физика. Зиятдинов А.И. ЗЭ-1-21 Реферат. Реферат По дисциплине Физика На тему Отрицательное поглощение света. Основы физики лазеров Работу выполнил студент заочного отделения, 1 курса, группы зэ121
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
10.3. История появления, классификация и основные характеристики лазеров Идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного испускания впервые была реализована на практике для колебаний сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. В мае 1952 г. на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров выступили с докладом о принципиальной возможности создания усилителя миллиметровых волн. Поскольку в качестве активной среды предполагалось использовать газообразный аммиак, авторы доклада назвали такой усилитель молекулярным генератором. Практически одновременно с упомянутым докладом советских физиков, предложение об использовании вынужденного испускания для усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона было сделано в Колумбийском университете США американским физиком Ч.Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор стал реальностью он был создан одновременно и независимо в двух местах – в Москве в Физическом институте АН СССР ив Колумбийском университете. Позднее молекулярный генератор был назван мазером это слово происходит от аббревиатуры английского словосочетания «microwave amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе означает усиление микроволн за счет вынужденного испускания. Спустя 10 лет, на церемонии вручения Нобелевской премии, состоявшейся в 1964 г, А.М.Прохоров сказал Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы оптического диапазона. Однако этого не 12 случилось, они были созданы только через 5-6 лет. Чем это объясняется Здесь были две трудности. Первая из них заключалась в том, что тогда небыли предложены резонаторы для оптического диапазона, и вторая – небыли предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне. Упомянутые А.М.Прохоровым шесть лет действительно были заполнены исследованиями, которые позволили в конечном счете перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н.Г.Басов и А.М.Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности энергетических уровней. В 1957 г. Н.Г.Басов выдвинул идею использования полупроводниковых кристаллов для создания ОКГ; при этом в качестве резонатора он предложил использовать специально обработанные грани самого кристалла. В этом же году В.А.Фабрикант и Ф.А.Бутаева наблюдали усиление оптического излучения смеси паров ртути с небольшим количеством водорода и гелия в электрическом разряде. В 1958 году А.М.Прохоров и независимо от него американские физики А.Шавлов и Ч.Таунс теоретически обосновали возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона. Кроме того, они выдвинули идею применения резонаторов открытого типа, в которых имеются только торцевые зеркала (в мазерах используются объемные резонаторы. В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г.Басова, Б.М.Вула и Ю.М.Попова, посвященная теоретическому обоснованию принципов создания лазеров на полупроводниковых кристаллах. Наконец, в 1960 г. была опубликована обстоятельная статья Н.Г.Басова, О.Н.Крохина и Ю.М.Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория усилителей и генераторов инфракрасного и видимого оптического излучения. В конце статьи авторы писали Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазоне. Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в СССР и США, вплотную приблизили ученых к созданию лазера. Первый успех выпал на долю американского физика Т.Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось сообщение о том, что ему удалось получить генерацию оптического излучения на кристалле рубина. В химическом отношении рубин – это полуторная окись алюминия ( ) 3 2 O Al , в которой имеется примесь оксида хрома ( 3 2 O Cr ). Оптические свойства рубина, в том числе и рубиновый цвет, обусловлены ионами хрома, замещающими в узлах кристаллической решетки ионы алюминия. При облучении кристалла рубина мощным световым потоком лампы накачки ионы хрома переходят с основного уровня C на уровни A (рис. 10.1). Далее возбужденные ионы передают свою энергию невозбужденным ионам, в результате чего они оказываются на долгоживущем метастабильном) уровне B . Этот уровень представляет собой два близко 13 расположенных подуровня вынужденный переход с каждого из них на основной сопровождается испусканием света с длиной волны 692 и 694 нм. W 0 A C B 692 694 нм нм Рис. 10.1 Лазер Т.Меймана выглядел довольно скромно. Его активный элемент представлял собой кристалл в форме кубика размером примерно 1 1 1 см две противолежащие грани кристалла с тонкослойным серебряным покрытием играли роль резонатора. Импульсная лампа, изготовленная в форме змеевика, охватывала активный элемент и использовалась в качестве источника оптической накачки. Лазерное излучение в виде световых импульсов красного цвета выходило через небольшое отверстие водной из граней кристалла. В этом жег. американским физикам А.Джавану, В.Беннету и Д.Эриотту удалось получить генерацию оптического излучения газовой смеси гелия и неона в электрическом разряде. В результате неупругих соударений с электронами часть атомов Ne и He переходит с основного на возбужденные уровни 2 W ирис. Поскольку уровень 2 W является короткоживущим, атомы неона быстро покидают его, переходя в состояния с меньшей энергией, что препятствует формированию инверсной заселенности уровня 2 W . Так как энергия уровней неона и ' 2 W гелия практически одинакова, возбужденные атомы He в результате неупругих столкновений с невозбужденными атомами передают им свою энергию при этом атомы неона переходят на уровень 2 W . При достаточном количестве атомов гелия в газовой смеси можно достичь инверсной заселенности этого уровня относительно уровня 3 W ; этому же способствует опустошение уровняв результате неупругих соударений со стенками трубки. Понятно, что процесс опустошения будет происходить тем эффективнее, чем меньше диаметр трубки. Вместе стем уменьшение диаметра приводит к уменьшению количества атомов неона и, соответственно, к снижению мощности лазерного излучения. Опыт показывает, что в оптимальном варианте диаметр трубки 14 равен примерно 7 мм, парциальные давления неона и гелия составляют 1 и 10 мм ртутного столба. Поскольку уровни 2 W и 3 W обладают сложной W 1 W 2 W Ne е возб ужд ен и м эле кт ро нны ударом 3 W лазерное излучение ' 1 W ' 2 W He е возб ужд ен и м эле кт ро нны ударом Рис. 10.2 структурой, те. состоят из множества подуровней (на рис. 10.2 они не показаны, гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в инфракрасной и видимой области спектра. Образцы гелий-неоновых лазеров, выпускаемые промышленностью, работают на длине волны 1,32, 1,15 и мкм. В 1962-1963 гг. одновременно в СССР и США создаются первые полупроводниковые лазеры. В отличие от газовых и твердотельных лазеров, излучательные переходы в полупроводниковом материале происходят не между дискретными энергетическими состояниями отдельных атомов, но между энергетическими зонами. Поэтому переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводят к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале, составляющем несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров. По этой же причине полупроводниковые лазеры могут иметь очень малые размеры минимальный объем кристалла может составлять примерно 10 -6 см. Для полупроводниковых лазеров характерны очень высокие значения кпд (до 60 %), простота конструкции. возможность перестройки длины волны в пределах полосы испускания и наличие большого числа полупроводниковых материалов, позволяющих получать лазерное излучение с длиной волны в интервале от 0,32 до 32 мкм. Наибольшее распространение получили полупроводниковые лазеры с накачкой путем инжекции электронов через n p переход (инжекционные лазеры) и пучком быстрых электронов. Инжекционный лазер представляет 15 собой полупроводниковый диоду которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные n p переходу, образуют оптический резонатор. Инверсия населѐнностей достигается при большой плотности тока через диод (при обычных температурах минимальное значение плотности тока составляет примерно 1кА/см 2 , а при пониженной температуре – около 0,1 кА/см 2 ). В полупроводниковых лазерах с накачкой электронным пучком используются электроны с энергией не выше 100 эВ (это обусловлено тем, что при более высоких значениях энергии в кристалле образуются радиационные дефекты. Лазеры такого типа, помимо полупроводникового кристалла, содержат источник высокого напряжения, электронную пушку и систему фокусировки и управления пучком они изготовляются в виде отпаянной вакуумной трубки с оптическим окном для вывода лазерного излучения. Если электронный ток через n p переход не обеспечивает инверсной заселенности, излучательные переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону имеют спонтанный характер. В этом случае полупроводниковый диод представляет собой «нелазерный» источник света – светодиод. По сравнению с другими электрическими источниками некогерентного света (тепловыми либо газоразрядными) светодиоды имеют большой кпд. (до 50%); для них характерна высокая механическая прочность, вибростойкость и длительный срок службы. Весьма важным преимуществом светодиодов в сравнении с газоразрядными лампами является отсутствие ядовитых составляющих типа ртути и, следовательно, лѐгкость утилизации. Таким образом, начало шестидесятых годов открывает новый, лазерный период оптики. Начиная с этого времени лазеры разных типов занимают прочное место в научных лабораториях и промышленности. Принято различать лазеры двух видов – усилители и генераторы. В резонатор лазера, работающего в режиме усиления, водится электромагнитное излучение с частотой, равной частоте вынужденных переходов частиц активной среды. При наличии инверсной заселенности рабочих уровней это излучение стимулирует процессы вынужденного испускания, в результате чего происходит лавинообразное нарастание количества фотонов, те. усиление входного излучения. Если же лазер работает в режиме генерации, входное излучение не используется в этом случае вынужденные переходы инициируются спонтанным излучением, возникающим непосредственно в активной среде. Другая классификация лазеров основывается на различиях агрегатного состояния активной среды. В рамках такого подхода лазеры, в которых рабочее вещество представляет собой кристалл либо стекло, называются твердотельными. К ним относится лазер на рубине, лазеры на различных кристаллах и стеклах, легированных редкоземельными элементами, лазеры на кристаллах с центрами окраски, возникающими при воздействии на 16 кристалл ионизирующего излучения, и т.п. Все лазеры, у которых активная среда представляет собой газ либо жидкость, называются соответственно газовыми или жидкостными. Если же активная среда изготавливается из полупроводникового кристалла, такие лазеры называется полупроводниковым. Следующий подход к классификации связан со способом возбуждения активной среды. В этом случае различают лазеры оптической накачкой выше уже отмечалось, что она используется в основном в твердотельных и жидкостных лазерах, с возбуждением путем инжекции электронов в зону проводимости электрическим током (полупроводниковые лазеры. В рамках этой классификации различают также лазеры с электрической накачкой в газовом разряде (гелий-неоновый лазер и ему подобные устройства, газодинамические лазеры, в которых инверсная заселенность рабочих уровней частиц газа достигается в результате его адиабатического расширения (лазер на 2 CO ). Существуют также химические лазеры, в которых инверсная заселенность обеспечивается за счет протекания в активной среде химических реакций. Еще один способ классификации лазеров основан на различиях режима их работы и выходной мощности. Лазер, испускающий излучение в виде импульсов, называется импульсным если же излучение непрерывно, то речь идет о лазере с непрерывным излучением. Лазер, излучение которого сосредоточено в узком спектральном промежутке, называется узкополосным (одночастотным), если же в широком интервале – то говорят о широкополосном лазере. В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной и модулированной добротностью (один из способов модуляции состоит в том, что зеркало резонатора размещается на оси электродвигателя при ее вращении добротность периодически изменяется от нулевого до максимального значения. Лазеры, у которых непрерывная либо средняя выходная мощность имеет величину порядка 10 6 Вт, называются высокомощными. При выходной мощности в промежутке 10 3 …10 5 Вт речь идет о лазерах средней мощности, если же выходная мощность составляет примерно 10 -3 Вт, то говорят о лазерах малой мощности. К числу важнейших характеристик лазеров относится длина волны, энергия импульса и мощность излучения. В настоящее время диапазон длин волн охватывает широкий промежуток от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, причем наибольшим разнообразием характеризуется спектральный состав излучения газовых лазеров (см. таблицу. Энергия импульса достигает наибольшей величины у лазеров с активным элементом, изготовленным из кристаллов алюмоиттриевого граната с неодимом (порядка 10 3 Дж. Мощность излучения твердотельных лазеров, работающих преимущественно в импульсном режиме, в значительной степени зависит от длительности импульса. Например, если энергия импульса рубинового лазера равна 1 Дж, то при типичной 17 длительности импульса 0,1 мс мощность излучения составляет 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшается с помощью оптического затвора до 1 Лазер Длина волны, мкм Мощность, Вт Кадмиевый 0,3250 несколько тысячных Кадмиевый 0,4416 десятые доли Аргоновый 0,4880 единицы Аргоновый 0,5145 десятки Криптоновый 0,5682 единицы Гелий-неоновый 0,6328 десятые доли Гелий-неоновый 1,1523 сотые доли Ксеноновый 2,0261 сотые доли Гелий-неоновый 3,3912 сотые доли СО-лазер 5,6-5,9 сотни СО 2 -лазер 9,4-10,6 десятки тысяч Лазер на молекулах HCN 337 тысячные доли мкс, мощность увеличивается до 1 МВт. Существующие в настоящее время устройства позволяют сократить длительность импульса примерно до 1 нс если энергия импульса составляет кДж, то мощность лазерного излучения в этом случае равна 10 12 Вт. Следует иметь ввиду, что при воздействии на металл световым лучом с плотностью мощности примерно 10 5 Вт/см 2 начинается плавление металла. Если же плотность мощности составляет 10 7 Вт/см 2 , то металл закипает, а при плотности мощности 10 9 Вт/см 2 происходит его испарение. Замечательной особенностью лазерных пучков является их малая угловая расходимость. Это обусловлено сущностью процесса вынужденного испускания, лежащего в основе работы лазеров. Действительно, затравочный фотон должен двигаться точно вдоль оси резонатора. Фотоны, летящие под углом, также создают лавину фотонов, однако после нескольких отражений такая лавина покинет активную среду и не будет принимать участие в формировании мощного пучка, выходящего через полупрозрачное зеркало. Вместе стем волновые свойства света не позволяют добиться нулевого угла расходимости лазерного луча. Нижний предел этого угла (определяется дифракцией на выходном зеркале здесь - диаметр полупрозрачного зеркала. Наименьшая расходимость свойственна газовым лазерам - она равна нескольким угловым минутам. 18 Расходимость излучения твердотельных лазеров составляет примерно 1…3 угловых градуса, наибольшую расходимость имеет излучение полупроводниковых лазеров (10…15 угловых градусов. Важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия, который по определению равен отношению энергии светового пучка, излучаемого за 1 секунду, к электрической мощности, потребляемой блоком питания лазера. Коэффициент полезного действия твердотельных лазеров составляет примерно 1…3,5%, газовых – 1…15%, полупроводниковых – 40…60%. 10.4. Применения лазеров Обработка материалов и сварка. Обработка и сварка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получило название лазерной технологии. Вот что говорит об этом направлении академик Н. Г. Басов Лазерный луч – это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает рассредоточиться. Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров прирезке и сверлении. Лазерная технология имеет следующие преимущества в сравнении с традиционными способами обработки материалов - большое разнообразие процессов обработки самых различных видов материалов (и даже таких, которые не поддаются механической обработке - высокая скорость выполнения операций по обработке (иногда враз большая, чем при механической - высокое качество обработки (гладкость срезов, прочность сварных швов, чистота обработки и др - возможность высокоточной прецизионной обработки (изготовление фильер в алмазе, необходимых для волочения проволоки, изготовление отверстий в рубиновых камнях, необходимых для изготовления часовых механизмов и др - селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможность дистанционной обработки (в том числе и поверхностей, расположенных за стеклянной перегородкой 19 - сравнительная легкость автоматизации операций, способствующая существенному повышению производительности труда. Первым технологическим применением лазера считается сверление отверстий в рубиновых и алмазных кристаллах. Речь идет о мелких кристаллах рубина, которые используются в часовых механизмах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине — материале весьма твердом ив тоже время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой твердой проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось домин. Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Понятно, что термин лазерное сверление не следует понимать буквально лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме — один камень в секунду это в тысячу раз выше производительности механического сверления. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Поскольку в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным, лучше всего использовать отверстия в наиболее твердом веществе – алмазе. Применение алмазов с отверстием (алмазных фильер) позволяет получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Опыт показывает, что для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется примерно десять часов вместе стем такое же отверстие легко пробивается серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным инструментом. Например, лазер используется для сверления отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики. Керамика необычайно хрупка в связи с этим механическое сверление производили, как правило, на сыром материале. При последующем обжиге подложек происходила некоторая деформация изделия, в том числе искажалось взаимное расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл 20 используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм механическим сверлением такие отверстия получить нельзя. Помимо сверления отверстий, лазерный луч используется для резки самых разных материалов ткани, дерева, пластмассы, керамики, стекла, листового металла. Прирезке возгорающихся материалов место разреза обдувают струѐй инертного газа в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм опилок, естественно, не было. Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Вместе стем требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки в этом случае одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При окислении металла в кислородной струе выделяется значительная энергия в результате этого необходимая мощность снижается до 100-500 Вт. Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя, придают ему нужный профиль. Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной керамики. 21 Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания продукты сгорания металла. Типичная производственная установка для лазерного раскроя тканей включает лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 мс, диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм, перемещением луча и самой ткани управляет ЭВМ. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Еще один пример — автоматизированная резка листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности. Так, лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт. В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка — с использованием импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных лазеров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовнаясварка. Примером точечной лазерной сварки может служить соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пилит. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. |