Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ЛАЗЕР

ЛАЗЕР (LASER, аббревиатура слов англ, фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения), устройство, преобразующее разл. виды энергии (электрич., световую, хим., тепловую и др.) в энергию когерентного электромагн. излучения. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания электромагн. излучения (фотонов) атомами и др. квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях. Так, атом, находящийся в состоянии 2 с энергией W2, может перейти в состояние 1 с меньшей энергией Wl, испустив при этом фотон с частотой v21=(W2—W1)/h, где h-постоянная Планка (рис. 1). Излучат. переход может произойти как самопроизвольно (спонтанное испускание), так и под действием внеш. электромагн. излучения (вынужденное, или индуцированное, испускание). При спонтанном испускании частота v фотона может отличаться от v21 в нек-рых пределах Dvл, т.к. в реальной квантовой системе энергетич. уровни не строго дискретны, а занимают нек-рые
Энергетические уровни квантовой системы
Рис. 1. Энергетические уровни квантовой системы, используемой в качестве активной среды лазера. DW2 и DW1 - ширины энергетич. состояний W2 и W1, обычно определяемые по полуспаду плотности состояний. Показаны переходы, соответствующие поглощению и испусканию фотона hv.

интервалы энергии DW2 и DW1. Контур спектральной линии спонтанного излучения описывается плавной кривой S(v, v21) (pис. 2); направление распространения излучения и фаза произвольны.
Спектральная линия активной среды лазера
Рис. 2. Спектральная линия активной среды лазера. S(v, v21) -относит. число спонтанно испущенных фотонов на частоте v'; v21 - резонансная частота, Dvл - полуширина спектральной линии.

При вынужденном испускании фотоны неотличимы от внеш. фотонов, воздействующих на систему. В частности, если воздействующее излучение монохроматично (частота v') и имеет определенное направление распространения, индуцир. излучение имеет ту же частоту v' и то же направление распространения. Вероятность вынужденного испускания зависит от частоты v' воздействующего излучения: она пропорциональна фактору S(v', v21) и имеет значение тем большее, чем ближе v' к резонансной частоте v21. Важным является то обстоятельство, что вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности воздействующей волны (плотности фотонов). При обратном переходе 1:2 происходит поглощение фотона атомом на той же частоте v12, вероятность к-рого также пропорциональна плотности фотонов воздействующей волны и фактору S(v, v12). Поэтому преобладание вынужденного испускания над поглощением возможно лишь при выполнении условия: N2/g2>N1/g1, где N2 и N1 - населенности состояний 2 и 1 соотв. (числа атомов в единице объема в-ва, находящихся на энергетич. уровнях 2 и 1), g2 и g1 - статистич. веса этих состояний. При термодинамич. равновесии всегда N2/g2<Nl/gl, поэтому условие N2/g2-N1/gl>0, наз. инверсией населенности, м. б. обеспечено лишь в термодинамически неравновесной системе. Этого достигают накачкой - подводом к системе энергии и созданием термодинамически неравновесного распределения частиц по энергетич. уровням системы. В-во, в к-ром создана инверсия населенности, наз. активной средой (активным в-вом). В лазере отдельные акты вынужденного испускания превращ. в генерацию когерентного электромагн. излучения благодаря положит. обратной связи, при к-рой один испущенный фотон многократно вызывает новые акты вынужденного испускания точно таких же фотонов. Первоисточником волны являются спонтанно испущенные фотоны, из к-рых наиб. число имеют резонансную частоту v21; под их воздействием начинается индуцир. испускание на той же частоте. Постепенно фотоны с частотой v2l станут доминировать над всеми остальными, т. е. система начнет излучать монохроматич. электромагн. волну. Описанная обратная связь в лазере осуществляется с помощью резонатора. Простейший резонатор для излучения в оптич. диапазоне представляет собой два зеркала, между к-рыми помещается активная среда. Одно из зеркал делается частично прозрачным для выхода части излучения, используемого потребителем. Остальное излучение отражается от зеркала и вновь возвращается в активную среду, вызывая новые индуцир. переходы. В результате происходит увеличение интенсивности волны - усиление. Для того чтобы усиление в активной среде скомпенсировало отвод из резонатора части излученной энергии, значение инверсной разности населенностей DN=N2/g2-N1/gl должно превышать определенное пороговое значение DNП, к-рое зависит от длины L активной среды между зеркалами, коэф. отражения r частично прозрачного зеркала и сечения а резонансного квантового перехода согласно соотношению:
DNП=(l/sL)lnl/r (1)
Как правило, в пределы DvП спектральной линии активного в-ва может попадать неск. резонансных частот (резонансных мод) резонатора (рис. 3), главные из к-рых
Спектральная линия активной среды лазера и моды оптического резонатора
Рис. 3. Спектральная линия активной среды лазера и моды (резонансные частоты) оптического резонатора.

отделены друг от друга частотным интервалом Dv=c/2L, где с - скорость света в активной среде. Поэтому лазер генерирует не одну частоту v0~v21, а набор частот vj=v0+jc/2L (j - целое число), к-рые определяют спектр лазерного излучения. С отстройкой частоты излучения от резонансного значения уменьшается вероятность индуцир. перехода и возрастает пороговая инверсная населенность.
Схема лазера
Рис. 4. Простейшая схема лазера: 1 - активная среда; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - частично прозрачное зеркало, через которое осуществляется вывод генерируемого излучения; 4 - система накачки (здесь - газоразрядные лампы).

Т. обр., лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех компонентов (рис. 4): системы накачки - устройства, поставляющего энергию в лазер для переработки ее в когерентную волну; активной среды, к-рая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентного излучения, и резонатора, осуществляющего обратную связь. Лазер может работать и как усилитель когерентного излучения. В этом случае обратная связь не обязательна, волна просто распространяется по активной среде, увеличивая свою мощность (энергию). Размножение фотонов в резонаторе лазера и выход части из них через полупрозрачное зеркало можно рассматривать как разветвленную цепную р-цию рождения фотонов при индуцир. переходах и их адсорбцию на пов-сти зеркала Z с коэффициентом (1—r) при каждом столкновении:
541_560-59.jpg
где А* и А - возбужденные частицы в состояниях, между к-рыми происходит квантовый переход, n-число частиц в единице объема резонатора. Если процесс накачки представить как превращ. А в А* вследствие передачи энергии при столкновении с нек-рыми условными частицами Q:
541_560-60.jpg
а релаксацию энергии возбуждения - как гибель возбужденных частиц А* при столкновении с условными частицами М:
541_560-61.jpg
то работу лазера можно описывать кинетич. ур-ниями как изменение за время t в резонаторе числа фотонов dn/dt и изменение за время t концентраций частиц d[А*]/dt и d[А]/dt:
dn/dt+kZn=Bn([А*]/g*-[А]/g); d[А*]/dt+kМ[М][А*]-Bn([А*]/g*-[А]/g)=kQ[Q][A]; (6) d[А]/dt-kМ[М][А*]+Bn(A*]/g*-[А]/g)=-kQ[Q][A],
где g и g* - статистич. веса соответствующих состояний; B, kZ, kQ и kM - константы скорости процессов (2), (3), (4) и (5) соответственно. Их значения легко связать с сечением s, параметрами резонатора L и r, св-вами активного в-ва, способом накачки; тогда ур-ния (6) выражают осн. энергетич. соотношения при генерации лазера когерентного излучения. Они позволяют применять для расчетов методы, разработанные для нелинейных хим. процессов (см. Неравновесная химическая кинетика).
Накачка лазера. Создание в активном в-ве инверсии населенности производится разными способами. Чаще всего используют воздействие на в-во электромагн. излучения (оптич. накачка), электрич. разряда, пучка электронов с энергией от неск. десятков эВ до МэВ (электронный удар), высокотемпературный нагрев в-ва с послед. быстрым охлаждением (тепловая накачка), экзотермич. хим. р-ции в в-ве, инжекцию носителей заряда в область р-n - перехода в полупроводнике под действием электрич. поля. Рассмотрим нек-рые способы накачки. Оптич. накачку осуществляют чаще всего с помощью газоразрядных ламп в импульсном или непрерывном режимах работы. Поскольку их излучение имеет широкий спектр, в качестве активной среды необходимо применять материалы с широкими полосами поглощения. Однако с ростом ширины спектральной линии уменьшается сечение а и потому трудно достичь пороговых значений DNП, согласно (1). Задачу решают для разл. активных сред по-разному. Рассмотрим, напр., схему накачки рубинового лазера, в к-ром для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни иона Сr3+, внедренного в решетку корунда a-Аl2О3 (рис. 5). В результате поглощения излучения hv31 широкополосной газоразрядной лампы ионы Cr3+ переводятся из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3, представляющее собой довольно широкую полосу энергетич. уровней. Затем сравнительно быстро происходит передача части энергии возбуждения решетке кристалла и безызлучат. переход Сr3+ в состояние 2, из к-рого самопроизвольный переход в основное состояние 1
Энергетические уровни рубина
Рис. 5. Принципиальная схема энергетических уровней рубина. Стрелками вверх указано поглощение энергии накачки hv31, стрелками вниз - безызлучат. переходы. Двойная линия - лазерный переход на частоте v2l.

происходит сравнительно медленно (время жизни возбужденного состояния t21~10-3 с). Инверсия населенности возникнет, если в состоянии 2 окажется более половины всех ионов Сr3+ . При концентрации N2 ионов Сr3+ в кристалле порядка 1019 см-3 это достигается, если энергия, поглощаемая за 1 с в 1 см3 рубина (уд. мощность накачки), составляет Руд=hv3lN2t-121]103 Вт/см3. Сечение s перехода 2:1 в рубине таково, что для генерации когерентного излучения на длине волны 0,69 мкм достаточно выполнения условия: (N2/g2-N1/g1)~1017 см-3 при длине кристалла ~10 см и коэффициенте r ~90%. На практике применяют кристаллы рубина, представляющие собой цилиндрич. стержни длиной 10-30 см и диаметром ~ 1 см. Аналогична схема накачки для лазеров на основе стекол и иттрий-алюминиевого граната, активированных Nd, и нек-рых др. твердотельных лазеров, в к-рых для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни примесных ионов. Оптич. накачку применяют также в лазерах на красителях (жидкие активные среды) и ряде др. Др. схема оптич. накачки основана на том, что при поглощении широкополосного спектра излучения происходит фотолиз молекул с появлением радикалов и возбужденных атомов, последние и образуют активную среду лазера. Напр., при фотолизе молекулы C3F7I под действием УФ излучения с длиной волны 200-250 нм возникает возбужденный атом I в состоянии 3Р1/2
C3F7I+hvуф:С3Р7+I(3P1/2)
При переходе атома I в состояние 3Р3/2 излучается фотон с длиной волны 1,315 мкм:
I(3P1/2)+nhv:(n+l)hv+I(3Р3/2)
Электронный удар применяют в осн. для накачки газовых лазеров. Накачка основана на возбуждении атома при его соударении с электроном, обладающим достаточно большой кинетич. энергией. Напр., в He-Ne-лазере происходят след. процессы (рис. 6):
He(11S)+е:Не3+е, He(11S)+е:Не++2e,
где l1S - осн. состояние атома Не, а Не* - одно из его возбужденных состояний. Релаксация энергии возбуждения и рекомбинация ионов с электронами протекают в этой системе таким образом, что возбужденные атомы НеB скапливаются на метастабильных уровнях 21S и 23S. Инверсная населенность получается при передаче энергии возбуждения от Не к Ne, уровни к-рого 3S и 2S близки по энергии к 21S и 23S уровням Не:
He(21S)+Ne(lS):Не(11S)+Ne(3S) He(23S)+Ne(lS):He(l1S)+Ne(2S)
Переходы 3S:3P, 3S:2P или 2S:2P в Ne используются для генерации когерентного излучения на длинах волн 3,39, 0,63 или 1,15 мкм соответственно.
Электронные уровни гелия и неона
Рис. 6. Схема электронных уровней Не и Ne, используемых для нахачкя. Не - Ne - лазера электронным ударом в газовом разряде.

Электронный удар применяют также для накачки СО2-и СО-лазеров, лазеров на парах металлов, эксимерных (точнее, эксиплексных), а также нек-рых полупроводниковых лазеров. Тепловая накачка лазера происходит при быстром охлаждении сильно нагретых газовых смесей. При надлежащем подборе компонентов смеси удается найти такие системы энергетич. уровней частиц, в к-рых нижележащие уровни "охлаждаются" (опустошаются) быстрее, чем вышележащие. Это приводит к образованию инверсной населенности. Практически наиб. удобный способ охлаждения - сверхзвуковое истечение газов через сопло; наиб. удачные активные среды-смеси N2-CO2-He и N2-CO2-H2O. Лазеры с тепловой накачкой на этих активных средах наз. тепловыми газодинамич. лазерами. О химической накачке см. Лазеры химические. Инжекция носителей тока через p-n-переход - осн. способ накачки полупроводниковых лазеров. Активная среда представляет собой кристалл-полупроводник, состоящий из областей р- и n-типа (рис. 7). Между этими областями возникает контактная разность потенциалов, уравновешивающая потоки носителей из одной части в другую;
Инжекционный полупроводниковый лазер
Рис. 7. Инжекционный полупроводниковый лазер. Область потенциального барьера (p-n-перехода) заштрихована. (+) и (-) - контакты для приложения напряжения. Лазерное излучение hv направлено перпендикулярно плоскости рисунка (волнистая линия со стрелкой).

электрич. ток через контакт равен нулю. Если к образцу приложить электрич. напряжение, равное по величине контактной разности потенциалов, возникнут потоки носителей навстречу друг другу и их рекомбинация с испусканием фотонов. Зеркалами оптич. резонатора в таком лазере служат хорошо отполированные плоскопараллельные грани самого кристалла. наиб. совершенные инжекционные лазеры представляют собой более сложную структуру (гетероструктуру). Важная особенность инжекционных лазеров -их миниатюрность; длина активной зоны обычно неск. мм, рабочая часть p-n-перехода имеет размеры в направлении протекания тока ~1 мкм, поперечный размер - обычно 1 мм. Типы лазеров и их применение. Лазеры можно классифицировать по типу активной среды (твердотельные, в т.ч. полупроводниковые лазеры, газовые, лазеры на жидких красителях и т.п.), по способу накачки или по др. признакам, однако ни одна из таких классификаций не является однозначной. По совокупности нек-рых признаков (тип среды, способ накачки, режим работы, мощность генерируемого излучения и др.) удобно выделить след. лазеры:
1. Твердотельные лазеры на стеклах и
иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ-лазеры), активированных Nd (длина волны генерируемого излучения l=1,06 мкм), рубиновые лазеры (l=0,69 мкм). Используют оптич. накачку с помощью газоразрядных ламп; возможна работа лазеров в импульсном и импульсно-периодич. режимах (стекла и рубин; для ИАГ-лазеров возможен и непрерывный режим работы). Энергия, генерируемая в режиме одиночных импульсов длительностью до 10-3 с, может достигать 103 Дж за импульс с одного стержня стекла, активированного Nd. Уникальные установки на этом материале могут генерировать до 100 кДж за импульс длительностью 10-9 с. Мощность ИАГ-лазеров в непрерывном режиме может достигать сотен Вт.
2. Электроразрядные лазеры низкого давления на смесях благородных газов (He-Ne, Не-Хе и др.). Маломощные системы, генерирующие излучение высокой монохроматичности и направленности. наиб. применение получил He-Ne-лазер (
l=0,628 и 3,39 мкм).
3. Полу проводниковые лазеры. Накачка инжекцией носителей тока через р-n-переход или гетеропереход, а также облучением пов-сти полупроводника электронным пучком. Возможна и оптич. накачка, хотя широкого распространения полупроводниковые лазеры с оптич. накачкой не получили. Инжекционные лазеры миниатюрны, имеют большой кпд, могут работать в импульсном и непрерывном режимах. На основе твердых р-ров, напр. системы Ga|In|Ar|Sb, можно получить излучение в дальнем, среднем и ближнем ИК диапазонах (длина волны от 0,6 до 6 мкм). Лазеры с электронной накачкой генерируют излучение в ближнем ИК и во всем видимом диапазонах.
4. N2-CO2 и N2-СО-лазеры (
l=9-11 мкм для СО2 и 5-6 мкм для СО). Накачка электрич. разрядом, практически достижимая мощность излучения в непрерывном режиме - более десятка кВт; возможны также импульсный и импульсно-периодич. режимы работы.
5. Ионный аргоновый лазер непрерывного действия (
l=488 и 514 мкм). Накачка электрич. разрядом, мощностью до неск. десятков Вт.
6. Лазеры на парах металлов (Сu, Cd, Se, Sn и др.) в смеси с Не. Накачка электрич. разрядом. наиб. перспективен медный лазер (
l=510нм); режимы работы - импульсно-периодич. и непрерывный; мощность излучения - дeсятки Вт.
7. Эксимерные лазеры на смеси благородных газов с фтором, хлором, фторидами. Накачка сильноточным электронным пучком или поперечным электрич. разрядом. Генерирует излучение в УФ диапазоне, режим работы импульсный.
8. Фотодиссоциационные лазеры наиб. распространение получил йодный лазер (
l=1,315 мкм), работающий в режиме мощных одиночных импульсов.
9. Лазеры на жидких красителях; накачка оптическая с помощью газоразрядных ламп или лазеров др. типов. Главное преимущество перед др. типами лазеров - возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне.
10. Хим. лазеры со смесью газов в качестве активной среды. Генерируется излучение широкого спектра в ближнем ИК диапазоне. Осн. преимущество - возможность получения непрерывного излучения больших мощностей (сотни кВт) и энергий в импульсе (десятки кДж).
11. Газодинамич. лазеры с тепловой накачкой. Осн. рабочая смесь - N2-CO2-Не или N2 - СО2 - Н2О; излучающая молекула - колебательно возбужденный СО2; возможно получение мощностей излучения порядка сотен кВт. Разработаны лазеры с излучающими молекулами СО, CS2, N2O.
12. Лазеры на своб. электронах. Перспективная система, широко обсуждаемая в литературе; практически используемых систем в оптич. диапазоне пока нет.
13. Лазеры рентгеновского диапазона. Пока разработаны только лаб. варианты с генерированием излучения l~20 нм.
14. Гамма-лазеры на ядерных переходах пока не осуществлены.
Применение лазеров чрезвычайно широко и определяется св-вами генерируемого излучения. Так, большая частота (в сравнении с радиодиапазоном) и высокая монохроматичность излучения обеспечивают возможность передачи на большие расстояния по световодам больших объемов информации. Предполагается, что лазерно-волоконная связь станет в ближайшем будущем доминирующей. Используют в осн. полупроводниковые лазеры. На высокой когерентности лазерного излучения основано применение лазеров для получения объемных изображений (голография). Большие мощности излучения в непрерывном и импульснопериодич. режимах и возможность фокусировки лазерного луча в пятно требуемого размера обусловливают использование лазеров для резки и сварки материалов, обработки и закалки пов-сти. Используют в осн. твердотельные лазеры на люминесцирующих средах, газовые лазеры высокого давления (N2-CO2 и N2-CO), газодинамич. лазеры с тепловой накачкой. Быстро расширяется применение лазеров в медицине, гл. обр. в офтальмологии (для приварки сетчатки глаза и при др. операциях), в хирургии - в качестве скальпеля, что особенно эффективно при операциях на кровенасыщенных органах; для стерилизации ран; для эндоскопии внутр. органов и остановки внутр. кровотечений. Используют в осн. лазеры рубиновые, аргоновые, на парах меди, иттрий-алюминиевом гранате, N2-CO2. В метрологии лазеры используют для создания единого оптич. стандарта длины - времени. В частности, с помощью спец. образом стабилизированного по частоте He-Ne-лазера удалось на два порядка улучшить точность измерения длины по сравнению с криптоновым эталоном. Применяют лазеры для управления хим. и биол. процессами (см. Лазерная химия), для зондирования атмосферы, в вычислит, технике для записи и считывания информации, в быту - в звукои видеовоспроизводящих устройствах высокого качества. Революционизирующее влияние оказало применение лазеров в разл. областях науки. На принципиально новую основу поставлена спектроскопия (см. Лазерная спектроскопия), появились новые области науки и техники-нелинейная оптика, оптоэлектроника, интегральная оптика. Разрабатываются способы изотопов разделения с использованием лазеров на красителях, N2-СО2-лазеров и ряда других, системы для проведения экспериментов по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). Лит.: Квантовая электроника, М., 1969 (сер. Маленькая энциклопедия); Справочник по лазерам, иод ред. А.М. Прохорова, пер. с англ., М., 1978; О'Шиа Д., Коллсн Р.. Роде У, Лазерная техника, пер. с англ., М., 1980. А. Н. Ораевский.


===
Исп. литература для статьи «ЛАЗЕР»: нет данных

Страница «ЛАЗЕР» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

___

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн