Лазеры
Свойства лазерного излучения:
•когерентность – отсутствие деструктивной интерференции,
•монохроматиченость (очень узкий диапазон длин волн),
•малая расходимость.
Природа этих свойств:
•существование атомных уровней энергии;
•некоторые специальные требования к атомам, испускающим свет.
41
Лазеры
Равновероятность вызванного падением фотона индуцированное поглощение индуцированное испускание.
Тепловое равновесие:
нахождение намного большего числа атомов в основном состоянии, чем в возбужденных состояниях – при падении фотонов на атомы
преобладание поглощения фотонов над их испусканием.
Неравновесная ситуация:
нахождение большего числа атомов в возбужденных состояниях, чем в основном состоянии (инверсионная заселенность уровней), - при падении фотонов на атомы
преобладание испускания фотонов над их поглощением.
Основа работы лазера - стимулированная эмиссия фотонов системами атомов с инверсионной заселенностью уровней.
42
Лазеры
Падение фотона на атом в возбужденном состоянии E2.
Атом в |
|
|
|
Атом в |
|
возбужденном |
|
основном |
состоянии |
|
состоянии |
|
|
|
До |
После |
Возможность стимулирования падающим фотоном перехода возбужденного атома в основное состояние и испускания им другого
фотона с такой же энергией hf и
движущегося в том же направлении.
Отсутствие поглощения падающего фотона, существование после стимулированного испускания двух фотонов – исходного и испущенного.
Нахождение испущенного фотона в фазе с исходным фотоном.
Возможность инициирования этими фотонами испускания фотонов другими атомами и т.д.
Появление в лазере множества когерентных фотонов.
43
Лазеры
Физические принципы, положенные в основу лазера:
1)инверсионная заселенность уровней,
2)метастабильность возбужденного состояния,
3)ограничение движения испущенных фотонов в системе в течение достаточно долгого времени для стимулирования дальнейшего испускания фотонов другими возбужденными атомами.
44
Лазеры
Схема лазера
Параллельные зеркала ограничивают движение
фотонов в рабочем теле лазера
(зеркало 2 - полупрозрачное).
Спонтанное излучение - случайные направления
Зеркало 1
Стимулирующее излучение
Накачка энергии
Рабочее тело лазера
Вышедшее из лазера излучение
Зеркало 2
Внешний источник энергии (например, оптическое или электрическое устройство)
“накачивает” атомы в возбужденные состояния.
45
Применение лазеров
Лазеры с излучением в ИК, видимом и УФ диапазонах длин волн.
Области применения:
•хирургическая “сварка” частей сетчатки глаза,
•прецизионная съемка геодезических планов и измерение длины,
•прецизионная резка металлов и других материалов,
•телефонная связь с использованием оптоволокна.
Раскраивание роботом с лазерными ножницами дo 50 слоев ткани одновременно.
46
Применение лазеров
Измерение расстояния от Земли до Луны с точностью выше, чем 10 см.
Острая фокусировка высокомонохроматического лазерного луча для получения чрезвычайно интенсивного света с плотностью энергии в 1012 раз
более высокой, чем в пламени газовой горелки при резке металла.
47
Применение лазеров
(ноябрь 2009 г.)
Испытание боевого лазера MATRIX военным подразделением американского авиастроительного концерна Boeing –
успешное поражение пяти беспилотников, летящих на разных дальностях.
48
Применение лазеров
Медицинские применения, связанные со спецификой поглощения лазерного излучения биологическими тканями.
Специальные лазерные процедуры - борьба со слепотой и глаукомой.
Глаукома – распространенная болезнь, связанная с высоким давлением жидкости в глазах человека.
Простая лазерная операция (иридектомия) - “прожигание” маленького отверстия в засорившейся мембране для удаления избыточного давления.
49
Применение лазеров
Лазерная хирургия - использование ИК излучения с длиной волны 10 мкм от двуокиси углерода (“лазерный нож”) для разрезания мышечных тканей путем испарения воды, содержащейся в их клетках.
Одновременное разрезание тканей и свертывание крови - существенное уменьшение потерь крови.
50