Типы лазеров спектр излучения мощность. Спектр лазерного излучения

Само слово «лазер», это аббревиатура от английского "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Отсчет эпохи лазерной медицины начался более полу века назад, когда в 1960 г., Теодор Мэйман впервые использовал в клинике рубиновый лазер.

За рубиновым последовали другие лазеры: 1961 г. – лазер на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG); 1962 г. – аргоновый; 1964 г. – лазер на диоксиде углерода (СО 2).

В 1965 г. Леон Голдман сообщил об использовании рубинового лазера для удаления татуировок. В дальнейшем, вплоть до 1983 г., предпринимались различные попытки использования неодимового и аргонового лазеров для лечения сосудистых патологий кожи. Но их применение было ограничено высоким риском образования рубцов.

В 1983 г. в журнале Science Рокс Андерсон и Джон Пэрриш опубликовали разработанную ими концепцию селективного фототермолиза (СФТ), что привело к революционным изменениям в лазерной медицине и дерматологии . Данная концепция позволила лучше понять процессы взаимодействия лазерного излучения с тканью. Это, в свою очередь, облегчило разработку и производство лазеров для медицинского применения.

Особенности лазерного излучения

Три свойства, присущие лазерному излучению делают его уникальным:

1. Когерентность. Пики и спады волн располагаются параллельно и совпадают по фазе во времени и пространстве.
2. Монохромность. Световые волны, излучаемые лазером, имеют одинаковую длину, именно ту, которая предусмотрена используемой в лазере средой.
3. Коллимация. Волны в луче света сохраняют параллельность, не расходятся, и луч переносит энергию практически без потерь.

Способы взаимодействия лазерного излучения с кожей

Методы лазерной хирургии применяются для манипуляций на коже намного чаще, чем на любых других тканях. Это объясняется, во-первых, исключительным разнообразием и распространенностью кожной патологии и различных косметических дефектов, а во-вторых, относительной простотой выполнения лазерных процедур, что связано с поверхностным расположением объектов, требующих лечения. В основе взаимодействия лазерного света с тканями лежат оптические свойства тканей и физические свойства лазерного излучения. Распределение света, попавшего на кожу, можно разделить на четыре взаимосвязанных процесса.

Отражение. Около 5-7% света отражаются на уровне рогового слоя.

Поглощение (абсорбция). Описывается законом Бугера - Ламберта - Бера. Поглощение света, проходящего сквозь ткань, зависит от его исходной интенсивности, толщины слоя вещества, через которое проходит свет, длины волны поглощаемого света и коэффициента поглощения. Если свет не поглощается, никакого его воздействия на ткани не происходит. Когда фотон поглощается молекулой-мишенью (хромофором), вся его энергия передается этой молекуле. Важнейшими эндогенными хромофорами являются меланин, гемоглобин, вода и коллаген . К экзогенным хромофорам относятся красители для татуировок, а также частицы грязи, импрегнированные при травме.

Рассеивание. Этот процесс обусловлен главным образом коллагеном дермы. Важность явления рассеивания состоит в том, что оно быстро уменьшает плотность потока энергии, доступной для поглощения хромофором-мишенью, а, следовательно, и клиническое воздействие на ткани. Рассеивание снижается с увеличением длины волны, делая более длинные волны идеальным средством доставки энергии в глубокие кожные структуры.

Проникновение. Глубина проникновения света в подкожные структуры, как и интенсивность рассеивания, зависит от длины волны. Короткие волны (300-400 нм) интенсивно рассеиваются и не проникают глубже 100 мкм. А волны большей длины проникают глубже, так как рассеиваются меньше.

Основными физическими параметрами лазера, определяющими воздействие квантовой энергии на ту или иную биологическую мишень, являются длина генерируемой волны и плотность потока энергии и время воздействия.

Длина генерируемой волны. Длина волны излучения лазера сопоставима со спектром поглощения самых важных тканевых хромофоров (рис. 2). При выборе этого параметра обязательно следует учитывать глубину расположения структуры-мишени (хромофора), поскольку рассеивание света в дерме существенно зависит от длины волны (рис. 3). Это означает, что длинные волны поглощаются слабее, чем короткие; соответственно, их проникновение в ткани глубже. Необходимо также учитывать и неоднородность спектрального поглощения тканевых хромофоров:

• Меланин в норме содержится в эпидермисе и волосяных фолликулах. Спектр его поглощения лежит в ультрафиолетовом (до 400 нм) и видимом (400 - 760 нм) диапазонах спектра. Поглощение меланином лазерного излучения постепенно уменьшается по мере увеличения длины волны света. Ослабление поглощения наступает в ближней инфракрасной области спектра от 900 нм.
• Гемоглобин содержится в эритроцитах. Он имеет множество различных пиков поглощения. Максимумы спектра поглощения гемоглобина лежат в области УФ-А (320-400 нм), фиолетовом (400 нм), зеленом (541 нм) и желтом (577 нм) диапазонах.
• Коллаген составляет основу дермы. Спектр поглощения коллагена находится в видимом диапазоне от 400 нм до 760 нм и ближней инфракрасной области спектра от 760 до 2500нм.
• Вода составляет до 70% дермы. Спектр поглощения воды лежит в средней (2500 - 5000 нм) и дальней (5000 - 10064 нм) инфракрасной областях спектра.

Плотность потока энергии. Если длина волны света влияет на глубину, на которой происходит его поглощение тем или иным хромофором, то для непосредственного повреждения структуры-мишени важны величина энергии лазерного излучения и мощность, определяющая скорость поступления этой энергии. Энергия измеряется в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт, или Дж/с). На практике эти параметры излучения обычно используются в перерасчете на единицу площади – плотность потока энергии (Дж/см 2) и скорость потока энергии (Вт/см 2), или плотность мощности .

Виды лазерных вмешательств в дерматологии

Все виды лазерных вмешательств в дерматологии могут быть условно подразделены на два типа:

• I тип. Операции, в ходе которых проводят абляцию участка пораженной кожи, включая эпидермис.
• II тип. Операции, нацеленные на избирательное удаление патологических структур без нарушения целостности эпидермиса.

I тип.Абляция.
Этот феномен представляет собой одну из фундаментальных, интенсивно изучаемых, хотя еще и не до конца решенных проблем современной физики.
Термин «абляция» переводится на русский язык как удаление или ампутация. В немедицинской лексике это слово означает размывание или таяние. В лазерной хирургии под абляцией понимают ликвидацию участка живой ткани непосредственно под действием на нее фотонов лазерного излучения. При этом имеется в виду эффект, проявляющийся именно в ходе самой процедуры облучения, в отличие от ситуации (например, при фотодинамической терапии), когда облученный участок ткани после прекращения лазерного воздействия остается на месте, а его постепенная ликвидация наступает позднее в результате серии местных биологических реакций, развивающихся в зоне облучения .

Энергетические характеристики и производительность абляции определяются свойствами облучаемого объекта, характеристиками излучения и параметрами, неразрывно связывающими свойства объекта и лазерного луча, - коэффициентами отражения, поглощения и рассеивания данного вида излучения в данном виде ткани или ее отдельных составляющих. К свойствам облучаемого объекта относятся: соотношение жидкого и плотного компонентов, их химические и физические свойства, характер внутри- и межмолекулярных связей, термическая чувствительность клеток и макромолекул, кровоснабжение ткани и т. д. Характеристиками излучения – это длина волны, режим облучения (непрерывный или импульсный), мощность, энергия в импульсе, суммарная поглощенная энергия и т. д.

Наиболее детально механизм абляции исследован при использовании СО2 лазера (l = 10,6 мкм). Его излучение при плотности мощности ³ 50 кВт/см 2 интенсивно поглощается молекулами тканевой воды. При таких условиях происходит быстрый разогрев воды, а от нее и неводных компонентов ткани. Следствием этого является стремительное (взрывное) испарение тканевой воды (эффект вапоризации) и извержение водяных паров вместе с фрагментами клеточных и тканевых структур за пределы ткани с формированием абляционного кратера. Вместе с перегретым материалом из ткани удаляется и бόльшая часть тепловой энергии. Вдоль стенок кратера остается узкая полоска разогретого расплава, от которого тепло передается на окружающие интактные ткани (рис. 4). При низкой плотности энергии (рис. 5, А) выброс продуктов абляции относительно невелик, поэтому значительная часть тепла от массивного слоя расплава передается в ткань. При более высокой плотности (рис. 5, Б) наблюдается обратная картина. При этом незначительные термические повреждения сопровождаются механической травмой ткани за счет ударной волны. Часть разогретого материала в виде расплава остается вдоль стенок абляционного кратера, причем именно этот слой является резервуаром тепла, передаваемого в ткань за пределы кратера. Толщина этого слоя одинакова по всему контуру кратера. С повышением плотности мощности она уменьшается, а с понижением растет, что сопровождается соответственно уменьшением или увеличением зоны термических повреждений. Таким образом, повышая мощность излучения, мы добиваемся увеличения скорости удаления ткани, снижая при этом глубину термического повреждения .

Область применения СО 2 -лазера очень обширна. В фокусированном режиме он используется для иссечения тканей с одновременной коагуляцией сосудов. В дефокусированном режиме за счет уменьшения плотности мощности производится послойное удаление (вапоризация) патологической ткани. Именно таким способом ликвидируют поверхностные злокачественные и потенциально злокачественные опухоли (базальноклеточная карцинома, актинический хейлит, эритроплазия Кейра), ряд доброкачественных новообразований кожных покровов (ангиофиброма, трихлеммома, сирингома, трихоэпителиома и др.), крупные послеожоговые струпы, воспалительные кожные заболевания (гранулемы, узелковый хондродерматит ушной раковины), кисты, инфекционные поражения кожи (бородавки, рецидивирующие кондиломы, глубокие микозы), сосудистые поражения (пиогенная гранулема, ангиокератома, кольцевидная лимфангиома), образования, обусловливающие косметические дефекты (ринофима, глубокие постугревые рубцы, эпидермальные родимые пятна, лентиго, ксантелазма) и др.

Дефокусированный луч СО 2 -лазера используют и в сугубо косметической процедуре - так называемой лазерной дермабразии, то есть послойном удалении поверхностных слоев кожи с целью омоложения облика пациента . В импульсном режиме с длительностью импульса менее 1 мс за один проход селективно вапоризируется 25-50 мкмткани; при этом образуется тонкая зона резидуального термического некроза в пределах 40-120 мкм. Размеры этой зоны достаточны для временной изоляции дермальных кровеносных и лимфатических сосудов, что в свою очередь позволяет снизить риск формирования рубца.

Обновление кожи после лазерной дермабразии обусловлено несколькими причинами. Абляция уменьшает выраженность морщин и текстурных аномалий за счет поверхностного испарения ткани, тепловой коагуляции клеток в дерме и денатурации экстрацеллюлярных матричных белков. Во время процедуры происходит мгновенная видимая контракция кожи в пределах 20-25% как результат усадки (сжатия) ткани из-за дегидратации и сжатия коллагеновых волокон. Наступление отсроченного, но более продолжительного результата обновления кожи достигается за счет процессов, связанных с реакцией тканей на травму. После воздействия лазером в области сформировавшейся раны развивается асептическое воспаление. Это стимулирует посттравматическое высвобождение факторов роста и инфильтрацию фибробластами. Наступающая реакция автоматически сопровождается всплеском активности, что неизбежно ведет к тому, что фибробласты начинают производить больше коллагена и эластина. В результате вапоризации происходит активация процессов обновления и кинетики пролиферации эпидермальных клеток. В дерме запускаются процессы регенерации коллагена и эластина с последующим их расположением в параллельной конфигурации.

Аналогичные события происходят при использовании импульсных лазеров, излучающих в ближней и средней инфракрасной области спектра (1,54-2,94 мкм):эрбиевого с диодной накачкой (l = 1,54 мкм), тулиевого (l = 1,927 мкм), Ho:YSSG (l = 2,09 мкм), Er:YSSG (l = 2,79 мкм), Er:YAG (l = 2,94 мкм). Для перечисленных лазеров характерны очень высокие коэффициенты поглощения водой. Например, излучение Er:YAG-лазера поглощается водосодержащими тканями в 12-18 раз активнее, чем излучение СО 2 -лазера. Как и в случае СО 2 -лазера, вдоль стенок абляционного кратера в ткани, облученной Er:YAG-лазером, образуется слой расплава. Следует иметь в виду, что при работе на биоткани с этим лазером существенное значение для характера тканевых изменений имеет энергетическая характеристика импульса, в первую очередь его пиковая мощность. Это означает, что даже при минимальной мощности излучения, но более длительном импульсе резко возрастает глубина термонекроза. В таких условиях масса удаленных перегретых продуктов абляции относительно меньше массы оставшихся. Это обусловливает глубокие термические повреждения вокруг абляционного кратера. В то же время при мощном импульсе ситуация иная - минимальные термические повреждения вокруг кратера при высокоэффективной абляции. Правда, в этом случае положительный эффект достигается ценой обширных механических повреждений ткани ударной волной. За один проход эрбиевым лазером происходит абляция ткани на глубину 25-50 мкм с минимальным резидуальным термическим повреждением. Вследствие этого процесс реэпителизации кожи значительно короче, чем после воздействия СО 2 -лазера.

II тип. Селективное воздействие.
К операциям этого типа относятся процедуры, в ходе которых добиваются лазерного повреждения определенных внутридермальных и подкожных образований без нарушения целостности кожного покрова. Эта цель достигается подбором характеристик лазера: длины волны и режима облучения. Они должны обеспечить поглощение лазерного света хромофором (окрашенной структурой-мишенью), что приведет к его разрушению или обесцвечиванию за счет превращения энергии излучения в тепловую (фототермолиз), а в некоторых случаях и в механическую энергию. Мишенью лазерного воздействия могут быть: гемоглобин эритроцитов, находящихся в многочисленных расширенных дермальных сосудах при винных пятнах (PWS); пигмент меланин различных кожных образований; угольные, а также другие, по-разному окрашенные инородные частицы, вводимые под эпидермис при татуировке или попадающие туда в результате иных воздействий.

Идеальным селективным воздействием можно считать такое воздействие, при котором лучи лазера поглощаются только структурами мишени, а за ее пределами поглощение отсутствует. Для достижения такого результата специалисту, выбравшему лазер с соответствующей длиной волны, оставалось бы лишь установить плотность энергии излучения и продолжительность экспозиций (или импульсов), а также интервалов между ними. Эти параметры определяют с учетом (ВТР) для данной мишени - промежутка времени, за который возросшая в момент подачи импульса температура мишени опускается на половину ее прироста по отношению к исходной. Превышение длительности импульса над значением ВТР вызовет нежелательный перегрев ткани вокруг мишени. К такому же эффекту приведет и уменьшение интервала между импульсами. В принципе, все эти условия могут быть смоделированы математически перед операцией, однако сам состав кожи не позволяет в полной мере воспользоваться расчетными данными. Дело в том, что в базальном слое эпидермиса находятся меланоциты и отдельные кратиноциты, которые содержат меланин. Поскольку этот пигмент интенсивно поглощает свет в видимой, а также близких к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра («оптическое окно» меланина находится в пределах от 500 до 1100 нм), любое лазерное излучение в данном диапазоне будет поглощаться меланином. Это может привести к термическому повреждению и гибели соответствующих клеток. Более того, излучение в видимой части спектра поглощается также цитохромами и флавиновыми ферментами (флавопротеидами) как меланинсодержащих клеток, так и всех остальных типов клеток эпидермиса и дермы. Из этого следует, что при лазерном облучении мишени, расположенной под поверхностью кожи, некоторое повреждение эпидермальных клеток становится неизбежным. Поэтому реальная клиническая задача сводится к компромиссному поиску таких режимов лазерного облучения, при которых стало бы возможным достигать максимального поражения мишени при наименьшем повреждении эпидермиса (с расчетом на его последующую регенерацию, главным образом за счет соседних необлученных участков кожи).

Соблюдение всех этих условий применительно к конкретной мишени приведет к ее максимальному повреждению (разогреву или распаду) при минимальном перегреве или механической травме соседних структур.

Так, для облучения патологических сосудов винного пятна (PWS) наиболее рациональным является использование лазера с самой большой длиной волны, соответствующей пикам светопоглощения гемоглобина (l = 540, 577, 585 и 595 нм), при длительности импульсов порядка миллисекунд, поскольку при этом поглощение излучения меланином будет незначительным (положение 1 теории селективного фототермолиза). Относительно большая длина волны эффективно обеспечит глубинный прогрев ткани (положение 2), а сравнительно продолжительный импульс будет соответствовать весьма крупным размерам мишени (сосуды с эритроцитами; положение 3).

Если же целью процедуры является ликвидация частиц татуировки, то помимо подбора длины волны излучения, соответствующей цвету этих частиц, потребуется установить продолжительность импульса, которая значительно меньше, чем в случае винных пятен, чтобы добиться механического разрушения частиц при минимальном термическом повреждении других структур (положение 4).

Разумеется, соблюдение всех этих условий не обеспечивает абсолютную защиту эпидермиса, однако исключает слишком грубое его повреждение, которое привело бы впоследствии к стойкому косметическому дефекту из-за чрезмерного рубцевания.

Реакции ткани на лазерное воздействие

При взаимодействии лазерного света с тканью происходят следующие реакции.

Фотостимуляция. Для фотостимуляции используются низкоинтенсивные терапевтические лазеры. Терапевтический лазер по энергетическим параметрам оказывает действие, не повреждающее биосистему, но в то же время этой энергии достаточно для активации процессов жизнедеятельности организма, например ускорения заживления ран.

Фотодинамическая реакция. В основе принципа – воздействие светом определенной длины волны на фотосенсибилизатор (естественный или искусственно введенный), обеспечивающее цитотоксический эффект на патологическую ткань. В дерматологии фотодинамическое воздействие используется для лечения вульгарных угрей, псориаза, красного плоского лишая, витилиго, пигментной крапивницы и др.

Фототермолиз и фотомеханические реакции- при поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Селективный фототермолиз можно применить для удаления пороков развития поверхностно расположенных сосудов, некоторых пигментных образований кожи, волос, татуировок.

Литература

1. Лазеро- и светолечение. Доувер Дж.С.Москва. Рид Элсивер 2010.С.5-7
2. Неворотин А. И. Введение в лазерную хирургию. Учебное пособие. - Спб.: СпецЛит, 2000.
3. Неворотин А. И. Лазерная рана в теоретическом и прикладном аспектах. // Лазерная биология и лазерная медицина: практика. Мат. докл. респ. школы-семинара. Часть 2. - Тарту-Пюхяярве: Изд-во Тартуского университета ЭССР, 1991, с. 3-12.
4. Anderson R. R., Parish J. A. The optics of human skin. J Invest Dermatol 1981; 77:13-19.
5. Anderson R. R., Parrish J. A. Selective photothermolysis: precise microsurgery by selective absorption of pulsed radiation. Science 1983; 220:524-527.
6. Goldman L., Blaney D. J., Kindel D. J. et al. Effect of the laser beam on the skin: preliminary report. J Invest Dermatol 1963; 40:121-122.
7. Kaminer M. S., Arndt K. A., Dover J. S. et al. Atlas of cosmetic surgery. 2nd ed. - Saunders-Elsevier 2009.
8. Margolis R. J., Dover J. S., Polla L. L. et al. Visible action spectrum for melanin-specific selective photothermolysis. Lasers Surg Med 1989; 9:389-397.

Расширение спектрального диапазона лазера. Одной из главных задач специалистов, разрабатывающих лазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длину волны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета и еще более коротковолнового излучения.

Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этой точки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн, выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные разрывы в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известные лазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узких спектральных диапазонах.

Широкие полосы флуоресценции, на существовании которых основана работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальней инфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстро разрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когда надо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.

Нелинейная оптика.

В поисках способов заполнить эти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты в некоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганского университета сфокусировали свет рубинового лазера длина волны 694,3 нм в кристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только сам свет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерного света монохроматичность и пространственную когерентность.

Процесс генерации такого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерация второй гармоники. ГВГ, и представляет собой один пример из множества нелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширения перестраиваемого, спектрального диапазона лазерного излучения. ГВГ часто применяют для преобразования инфракрасного излучения 1,06 мкм и другие линии неодимового лазера в излучение, попадающее в желто-зеленую область спектра например, 530 нм, в которой можно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий.

Генерацию гармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотой в три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейные характеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, для утроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны 353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра.

Теоретически возможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, но эффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точки зрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентного излучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник. Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, который заключается в следующем.

Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны мощная световая волна с частотой 1 волна накачки и две слабые световые волны с более низкими частотами 2 и 3. При выполнении условия 1 23 и условия волнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой 1 в энергию волн с частотами 2 и 3. Если нелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, очень напоминающий лазер и носящий название параметрического генератора.

Такой процесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использования были ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерных источников. Фактически же параметрический генератор является устройством, способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можно перестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том, что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентного излучения на частотах 2 и 3. Колебания эти могут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов тепловых шумов, которые всегда в нем присутствуют.

Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот, расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определенной температуре кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачки и к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняется для определенной пары частот 2 и 3. Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла или его ориентацию.

Рабочей частотой может быть любая из двух частот 2 и 3 в зависимости от того, какой диапазон частот излучения прибора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателей преломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровень мощности накачки, который для получения стационарных колебаний следует превысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источника накачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, или вторую гармонику неодимового лазера.

На выходе прибора получают перестраиваемое излучение инфракрасного диапазона. 2.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Лазер на красителях

Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать.. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.Из расчетных типов..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ - лазеры со стабильной во времени частотой (10 -14 - 10 -15), её воспроизводимостью (10 -13 - 10 -14). О. с. ч. применяются в физ. исследованиях и находят практич. приложение в метрологии, локации, геофизике, связи, навигации и машиностроении. Деление частоты О. с. ч. до радиодиапазона сделало возможным создание шкалы времени, основанной на использовании периода оптич. .
О. с. ч. обладают преимуществами по сравнению с квантовыми стандартами частоты СВЧ-диапазона: эксперименты, связанные с измерением частоты при использовании лазеров, требуют меньшего времени, т. к. абс. частота в 10 4 - 10 5 раз превышает нелазерные стандарты частоты. Абс. интенсивность и ширина , являющихся реперами частоты, в оптич. диапазоне в 10 5 - 10 6 раз больше, чем в СВЧ-диапазоне, при одной и той же относит. ширине. Это позволяет создавать О. с. ч. с более высокой кратковрем. стабильностью частоты. При делении частоты О. с. ч. до радиодиапазона относит. ширина линии излучения практически не меняется (если используется СВЧ стандарт, флуктуац. спектр его сигнала существенно расширяется при умножении частоты в 10 5 - 10 6 раз). Роль квадратичного Доплера эффекта ,ограничивающего долговрем. стабильность и воспроизводимость частоты, одинакова.

Принцип стабилизации . Стабилизация частоты лазера, как и стандартов радио диапазона, основана на использовании спектральных линий атомного или молекулярного газа (оптич. реперы), к центру к-рых "привязывается" частота v с помощью электронной системы автоматич. подстройки частоты. Т. к. линии усиления лазеров обычно значительно превосходят ширину полосы пропускания оптического резонатора , то нестабильность (v ) частоты v генерации в большинстве случаев определяется изменением оптич. длины резонатора Осн. источниками нестабильности l являются тепловой дрейф, механич. и акустич. возмущения элементов конструкции , флуктуации показателя преломления газоразрядной плазмы. С помощью оптич. репера система автоподстройки вырабатывает сигнал, пропорц. величине и знаку расстройки между частотой v и частотой v 0 центра спектральной линии, с помощью к-рого частота лазера настраивается на центр линии ( = v - v 0 = 0). Относит. точность настройки обратно пропорц. произведению спектральной линии ( - ширина линии) на отношение сигнал/шум при её индикации.
Для получения узкой линии излучения и высокой кратковрем. стабильности частоты (стабильность за времена с) необходимо использовать реперы достаточно высокой интенсивности с шириной значительно превосходящей характерный диапазон частотных возмущений Для газовых лазеров характерная ширина спектра акустич. возмущений ~ 10 3 - 10 4 Гц, поэтому требуемая ширина резонанса Гц (относит, ширина 10 -9 - 10 -10). Это позволяет использовать системы автоматич. подстройки частоты с широкой полосой (10 4 Гц) для эфф. подавления быстрых флуктуации длины резонатора.
Для достижения высокой долговрем. стабильности и воспроизводимости частоты необходимы оптич. линии высокой добротности, т. к. при этом уменьшается влияние разл. факторов на сдвиги частоты центра линии.

Оптические реперы . Используемые в СВЧ-диапазоне методы получения узких спектральных линий оказались не применимыми в оптич. области спектра (доплеровское уширение мало в СВЧ-диапазоне). Для О. с. ч. важны методы, к-рые позволяют получать резонансы в центре спектральной линии. Это даёт возможность непосредственно связать частоту излучения с частотой квантового перехода. Перспективны три метода: метод насыщенного поглощения, двухфотонного резонанса и метод разнесённых оптич. полей. Осн. результаты по стабилизации частоты лазеров получены с помощью метода насыщенного поглощения, к-рый основан на нелинейном взаимодействии встречных световых волн с газом. Нелинейно поглощающая ячейка с газом низкого давления может находиться внутри резонатора лазера (активный репер) и вне его (пассивный репер). Из-за эффекта насыщения (выравнивание населённостей уровней частиц газа в сильном поле) в центре доплеровски-уширенной линии поглощения возникает провал с однородной шириной, к-рая может быть в 10 5 - 10 6 раз меньше доплеровской ширины. В случае внутренней поглощающей ячейки уменьшение поглощения в центре линии приводит к появлению узкого пика на контуре зависимости мощности от частоты генерации. Ширина нелинейного резонанса в молекулярном газе низкого давления определяется прежде всего столкновениями и эффектами, обусловленными конечным временем пролёта частицы через световой пучок. Уменьшение ширины резонанса сопровождается резким падением его интенсивности (пропорц. кубу давления).
Наиб. узкие резонансы насыщенного поглощения с относит, шириной10 -11 получены в СН 4 на компонентахи Е колебательно-вращат. линии Р (7) полосы v 3 (см. Молекулярные спектры ),к-рые близки к центру линии усиления гелий-неонового лазера на= 3,39 мкм. Для точного совмещения линий усиления и поглощения используют 22 Ne и увеличивают давление Не в активной среде лазера либо помещают активную среду в магн. поле (для Е -компоненты).
Схема О. с. ч., использующего сверхузкий резонанс (с относит. шириной 10 -11 - 10 - 12 ) в качестве репера, состоит из вспомогательного стабильного по частоте лазера 2 с узкой линией излучения, перестраиваемого лазера 2 и системы получения узкого резонанса (рис. 1). Узкая линия излучения перестраиваемого лазера, к-рый используется для получения сверхузкого резонанса, обеспечивается посредством фазовой синхронизации этого лазера со стабильным.

Рис. 1. Схема оптического стандарта частоты: ЧФАП - частотно-фазовая автоподстройка; СУР - система получения сверхузкого резонанса; АПЧ - система автоматической подстройки частоты; ЗГ - звуковой генератор; РГ - радиогенератор; Д - фото детектор.

Долговрем. стабильность перестраиваемого лазера достигается плавной настройкой его частоты на максимум сверхузкого резонанса с помощью экстремальной системы автоподстройки. При этом возможно одновременно получать высокие значения кратковрем. и долговрем. стабильностей и воспроизводимости частоты.
Стабильность частоты. Наиб. высокая стабильность частоты получена в ИК-диапазоне с Не - Ne-лазером ( = 3,39 мкм) с внутр. ячейкой поглощения. Т. к. абс. частота его известна с высокой точностью (10 -11), то этот лазер может быть использован как самостоят. вторичный эталон частоты для измерения абс. частот в оптич. и ИК-дпапазонах. Ширина линии излучения такого лазера составляет 0,07 Гц (рис. 2). Стабильность частоты за времена усреднения= 1 - 100 с равна 4 х 10 -15 (рис. 3).
Долговрем. стабильность и воспроизводимость частоты Не - Ne-лазеров с телескопич. расширением пучка, стабилизированных по резонансам в СН 4 на линиях поглощения F 2 2 и Е (см. выше) с добротностью ~10 11 , достигают ~10 -14 . Принципиальным фактором, ограничивающим воспроизводимость и точность частоты, является квадратичный .

Лит.: Басов Н. Г., Летохов В. С., Оптические стандарты частоты, "УФН", 1968, т. 96, с. 585; Jennings D. A., Petersen F. R., Evenson К. М., Direct frequency measurement of the 260 THz (1.15mм) 20 Ne Laser and beyond, в кн.: Laser spectroscopy. IV. Proc. 4 th-Intern. Conf., Rottach-Egern, Fed. Rep. of Germany, June 11 - 15 1979, ed. by H. Walther, K. W. Kothe, В. - , 1979, p. 39; Proceedings of Third Symposium on Freq. Standarts and Metrology, Aussois, France, 12 - 15 Oct. 1981, "J. Phys.", 1981, v. 42, Colloq. С 8, № 12; Багаев С. Н., Чеботаев В. П., Лазерные стандарты частоты, "УФН", 1986, т. 148, с. 143; Knight D. J. E., A tabulation of absolute laser - frequence measurements, "Metrologia", 1986, v 22, p. 251.

В. П. Чеботаев .

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава»

Реферат

по дисциплине: «Электрофизические и электрохимические методы обработки»

Тема: «Типы и характеристики лазеров»

Введение

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, всякий мальчишка теперь знает слово лазер. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах - квантовой электроники - академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Замечательные свойства лазеров - исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме - уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов.

Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода - вывода информации.

1. Классификация лазеров

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

2. Характеристики лазеров

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, целина. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

2.1 Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр - 4-5 см. Энергия импульса генерации такого стержня - 1000 дж за 10-3 сек.

Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10-3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.

Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.

Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения.

Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования.

2.2 Жидкостные лазеры

Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии.

Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот.

Еще один вид жидкостных лазеров - устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек).

2.3 Газовые лазеры

Существует много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения.

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1.

Рис. 1 - Принцип устройства СО2-лазера

Разновидность СО2-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Электроионизационная накачка

Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области.

2.4 Полупроводниковые лазеры

Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Рис. 3 - Поперечная накачка электронным пучком

Рис. 4 - Продольная накачка электронным пучком

Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход (рис. 5), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019см-3. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД довольно высок - 50-60%.

Рис. 5 - Принцип устройства инжекционного лазера

усилитель генератор луч волна

Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1-100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10-3 до 10-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощность составляет 109 Вт для наносекундных импульсов и 1012 Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов.

2.5 Лазеры на красителях

Лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов).

В качестве накачки сегодня обычно применяют другой лазер, например Nd: YAG с диодной накачкой, или Аргоновый лазер. Очень редко можно встретить лазер на красителях с накачкой лампой-вспышкой. Основная особенность лазеров на красителях - очень большая ширина контура усиления. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях.

Существует две возможности использовать такую большую рабочую область лазера:

перестройка длины волны на которой происходит генерация -> лазерная спектроскопия,

генерация сразу в широком диапазоне -> генерация сверх коротких импульсов.

В соответствии с этими двумя возможностями различаются и конструкции лазеров. Если для перестройки длины волны используется обычная схема, только добавляются дополнительные блоки для термостабилизации и выделения излучения со строго определённой длиной волны (обычно призма, дифракционная решётка, или более сложные схемы), то для генерации сверх коротких импульсов требуется уже гораздо более сложная установка. Изменяется конструкция кюветы с активной средой. Из-за того, что длительность импульса лазера в конечном итоге составляет 100÷30·10?15 (свет в вакууме успевает пройти лишь 30÷10мкм за это время), инверсия населённости должна быть максимальна, этого можно добиться только очень быстрой прокачкой раствора красителя. Для того чтобы это осуществить применяют специальную конструкцию кюветы со свободной струёй красителя (краситель прокачивается из специального сопла со скоростью порядка 10м/с). Наиболее короткие импульсы получаются при использовании кольцевого резонатора.

2.6 Лазер на свободных электронах

Вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе - периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях - у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов - ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур - есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения.

Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Внимание! Меры предосторожности :

Не направляйте лазерное излучение в глаза! Прямое попадание в глаза лазерного излучения опасно для зрения!

С разрешения руководителя работ включите лазер и установите экран и решётку так, чтобы дифракционная картина была наиболее чёткой.

Изменяя расстояние L , посмотрите, как это влияет на положение максимумов. Опишите и зарисуйте то, что Вы наблюдали.

Установите дифракционную решётку на определённом расстоянии L от щели и измерьте расстояния l 1 и l 2 (см. рис. 9.3) для максимумов первого порядка. Вычислите длину волны излучения лазера. Оцените абсолютную и относительную погрешности измерения, запишите результат для длины волны лазера.

Задание 2. Определение длин волн некоторых цветов спектра

В этом задании источником света является лампа накаливания, дающая непрерывный спектр.

Измерения в задании 2 проводятся в соответствии с инструкцией на рабочем месте. Результаты измерений заносятся в табл. 9.1. Следует определить расстояния l 1 и l 2 для каждого цвета четыре раза: при двух значениях k и двух разных расстояниях L .

Таблица 9.1

№ п.п.	Цвет	k	L ,	l 1 ,	l 2 ,	,	sin a	l,
			…
	Красный Зеленый Фиолетовый
	Красный Зеленый Фиолетовый		…
	Красный Зеленый Фиолетовый

Анализ и обработка результатов измерений

1. Опишите в отчёте наблюдаемый спектр, дайте объяснение тому, что максимумы имеют столь существенную ширину.

2. Заполните полностью табл. 9.1. Значение постоянной d получите на рабочем месте. Опишите в отчёте наблюдаемую Вами картину. Составьте таблицы обработки для каждого цвета и запишите конечный результат по общим правилам.

3. Сравните полученные Вами значения длин волн каждого цвета с приведёнными в табл.. П. …

Контрольные вопросы

1. Дайте определение: дифракции волн, принципа Гейгенса-Френеля, когерентности волн. Письменный ответ на этот вопрос необходимо включить в отчет.

2. Назовите составные части лабораторной установки и их назначение.

3. Какие величины измеряются в данной работе непосредственно? Какие вычисляются?

4. В чём заключается явление дифракции света? При каких условиях она наблюдается?

5. Что представляет собой дифракционная решётка и каковы её основные параметры?

6. Выведите формулу дифракционной решётки (9.3).

7. Дайте определение длины волны. Как она связана с частотой света?

8. В каком интервале длин волн лежит видимый свет?

9. Выведите и запишите расчётные формулы для определения длин волн видимого света с помощью дифракционной решетки.

10.Как зависит угол отклонения дифракционного максимума от длины волны и периода решётки?

11. В каком порядке от центрального максимума располагаются цвета дифракционных максимумов? Объясните наблюдаемый порядок цветов.

12.В чём отличие лазерного излучения от естественного света?

Работа № 10. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы : исследовать прохождение света через поляроиды, проверить закон Малюса, оценить качество поляроидов, исследовать поляризацию света, прошедшего сквозь несколько стеклянных пластин.

Оборудование : оптическая скамья, источник света, поляризатор в оправе, анализатор, совмещённый с фотоэлементом, набор стеклянных пластин, источник питания, микроамперметр.

Краткая теория

Из теории Максвелла следует, что световая волна является поперечной . Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колебания векторов и перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 10.1). Плоская монохроматическая волна, распространяющаяся в вакууме вдоль оси x , описывается уравнениями:

;	(10.1)
,	(10.2)

где и – текущие значения напряжённостей электрического и магнитного полей; и – амплитуды колебаний, w – частота колебаний, – начальная фаза колебаний.

При взаимодействии света с веществом переменное электрической поле воздействует на отрицательно заряженные электроны атомов и молекул этого вещества, в то время как действие со стороны магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света главную роль играет вектор , и дальнейшем мы будем говорить только о нём.

Большинство источников света состоит из огромного количества излучающих атомов, и поэтому в световом луче присутствует большое количество волн с различной пространственной ориентацией векторов . Кроме того, эта ориентация беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени (рис. 10.2, а). Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным светом. Свет, в котором направления колебаний вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным , а процесс получения поляризованного света называется поляризацией . Если колебания вектора происходят в одной плоскости, то волна называется плоско-поляризованной или линейно-поляризованной (рис. 10.2, б). Частично поляризованным называется свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний векторов (рис. 10.2, в).

Поляризация света наблюдается при прохождении света через анизотропные вещества. Основное свойство таких веществ заключается в том, что они могут пропускать только те световые волны, в которых векторы колеблются лишь в строго определённой плоскости, которую называют плоскостью колебаний . Плоскость, в которой локализовано магнитное поле, называется плоскостью поляризации . На рис. 10.1 плоскость колебаний вертикальна, а плоскость поляризации – горизонтальна.

Для получения и исследования поляризованного света чаще всего применяют поляроиды . Они изготавливаются из очень мелких кристаллов турмалина или геропатита (сернокислого йод-хинина), нанесённых на прозрачную плёнку или стекло. Однако есть и другие способы получения плоско-поляризованного света из естественного, например, при отражении от диэлектрика под определённым углом, зависящим от показателя преломления диэлектрика. Подробней этот способ будет рассмотрен ниже.

Проведём мысленно следующий опыт. Возьмем два поляроида и источник света (рис. 10.3). Первый поляроид называется поляризатором , т.к. он поляризует свет. Его плоскостью колебаний является плоскость ППс . После прохождения через поляризатор вектор будет колебаться только в этой плоскости. Вращая поляризатор вокруг направления светового пучка, мы не заметим никаких изменений в интенсивности прошедшего через него света. Подумайте почему? Анализ света на поляризацию делают с помощью второго поляроида, через который пропускают исследуемый свет. В этом случае второй поляроид называется анализатором , его плоскостью поляризации является плоскость ААс . Вращая анализатор, мы заметим, что интенсивность прошедшего сквозь него света будет максимальной, если плоскости ППс и ААс совпадают, и минимальной, если эти плоскости перпендикулярны. Если же эти плоскости составляют некоторый угол a (см. рис. 10.3), то интенсивность света за анализатором будет принимать промежуточное значение.

Найдем зависимость между углом a и интенсивностью I света, прошедшего сквозь оба поляроида. Обозначим амплитуду электрического вектора луча, прошедшего через поляризатор, буквой Е 0 . Плоскость колебаний анализатора ААс повёрнута относительно плоскости колебаний поляризатора ППс на угол a (см. рис. 10.4). Разложим вектор на составляющие: параллельную плоскости колебаний анализатора êê и перпендикулярную к ней ^ . Параллельная составляющая êê пройдёт через анализатор, а перпендикулярная ^ – нет.

Из рис. 10.4 следует, что амплитуда световой волны за анализатором

где S – площадь, по которой распределяется энергия; t – время. Поскольку энергия света – это совокупная энергия электрического и магнитного полей, то её величина пропорциональна квадратам напряжённостей этих полей:

Полученное равенство носит название закона Малюса : интенсивность света, прошедшего через анализатор, равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор, умноженной на квадрат косинуса угла между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

Заметим, что свет, прошедший через поляризатор, станет не только плоско поляризованным, но и уменьшит свою интенсивность в два раза. Если интенсивность естественного света считать одинаковой во всех направлениях, перпендикулярных вектору скорости , то интенсивность света за поляризатором

где I max и I min – наибольшая и наименьшая интенсивности света за анализатором, соответствующие напряжённостям Е max и Е min на рис. 10.2, в.

Явление поляризации можно также наблюдать при отражении или преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. При этом в отражённом луче будут преобладать колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 10.5 они обозначены точками). Опытным путем было показано, что степень поляризации в отражённом луче зависит от величины угла падения, причём с возрастанием угла падения доля поляризованного света растёт, и при определённом его значении отражённый свет оказывается полностью поляризованным. Брюстер установил, что величина этого угла полной поляризации зависит от относительного показателя преломления и определяется соотношением:

tg a Бр = n 2 /n 1 .

(10.9)

Соотношение носит название закона Брюстера, а угол a Б называют углом Брюстера. При дальнейшем увеличении угла падения степень поляризации света снова уменьшается. Таким образом, при угле падения, равном углу Брюстера, отражённый свет линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Используя (10.9) и закон преломления, можно показать, что при падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи составляют 90°. Проверьте это!.

При падении света под углом Брюстера преломлённый луч также поляризуется. В преломлённом луче будут преобладать колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 10.5 они обозначены стрелками). Поляризация преломлённых лучей при этом угле падения будет максимальной, но далеко не полной. Если же подвергнуть преломлённые лучи второму, третьему и т.д. преломлению, то степень поляризации возрастёт. Поэтому для поляризации света можно использовать 8–10 пластинок (так называемая стопа Столетова). Прошедший через них свет окажется практически полностью поляризованным. Таким образом, эта стопа может служить поляризатором или анализатором. В нашей установке наборы из 2–12 пластин используются в качестве поляризатора.

Описание установки

Для исследования поляризации используется укреплённая на оптической скамье установка, схема которой приведена на рис. 10.6.

Цифрами на схеме обозначены: 1– лампа , 2 – съёмный поляризатор , 3 – поворотный столик , 4 – набор стеклянных пластин , надеваемых на штыри поворотного столика, 5 – анализатор , 6 – фотоэлемент , 7 – измеритель интенсивности света (ИИС), преобразующий энергию света в электрический сигнал; его показания пропорциональны световому потоку, падающему на фотоэлемент. Поворотный столик 3может вращаться вокруг вертикальной оси, тем самым можно изменять угол падения света на стеклянную пластину 4. Для измерения этого угла падения имеется специальная шкала. Положение столика фиксируется винтом. Анализатор 5может вращаться вокруг горизонтальной оси, стрелкой на нём указано положение плоскости поляризации. У анализатора имеется шкала 8, по которой определяется положение его плоскости поляризации (ААс ). На съёмном поляризаторе 2 также имеется вертикальная стрелка, которая показывает положение его плоскости поляризации ППс. Фотоэлемент, совмещенный с анализатором, также может вращаться вокруг вертикальной оси. Тем самым можно проводить измерения интенсивности света, отражённого от набора пластин 4.

Выполнение работы

Задание 1. Проверка закона Малюса

1. Установите съёмный поляризатор 2 (набор пластин 4 уберите).

2. Включите лампу. Поверните фотоэлемент-анализатор 6 так, чтобы на него попадал свет от лампы. Добейтесь симметричного расположения элементов установки относительно луча света.

3. Установите положение плоскости ААс по шкале 8 на 0°. Запишите показания измерителя 7 в табл. 10.1. Это будет интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор в относительных единицах. Повторите измерения, изменяя угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора от 0° до 360° через 10°, и также запишите их в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Задание 2. Исследование поляризации преломлённого света

1. Установите съёмную пластину с двумя стеклами (N = 2).

2. Установите угол падения света на пластину 56° (это угол Брюстера для стекла с показателем преломления n = 1,5).

3. Установите фотоэлемент для регистрации интенсивности прошедшего через пластины света согласно рис. 10.7 (максимальное значение показаний ИИС подтверждает хорошее попадание света на фотоэлемент).

4. Обратите внимание, что преломлённый свет поляризован в плоскости падения, поэтому максимальное значение интенсивности будет при положении ААс 90° по шкале 8 (вопросы 12, 13, 14). Измерьте интенсивность прошедшего через пластины света при двух положениях ААс : при 90° и при 0°. Запишите результаты измерений в табл. 10.2.

5. Аналогичные измерения проведите для N = 4, 7, 12 пластин. Запишите результаты измерений в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Похожая информация.