Электромагнетизм Курс лекций по оптике Интерференция света Дифракция света Квантовые явления Применение фотоэффекта Современная физика атомов и молекул Радиоактивное излучение и его виды

Гелий-неоновый лазер.

 Газовые лазеры могут быть созданы на основе различных рабочих тел – газов: СО2 для самых мощных промышленных и боевых лазеров, азота, аргона, смеси Не и Ne для медицинских и «прицелочных» лазеров, на парах металлов и др.

 Основой устройства гелий-неонового лазера, предложенного в 1961 году А. Джаваном, является разрядная трубка, заполненная смесью Не под давлением 1 мм рт. ст. и неона под давлением 0,1…0,2 мм рт. ст. На концах трубки имеются зеркала, одно из которых полупрозрачно (рис.48.5).


Рис.48.5. Принципиальная схема газового отпаянного лазера. В мощных лазерах рабочий газ или смесь газов прокачивается в трубной конструкции, часто - многоэлементной.

 Если к концам трубки приложить электрическое напряжение достаточной величины (около 2 кВ), в газе возникнет электрический разряд – электроны, вырванные из молекул рабочего газа будут ускоряться электрическим полем. Частично они будут расходоваться на ионизацию молекул и создание новых электронов, а частично – на возбуждение молекул газа за счет неупругих соударений с ними электронов. В случае гелий-неонового лазера инверсная населенность создается у молекул неона следующим образом (рис.48.6).

 

Рис. 48.6. Схема создания инверсной населенности неона в гелий-неоновом лазере. 

 

 

 

У гелия (Не) 2 уровня 2s. Эти уровни оптически возбуждаться не могут из-за очень большой энергии ~20 эВ – возбуждение фотоном невозможно, невозможно и освобождение от полученной энергии возбуждения путем сброса фотона.

Возбужденным за счет соударений с электронами метастабильным состояниям 2s предоставляется возможность сбросить энергию атомам неона (Ne) при соударении. У неона имеются состояния 4s и 5s, очень близкие к 2s состояниям Не. Из состояний 4s и 5s разрешены переходы (с излучением) в состояния 3р и из 3р в 3s и на более нижние уровни. На уровнях 4s время жизни ~ 10-6 сек, а на 3р ~ 10-8 сек, поэтому при достаточной подкачке энергии создается устойчивая стационарная инверсная населенность уровней Ne 4s, 5s относительно 3р. Ясно, что гелий-неоновый лазер дает так называемый многомодовый режим излучения, излучение нескольких длин волн, различных по интенсивности. Переход 5s – 3р дает излучение в видимой области с l = 0,6 мкм, 4s-3р – инфракрасное с l = 1,1 мкм, есть еще 3,4 мкм и другие. Инфракрасные моды как правило поглощаются стеклянными стенками трубки.

Этот лазер в импульсном режиме работать не может, но для СО2 – лазеров импульсный режим реализуется.

Инверсия населенности в полупроводниках, Полупроводниковые лазеры.

С точки зрения зонного строения полупроводников, переход электронов в зону проводимости и возникновение электронно-дырочных пар может быть вызвано «электромагнитным облучением», пропусканием электрического тока через p-n- переход. Рекомбинация сопровождается спонтанным излучением фотона.

 Вынужденное (индуцированное) излучение будет преобладать только при таком распределении населенностей, когда электроны проводимости плотно заполняют область вблизи «дна « зоны проводимости, а дырки – вблизи «потолка» валентной зоны. Создание такого распределения – непростая задача, но она решается несколькими способами:

Инжекция извне электронов и дырок в полупроводник, как правило, примесного типа, причем электроны «впрыскиваются» в зону проводимости, а дырки – в валентную. Инверсная населенность возникает в зоне p-n- перехода, осуществление достигается путем соответствующего подбора режима пропускания электрического тока (рис.48.7).

 Рис. 48.7. Полупроводниковый лазер. Характерные размеры 400х400х100 мкм.

 

 

 

 

Оптическая накачка полупроводников.

Частота накачки должна быть больше частоты усиливаемого или генерируемого излучения, с мощностью, достаточной для компенсации релаксации n-p и создания необходимой концентрации электронов в зоне проводимости.

Бомбардировка полупроводника пучком электронов с энергий в несколько тысяч электронвольт. Достоинство – высокий КПД, легкость управления интенсивностью излучения, компактность.

lпп-лазера = f(Т).

Свойства лазерного излучения.

Высокая монохроматичность в пределах одной моды (Dl » 0,1Å).

Когерентность лазерного излучения, как пространственная, так и временнáя. l= const из-за строгого постоянства энергетического перехода атомов-излучателей. Пространственная когерентность наблюдается благодаря малой «расходимости» пучка (~ нескольких угловых секунд). Если квант движется не параллельно оси, то он выходит за боковую поверхность рабочего тела.

Высокая концентрация энергии в пучке (в принципе до сотен кВт, хотя при этом воздух «горит»).

Высокая концентрация электромагнитного поля (Е~109 В/см!).

Применение лазеров.

Медицина – приварка сетчатки глаза, коррекция зрения, диагностика внутренних органов с помощью волоконной оптики, хирургический инструмент «Ятаган».

Нелинейная оптика. Изучение поведения материалов в условиях воздействия на них сверхсильных полей, соизмеримых с внутриатомными полями. Самофокусировка, строчки проплавления.

Плавление поверхности металлов; прошивка отверстий в материалах любой твердости методом испарения атомов (изготовление отверстий или лунок в серийных часовых камнях из сверхтвердого рубина, сверление в алмазах для создания фильер); скрайбирование (удаление участков в виде пятен и полосок), как способ подгонки резисторов, а также для уравновешивания быстроходных гироскопов, турбинных валов и т.п.; локальная термическая обработка металлов и сплавов для повышения прочности и сопротивления истиранию; сварка и резка самых различных материалов, в электронной промышленности  - заваривание мелких изделий, пальчиковых ламп, герметизация корпусов, отрезка  и заварка стеклянных трубок.

Широкое применение в военном деле – локация и измерение скорости быстролетящей цели, целеуказание и самонаведение ракет и бомб. Американцы определили, что на уничтожение цели обычным образом им требовалось 1000 самолетовылетов, а с использованием бомб с лазерным наведением – только 20, экономия в 30 раз или в долларах – около 600 000$. Для целеуказания и подсвечивания используется излучение невидимого человеческим глазом (но не специальными термодатчиками или болометрами!). Лазерные системы навигации и посадки обеспечивают безопасность полетов. В литературе 20-тилетней давности описывались работы по созданию систем дистанционного управления самолетом – вместо примитивных механических тяг – системы с проводной или световодной системой подачи управляющего сигнала к исполнительному механизму управления стабилизаторами, подкрылками, гидравликой и т.д. Без лазеров современные военные обходиться уже не могут.

Исследовательские цели. Осуществлена локация Луны с точностью до 0,5 м путем установки на «Луноходе» уголкового отражателя французского производства. Собрав в одной точке импульсное излучение десятка лазеров, удается нагреть мишень-шарик в установке термоядерного синтеза до температур в миллионы градусов. В области связи один канал оптико-волоконной связи при надежной модуляции способен заменить все каналы проводной телефонной связи между восточным и западным побережьем США.

На полупроводниковых лазерах строятся современные счетно-решающие устройства и устройства копировальной техники.

Лазерная техника позволила реализовать практически известную раньше теоретически голографию.

Голография

Голография была изобретена английским физиком (венгром по национальности) Деннисом Габором  в 1947 году. Однако идеи Габора нашли свое воплощение лишь в 1962 году, с появлением лазеров

Голография принципиально отличается от фотографии. На голограмме регистрируется не само изображение предмета, а фиксируется структура световой волны, отраженной предметом. Голография - поистине уникальный способ получения объемного изображения.

Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотоэмульсию одновременно со светом, рассеянным объектом (предметный пучок), попадала, также и некоторая часть света источника, освещающего этот объект (опорный пучок) (рис. 48.8). При этом необходимо, чтобы свет, рассеянный объектом, мог интерферировать с опорным пучком. Образующаяся интерференционная картина - чередование темных и светлых пятен, областей, после проявления фотопластинки дает голограмму.

Рис. 48.8. Схема получения голограммы.

На голограмме отсутствуют элементы, хоть сколько-нибудь напоминающие оригинал. (При обычном освещении невооруженный глаз вообще не может отличить голограмму от испорченного фотонегатива при многоточечном строении объекта). Однако, вместе с тем голограмма содержит в себе в зашифрованном виде объемное (и даже цветное) изображение объекта.

Образование видимого изображения с помощью голограммы называется стадией восстановления. Чтобы увидеть изображение объекта в пространстве, голограмму просвечивают, словно диапозитив, опорным пучком света (рис. 48.9).

Рис.48.9. Схема восстановления изображения, зафиксированного на голограмме.

Под углом к освещающему пучку появляется изображение. Наблюдатель видит объемный объект висящим в пространстве. На него можно смотреть из разных положений, под разными углами через «окно» - голограмму. Если во время экспозиции близкие предметы закрывали более далекие, то, меняя положение глаз относительно голограммы, наблюдатель может заглянуть за «мешающие» предметы и увидеть ранее скрытые детали. Изображения, получаемые в голографии, обладают и др. интересными свойствами:

1. Например, если голограмму расколоть на несколько кусков, то каждый них при просвечивании дает ту же исходную картину, только четкость и ощущение объемности ослабевают. ( Каждая точка голограммы содержит информацию о всем объекте и каждая точка объекта рассеивает свет на всю фотопластинку).

2. Голограмма дает только позитивное изображение, даже если ее «отпечатать» и получить негатив голограммы.

3. На одной фотопластинке можно получить последовательно несколько изображений и каждое из них можно восстановить без помех со стороны других изображений. Это позволяет получить цветное изображение, как совмещение изображений, полученных с помощью трех основных цветов (красный, желтый, синий), неважно - сразу тремя или по отдельности.

В качестве источника освещения раньше использовался только лазер как источник высококогерентного излучения. Теперь научились получать в пленках голограммы при солнечном освещении. Солнечным освещением изображение и восстанавливается.

Применения: кроме всем понятного способа сохранения информации о высокохудожественных изделиях и с целью защиты от подделок возможна высокоскоростная импульсная фотография (лазер с периодичностью и длительностью импульса ~ 10-8 cек). В далекой перспективе – голографическое кино с эффектом присутствия зрителя. Производится исследование напряжений в моделях и деталях.

Разрабатывается рентгеновский голографический микроскоп с теоретическим увеличением 106.

Уже применяется голография для контроля точности изготовления изделий:

сравнивают голограмму эталона (часто – построенную теоретически, с помощью ЭВМ) с изображением реального контролируемого изделия. Малейшие отклонения дают изменения в интерференционной картине, возникающей при наложении голографического изображения на предмет.

  За изобретение голографии в 1971 году Деннису Габору была присуждена Нобелевская премия.

Вряд ли есть необходимость специально обосновывать важное значение колебательных процессов в современной физики и технике. Можно без преувеличения сказать, что почти нет области в этих науках, в которой колебания не играли бы той или иной роли, не говоря уже о том, что ряд областей физики и техники всецело базируются на колебательных явлениях. Достаточно, например, указать область электромагнитных колебаний, включающую в себя и оптику, на учение о звуке, на радиотехнику и прикладную акустику, вибрации машин, автоколебания в системах регулирования и следящих системах. Все эти, казалось бы, различные и непохожие друг на друга колебательные процессы объединяются методами математической физики в одно общее учение о колебаниях.
Квантовые усилители и генераторы