Какого устройство рубинового лазера

Устройство рубинового лазера

Рубиновый стержень лазера – это цилиндр, торцы которого отполированы и покрыты слоем серебра таким образом, что один торец полностью отражает свет, а другой частично отражает, а частично пропускает.

При вспышке лампы накачивания на рубиновый стержень падают фотоны различной частоты. В стержне возникают колебания. Атомы, поглотив часть фотонов, переходят в возбужденное состояние. Возникает вынужденное излучение, которое распространяется строго вдоль оси стержня и усиливается при многократном отражении от зеркал. В результате возникает мощное монохроматическое излучение – пучок света, часть которого выходит через полупрозрачное зеркало. Длительность излучения пучка 10 −3 с.

Свойства лазерного излучения

1. Малый угол расхождения пучка света.

2. Исключительная монохроматичность.

3. Самые мощные источники света – 10 14 Вт/с, Солнце – 7∙10 3 Вт/с.

4. КПД около 1%.

Строение атомного ядра

В 1911 г. в результате исследований, проведенных Резерфордом по рассеянию α-частиц при прохождении через вещество, был открыт протон–ядро атома водорода, который обладает положительным электрическим зарядом, равным модулю заряду электрона.

Заряд ядра атома

Английский физик Г.Мозли в 1913 г. предсказал, что заряд ядра атома q_e = Ze, где e – элементарный электрический заряд; Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, определяет число электронов в атоме. Химические свойства зависят только от зарядового числа.

Немецкие ученые В.Боте и Г.Беккер, изучая реакции (1930), происходящие при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью.

В 1932 г. английский физик Дж.Чэдвик выдвинул гипотезу: бериллиевые лучи состоят из нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Их назвали нейтронами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрон – нестабильная частица: свободный нейтрон за время 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино – частицу, лишенную массы покоя. Масса нейтрона m_n = 1838,6 электронных масс, масса протона m_p = 1836,1 электронных масс, m_n > m_p приблизительно на 2,5 массы электрона. После открытия нейтрона физики Д.Д.Иваненко и В.Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Число протоновZ, число нейтронов N, массовое число – это суммарное число нуклонов в ядре – A : A = Z + N, Z_p = Z_e,

1 а.е.м. = 1/12∙ = 1,66058∙10 −27 кг.

В 1911 г. Ф.Содди предположил, что ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами одного и того же химического элемента. Такие ядра он назвал изотопами. Изотопы имеют одинаковые химические свойства, что обусловлено одинаковым электрическим зарядом ядра, но разные физические свойства, обусловленные массой. Блестящее подтверждение – масс-спектрометр. Например, изотопы урана ,, изотопы водорода,,.

Ядерные силы

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны о ядре, называются ядерными ситами.

1. Являются только силами притяжения.

2. Во много раз больше кулоновских сил.

3. Независимы от наличия заряда.

4. Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов.

5. Короткодействующие: заметны на r ≈ 2,2∙10 −15 .

6. Не являются центральными.

Энергия связи ядра

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи очень велика.

При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля.

Формула для вычисления энергии связи:

E = Δmc 2 , Δmc 2 = (Zm_p + Nm_n − M_я)∙c 2 .

Излучаемые γ-кванты при делении обладают энергией: .

В ядерной физике энергия выражается через атомную единицу энергии (а.е.э.), которая соответствует одной атомной единице массы:

1 а.е.э. = 1 а.е.м.∙c 2 = 1,67∙10 −27 кг∙9∙10 16 ∙м 2 /с 2 = −1,5∙10 − 10 Дж = 931,1 МэВ.

Удельная энергия связи Е_уд

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, т.е. энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить из ядра один нуклон, называется удельной энергией связи:

, где А – массовое число.

График зависимости удельной энергии связи E_уд:

1. У ядер средней части периодическом системы Менделеева с массовым числом 40≤A≤100 удельная энергия максимальна.

2. У ядер, для которых A > 100, удельная энергия связи плавно убывает.

3. У ядер, для которых A <40, удельная энергия скачкообразно убывает.

4. Максимальной удельной энергией обладают ядра, у которых число протонов и нейтронов четное (,,), а минимальной – ядра, у которых число протонов и нейтронов нечетное (,,).

Таким образом, осуществляются два способа высвобождения внутренней энергии: деление тяжелых ядер (цепная ядерная реакция) и синтез легких ядер (термоядерная реакция).

Устройство и важнейшие характеристики рубинового лазера

В рубиновом лазере чаще всего свободная генерация имеет пичковый характер; его принято считать типичным для лазеров с плоскими зеркалами. Для этого случая в излучении участвует мало поперечных мод, индексы их невелики, и генерация происходит почти независимо в отдельных узких (порядка миллиметра) продольных нитях, параллельных оси резонатора. Длительность генерации в таком канале порядка десятков наносекунд, а амплитуда случайна. Излучение отдельных областей зависит от многих факторов (степень возбуждения, качество кристалла и прочих оптических элементов в рабочей области спектра, пространственная однородность накачки, рассеяние излучения и др.). Поэтому время возникновения каждого пичка случайно, что и наблюдают как неупорядоченные во времени и по амплитуде резкие изменения мощности лазерной генерации.

При конфигурации резонатора, близкой к конфокальной, число излучаемых попреречных мод резко возрастает (до десятков тысяч), поля отдельных мод сильно перекрываются, излучение в значительной степени усредняется и в пространстве и во времени, и генерация по динамике более похожа на непрерывное излучение в течение всего периода, пока накачка превышает порог генерации. Такой режим называют гладким или беспичковым. Часто возникают регулярные пульсации излучения, при которых амплитуды импульсов и частота их повторения сильно коррелированы с текущей мощностью накачки. Можно наблюдать переходы от хаотических пульсаций к регулярным и наоборот.

Для эффективного сглаживания излучения в режиме свободной генерации можно использовать нелинейный (фототропный) поглотитель, у которого поглощение излучения лазера возрастает с увеличением его интенсивности. Проще всего использовать окрашенное стекло с полосой поглощения на удвоенной частоте лазерного излучения. Для рубинового лазера более всего подходит стекло КС-15 толщиной в несколько миллиметров. Так как сечение двухквантового поглощения пропорционально интенсивности излучения, то такой поглотитель эффективно работает только при значительной мощности генерации, подавляя пики излучения выше некоторого среднего уровня. Так обеспечивается дополнительное сглаживание импульса свободной генерации.

На осциллограмме сглаженного импульса свободной генерации (рис. 3в) видно, что сглаженному импульсу предшествует короткий быстро затухающий цуг пичков (лидер), с которого начинается процесс развития генерации. По-видимому, с увеличением числа фактически генерируемых мод пульсации ослабевают, и генерация переходит в беспичковую стадию.

Средняя мощность излучения рубинового лазера в режиме свободной генерации обычно около 10 5 Вт (10 2 Дж/10 −3 с). В пичковых режимах при нерегулярных пульсациях излучения пиковая мощность может превышать среднюю примерно на два порядка. Такие отдельные пики мощности в режиме свободной генерации случайны, нестабильны, непредсказуемы и практически невоспроизводимы.

Рассмотрим принцип работы лазера на кристалле рубина

Рубин — природный минерал кристаллического строения, исключительно твердый (почти как алмаз). Внешние кристаллы рубина очень красивы. Их цвет зависит от содержания хрома имеет различные оттенки: от светло-розового до темно-красного. По химической структуре рубин — окись алюминия с примесью (0,5%) хрома. Атомы хрома — активное вещество рубинового кристалла.

Именно они являются усилителями волн видимого света и источником лазерного излучения. Возможное энергетическое состояние ионов хрома можно представить в виде трех уровней (I, II и Ш). Чтобы активизировать рубин и привести атомы хрома в «рабочее» состояние, на кристалл навивают спиральную лампу — накачку, работающую в импульсном режиме и дающую мощное зеленое излучение света. Эти «зеленые» кванты тотчас поглощаются электронами хрома, находящимися на нижнем энергетическом уровне (I). Возбужденным электронам достаточно поглощенной энергии для перехода на верхний (III) энергетический уровень.

Возвратиться в основное состояние электроны атомов хрома могут либо непосредственно с третьего уровня на первый, либо через промежуточный (II) уровень. Вероятность перехода их на второй уровень больше, чем на первый. Большая часть поглощенной энергии переходит на промежуточный (II) уровень. При наличии достаточного интенсивного возбуждающего излучения представляется возможность получить на втором уровне больше электронов, чем осталось на основном. Если теперь осветить активизированный кристалл рубина слабым красным светом (этот фотон соответствует переходу со II в I основное состояние), то «красные» кванты как бы подтолкнут возбужденные ионы хрома, и они со второго энергетического уровня перейдут на первый.

Рубин при этом излучит красный свет. Так как кристалл рубина представляет собой стержень, торцевые поверхности которого изготавливаются в виде двух отражающих зеркал, то отразившись от торцов рубина, «красная» волна вновь пройдет через кристалл и на своем пути всякий раз будет вовлекать в процесс излучения все большее число новых частиц, находящихся на втором энергетическом уровне.

Таким образом, в кристалле рубина непрерывно накапливается световая энергия, которая выходит через его границы через одну из торцевых полупрозрачных зеркальных поверхностей в виде испепеляющего красного луча в миллион раз превосходящего по яркости луч Солнца. Помимо рубина, в качестве активного вещества применят и другие кристаллы, например, магния окись, топаз, уваровит, раствор неодима в стекле и т.д. Существуют и газовые лазеры, в которых активным веществом являются газы (например, смесь аргона и кислорода, гелия и неона, окись углерода), а также полупроводниковые лазеры. Имеются лазеры, в которых в качестве активного вещества используются жидкости.

В зависимости от устройства лазера его излучение может происходить в виде молниеносных отдельных импульсов («выстрелов»), либо непрерывно. Поэтому различают лазеры импульсного и непрерывного действия. К первым относится рубиновый лазер, а ко вторым — газовые. Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Лазерное излучение имеет свои характеристические черты. Это когерентность, монохроматичность и направленность. Монохроматический — значит одноцветный. Благодаря этому свойству луч лазера представляет собой колебания одной длины волны, например, обычный солнечный свет — это излучение широкого спектра, состоящее из волн различной длины и различного цвета.

Лазеры имеют свою, строго определенную длину волны. Излучение гелий-неонового лазера — красное, аргонового — зеленое, гелий кадмиевого — синее, неодимового — невидимое (инфракрасное). Монохроматичность лазерного света придает ему уникальное свойство. Вызывает недоумение тот факт, что лазерный луч определенной энергии способен пробить стальную пластину, но на коже человека не оставляет почти никакого следа. Это объясняется избирательностью действия лазерного излучения. Цвет лазера вызывает изменения лишь в той среде, которая его поглощает, а степень поглощения зависит от оптических свойств материала. Обычно каждый материал максимально поглощает излучение лишь определенной длины волны.

Избирательное действие лазерных лучей наглядно демонстрирует опыт с двойным воздушным шаром. Если вложить зеленый резиновый шар внутрь шара из бесцветной резины, то получится двойной воздушный шар. При выстреле рубиновым лазером разрывается только внутренняя (зеленая) оболочка шара, которая хорошо поглощает красное лазерное излучение. Прозрачный наружный шар остается целым. Красный свет рубинового лазера интенсивно поглощается зелеными растениями, разрушая их ткани. Наоборот, зеленое излучение аргонового лазера слабо абсорбируется листьями растений, но активно поглощается красными кровяными тельцами (эритроцитами) и быстро повреждает их. Второй отличительной чертой лазерного излучения является его когерентность.

Когерентность, в переводе с английского языка (coherency), означает связь, согласованность. А это значит, что в различных точках пространства в одно и то же время или в одной и той же точке в различные отрезки времени световые колебания координированы между собой. В обычных световых источниках кванты света выпускаются беспорядочно, хаотически, Несогласованно, то есть некогерентно. В лазере излучение носит вынужденный характер, поэтому генерация фотонов происходит согласованно и по направлению и по фазе. Когерентность лазерного излучения обусловливает его строгую направленность — распространение светового потока узким пучком в пределах очень маленького угла. Для света лазеров угол расходиомсти может быть меньше 0,01 минуты, а это значит, что лазерные лучи распространяются практически параллельно. Если сине-зеленый луч лазера направить на поверхность Луны, которая находится на расстоянии 400000 км.

От Земли, то диаметр светового пятна на Луне будет не больше 3 км. То есть на дистанции 130 км. лазерный луч расходится меньше, чем на 1 м. При использовании телескопов лазерный луч можно было бы увидеть на расстоянии 0,1 светового года (1 световой год =10 в 13 степени км.). Если мы попробуем сконцентрировать с помощью собирающей линзы свет обыкновенной электролампочки, то не сможем получить точечное пятно. Это связано с тем, что преломляющая способность волн различной длины, из которых состоит свет, различна, и лучи волн с одинаковой длиной собираются в отдельный фокус. Поэтому пятно получается размытым. Уникальное свойство лазерного излучения (монохроматичность и малая расходимость) позволяют с помощью системы линз сфокусировать его на очень малую площадь. Эта площадь может быть уменьшена настолько, что по размерам будет равна длине волны фокусируемого света.

Так, для рубинового лазера наименьший диаметр светового пятна составляет примерно 0,7 мкм. Таким образом, можно создать чрезвычайно высокую плотность излучения. То есть максимально сконцентрировать энергию. Лазер с энергией в 100 джоулей дает такие же вспышки, как и электрическая лампочка мощностью в 100 ватт при горении в течение одних суток. Однако, вспышка лазера длится миллионные доли секунды и, следовательно, та же энергия оказывается спрессованной в миллион раз.

Вот почему в узком спектральном диапазоне яркость вспышки мощных лазеров может превышать яркость Солнца в биллионы раз. С помощью лазеров можно достигнуть плотности энергии излучения около 1015 ватт на метр квадратный, в то время, как плотность излучения Солнца составляет только порядка 107 ватт на метр квадратный. Благодаря такой огромной плотности энергии в месте фокусировки пучка мгновенно испаряется любое вещество.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Поскольку торцы рубинового стержня ( диаметр стержня обычно меняется от 0 5 до 1 см, а его длина — от 2 до 10 см) имеют зеркала, то за счет многократного отражения возникшее индуцированное излучение само себя лавинообразно усиливает — фотон, испущенный одной частицей параллельно оси 00 ( рис. 209, а), может играть роль сигнала для другой частицы. В частности, он может, отразившись от зеркала, сыграть вторично роль сигнала для той же самой частицы, которая его испустила, и произойдет весьма бурное высвечивание энергии, накопленной в возбужденных состояниях во время импульсной накачки. Возникает излучение рубинового лазера в виде вспышки.  [32]

Частоты, на которых работают лазеры, позволяют передать огромное количество информации. Используемые в настоящее время радиочастоты вплоть до самых коротких волн не могут идти в этом отношении ни в какое сравнение с частотами световых волн. Например, полоса излучения рубинового лазера составляет 100 Мгц. Умопомрачительные перспективы открывает лазер в увеличении дальности передач. Сфокусированный луч лазера современного типа, по существу первоначального, совсем не совершенного типа, может быть виден простым глазом на расстоянии 9 триллионов ( 9 1012) км. Это расстояние равно так называемому световому году. В пределах этого расстояния находятся от нас все планеты нашей Солнечной системы.  [33]

Это обеспечивает наименьшие потери энергии при многократном прохожД дении светового потока между зеркалами резонатора. Излучение газового лазера отличается от излучения рубинового лазера режимом генерации ( непрерывный), более высокой монохроматичностью и когерентностью и большей направленностью — его угловая расходимость не превышает одной угловой минуты.  [35]

Автоматический запуск разряда самим облаком паров не может привести к оптимальным результатам с точки зрения интенсивности линий и отношения интенсивности линий к фону. Это можно понять из рис. 2.29, на котором показана снятая камерой с покадровой разверткой временная последовательность картины возникновения поперечного разряда. На нем можно различить пятно излучения рубинового лазера , образование сгустка паров, его перемещение по направлению к зазору между электродами и возникновение поперечного разряда с последующим образованием паров от вспомогательных электродов, которые в данном случае отталкивают часть паров образца. Отсюда можно сделать вывод, что воздействие лазерного импульса и поперечный разряд недостаточно хорошо синхронизованы во времени.  [36]

При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего, уменьшается инверсия налесснности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе.  [37]

В начале начинают развиваться высокодобротные моды, соответствующие центру линии люминесценции. Поэтому интенсивность их раньше достигает таких значений, когда просветляется затвор и начинается лавинный процесс генерации импульса, при котором высвечивается большинство активных атомов. Таким образом, запасенная в активном веществе энергия преобразуется в основном в излучение нескольких центральных мод. Обычно в спектре излучения рубиновых лазеров с пассивным затвором присутствуют 2 — 3 продольных моды.  [38]

Расчет, который учитывает только наинизшую зону проводимости и зоны легких и тяжелых дырок, дает коэффициент поглощения, близкий к измеренной величине. Таким образом, промежуточные переходы, которые доминируют в GaAs, характеризуются матричными элементами, соответствующими запрещенным переходам ( как это рассмотрено в разд. Ясс ( со) содержит матричный элемент импульса, подобный выражаемому формулой ( ЗЛО), и аналогично переходы в пределах одной из валентных зон или между двумя валентными зонами запрещены. В работе Ванга и Чанга [782] был получен лазерный эффект при комнатной температуре в ZnS, возбужденном излучением рубинового лазера путем двухфотон-ного поглощения .  [39]

На рис. 29 — 46 представлена интегральная кривая пропускания, спя-тая приборами с широкой полосой пропускания. На самом деле колебательно-вращательные спектры имеют более сложную структуру. На рис. 29 — 48 показана тонкая структура спектра поглощения водяного пара в диапазоне 3 07 — 3 1 мкм. Это обстоятельство иллюстрируется рис. 29 — 49, где по оси ординат отложено спектральное поглощение всей толщи относительно сухой атмосферы, полученное с помощью спектрометра высокого разрешения и Солнца как источника. По оси абсцисс нанесена шкала длин волн в ангстремах и шкала температуры t, при которой реализуются соответствующие длины волн излучения рубинового лазера . Как видно из рисунка, поглощение излучения рубинового генератора в атмосфере должно существенно зависеть от температуры его рабочего тела. Следует заметить, что вершины линий поглощения, приведенные на рисунке, безусловно, уменьшены спектрометром из-за его хотя и высокой, но все же ограниченной разрешающей способности.  [41]

Принципиальное значение имеет связанная с поляритонным рассеянием возможность создания перестраиваемых источников излучения в инфракрасной и в далекой инфракрасной областях. Изменяя угол 9, мы можем продвигаться по дисперсионной кривой для поляритонов ( фиг. Такая перестройка в особенности напрашивается на фотоноподобной части нижней ветви; в подходящих веществах изменения угла 9 на несколько градусов позволяют изменять поляритонную частоту в 5 раз. При экспериментальных исследованиях кристалла LiNbOs [3.16-11] вынужденный процесс возбуждался излучением рубинового лазера ( длина волны 0 694 мкм, мощность LL 1 МВт, длительность импульса x2Q не), причем были выделены стоксова и поляритонная волны. Вследствие сильного инфракрасного поглощения ( сильная механическая волна) коэффициент преобразования в данном случае был значительно ниже граничного значения, определяемого соотношениями Мэнли — Роу. Изменение угла в пределах 0 5, 9 4 создает перестройку в области длин волн 250 мкм ХР 50 мкм.  [42]