Лазерное излучение и его применение

     По  режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного излучения (одно-, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения (режимы свободной генерации, модуляции добротности резонатора и моноимпульсный).

     В качестве активных элементов для  лазеров в настоящее время  используют множество веществ. По активной среде лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, ионных кристаллах, флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические, плазменные и т. д.), жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, органических соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т. д.).

     Для создания инверсии населенностей в активной среде применяют различные методы возбуждения (накачки). По этому признаку лазеры разделяются на лазеры с оптической накачкой, лазеры с химической накачкой, газоразрядные лазеры, лазеры с электронной накачкой, накачкой рентгеновскими лучами, плазменным шнуром, ядерной накачкой т. д.

     На  сегодняшний день лазеры являются неотъемлемой частью нашей жизни. Вот небольшой пример применения лазеров.

     По  данным фирмы Gartner Dataquest в апреле 2002 года был продан миллиардный персональный компьютер (ПК) и уже в 2007 году была пройдена вторая миллиардная отметка. Таким образом, если продажа первого миллиарда ПК заняла 21 год, то второго – всего 5 и, судя по темпам роста развивающихся рынков, их потребление нарастает. Соответственно, увеличивается и производство ПК, делая их одним из самых продаваемых и доходных в мире высокотехнологических продуктов. Очевидно, что с точно такой же, а может быть и несколько большей, скоростью растет и потребление деталей и элементов ПК.

     Современный компьютер, его технические параметры определяются в первую очередь возможностями его электронных систем. В состав каждого современного компьютера входит несколько электронных интегральных микросхем, которые в современном исполнении чаще всего представляют собой не что иное как полупроводниковый кристалл (например, кремния, германия, арсенида галлия) или пленку, в которых выполнены все элементы и межэлементные соединения этих схем. От качества обработки полупроводниковых подложек и от точности изготовления микроэлементов зависят технические параметры ПК, включая их быстродействие, а от производительности технологии – конкурентоспособность производителя.

     Уже много лет при изготовлении микросхем  используются, в основном, литографические  процессы. Наиболее известные из них – электронно-лучевая литография и фотолитография. Для изделий сложной структуры с элементами очень малого размера (в основном, в микроэлектронике) сегодня основным методом является фотолитография (ФОТОЛИТОГРАФИЯ - способ формирования рельефного покрытия заданной конфигурации с помощью лазера).

     Так же практически в каждом компьютере имеется дисковод DVD-ROM/R/RW, DVD-RAM, который предназначен для считывания или записи данных с CD/DVD накопителей. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.Свойства  лазерного излучения.

           Свет -  электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет (с длиной волны λ ≈ 380—760 нм), но и примыкающие к нему широкие области спектра.

           В физике рассматривается либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов: частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой покоя.

     Характеристики  света: цвет, определяемый длиной волны; яркость — поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле; освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности; световая отдача (для источников света).

     Излучение обычных источников света происходит за счет электронных переходов в атомах, молекулах и комплексных средах, например в твердых телах, или за счет вращательно-колебательных переходов в сложных молекулах (углеводороды, красители).

     Излучение лазера отличается от излучения обычных  источников света следующими характеристиками:

     высокой спектральной плотностью энергии;

     монохроматичностью;

     высокой временной и пространственной когерентностью;

     высокой стабильностью интенсивности лазерного  излучения в стационарном режиме:

     возможностью  генерации очень коротких световых импульсов.

         Спектральная плотность излучения — характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала.

     Монохроматическое излучение (от греч. μόνο — один, χρώμα — цвет) — электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале — одной длиной волны.

          Когерентность (от лат. Cohaerens - находящийся в связи) - коррелированное протекание во времени и в пространстве нескольких случайных колебательных или волновых процессов, позволяющее получить при их сложении чёткую интерференционную картину. Первоначально понятие когерентности возникло в оптике, однако оно относится к волновым полям любой природы: электромагнитным волнам произвольного диапазона, упругим волнам, волнам в плазме, квантовомеханическим волнам амплитуды вероятностей и т.д. Когерентность лазерного излучения - атомы (ионы, молекулы) активного вещества лазера испускают вынужденное излучение, вызванное пролетом постороннего фотона, «в такт», с одинаковыми фазами, равными фазе первичного, вынуждающего излучения.

     Итак, лазерное излучение – излучение  с высокой энергией, малой расходимостью, одинаковым направлением, одинаковой частотой.

     Устройство, преобразующее энергию (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в лазерное излучение - называется оптическим квантовым генератором. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Принцип действия лазера.

     Физической  основой действия лазера любого типа служит явление вынужденного, или индуцированного излучения, которое может происходить, если частица рабочей среды лазера (атом, молекула или ион) находится в возбуждённом состоянии, т.е. имеет избыток энергии по сравнению с энергией основного (нормального) состояния. Вынужденное излучение – это электромагнитное излучение (в частности, свет), испускаемое энергетически возбуждёнными частицами под воздействием внешнего излучения той же частоты, что и частота испускаемого излучения. Подобные явления описываются законами квантовой механики, при этом надо иметь в виду, что любое электромагнитное излучение состоит из квантов (порций), называемых также фотонами.

     Энергетические  процессы, происходящие в рабочей  среде лазера, можно представить следующим образом. Пусть среди допустимых состояний атома рабочей среды существуют два с разными значениями энергии Е₁ и Е₂>Е₁, причём между ними возможен квантовый излучательный переход, рис. 1. Когда возбуждённый атом из состояния с энергией Е₂ переходит в состояние с меньшей энергией Е₁, то избыток энергии DЕ = Е₂ – Е₁ испускается в виде фотона с энергией hn, где h – постоянная Планка, n – частота излучения. Из равенства ΔЕ = hn следует, что испускаемый фотон имеет частоту n = ΔЕ/h.

     Квантовые переходы между уровнями Е₂ и Е₁ с испусканием фотонов могут происходить как самопроизвольно, так и под воздействием поля распространяющейся в среде электромагнитной (световой) волны с той же частотой n. Возникающее в первом случае излучение называется спонтанным, или самопроизвольным; второй же случай отвечает вынужденному излучению, о котором говорилось выше. Вынужденное излучение когерентно с исходной волной, т.е. обе волны совпадают по частоте, фазе и направлению распространения, рис. 1а. При спонтанном излучении фотоны испускаются в произвольных направлениях и когерентность между волнами отсутствует, рис. 1б. 

     Рис. 1. Возникновение индуцированного (а) и спонтанного (б) излучений и поглощения (в) в рабочей среде: Е₁ и Е₂ – энергетические уровни атомов среды; пустые и закрашенные кружочки – атомы на нижнем и верхнем уровнях энергии; волнистыми линиями со стрелками изображены фотоны

     Столкновения фотонов световой волны с атомами среды, находящимися на низших энергетических уровнях, может сопровождаться также поглощением фотона и переходом атомов в возбуждённое состояние с большей энергией, рис. 1в. При вынужденном излучении энергия воздействующей световой волны увеличивается, а при поглощении она уменьшается. Поэтому изменение интенсивности света, проходящего через среду, зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

     Если  бы рабочая среда лазера находилась в термодинамически равновесном  состоянии, то распределение атомов по энергиям определялось бы статистикой  Больцмана. Соответствующее распределение  Больцмана, которое даёт число атомов N(Е), обладающих энергией Е, имеет вид

      ,       (1)  

     где Т – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана, А – нормировочная константа, e = 2,718… – основание натуральных логарифмов. Число атомов N(Е), обладающих энергией Е, часто называют населённостью энергетического уровня Е.

     Как видно из (1), населённость энергетических уровней уменьшается с ростом их энергии. Поэтому в термодинамически равновесной среде процессы поглощения фотонов из распространяющейся световой волны будут преобладать над процессами их индуцированного излучения, так что интенсивность прошедшего через среду света будет уменьшаться. Однако посредством внешнего воздействия, называемого накачкой, можно создать в среде так называемую инверсную населённость уровней, при которой некоторые уровни с большей энергией будут заселены атомами более плотно, чем уровни с меньшей энергией. Другими словами, инверсная населённость уровней означает, что N(Е₂) > N(Е₁) при Е₂ > Е₁.

     Среда с инверсной населённостью уровней  называется активной. Она термодинамически неравновесна и стремится перейти в равновесное состояние путем излучения избытка энергии. При пропускании света с частотой n = ΔЕ/h через такую активную среду в ней будет происходить как индуцированное излучение, если энергия фотонов hn совпадает с разностью энергий DЕ двух инверсно населённых уровней (рис. 1а), так и поглощение энергии света (рис. 1в). Но так как N(Е₂) > N(Е₁), то число индуцированных переходов с испусканием фотонов становится больше поглощательных переходов, и энергия световой волны возрастает по сравнению с энергией исходной волны. Другими словами, происходит усиление света. На этом основан принцип действия лазеров.