i generiranjem na valnoj duljini od 1,06 mikrona; 10-CO2 laser (10,6 µm). Opseg laserskog zračenja u oftalmologiji određuje valnu duljinu.

Laserske instalacije dobivaju nazive prema aktivnom mediju, a detaljnija klasifikacija uključuje krute, plinske, poluvodičke, tekuće lasere i druge. Popis lasera u čvrstom stanju uključuje: neodim, rubin, aleksandrit, erbij, holmij; plinovi uključuju: argon, excimer, bakrene pare; na tekuće: laseri koji rade na otopinama boja i drugi.

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

Jedno od najvažnijih svojstava za korištenje lasera je njihova značajka koja omogućuje formiranje spekle uzorka kada se koherentno zračenje reflektira od površine objekta. Svjetlost raspršena po površini sastoji se od nasumično raspoređenih svijetlih i tamnih mrlja – mrlja. Spekl uzorak nastaje na temelju složene interferencije sekundarnih valova iz manjih centara raspršenja koji se nalaze na površini predmeta koji se proučava. Zbog činjenice da velika većina proučavanih bioloških objekata ima hrapavu površinu i optičku nehomogenost, oni uvijek tvore pjegasti uzorak i time unose izobličenja u konačne rezultate istraživanja. Zauzvrat, spekle polje sadrži informacije o svojstvima površine koja se proučava i sloja blizu površine, koji se mogu koristiti u dijagnostičke svrhe.

U oftalmološkoj kirurgiji laseri se koriste u sljedećim područjima:

U kirurgiji katarakte: uništavanje nakupine katarakte na leći i disekcija stražnje kapsule leće kada se zamuti u postoperativnom razdoblju;

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

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

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

Koherencija (od lat. cohaerens, spojen, povezan) - koordiniran protok u vremenu više oscilatornih valnih procesa iste frekvencije i polarizacije; svojstvo dvaju ili više oscilatornih valnih procesa koje određuje njihovu sposobnost da se međusobno pojačavaju ili slabe kada se dodaju. Koherentne oscilacije nazivat će se ako razlika između njihovih faza ostane konstantna tijekom vremenskog intervala i kada se zbroje oscilacije, dobije se titranje iste frekvencije. Najjednostavniji primjer dviju koherentnih oscilacija su dvije sinusne oscilacije iste frekvencije.

Koherencija vala podrazumijeva da u različitim točkama valovi osciliraju sinkrono, drugim riječima, fazna razlika između dvije točke nije povezana s vremenom. Nedostatak koherentnosti znači da fazna razlika između dvije točke nije konstantna, stoga se mijenja tijekom vremena. Ova situacija nastaje ako val ne stvara jedan izvor zračenja, već skupina identičnih, ali neovisnih emitera.

Često jednostavni izvori emitiraju nekoherentne oscilacije, dok laseri, zauzvrat, emitiraju koherentne oscilacije. Zbog ovog svojstva lasersko zračenje je fokusirano što je više moguće, ima sposobnost interferencije, manje je sklono divergenciji i ima sposobnost dobivanja veće gustoće energije točke.

Monokromatičnost (grč. monos - jedan, samo + chroma - boja, boja) - zračenje jedne određene frekvencije ili valne duljine. Zračenje se uvjetno može uzeti kao monokromatsko ako pripada spektralnom području od 3-5 nm. Ako postoji samo jedan dopušteni elektronički prijelaz iz pobuđenog u osnovno stanje u sustavu, tada se stvara monokromatsko zračenje.

Polarizacija - simetrija u raspodjeli smjera vektora električnih i magnetskih polja u elektromagnetskom valu s obzirom na smjer njegova širenja. Val će se zvati polariziranim ako dvije međusobno okomite komponente vektora jakosti električnog polja osciliraju s konstantnom faznom razlikom u vremenu. Nepolarizirano - ako se promjene događaju nasumično. U longitudinalnom valu pojava polarizacije nije moguća, budući da se perturbacije u ovoj vrsti valova uvijek poklapaju sa smjerom širenja. Lasersko zračenje je jako polarizirana svjetlost (od 75 do 100%).

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

Glavne karakteristike laserskog zračenja: valna duljina, frekvencija, energetski parametri. Ove karakteristike su biotropne, odnosno određuju učinak zračenja na biološke objekte.

valna duljina ( l) predstavlja najkraću udaljenost između dvije susjedne oscilirajuće točke istog vala. Često se u medicini valna duljina označava u mikrometrima (µm) ili nanometrima (nm). Ovisno o valnoj duljini mijenjaju se koeficijent refleksije, dubina prodiranja u tkiva tijela, apsorpcija i biološki učinak laserskog zračenja.

Frekvencija karakterizira broj oscilacija u jedinici vremena i recipročna je valna duljina. Obično se izražava u hercima (Hz). Kako frekvencija raste, energija kvanta svjetlosti raste. Razlikovati: prirodna frekvencija zračenja (za jedan generator laserskih oscilacija je nepromijenjena); frekvencija modulacije (u medicinskim laserskim sustavima može varirati od 1 do 1000 Hz). Također su od velike važnosti energetski parametri laserskog zračenja.

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

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

Izloženost energiji (doza zračenja, H) je energetsko zračenje lasera tijekom određenog vremenskog razdoblja; snaga elektromagnetskog vala koji se emitira u jedinici vremena. Mjeri se u [J] ili [W * s]. Sposobnost rada je fizičko značenje energije. To je tipično u slučaju kada rad vrši promjene u tkivu s fotonima. Biološki učinak izlaganja svjetlosti karakterizira energija. U tom slučaju dolazi do istog biološkog učinka (npr. opeklina) kao i kod sunčeve svjetlosti, što se može postići malom snagom i trajanjem izlaganja ili velikom snagom i malom izloženošću. Dobiveni učinci bit će identični, pri istoj dozi.

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

"Lasersko zračenje"

Uvod

Lasersko zračenje jedno je od najzanimljivijih znanstvenih i tehnoloških dostignuća 20. stoljeća. Stvaranje lasera dovelo je do ponovnog rođenja znanstvene i tehničke optike i razvoja potpuno novih industrija. Za razliku od konvencionalnih izvora toplinskog zračenja, laser proizvodi svjetlost koja ima niz posebnih i vrlo vrijednih svojstava.
Važno je da lasersko zračenje bude koherentno i praktički monokromatsko. Prije pojave lasera, samo su radio valovi koje je emitirao dobro stabilizirani odašiljač imali ovo svojstvo. I to je omogućilo svladavanje raspona vidljive svjetlosti za prijenos informacija i komunikacije, čime je značajno povećana količina informacija koje se prenose po jedinici vremena.
Zbog činjenice da se stimulirana emisija širi striktno duž osi rezonatora, laserska se zraka slabo širi: njezina divergencija je nekoliko lučnih sekundi. jedan
Ove navedene kvalitete omogućuju fokusiranje laserske zrake u iznimno malu točku, dobivajući ogromnu gustoću energije u točki fokusa. Lasersko zračenje velike snage ima ogromnu temperaturu. Tako, na primjer, impulsni laser snage 1015 W ima temperaturu zračenja od oko 100 milijuna stupnjeva. Zbog ovih svojstava laseri su našli primjenu u raznim područjima znanosti, tehnologije i medicine. Vrlo je obećavajuća primjena laserskog zračenja za svemirske komunikacije, u optičkim lokatorima koji mjere velike udaljenosti s točnošću do milimetara, za prijenos televizijskih i računalnih signala preko optičkog vlakna. Laseri se koriste pri čitanju informacija s CD-a, s crtičnih kodova robe. Uz pomoć snopa lasera niskog intenziteta moguće je izvesti kirurške zahvate, na primjer, "zavariti" mrežnicu koja se odvojila od očnog dna, izvesti vaskularne operacije. U obradi materijala laseri se koriste za zavarivanje, rezanje i bušenje vrlo malih rupa s visokom preciznošću.Obećavajuće je korištenje laserskog zračenja velike snage za provedbu kontrolirane termonuklearne reakcije. Laseri se također koriste za topografska snimanja, jer laserska zraka postavlja idealnu ravnu liniju. Smjer tunela ispod La Manchea odredila je laserska zraka. Uz pomoć laserskog zračenja dobivaju se holografske trodimenzionalne volumetrijske slike. U mjeriteljstvu se laser koristi za mjerenje duljine, brzine i tlaka. Stvaranje lasera rezultat je korištenja temeljnih fizikalnih zakona u primijenjenim istraživanjima. To je dovelo do gigantskog napretka u raznim područjima inženjerstva i tehnologije. Stvaranje lasera postalo je odlučujući čimbenik u razvoju optičkih prijenosnih sustava. Navedeno određuje relevantnost studije u ovom radu.
Svrha ovog rada je proučavanje laserskog zračenja. Ciljevi ovog rada su razmotriti:
- svojstva laserskog zračenja;
- kratka povijest nastanka i poboljšanja lasera;
- izvore, svojstva i vrste lasera;
- štetno djelovanje laserskog zračenja;
- laserske sigurnosne klase i zaštitna oprema.

1. Laserska tehnologija

Laserska tehnologija je još vrlo mlada – nema ni pola stoljeća. Međutim, u ovom vrlo kratkom vremenu laser se iz radoznalog laboratorijskog uređaja pretvorio u sredstvo znanstvenog istraživanja, u alat koji se koristi u industriji. Teško je pronaći takvo područje moderne tehnologije u kojem laseri ne bi radili. Njihovo zračenje se koristi za komunikaciju, snimanje i čitanje informacija, za točna mjerenja; nezamjenjivi su u medicini, kirurgiji i terapiji. Mnogi znanstvenici vjeruju da su dramatične promjene koje je laser napravio u ljudskom životu slične posljedicama industrijske upotrebe električne energije krajem 19. stoljeća.
Velike mogućnosti laserske tehnologije objašnjavaju se posebnim svojstvima laserskog zračenja. Njegovu prirodu proučava kvantna mehanika. Njegovi zakoni opisuju procese koji se odvijaju u laseru, zbog čega se naziva i optički kvantni generator.
Dakle, svjetlost je tok posebnih čestica koje emitiraju atomi - fotoni, odnosno kvanti elektromagnetskog zračenja. Treba ih smatrati segmentima vala, a ne česticama materije. Svaki foton nosi strogo određeni dio energije koju emitira atom. 2
Emitirani fotoni su apsolutno identični, njihove frekvencije su jednake, a faze su iste. Kada se sretnu s dva pobuđena atoma, bit će 4 fotona, zatim 8, 16, itd. Doći će do lavine fotona koji se međusobno ne razlikuju, tvoreći takozvano monokromatsko (jednobojno) koherentno zračenje. Ova stimulirana emisija ima niz zanimljivih svojstava.
Lasersko zračenje ima vrlo visoku temperaturu. Njegova vrijednost ovisi o snazi ​​zračenja i ponekad doseže milijune stupnjeva.
U tom slučaju laser emitira energiju na jednoj frekvenciji, na jednoj valnoj duljini. Prije se takvo monokromatsko zračenje dobivalo samo u području radio valova. Svjetlost koju emitira čak i vrlo mali komadić vruće tvari uvijek se sastoji od valova vrlo različitih frekvencija. Iz tog razloga, primjerice, u optici nije bilo moguće stvoriti usko usmjerene i fokusirane snopove zračenja, koje radioinženjeri koriste više od desetak godina.
Također, lasersko zračenje je vrlo stabilno. Elektromagnetski val koji generira laser širi se mnogo kilometara bez promjene. Njegova amplituda, frekvencija i faza mogu ostati konstantne jako dugo. Ova kvaliteta se naziva visoka prostorna i vremenska koherentnost.
Ove tri značajke laserskog zračenja našle su primjenu u raznim granama tehnike, u rješavanju raznih tehnoloških problema. Za svaki slučaj možete odabrati laser željene vrste i potrebne snage. 3

2. Karakterizacija lasera

2.1 Rođenje obitelji lasera

Kako dobiti koherentno zračenje postalo je jasno 1918. godine kada je Albert Einstein predvidio fenomen stimuliranog zračenja. Ako stvorite medij u kojem su atomi u pobuđenom stanju, i “u njega lansirate slab tok koherentnih fotona, tada će se njegov intenzitet povećati. Početkom 50-ih godina. Ruski istraživači Nikolaj Genadijevič Basov, Aleksandar Mihajlovič Prohorov i, neovisno o njima, američki fizičar Charles Hard Towns stvorili su visokofrekventno pojačalo radio valova na bazi molekula amonijaka. Pobuđene molekule potrebne za rad odabrane su iz strujanja plina električnim poljem složene konfiguracije. Uređaj za novorođenče zvao se maser.
Godine 1960. američki fizičar Theodore Harold Maiman dizajnirao je prvi laserski kvantni generator u optičkom rasponu. Pojačanje svjetlosti dogodilo se u kristalu rubina od prozirne sorte aluminijevog oksida s malom primjesom kroma (na ovaj materijal istaknuli su N.G. Basov i A.M. Prokhorov treću godinu ranije). Laser je koristio rubinsku šipku hlađenu tekućim dušikom duljine oko 4 cm i promjera 5 mm. Posrebreni krajevi štapa služili su kao ogledala, od kojih je jedno bilo prozirno. Energija je upumpana u kristal snažnom bljeskalicom. Struja fotona visoke energije prevela je atome kroma u pobuđeno stanje. Na jednoj od visokoenergetskih razina, atomi kasne u prosjeku 0,003 s, vrijeme je ogromno na atomskim ljestvicama. Tijekom tog razdoblja, neki od atoma imaju vremena spontano emitirati fotone. Njihov tok, koji se neprestano odvija između zrcala, uzrokuje da svi pobuđeni atomi emitiraju kvante svjetlosti. Kao rezultat toga, rađa se svjetlosni bljesak - laserski impuls snage od nekoliko desetaka tisuća vata. Danas se laserske šipke izrađuju od raznih materijala, ali najčešće od rubina, granata i stakla s primjesom rijetkog metala - neodima.Neki laseri u čvrstom stanju (npr. na granatu) generiraju stotine i tisuće impulsa u sekundi . 4
I iste 1960. američki fizičari A Dževan, B Bepnet i D. Arriot stvorili su plinski laser koji djeluje na mješavinu helija i neona. Ovaj laser nije emitirao crvenu svjetlost više u impulsima, već kontinuirano. Pokazalo se da je mješavina plinova tako dobro odabrana da su helij-neonski laseri još uvijek najčešći izvori koherentne svjetlosti, iako je zračenje postignuto i iz mnogih drugih plinova i para. Energija se u plinsku smjesu upumpava užarenim električnim pražnjenjem. Boja zraka ovisi o sastavu plina ili pare na koju laser djeluje. Argon, na primjer, daje plavo svjetlo, kripton žutu, ksenon i bakrenu paru zelenu. ugljični dioksid i vodena para nevidljive ispitne (infracrvene) zrake.
Obitelj plinskih lasera također može uključivati ​​kvantne generatore u kojima se pobuđene molekule ne pripremaju unaprijed, već se pojavljuju izravno u trenutku emisije. Riječ je o takozvanim plinodinamičkim i kemijskim laserima, koji u kontinuiranom načinu rada razvijaju kolosalnu snagu od stotina kilovata, pa čak i desetaka megavata.
Plinski dinamički laser nalikuje mlaznom motoru. Molekule jako zagrijanog plina, leteći iz njega, daju energiju u obliku svjetlosnog zračenja. U kemijskom laseru pobuđene molekule nastaju kao rezultat kemijske reakcije. Najenergetnija od njih je kombinacija atomskog fluora s vodikom.
Tekući laseri također daju kontinuirano zračenje. Radna tvar za njih su, na primjer, otopine neodimijevih soli i anilinskih spojeva. Budući da se anilinski spojevi koriste za bojanje tkanina, generatori koji se temelje na njima nazivaju se laseri za bojenje. Za stabilniji rad lasera tekućina se može propuštati kroz hladnjak.
Najmanji laseri su poluvodički: nekoliko desetaka ih se može staviti u kutiju šibica, a volumen tvari u kojoj dolazi do stimulirane emisije ne prelazi tisućinke kubičnog milimetra. Energija se pumpa u poluvodič pomoću električne struje. Više od polovice se "pretvara" u svjetlost, odnosno učinkovitost ovih lasera može doseći više od 50%.

2.2 Vrste lasera

1) Solid state laseri.
Prvi čvrsti aktivni medij bio je rubin - kristal korunda Al2O3 s malom primjesom iona kroma Cr +++. Dizajnirao ju je T. Maiman (SAD) 1960. Staklo s primjesom neodimija Nd, itrij aluminij granat Y 2 Al 5 O 12 s primjesom kroma, neodima i rijetkih zemalja u obliku šipki također se široko koristi . Solid-state laseri se obično pumpaju bljeskalicom koja treperi oko 10-3 sekunde, a laserski puls je dva puta kraći. Dio vremena se troši na stvaranje inverzne populacije, a na kraju bljeska, intenzitet svjetlosti postaje nedovoljan da uzbudi atome, a generacija prestaje. Laserski puls ima složenu strukturu, sastoji se od mnogih pojedinačnih vrhova u trajanju od oko 10-6 sekundi, razdvojenih intervalima od približno 10-5 sekundi. U ovom načinu takozvane slobodne generacije, snaga impulsa može doseći desetke kilovata. Povećanje snage jednostavnim pojačavanjem svjetla pumpe i povećanjem veličine laserske šipke tehnički je nemoguće. Stoga se snaga laserskih impulsa povećava smanjenjem njihova trajanja. Da biste to učinili, ispred jednog od zrcala rezonatora postavlja se zatvarač, koji ne dopušta početak stvaranja sve dok se gotovo svi atomi aktivne tvari ne prenesu na gornju razinu. Zatim se zatvarač nakratko otvara i sva akumulirana energija se prikazuje u obliku takozvanog divovskog pulsa. Ovisno o rezervi energije i trajanju bljeska, snaga impulsa može se kretati od nekoliko megavata do desetaka teravata (1012 vata). 5
2) Plinski laseri.
Aktivni medij plinskih lasera su niskotlačni plinovi (od stotinki do nekoliko milimetara žive) ili njihove smjese, koje ispunjavaju staklenu cijev s zalemljenim elektrodama. Prvi plinski laser baziran na mješavini helija i neona, ubrzo nakon rubin lasera 1960. godine stvorili su A. Javan, W. Bennett i D. Herriot (SAD). Plinski laseri se pumpaju električnim pražnjenjem napajanim visokofrekventnim generatorom. Generiraju zračenje na isti način kao kod lasera u čvrstom stanju, ali plinski laseri proizvode, u pravilu, kontinuirano zračenje. Budući da je gustoća plinova vrlo mala, duljina cijevi s aktivnim medijem mora biti dovoljno velika da masa djelatne tvari bude dovoljna za postizanje visokog intenziteta zračenja.
Plinski laseri također uključuju plinodinamičke, kemijske i excimer lasere (lasere koji rade na elektroničkim prijelazima molekula koje postoje samo u pobuđenom stanju).
Plinski dinamički laser sličan je mlaznom motoru, u kojem se gorivo izgara uz dodatak plinskih molekula aktivnog medija. U komori za izgaranje pobuđuju se molekule plina i, hlađene nadzvučnim strujanjem, daju energiju u obliku koherentnog zračenja velike snage u infracrvenom području, koje izlazi preko strujanja plina.
3) Kemijski laseri.
U kemijskim laserima (varijanta plinskodinamičkog lasera) inverzija populacije nastaje uslijed kemijskih reakcija. Najveću snagu razvijaju laseri temeljeni na reakciji atomskog fluora s vodikom.
4) Tekući laseri.
Aktivni medij ovih lasera (također se nazivaju i laseri u boji) su različiti organski spojevi u obliku otopina. Prvi laseri za bojenje pojavili su se kasnih 1960-ih. Gustoća njihove radne tvari zauzima srednji položaj između krute tvari i plina, stoga generiraju prilično snažno zračenje (do 20 W) s malom ćelijom s aktivnom tvari. Rade u impulsnom i kontinuiranom načinu rada, pumpaju ih bljeskalice i laseri. Pobuđene razine molekula boje imaju veliku širinu, tako da tekući laseri emitiraju nekoliko frekvencija odjednom. A promjenom stanica s otopinama boja, lasersko zračenje može se podesiti u vrlo širokom rasponu. Glatko podešavanje frekvencije zračenja provodi se podešavanjem rezonatora.
5) Poluvodički laseri.
Ovu vrstu optičkih kvantnih generatora stvorilo je 1962. istovremeno nekoliko skupina američkih istraživača (R. Hall, M. I. Neiten, T. Quist itd.), iako je N. G. Basov i dr. uobičajeni laserski poluvodički materijal galijev arsenid GaAr. 6
U skladu sa zakonima kvantne mehanike, elektroni u krutom tijelu zauzimaju široke energetske pojaseve, koji se sastoje od mnogih kontinuirano lociranih razina. Donji pojas, nazvan valentni pojas, odvojen je od gornjeg pojasa (pojasa vodljivosti) takozvanim pojasom u pojasu, u kojem nema energetskih razina. U poluvodiču je malo elektrona vodljivosti, njihova je pokretljivost ograničena, ali pod utjecajem toplinskog gibanja pojedini elektroni mogu skočiti iz valentnog pojasa u vodljivu vrpcu, ostavljajući u njoj prazno mjesto - "rupu". A ako se elektron s energijom Ee spontano vrati natrag u pojas vodljivosti, on se "rekombinira" s rupom s energijom Ed, što je popraćeno emisijom fotona iz pojasa frekvencije n = Ee - Ed. Pumpanje poluvodičkog lasera provodi se istosmjernom električnom strujom (u ovom slučaju, od 50 do gotovo 100% njegove energije pretvara se u zračenje); rezonator su obično polirane fasete poluvodičkog kristala.
6) Laseri u prirodi.
U Svemiru su otkriveni laseri prirodnog porijekla. Inverzija stanovništva događa se u ogromnim međuzvjezdanim oblacima kondenziranih plinova. Kao pumpanje služe kozmičko zračenje, svjetlost obližnjih zvijezda itd. Zbog gigantske duljine aktivnog medija (plinskih oblaka) - stotine milijuna kilometara - takvi astrofizički laseri ne trebaju rezonatore: stimulirano elektromagnetno zračenje u području valnih duljina od nekoliko centimetara (Rakova maglica) do mikrona (susjedstvo zvijezde Eta Karina) u njima se javlja tijekom jednog prolaska vala.

2.3 Svojstva laserskog zračenja

Za razliku od konvencionalnih izvora toplinskog zračenja, laser proizvodi svjetlost koja ima niz posebnih i vrlo vrijednih svojstava. 7
1. Lasersko zračenje je koherentno i praktički monokromatsko. Prije pojave lasera, samo su radio valovi koje je emitirao dobro stabilizirani odašiljač imali ovo svojstvo. Zbog činjenice da se stimulirana emisija širi striktno duž osi rezonatora, laserska se zraka slabo širi: njezina divergencija je nekoliko lučnih sekundi.
Ove navedene kvalitete omogućuju fokusiranje laserske zrake u iznimno malu točku, dobivajući ogromnu gustoću energije u točki fokusa.
2. Lasersko zračenje velike snage ima ogromnu temperaturu. Tako, na primjer, impulsni laser snage reda petavata (1015 W) ima temperaturu zračenja od oko 100 milijuna stupnjeva.
Ova jedinstvena svojstva laserskog zračenja učinila su kvantne generatore nezamjenjivim alatom u različitim područjima znanosti i tehnologije.
1. Tehnološki laseri. Snažni kontinuirani laseri koriste se za rezanje, zavarivanje i lemljenje dijelova od različitih materijala. Visoka temperatura zračenja omogućuje zavarivanje materijala koji se ne mogu spojiti drugim metodama (na primjer, metal s keramikom). Visoka monokromatičnost zračenja omogućuje fokusiranje snopa do točke promjera od jednog mikrona i korištenje za izradu mikro krugova (tzv. metoda laserskog scribinga - uklanjanje tankog sloja). Za obradu dijelova u vakuumu ili u atmosferi inertnog plina, laserska zraka može se uvesti u procesnu komoru kroz prozirni prozor.
2. Laserska komunikacija. Pojava lasera revolucionirala je tehnologiju komunikacije i snimanja informacija. Postoji jednostavan obrazac: što je veća frekvencija nositelja (manja valna duljina) komunikacijskog kanala, to je veća njegova propusnost. Zato su radijske komunikacije, koje su u početku ovladavale rasponom dugih valova, postupno prelazile na sve kraće valne duljine. Ali svjetlost je isti elektromagnetski val kao i radio valovi, samo nekoliko desetaka tisuća puta kraći, tako da laserska zraka može prenijeti desetke tisuća puta više informacija od visokofrekventnog radio kanala. Laserska komunikacija se provodi kroz optičko vlakno - tanke staklene niti, u kojima se svjetlost, zbog totalne unutarnje refleksije, širi gotovo bez gubitaka stotinama kilometara. Laserska zraka snima i reproducira sliku (uključujući pokretnu) i zvuk na CD-ovima.
3. Laseri u medicini. Laserska tehnologija se široko koristi u kirurgiji i terapiji. Laserska zraka ubrizgana kroz zjenicu oka "zavari" odvojenu mrežnicu i ispravlja defekte na očnom dnu. Kirurške operacije koje se izvode "laserskim skalpelom" manje ozljeđuju živa tkiva. A lasersko zračenje male snage ubrzava zacjeljivanje rana i ima učinak sličan akupunkturi koju prakticira orijentalna medicina (laserska akupunktura).
4. Laseri u znanstvenom istraživanju. Ekstremno visoka temperatura zračenja i njegova velika gustoća energije omogućuju proučavanje materije u ekstremnom stanju koje postoji samo u unutrašnjosti vrućih zvijezda. Pokušava se provesti termonuklearna reakcija komprimiranjem ampule sa smjesom deuterija i tricija sustavom laserskih zraka (tzv. inercijska termonuklearna fuzija). U genetskom inženjerstvu i nanotehnologiji (tehnologija koja se bavi objektima karakteristične veličine 10–9 m), laserske zrake režu, pomiču i povezuju fragmente gena, bioloških molekula i pojedinosti o milijuntom dijelu milimetra (10–9 m) u veličina. Za proučavanje atmosfere koriste se laserski radari (lidari).
5. Vojni laseri. Vojne primjene lasera uključuju i njihovu upotrebu za stjecanje ciljeva i komunikacije i njihovu upotrebu kao oružja. Zrake snažnih kemijskih i excimer lasera, zemaljskih ili orbitalnih, planiraju se za uništavanje ili onesposobljavanje borbenih satelita i neprijateljskih zrakoplova. Izrađeni su uzorci laserskih pištolja za naoružavanje posada vojnih orbitalnih stanica.

3. Mehanizmi štetnog djelovanja laserskog zračenja

Tkiva i organi koji su obično izloženi laserskom zračenju su oči i koža. Postoje tri glavne vrste oštećenja tkiva uzrokovanih laserskim zračenjem. To su toplinski učinci, fotokemijski učinci, kao i akustični prijelazni učinci (zahvaćaju se samo oči). Toplinski učinci mogu se pojaviti na bilo kojoj valnoj duljini i rezultat su zračenja ili svjetlosnih učinaka na potencijal hlađenja krvotoka tkiva.
U zraku se javljaju fotokemijski učinci između 200 i 400 nm i ultraljubičastih, te između 400 i 470 nm ljubičastih valnih duljina. Fotokemijski učinci povezani su s trajanjem i također stopom ponavljanja zračenja.
Akustični prijelazni učinci povezani s trajanjem impulsa mogu se pojaviti u kratkim duljinama impulsa (do 1 ms) ovisno o specifičnoj valnoj duljini lasera. Akustički utjecaj prolaznih učinaka slabo je shvaćen, ali može uzrokovati oštećenje mrežnice koje se razlikuje od toplinske ozljede mrežnice.
Potencijalna mjesta ozljede oka izravno su povezana s valnom duljinom laserskog zračenja. Valne duljine kraće od 300 nm ili više od 1400 nm utječu na rožnicu. Valne duljine između 300 i 400 nm utječu na očnu vodicu, šarenicu, leću i staklasto tijelo. Valne duljine od 400 nm i 1400 nm usmjerene su na mrežnicu. osam
Oštećenje lasera na mrežnici može biti vrlo veliko zbog žarišnog pojačanja (optičkog dobitka) iz očiju, koje iznosi približno 105. To znači da će se zračenje od 1 mW/cm2 kroz oko učinkovito povećati na 100 mW /cm2 kada dođe do mrežnice.
S toplinskim opeklinama oka, poremećena je funkcija hlađenja žila mrežnice. Kao posljedica štetnog djelovanja toplinskog faktora mogu nastati krvarenja u staklasto tijelo kao posljedica oštećenja krvnih žila.
Budući da se mrežnica može oporaviti od manjih oštećenja, veće ozljede macule macule mogu rezultirati privremenim ili trajnim gubitkom vidne oštrine ili potpunom sljepoćom. Fotokemijska ozljeda rožnice ultraljubičastim zračenjem može dovesti do fotokeratokonjunktivitisa (često se naziva bolest zavarivača ili snježna sljepoća). Ovo bolno stanje može trajati nekoliko dana uz vrlo iscrpljujuću bol. Dugotrajno izlaganje može dovesti do stvaranja katarakte.
Ukupno trajanje izlaganja također utječe na traumu oka. Na primjer, ako laser vidljive valne duljine (400 do 700 nm) ima snagu snopa manju od 1,0 MW i vrijeme ekspozicije manje od 0,25 sekundi (vrijeme koje je potrebno osobi da zatvori oči), neće biti štete na mrežnicu. Laseri klase 1, 2A i 2 spadaju u ovu kategoriju i općenito ne mogu oštetiti mrežnicu. Nažalost, izravni ili reflektirani pogoci lasera klase 3A, 3B ili 4 i difuzne refleksije od lasera iznad klase 4 mogu uzrokovati štetu prije nego što osoba može refleksno zatvoriti oči.
Za pulsne lasere, trajanje impulsa također utječe na potencijalno oštećenje oka. Impulsi manji od 1 ms pri udaru na mrežnicu mogu uzrokovati akustične prijelazne efekte koji rezultiraju značajnim oštećenjem i krvarenjem uz očekivano toplinsko oštećenje. Mnogi impulsni laseri trenutno imaju vrijeme pulsa manje od 1 pikosekunde.
ANSI standard definira najveću dopuštenu snagu izlaganja lasera oku bez ikakvih posljedica (pod utjecajem specifičnih uvjeta).
Ozljede kože od lasera prvenstveno spadaju u dvije kategorije: toplinske ozljede (opekline) od akutnog izlaganja laserskim zrakama velike snage i fotokemijski izazvane ozljede kroničnim izlaganjem difuznom ultraljubičastom laserskom zračenju. Toplinska ozljeda može biti posljedica izravnog kontakta sa zrakom ili njezine zrcalne refleksije. Ove ozljede, iako bolne, obično nisu ozbiljne i obično se lako spriječe pravilnom kontrolom laserske zrake. Fotokemijska oštećenja mogu nastati tijekom vremena zbog izlaganja izravnoj svjetlosti, zrcalnih refleksija ili čak difuznih refleksija. Učinci mogu biti manji, ali mogu uzrokovati teške opekline, a dugotrajno izlaganje može doprinijeti nastanku raka kože. Za zaštitu kože i očiju mogu biti potrebne dobre zaštitne naočale i odjeća. Pri radu s laserima potrebno je nositi zaštitne naočale koje štite od laserskog zračenja. Naočale su potrebne čak i za laser od 15mW, jer se bez njih oči jako umaraju.
Stupanj zaštite naočala od laserskog zračenja mjeri se u OD (Optical Density). Optička gustoća pokazuje koliko puta naočale prigušuju svjetlost. Jedan znači "10 puta". Prema tome, "optička gustoća 3" znači slabljenje za faktor od 1000, a 6 - za milijun. Ispravna optička gustoća za vidljivi laser je takva da nakon naočala od izravnog udara lasera ostaje snaga koja odgovara klasi II (maksimalno negdje oko 1 mW).
Domaće naočale marke ZN-22 C3-C22 štite od crvenih i nekih infracrvenih lasera. Izgledaju kao naočale za zavarivače, ali imaju plave leće. U svezi s raširenom primjenom izvora laserskog zračenja u znanstvenim istraživanjima, industriji, medicinskim komunikacijama itd., postoji potreba za očuvanjem zdravlja ljudi koji koriste različite laserske instalacije. devet
Laser je izvor koherentnog zračenja, odnosno kretanja fotona koordiniranih u vremenu i prostoru u obliku odabrane zrake. Priroda utjecaja na vizualni aparat i stupanj štetnog djelovanja lasera ovise o gustoći energije zračenja, valnoj duljini zračenja (pulsno ili kontinuirano). Priroda oštećenja kože ovisi o boji kože, na primjer, pigmentirana koža puno jače upija lasersko zračenje od nepigmentirane kože. Svijetla koža reflektira do 40% zračenja koje pada na nju. Pod djelovanjem laserskog zračenja pronađene su brojne nepoželjne promjene u dišnom, probavnom, kardiovaskularnom i endokrinom sustavu. U nekim slučajevima ovi opći klinički simptomi su prilično uporni, a posljedica su utjecaja na živčani sustav.
Okarakterizirajmo djelovanje biološki najopasnijih spektralnih raspona laserskog zračenja. U infracrvenom području energija najkraćih valova (0,7-1,3 mikrona) može prodrijeti do relativno velike dubine u kožu i prozirne medije oka. Dubina prodiranja ovisi o valnoj duljini upadnog zračenja. Područje visoke prozirnosti na valnim duljinama od 0,75 do 1,3 µm ima maksimalnu transparentnost u području od 1,1 µm. Na ovoj valnoj duljini 20% energije koja upada na površinski sloj kože prodire u kožu do dubine od 5 mm. Istodobno, kod jako pigmentirane kože dubina prodiranja može biti i veća. Ipak, ljudska koža prilično dobro suzbija infracrveno zračenje, budući da je sposobna raspršiti toplinu zbog cirkulacije krvi i sniziti temperaturu tkiva zbog isparavanja vlage s površine.
No, puno je teže zaštititi oči od infracrvenog zračenja, toplina se u njima praktički ne raspršuje, a leća, koja fokusira zračenje na mrežnicu, pojačava učinak biološke izloženosti. Sve to zahtijeva posebnu pozornost pri radu s laserima na zaštiti očiju. Rožnica oka je prozirna za zračenje u rasponu valnih duljina od 0,75-1,3 μm i postaje praktički neprozirna samo za valne duljine veće od 2 μm.
Stupanj termičkog oštećenja rožnice ovisi o apsorbiranoj dozi zračenja, a ozlijeđen je uglavnom površinski, tanki sloj. Ako u intervalu valova od 1,2-1,7 mikrona vrijednost energije zračenja prelazi minimalnu dozu zračenja, tada može doći do potpunog uništenja zaštitnog epitelnog sloja. Jasno je da takva degeneracija tkiva u području neposredno iza zjenice ozbiljno utječe na stanje organa vida.
Treba imati na umu da šarenica, koju karakterizira visok stupanj pigmentacije, apsorbira zračenje iz gotovo cijelog infracrvenog raspona. Posebno je osjetljiv na djelovanje zračenja valne duljine 0,8-1,3 mikrona, budući da zračenje gotovo ne zadržava rožnica i očna vodica prednje očne komore.
Minimalna vrijednost gustoće energije zračenja u području valova od 0,8-1,1 μm, koja može uzrokovati oštećenje šarenice, smatra se 4,2 J/cm 2 . Istodobni poraz rožnice i šarenice uvijek je akutan i stoga je najopasniji. deset
Apsorpcija medija oka energije zračenja u infracrvenom području koje upada na rožnicu povećava se s povećanjem valne duljine. Na valnim duljinama od 1,4-1,9 μm rožnica i prednja očna šupljina apsorbiraju gotovo sve upadno zračenje, a na valnim duljinama iznad 1,9 μm rožnica postaje jedini apsorber energije zračenja.
Prilikom procjene prihvatljivih razina laserske energije potrebno je uzeti u obzir ukupni učinak na prozirne medije oka, mrežnice i žilnice. Procijenimo učinak laserskog zračenja na mrežnicu oka.
Predviđajući mogućnost opasnosti od laserskog zračenja, potrebno je uzeti u obzir:
itd...................

Vlast. U prvim laserima s aktivnom tvari izrađenom od rubina, energija svjetlosnog impulsa bila je približno 0,1 J. Trenutno energija zračenja nekih lasera u čvrstom stanju doseže tisuće džula. S kratkim trajanjem svjetlosnog impulsa možete dobiti ogromnu snagu. Dakle, neodimijski laser stvara impulse u trajanju od 3·10 -12 s, a s energijom impulsa od 75 J njegova snaga doseže 2,5·10 13 W! (Za usporedbu, snaga hidroelektrane Krasnojarsk je 6 10 9 W.) Snaga plinskih lasera je znatno manja (do 50 kW), ali je njihova prednost što se njihovo zračenje događa kontinuirano, iako postoje i pulsni laseri među plinskim laserima.

Kut divergencije laserska zraka je vrlo mala, pa se intenzitet svjetlosnog toka gotovo ne smanjuje s udaljenosti. Pulsni laseri mogu proizvesti intenzitet svjetlosti do 10 14 W/m 2 . Snažni laserski sustavi mogu proizvesti intenzitete do 1020 W/m 2 . Za usporedbu napominjemo da je prosječna vrijednost intenziteta sunčeve svjetlosti u blizini površine zemlje samo 10 3 W/m 2 . Posljedično, svjetlina čak i relativno slabih lasera je milijune puta veća od svjetline Sunca.

koherentnost. Koordinirani tok u vremenu i prostoru nekoliko valnih procesa, koji se očituje kada se oni zbrajaju. Oscilacije se nazivaju koherentnim ako je razlika faza između njih konstantna u vremenu. Prilikom zbrajanja dvije harmonijske oscilacije s istom frekvencijom, ali s različitim amplitudama A 1 i A 2 i različitim fazama, nastaje harmonijska oscilacija iste frekvencije čija amplituda, ovisno o razlici faza, može varirati od A 1 - A 2 do A 1 + A 2 , a ta amplituda u danoj točki prostora ostaje konstantna. Svjetlosni valovi koje emitiraju zagrijana tijela ili tijekom luminescencije nastaju tijekom spontanih prijelaza elektrona između različitih energetskih razina u atomima neovisno jedan o drugom. Svaki atom emitira elektromagnetski val u vremenu od 10-8 s, što se naziva vrijeme koherencije. Za to vrijeme svjetlost se širi na udaljenosti od 3 m. Ta se udaljenost naziva duljina koherencije ili duljina vlaka. Valovi izvan duljine vlaka već će biti nekoherentni. Zračenje koje stvara mnoštvo atoma neovisno jedan o drugom sastoji se od mnoštva vlakova čije se faze nasumično mijenjaju od 0 do 2p. Za izolaciju koherentnog dijela od ukupnog nekoherentnog svjetlosnog toka prirodne svjetlosti koriste se posebni uređaji (Fresnelova zrcala, Fresnelove biprizme i dr.), koji stvaraju svjetlosne snopove vrlo niskog intenziteta, dok je lasersko zračenje, sa svim svojim ogromnim intenzitetom, potpuno koherentan.

U principu, nekoherentna svjetlosna zraka ne može se fokusirati u vrlo malu točku, jer je to spriječeno razlikom u fazama njezinih vlakova. Koherentno lasersko zračenje može se fokusirati u točku promjera koja je jednaka valnoj duljini tog zračenja, što omogućuje povećanje ionako visokog intenziteta laserske svjetlosne zrake.

Monokromatski. Monokromatsko zračenje naziva se zračenje striktno iste valne duljine, ali ga može stvoriti samo harmonijska oscilacija koja se javlja s konstantnom frekvencijom i amplitudom beskonačno dugo. Pravo zračenje ne može biti monokromatsko samo zato što se sastoji od mnogo vlakova, a praktički monokromatsko zračenje smatra se zračenjem s uskim spektralnim intervalom, koje se može približno okarakterizirati prosječnom valnom duljinom. Prije pojave lasera, zračenje s određenim stupnjem monokromatičnosti moglo se dobiti pomoću prizmi monokromatora, koji izdvajaju uski pojas valnih duljina iz kontinuiranog spektra, ali je svjetlosna snaga u takvom pojasu vrlo mala. Lasersko zračenje ima visok stupanj monokromatičnosti. Širina spektralnih linija koje proizvode neki laseri doseže 10-7 nm.

Polarizacija. Elektromagnetsko zračenje unutar jednog vlaka je polarizirano, no budući da se svjetlosni snopovi sastoje od mnogo vlakova koji su međusobno neovisni, prirodna svjetlost nije polarizirana te se za dobivanje polarizirane svjetlosti koriste posebni uređaji - Nicol prizme, polaroidi itd. Za razliku od prirodnog svjetlosnog laserskog zračenja potpuno je polarizirana.

Smjer zračenja. Važno svojstvo laserskog zračenja je njegova stroga usmjerenost, koju karakterizira vrlo mala divergencija svjetlosnog snopa, što je posljedica visokog stupnja koherencije. Kut divergencije mnogih lasera doveden je na otprilike 10–3 rad, što odgovara jednoj lučnoj minuti. Takva usmjerenost, koja je u konvencionalnim izvorima svjetlosti potpuno nedostižna, omogućuje prijenos svjetlosnih signala na velike udaljenosti uz vrlo malo slabljenja njihova intenziteta, što je iznimno važno pri korištenju lasera u sustavima za prijenos informacija ili u svemiru.

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

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

Interakcija svjetlosti s materijom (refleksija, apsorpcija, disperzija) nastaje zbog interakcije električnog polja svjetlosnog vala s optičkim elektronima tvari. Atomi dielektrika u električnom polju su polarizirani. Pri niskom intenzitetu, dipolni moment jediničnog volumena tvari (ili vektor polarizacije) proporcionalan je jakosti polja. Sve optičke karakteristike tvari, poput indeksa loma, indeksa apsorpcije i drugih, nekako su povezane sa stupnjem polarizacije, koji je određen jakošću električnog polja svjetlosnog vala. Budući da je ovaj odnos linearan, t.j. veličina R proporcionalan E,što daje osnove optiku koja se bavi zračenjem relativno niskih intenziteta nazvati linearnom optikom.

U laserskom zračenju, jakost električnog polja vala je usporediva s jakošću polja u atomima i molekulama i može ih mijenjati u opipljivim granicama. To dovodi do: činjenice da dielektrična osjetljivost prestaje biti konstantna vrijednost i postaje određena funkcija jakosti polja . Posljedično, ovisnost vektora polarizacije o jakosti polja više neće biti linearna funkcija. Stoga se govori o nelinearnoj polarizaciji medija i, prema tome, o nelinearnoj optici, u kojoj permitivnost tvari, indeks loma, indeks apsorpcije i druge optičke veličine više neće biti konstantni, već će ovisiti o intenzitet upadne svjetlosti.

Jedno od najznačajnijih dostignuća fizike u drugoj polovici dvadesetog stoljeća bilo je otkriće fizikalnih pojava koje su poslužile kao osnova za stvaranje nevjerojatnog uređaja - optičkog kvantnog generatora ili lasera.

Laser je izvor monokromatske koherentne svjetlosti s visoko usmjerenim svjetlosnim snopom. Sama riječ "laser" sastoji se od prvih slova engleske fraze koja znači pojačanje svjetlosti kao rezultat stimulirane emisije."

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

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

Dakle, osim prisilne emisije fotona od strane pobuđenih atoma, postoji i proces spontane, spontane emisije fotona tijekom prijelaza pobuđenih atoma u nepobuđeno stanje i proces apsorpcije fotona tijekom prijelaza atoma iz neuzbuđeno stanje do uzbuđenog. Ova tri procesa koji prate prijelaze atoma u pobuđena stanja i obratno, pretpostavio je A. Einstein 1916. godine.

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

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

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

Istodobnom proizvodnjom (u principu je to moguće) velikog broja spontano emitiranih fotona nastat će velik broj lavina od kojih će se svaka širiti u svom smjeru, zadanom početnim fotonom odgovarajuće lavine. Kao rezultat toga, primat ćemo tokove svjetlosnih kvanta, ali nećemo moći dobiti ni usmjereni snop ni visoku monokromatičnost, budući da je svaku lavinu pokrenuo vlastiti početni foton. Da bi se medij s invertiranom populacijom koristio za generiranje laserske zrake, tj. usmjerene zrake visoke monokromatičnosti, potrebno je "ukloniti" inverznu populaciju pomoću primarnih fotona koji već imaju istu energiju, koja se podudara s energija danog prijelaza u atomu. U ovom slučaju imat ćemo lasersko pojačalo svjetla.

Postoji, međutim, još jedna mogućnost dobivanja laserske zrake, povezana s korištenjem povratnog sustava. Spontano rođeni fotoni, čiji smjer širenja nije okomit na ravninu zrcala, stvorit će lavinu fotona koji nadilaze medij. Istovremeno, fotoni čiji je smjer širenja okomit na ravninu zrcala stvarat će lavine koje se višestruko pojačavaju u mediju zbog višestrukih refleksija od zrcala. Ako jedno od zrcala ima mali prijenos, tada će usmjereni fotonski tok izaći kroz njega okomito na ravninu zrcala. S pravilno odabranim prijenosom zrcala, njihovim preciznim podešavanjem jedno u odnosu na drugo i u odnosu na uzdužnu os medija s invertiranom populacijom, povratna sprega može biti toliko učinkovita da se "bočno" zračenje može potpuno zanemariti u usporedbi sa zračenjem. izranjajući kroz ogledala. U praksi se to doista može učiniti. Ovaj povratni krug naziva se optički rezonator, a upravo se ovaj tip rezonatora koristi u većini postojećih lasera.

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

Nekoliko godina kasnije, 1960. godine, američki fizičar T. Maiman lansirao je prvi kvantni generator u optičkom rasponu - laser, u kojem je povratna informacija provedena pomoću gore opisanog optičkog rezonatora, a inverzna populacija je pobuđena u rubinima kristali ozračeni zračenjem ksenonske bljeskalice . Kristal rubina je kristal aluminijevog oksida AL2O3 s malim dodatkom = 0,05% kroma. Kada se dodaju atomi kroma, prozirni kristali rubina postaju ružičasti i apsorbiraju zračenje u dva pojasa bliskog ultraljubičastog područja spektra. Ukupno, kristali rubina apsorbiraju oko 15% svjetla bljeskalice. Kada svjetlost apsorbiraju ioni kroma, dolazi do prijelaza iona u pobuđeno stanje. Kao rezultat unutarnjih procesa, pobuđeni ioni kroma ne prelaze u osnovno stanje odmah, već kroz dvije pobuđene razine. Na tim razinama dolazi do nakupljanja iona, a uz dovoljno snažan bljesak ksenonske svjetiljke nastaje inverzna populacija između srednjih razina i prizemne razine kromovih iona.

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

Kada dođe do populacijske inverzije razina kromovih iona u rubinu, dolazi do lavinskog povećanja broja induciranih fotona, a povratna informacija na optički rezonator formirana od zrcala na krajevima rubinske šipke osigurava stvaranje uskog snopa crvenog svjetla. Trajanje laserskog impulsa==0,0001 s, nešto kraće od trajanja bljeska ksenonske lampe. Energija impulsa rubinskog lasera je oko 1J.

Uz pomoć mehaničkog sustava (rotirajuće zrcalo) ili brzog električnog zatvarača može se "uključiti" povratnu spregu (podesiti jedno od zrcala) u trenutku kada je najveća inverzija populacije i, posljedično, maksimalno pojačanje aktivnog medija je postignut. U tom će slučaju snaga stimulirane emisije biti iznimno velika, a populacijska inverzija će se stimuliranom emisijom “ukloniti” u vrlo kratkom vremenu.

U ovom režimu Q-switched rezonatora, emitira se divovski impuls laserskog zračenja. Ukupna energija ovog impulsa ostat će približno na istoj razini kao u načinu "slobodne generacije", ali zbog smanjenja trajanja impulsa za stotine puta, snaga zračenja također se povećava za stotine puta, dostižući vrijednost = 100000000 W.

Razmotrimo neka jedinstvena svojstva laserskog zračenja.

Tijekom spontane emisije, atom emitira spektralnu liniju konačne širine. S lavinskim povećanjem broja stimulirano emitiranih fotona u mediju s invertiranom populacijom, intenzitet zračenja ove lavine će se povećati, prije svega, u središtu spektralne linije danog atomskog prijelaza, a kao rezultat ovog procesa smanjit će se širina spektralne linije početne spontane emisije. U praksi, pod posebnim uvjetima, moguće je učiniti relativnu širinu spektralne linije laserskog zračenja 1 * 10000000-1 * 100000000 puta manju od širine najužih linija spontane emisije uočene u prirodi.

Osim sužavanja linije emisije u laseru, moguće je dobiti divergenciju snopa manju od 0,00001 radijana, tj. na razini lučnih sekundi.

Poznato je da se usmjereni uski snop svjetlosti u principu može dobiti iz bilo kojeg izvora postavljanjem većeg broja ekrana s malim rupama smještenim na istoj ravnoj liniji na putu svjetlosnog toka. Zamislimo da smo uzeli zagrijano crno tijelo i uz pomoć dijafragmi primili snop svjetlosti, iz kojeg je pomoću prizme ili drugog spektralnog uređaja izolirana zraka spektralne širine koja odgovara širini spektra laserskog zračenja. Poznavajući snagu laserskog zračenja, širinu njegovog spektra i kutnu divergenciju snopa, moguće je, koristeći Planckovu formulu, izračunati temperaturu imaginarnog crnog tijela koje se koristi kao izvor svjetlosnog snopa ekvivalentnog laseru. greda. Ovaj izračun dovest će nas do fantastične brojke: temperatura crnog tijela mora biti reda veličine desetaka milijuna stupnjeva! Nevjerojatno svojstvo laserske zrake - njena visoka učinkovita temperatura (čak i pri relativno niskoj prosječnoj snazi ​​laserskog zračenja ili niskoj energiji laserskog impulsa) otvara istraživačima velike mogućnosti koje su apsolutno nemoguće bez uporabe lasera.

Laseri se razlikuju po: načinu stvaranja inverzne populacije u mediju, odnosno, drugim riječima, načinu pumpanja (optičko crpljenje, pobuđivanje udarom elektrona, kemijsko pumpanje itd.); radno okruženje (plinovi, tekućine, stakla, kristali, poluvodiči, itd.); dizajn rezonatora; način rada (pulsni, kontinuirani). Te su razlike određene različitim zahtjevima za karakteristike lasera u vezi s njegovom praktičnom primjenom.