1.Лазеры – новые уникальные источники электромагнитного излучения. Свойства лазерного излучения.Лазер – это принципиально новый источник электромагнитного излучения оптического диапазона. Как известно, оптическое излучение обусловлено переходами валентных электронов атомов и молекул из возбужденных стационарных состояний в состояния с меньшей энергией. До создания первого лазера в 1960 г. все источники оптического излучения были тепловыми либо люминесцентными. В тепловых источниках возбуждение валентных электронов обусловлено нагреванием излучающего вещества, например - электрическим током, как в лампах накаливания. В люминесцентных источниках используются различные способы возбуждения валентных электронов: облучением ультрафиолетовым светом (в этом случае имеет место фотолюминесценция), бомбардировкой электронным пучком (катодолюминесценция), за счет протекания химических реакций (хемилюминесценция), и т.п. В лазерных источниках используется явление вынужденного (индуцированного) испускания; в соответствии с этим слово «лазер» представляет собой аббревиатуру английского словосочетания «light amplification by stimulated emission of radiation». Свойства лазерного излучения: Монохроматичность. Это сво-ва определяется двумя следующими обстоятельствами:1)усиливаться может электромагнитная волна только с частотой ,определяемая выражением :=-)/h; 2)т.к. устройства из двух зеркал образуют резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому ,что ширина линии ширина линии лазерного излучения часто бывает много уже(приблизительно на шесть порядков величины) чем обычная ширина линии перехода 2→1,которая наблюдается при спонтанном переходе. Когерентность.Два независимых понятия когерентности: пространственная и временная. Для того чтобы определить прост-ю когерентность ,рассмотрим две точки и ,выбранные с таким условием ,что в момент времени t=0 через них проходит волновой фронт некот. электро-й волны, и пусть (t) и (t)-соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию ,в момент времени t=0 разность фаз электрических полей в данных точках равна 0.Если эта разность фаз в любой момент времени t>0 будет равной нулю, то говорят, что м/д двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта ,то данная волна хар-ся полной прост-й когерентностью .Практически для любой точки ,если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка должна располагаться внутри некоторой облости включающей т..В этом случае волна хар-ся частичной прост-й кагерентностью. Для того что бы определить временную когерентность ,рассмотрим элект-е поле волны в данной т.P в моменты времени t и t+.Если для данного интервала времени разность фаз поля остается одной и той же в любой момент времени t,то говорят , что существует временная когерентность на интервале времени .Если такое условие выполняется для любого значения ,то волна хар-ся полной временной когерентностью. Если же это имеет место лишь для определённого интервала ,такого,что ,то волна хар-ся частичной временной когерентностью. Направленность. Следствие того, что активная среда помещена в резонатор ,например плоскопараллельный резонатор изображённый на рис.1:Втаком резонаторе могут поддерживаться только такие элекром-е волны, которые распространяются в даль оси резонатора или в очень близком к оси направлении. Для более глубокого понимания сво-ва направленности лазерных пучков (или в общем случае любой электромагнитной волны) удобно рассматривать отдельно случаи, когда пучок обладает полной прост-й когерентностью и когда он имеет частичную прост-ю когерентность. Рассмотрим для начала пучок с полной прост-й когерентностью .Даже вэтом случае пучок с конечной апертурой неизбежно расходится в результате дифракции.Это несложно понять с помощью рис.2.На этом рис. пучок с постоянной интенсивностью и плоским волновым фронтом падает на экран s,в котором имеется отверстие диаметром D.Согласно принципу Гюйгенса волновой фронт в некоторой плоскости P за экраном может быть путём суперпозиции элементарных волн ,излучаемой каждой точкой отверстия .Мы видим, что из-за конечного размера D отверстия, пучок имеет конечную расходимость .Её значение можно вычислить с помощью теории дифракции. Для произвольного распределения амплитуды имеем: =\D (1); -длина волны, D-диаметр пучка.В соотношении (1),-числовой коэффициент порядка единицы ,значения которого зависит от формы распределения амплитуд ,и способа которым опред. Расходимость и диаметр пучка. Пучок расходимость ,которого описывается выражением (1) называется дифракционно –ограниченным. Если волна имеет частичную прост-ю когерентность , то её расходимость будет больше , чем мин. Значение расходимости, обусловленное дифракцией. Действительно, для любой т. волнового фронта ,принцип Гюйгенса (1) ,может быть применим к точкам расположенным в пределах области когерентности около . Т.о. область когерентности действует как ограничивающая апертура для когерентной суперпозиции элемен-х волн. Расходимость пучка теперь запишется в виде:=\ (2); Где -числовой коэффициент порядка единицы ,значения которого зависит от способа каким опред. расходимость и область когерентности . Яркость.Определим яркость какого-либо источника электромагнитных волн, как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Точнее говоря рассмотрим элемент площади dS поверхности источника в точке О.(рис). Тогда мощность dP, излучаемая элементом поверхности dS в телесный угол d в направлении О ,может быть записана след. обр:dP=Bcos dS d (3) где угол между направлением О и нормалью к поверхности n.

2.Основные физические понятия и принципы работы лазеров.

Обобщенный лазер состоит из лазерной активной среды, системы «накачки» - источника напряжения и оптического резонатора (рис. ).

Система накачки передает энергию атомам или молекулам лазерной

среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное

состояние» создавая инверсию населенности.

а. При оптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким как ксеноновая газонаполненная импульсная

лампа или другой лазер, для передачи энергии лазерному веществу.

Оптический источник должен обеспечивать фотоны, которые со-

ответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе.

б. Накачка при помощи столкновений основана на передаче энергии

лазерному веществу в результате столкновения с атомами (или мо-

лекулами) лазерного вещества. При этом также должна быть обе-

спечена энергия, соответствующая допустимым переходам. Обыч-

но это выполняется при помощи электрического разряда в чистом

газе или в смеси газов в трубке.

в. Химические системы накачки используют энергию связи, высво-

бождаемую в результате химических реакций для перехода лазер-

ного вещества в метастабильное состояние.

Оптический резонатор требуется для обеспечения нужного усилия

в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула в метастабильном состоянии инверсной населенности разряжается, за счет вынужденного излучения, он инициирует разряд других атомов или молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлении стенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, они теряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенок стержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы, и не будут способствовать созданию луча.

С другой стороны, если один из разрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерного вещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятся зеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем, отраженные фотоны проходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности по тому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества. Пока этот процесс усиления продолжается, часть усиления всегда будет выходить через частично отражающее зеркало. По мере того, как коэффициент усиления или прирост этого процесса превысит потери из резонатора, начинается лазерная

генерация. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобы световые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. вещество среды, не должен сильно поглощать световую энергию.

Лазерная среда (генерирующий материал) – обычно лазеры обозначаются

по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа:

.твердое веществ,

• газ,

• краситель,

• полупроводник.