Физические основы сло.

Принцип лазера

Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного мазера, поэтому его иногда называют оптическим мазером. В обоих этих устройствах излучение избыточной энергии возбужденных атомов вынуждается внешним воздействием.

Свет – особая форма движущейся материи. Он соткан из отдельных сгустков, именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний – либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы – с повышением или понижением энергии. Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. При вынужденном поглощении число квантов уменьшается и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект – усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется – накачка.

Светолучевая обработка основана на тепловом воздействии светового луча на обрабатываемую поверхность.

1. Обычное световое излучение – полихроматический свет - возникает в результате нагрева тел. Электроны переходят с дальних орбит на ближние и излучают электромагнитные колебания в области оптического диапазона. Это излучение происходит в виде отдельных квантов или фотонов с различной энергией, т.к. переход электронов с одних орбит на другие не носит организованного характера.

Энергия фотона

ε=h·ν,

где h – постоянная Планка, h=6,625·10^-34Дж·с;

ν – частота излучения, Гц.

По длинам волн весь диапазон светового излучения условно делится на несколько областей.

Область	Длина волны λ,мкм
Инфракрасная	750-0,76
Красная	0,76-0,62
Оранжевая	0,62-0,59
Желтая	0,59-0,56
Зеленая	0,56-0,50
Голубая	0,50-0,48
Синяя	0,48-0,45
Фиолетовая	0,45-0,40
Ультрафиолетовая	0,40-0,005

В зависимости от температуры тела изменяется его энергетическая светимость

М=σТ⁴

Т – термодинамическая температура тела

Полихроматический свет нельзя сфокусировать в точку, т.к. волны разной длины имеют различный коэффициент преломления.

Максимальная плотность энергии полихроматического света 10⁷Вт/м². Это соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 10^4-10⁵ раз меньше, чем для монохроматического луча лазера. Такая сравнительно небольшая плотность обусловлена:

1. Хроматической аберрацией (различием коэффициента преломления)

2. Отклонением геометрических параметров линз и зеркал

3. Светящееся тело имеет конкретные размеры и проецируется в виде определенной геометрической фигуры

4. Дифракция

Полихроматическое излучения применяется в промышленности для технологических целей:

• Лампы накаливания (имеют мощность до нескольких десятков кВт, без фокусировки позволяют нагревать обрабатываемые поверхности до Т=600-1200К

• Газоразрядные лампы с системами фокусировки Т=1800-2000К, чего вполне достаточно для плавления ряда материалов

• Сушка и термообработка в печах

• Пайка и сварка легкоплавких материалов

Итак, полихроматический свет – это набор волн с различной частотой и хаотичным распределением фаз.

2. Когерентное излучение

Это излучение, у которого амплитуда, частота, направление распространения волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону. Это монохроматический свет. Для него теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча достигает 0,4-1мкм. Но из-за неидеальной монохроматичности и когерентности он несколько больше

Условия получения когерентного излучения

1. Резонанс – необходимо, чтобы частота падающего света совпадала с одной из частот энергетического спектра атома

2. Атом, переходя на более высокий уровень, поглощает световой квант, что препятствует генерации когерентного излучения. Поэтому необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне было больше, чем на нижнем. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда находится меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был населен больше, чем нижний. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсной населенностью.

3. Часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение новых атомов.

Лазер – это источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся на верхнем энергетическом уровне и отдающем квант энергии и отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень.

Усиление света происходит за счет того, что первый квант, т.е. квант – возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохраняется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним атомом, а потом с восьмью, шестнадцатью и т.д., пока не пройдет весь путь в активном веществе. Так что чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т.е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А, т.к. первоначальный импульс света заключает в себе не один квант, а множество, то и лавина становится мощной.

Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т.е. в виде стержней, длина которых примерно в раз больше толщины.

В генераторе имеется система зеркал. Зеркала представляют собой торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, чтобы свет полностью отражался от него, а другой тонким слоем (отражает 90% квантов, пропускает 10%). Зеркала необходимы, чтобы направить луч лазера и многократно усилить первичную лавину квантов, летящих вдоль оси стержня активного вещества.

Первичная лавина, пролетевшая стержень до конца, очень слаба – ее отбрасывает назад зеркало на торце стержня со 100%-ным отражением. Лавина квантов мчится обратно, становясь мощным потоком света.

Во время мощных вспышек, а также при непрерывной работе лазера, стержень активного вещества сильно нагревается. Поэтому его охлаждают: помещают в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Например, рубиновый лазер охлаждают жидким азотом (t = -196⁰C)