Лазер широко используются для различных целей. Существуют различные виды лазера, различаются по мощности, рабочей активной среде, способу работы или области применения. Примерами возможностей использования лазера являются резка материалов, измерение расстояний, косметические процедуры, удаление татуировок, запись и воспроизведение звуков и изображений, оптические телекоммуникации и многие другие. Столь многочисленные функции и постоянная модификация лазера говорят об их значительной роли в современном мире.
Лазер – это акроним от анг. «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («Усиление света посредством вынужденного излучения»). Он работает, усиливая излучаемый свет, что создает излучение. Лазер дает электромагнитное излучение в диапазоне видимого ультрафиолетового или инфракрасного света. Работа лазера основана на вынужденном излучении, заключающемся в освещении возбужденных атомов излучением определенной энергии.
Наиболее общее разделение видов лазера основано на их классификации в зависимости от активной среды или длины волны излучаемого излучения. С учетом активной среды, присутствующей в лазере, различаются газовые, жидкостные и твердотельные виды лазера. Молекулы, атомы или ионы, входящие в состав такой среды, различаются по своей энергетической структуре. Она определяет наиболее важные параметры лазера.
Ниже приведены наиболее распространенные виды лазера в зависимости от используемой активной среды. В скобках указан диапазон длины излучаемой волны:
Аргоновый лазер относится к группе газовых ионных лазеров. Активную среду в этом случае образуют ионы аргона. Этот лазер может излучать более 30 линий в диапазоне от ультрафиолетового до красного света. Атомы аргона удерживаются в разрядной трубке при давлении около 0,1 Торр. Электроны, образующиеся во время разряда, сталкиваются с атомами аргона. Они могут непосредственно ионизировать и возбуждать их, переводя атомы из основного состояния в возбужденный ион. Другой, более эффективный процесс – двухступенчатая ионизация аргона. Образовавшийся таким образом ион затем переводится в еще более высокое возбужденное состояние, которое называется верхним лазерным уровнем. Это дает возможность генерировать более десятка спектральных линий с разными частотами.
Гелий-неоновый лазер является примером газового лазера, построенного в 1959 году. Свет излучается в результате так называемой инверсии населенностей. Гелий и неон помещены в соотношении 10:1 (суммарное давление близко к 1,3 гПа) в трубке из кварцевого стекла. На ее концы подается напряжение, вызывающее разряды в газе. В результате внутри трубки образуется электростатическое поле. Это приводит к ускорению электронов и ионов до высоких скоростей. Поскольку внутри такого лазера больше атомов гелия, ускоренные электроны попадают на них гораздо чаще и вызывают их возбуждение в более высокие энергетические состояния, которые относительно стабильны в течение относительно длительного времени. Возбужденные атомы гелия, в свою очередь, сталкиваются с атомами неона и передают им энергию возбуждения. Для этого газа время возбуждения на более высоком уровне больше, чем на более низком, поэтому через некоторое время наступает так называемая инверсия населенностей.
Такой вид лазера может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Активной средой в этом случае является смесь углекислого газа (CO2), азота (N2) и гелия (He) в объемном соотношении 1: 1,3 : 1,7. Каждая из них выполняет определенные функции. Углекислый газ является активным газом, в азоте происходят электрические разряды, которые обеспечивают энергию возбуждения, а гелий предназначен для стабилизации плазмы СО2 и рассеивания образующегося тепла. Электрические разряды, происходящие в смеси углекислого газа и азота, вызывают очень эффективное возбуждение молекул N2. Поскольку такая молекула имеет идентичные ядра, дипольный переход запрещен. Потеря энергии происходит только в результате столкновений. В случае, если в трубке молекулярного лазера находятся молекулы углекислого газа, то вследствие хорошего совпадения уровней возбужденных N2 и CO2 столкновения второго рода вызывают возбуждение молекул CO2 и возвращение в основное состояние молекул N2. В этом случае инверсия в смеси достигается гораздо легче, чем в чистом CO2.
Он был построен в 1960 году Теодором Майманом. Активным веществом, отвечающим за свойства рубинового лазера, является рубин (триоксид алюминия, Al2O3, в котором часть атомов алюминия заменена атомами хрома Cr3+). Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, посылая излучение в диапазоне видимого красного света. Центральная часть лазера представляет собой рубиновый стержень с лампой-вспышкой над ним. Интенсивная вспышка света, исходящая от нее, переводит некоторые атомы рубина в более высокое энергетическое состояние. В свою очередь они, посылая фотоны, возбуждают таким образом другие атомы. С обеих сторон рубинового стержня расположены зеркала, усиливающие этот эффект. Одно из них является полупроницаемым, и фотоны, проходящие через него, представляют собой полученный луч лазерного света. В настоящее время рубиновый лазер представляет в основном исторический интерес. Его область применения ограничивается голографией или удалением татуировок.
Найдите свое место в группе PCC. Узнайте о нашем предложении и развивайтесь вместе с нами.
Неоплачиваемая программа летней стажировки для студентов и выпускников всех специальностей.
