ЛЕКЦИЯ N 15

§ 6. Виды лазеров и их применение

По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные. По способу накачки: лазеры с оптической накачкой, газоразрядные лазеры, химические лазеры, ижекционные, лазеры и с электронной накачкой.

Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:

1)  большая временная и пространственная когерентность. Время когерентности τ составляет  10^-3с, что соответствует длине когерентности ;

2)  строгая монохроматичность: ;

3)  большая плотность потока энергии;

4)  очень малое угловое расхождение в пучке (от  5 · 10^-4 радиан до 4 · 10^-2радиан).

Коэффициент полезного действия лазеров изменяется от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом).

Мощность непрерывного излучения лазеров изменяется от  10^-3Вт (гелий-неоновый лазер) до  10⁵Вт (газодинамический лазер на CO₂). Мощность импульсного излучения изменяется от 10 Вт (полупроводниковые лазеры) до 10¹³Вт (лазеры на стекле с неодимом).

Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, времени и узком спектральном интервале может быть использована двояко:

1) нерезонансное воздействие мощных световых потоков на вещество в непрерывном и импульсном режимах (лазерная обработка материалов), использование мощных лазеров для решения проблемы термоядерного синтеза;

2) резонансное воздействие на атомы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции.

Нерезонансное, тепловое воздействие лазерного излучения, используемое в лазерной технологии обработки материалов, упрощает операцию получения отверстий в твердых, хрупких, тугоплавких материалах. Например, лазерная технология эффективна при изготовлении алмазных фильер - рабочего инструмента машин для волочения проволоки: через отверстие в фильере протягивается обрабатываемый материал. Лазерная технология используется для резки материала, нанесения рисунка на его поверхность, образование нужного микрорельефа на ней. Лазерная сварка позволяет соединить металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом.

В частности, в медицине (хирургии) лазерный луч в ряде случаев с успехом используется в качестве хирургического скальпеля. В офтальмологии лазерным лучом прикрепляют отслоившуюся сетчатку глаза. Отметим, что в медицине используют и резонансное воздействие лазерного луча на ткани организма, в частности, маломощное излучение гелий-неонового лазера. Механизмы такого воздействия пока в деталях не изучены, предполагается, что его необычно высокая эффективность при очень малой мощности излучения (десятки милливатт) объясняется цепными фотохимическими реакциями, возникающими под воздействием лазерного излучения.

Применение лазеров в спектроскопии резко повысило возможность традиционных методов, кроме того, позволило создать методы, основанные на принципиально новых физических принципах. Чувствительность спектроскопических методов доведена до предельного уровня, ограниченного регистрацией единичных атомов и молекул. Методы лазерной спектроскопии используются в лазерной химии, лазерном разделении изотопов.

Лазеры широко применяют в измерительной технике. Например, лазерные интерферометры на гелий-неоновых лазерах позволяют с большой точностью производить юстировочные и нивелировочные работы. Широко используются лазерные светодальномеры и даже лазерные рулетки на портативных полупроводниковых лазерах.

Применения лазеров столь обширны, что здесь невозможно даже их простое перечисление, кроме того, область применения лазеров постоянно расширяется.

С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики как нелинейная оптика и голография.

Нелинейная оптика исследует распространение мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Напряженности электрического поля в мощных лазерных пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. Это приводит к возникновению новых оптических эффектов и существенно меняет характер уже известных явлений. В частности, в 1969 г. была обнаружена самофокусировка света: мощный световой пучок, распространяясь в среде, не испытывает дифракционной расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.

Голография (от  греческого holos - весь, полный, grapho - пишу) -  способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.

Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, голограмма, за счет дифракции опорной волны на записанной в ней интерференционной картине, преобразует опорную волну в копию предметной.

Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором, венгром по происхождению. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа стали возможными лишь после появления источников света высокой степени когерентности - лазеров.

Схемы записи и воспроизведения голографического изображения показаны на двух  рисунках 15.8а,б.

Рис. 15.8

Итоги лекции N 15

1. Лазер, или оптический квантовый генератор - это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

2. Вынужденное излучение возникает, если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Е₂, воздействует фотон с частотой, удовлетворяющей условию: , где Е₁ - энергия основного состояния. Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

3. Если на уровне Е₂ находится больше электронов, чем на уровне Е₁, то такое состояние активной среды называют состоянием с инверсией населенности. В этом случае процесс вынужденного излучения будет преобладать над процессом поглощения света.

4. Для возникновения лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, параллельных друг другу. Активная среда в состоянии с инверсией населенности расположена между этими зеркалами.

5. Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. Существуют различные виды накачки. В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов активной среды.

6. Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:

   1)     большая временная и пространственная когерентность (время когерентности τ ~ 10^-3 с, что соответствует длине когерентности  l = с · τ = 10⁵ м;

   2)     строгая монохроматичность: Δλ ~ 10^-11 м;

   3)     большая плотность потока энергии;

   4)     очень малое угловое расхождение (от 5·10^-4 радиан до 4·10^-2 радиан).

7. Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Используется как нерезонансное воздействие мощных лазерных пучков на вещество, так и резонансное воздействие на атомы и молекулы, вызывающие различные фотостимулированные реакции.

8. С появлением лазеров стало возможным экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка голографии. Голография - это способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметов, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна).