Презентация по теме: "Лазеры"

Лазеры

«Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер — это целая техническая эпоха».

Луи де Бройль

1892–1987 гг.

Лазеры

• - генератор индуцированного когерентного излучения
• Индуцированное излучение (вынужденное)– излучение под действием света

+

+

Слово «лазер» образовано из начальных букв английской фразы:

• Light Amplification by Stimulated of Radiation,
• «усиление света посредством вынужденного излучения».
• Другое название – квантовый генератор оптического излучения.

Свойства лазерного излучения

• Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения.
• Все фотоны лазерного излучения имеют одинаковую частоту (монохроматичность) и одно и то же направление (согласованность).
• Лазеры являются мощными источниками света (до 10 9 Вт, т.е. больше мощности крупной электростанции).

Принцип действия лазеров

Индуцированное излучение

Индуцированное излучение

Трехуровневая система рубина

Короткоживущее состояние (t ~ 10 -8 c)

Е 3

Переход без излучения

Е 2

Метастабильное состояние (t ~ 10 -3 c)

Долгоживущее состояние

Вспышка

лампы

Лазерный переход

Синхронное излучение

Е 1

Основное состояние

Трехуровневая система рубина

Е 3

Е 2

Луч лаера генерируется в ходе согласованного сьроса многих атомов с уровня на уровень. Атомы при этом тзлучают синхронно, в такт», и волны, излученные атомами, идентичны друг другу по частоте и фазе. Излучение лазера, будучи результатом наложения таких идентичных волн, получается когерентным

Е 1

Усиление света (трехуровневая система)

• На уровне 3 система «живет» мало, после самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Е  передается крис. решетке.)
• Переход 2  1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени оказывается в состоянии 2, в котором «живет» сравнительно долго.
• «Перенаселенность» возбужденного уровня 2.

Рубин ( Al 2 O 3 + хром )

3

3

Плотное заселение метастабильного уровня

Усиление света

Рубиновый лазер

На стержень навита трубка газоразрядной лампы - лампа накачки . Служит для передачи атомам квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня.

Рубиновый лазер

Один из торцов стержня зеркальный (для большей задержки фотонов внутри стержня), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение).

12

Устройство рубинового лазера

Энергия накачки

Рабочая среда

Полупрозрачное зеркало

Непрозрачное зеркало

Блок питания лампы

12

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Аl 2 0 3 , в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома Cr 3 + .

С помощью мощного импульса лампы -вспышки ("оптической накачки") ионы хрома переводятся из основного состояния Е 1 в возбужденное Е 2 .

Световой импульс (вспышка лампы)

n 1 . Случайный фотон с энергией hv = Е 2 - Е 1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. " width="640"

Через 10 -8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень

Е 2 3 , на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n 2 n 1 .

Случайный фотон с энергией hv = Е 2 - Е 1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

n 1 . Случайный фотон с энергией hv = Е 2 - Е 1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. " width="640"

Через 10 -8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень

Е 2 3 , на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n 2 n 1 .

Случайный фотон с энергией hv = Е 2 - Е 1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

 

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой - частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

Применение лазеров

1) Обработка материалов (резание, сварка, сверление).

2) В хирургии вместо скальпеля.

3) Голография.

4) Связь с помощью волоконной оптики.

5) Лазерная локация.

6) Использование лазерного луча как носителя информации.

12

Применение фемтосекундных лазеров

• Для того, чтобы в единицу времени передать большее количество информации с помощью лазерных импульсов, нужно сделать этот импульс как можно более коротким.
• Это эффективно используется в современных информационных системах — ​можно посылать информацию на разных частотах.