Лазерная технология

ПЛАН

1. История открытия

2. Принцип работы лазера

2.1 Сущность явления усиления света

2.2 Активные вещества

2.3 Резонаторы

2.4 Устройства накачки

3. Применение лазеров

3.1 Термоядерный синтез

3.2 Лазеры в технологии

3.3 Лазеры в авиации

3.4 Лазеры в исследовании атмосферы и океана

3.5 Лазеры в медицине

3.6 Лазерная локация и связь

Заключение

Литература

1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Лазеры – это источники когерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на использовании явления индуцированного излучения. Слово «лазер» представляет собой аббревиатуру английской фразы «LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation», переводимой как усиление света в результате вынужденного излучения. Гипотеза о существовании вынужденного (индуцированного) излучения была высказана в 1917 г. А. Эйнштейном. В 1940 г. профессор Московского энергетического института В. А. Фабрикант сформулировал условия, при выполнении которых можно обнаружить индуцированное излучение, а в 1951 г. он совместно с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой получил авторское свидетельство на способ усиления электромагнитного излучения. Устройство, генерирующее электромагнитные колебания на основе использования явления индуцированного излучения в СВЧ диапазоне, было создано в 1953—1954 гг. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и группой Ч. Таунса в США.

В 1958 г. А. М. Прохоров в СССР, а в США Ч. Таунс и А. Шавлов показали возможность использования индуцированного излучения для создания генераторов когерентного оптического излучения — лазеров. В 1959 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову за разработку нового принципа генерирования и усиления электромагнитных колебаний и создание на основе этого принципа СВЧ генераторов и усилителей была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. совместно с Ч. Таунсом — Нобелевская премия по физике за исследования в области квантовой электроники.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

2.1 Сущность явления усиления света

Для понимания сущности этого явления необходимо более подробно изучить элементарные акты взаимодействия электромагнитного излучения с атомной системой. Рассмотрим для простоты двухуровневую систему, т. е. атомы, обладающие двумя энергетическими уровнями Е₁ и Е₂ (Е₂ >Е₁ ). Пусть N₁ — число атомов в единице объема вещества, находящихся на нижнем энергетическом уровне Е_1, а N₂ —- на верхнем уровне Е_2. Тогда в результате взаимодействия электромагнитной волны с атомами вещества будут происходить изменения ее интенсивности, обусловленные следующими элементарными процессами.

Вынужденнное поглощение фотонов частоты V₁₂ =(E₂ -E₁ )/h=V₀ , которое будет происходить со скоростью

dN ₁ / dt = B ₁₂ p ( v ) N ₁ ,

где B _{12 –} коэффициент Энштейна, такой, что B ₁₂ p ( v ) – вероятность этого вынужденного перехода, а p ( v ) – спектральная плотность энергии волны.

Спонтанное излучение атомов, при котором они самопроизвольно переходят с верхнего возбужденного состояния Е₂ на уровень Е₁ . число этих переходов в единицу времени будет равно

dN _2сп / dt = A ₂₁ N ₂ ,

гдеA ₂₁ — коэффициент Эйнштейна. Так как эти переходы происходят в результате внутренних причин и статистически независимы, то спонтанное излучение носит тепловой характер и по отношению к внешнему электромагнитному полю будет некогерентным.

Вынужденное, или индуцированное, излучение фотонов частоты v₂₁ =v₀ , при котором атомы переходят из возбужденного верхнего состояния Е₂ на нижнее Е₁ под действием внешнего светового поля. Скорость этого процесса будет

dN _2вын / dt = B ₂₁ p ( v ) N ₂ .

Главной особенностью этих переходов является то, что излучаемый под действием внешнего поля квант полностью когерентен с этим полем, т. е. имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется по тому же направлению. Таким образом, вынужденное излучение является когерентным по отношению к внешнему полю. Вероятностные коэффициенты Эйнштейна_, B₂₁ и B₁₂ связаны между следующим образом:

B ₁₂ = B _{21 ,} A ₂₁ =(8п hv ³ / c ³ )* B ₁₂ .

В обычных условиях сред, близких к равновесию, имеет место ослабление рассматриваемой волны по закону Бугера: I = I ₀ e ^-