Лазерное излучение и способы его получения

Лазерное излучение и способы его получения

Лазер (от англ. «light amplification by stimulated emission of radiation» - «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор - это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Также к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения.

Основные понятия

Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Свет может быть представлен (описан) двояко:

- в виде электромагнитной волны, распространяющейся в пространстве;

- в виде потока световых корпускул (частиц) – фотонов.

Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны. Цвета света образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет.

Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

В основе этой теории ЭМ лежит два положения: всякое переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле и, наоборот, всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Это второе положение известно как явление электромагнитной индукции.

Таким образом любой проводник, по которому течет переменный ток, любая совокупность электрических зарядов, совершающих колебания, образуют в среде вокруг себя систему взаимопроникающих электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве – т.е. электромагнитную волну (рис.1).

Рис. 2

Расположение силовых линий и векторов напряженностей полей таково, что перпендикулярен и каждый из них перпендикулярен вектору скорости волны с. Т.о. электромагнитные волны являются поперечными (рис.2).

Максвелл показал, что уравнение электромагнитной волны математически может быть представлено, как совокупность двух совпадающих по фазе плоских волн: электрической (т.е. волны напряженности поля электрического – Е = f(x,t)) и магнитной (т.е. волны напряженности поля магнитного – Н = f(x,t) ).

(1)

Для распространения электромагнитного излучения не требуется какая-либо среда. Однако, значения параметров этого излучения зависят от свойств среды. Так, например, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет около 3·10⁸ м/с, а в стекле примерно в 1,5 раза меньше. В общем случае фазовая скорость распространения электромагнитных волн в среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ:

, (2)

где - скорость света в вакууме, ε₀ и μ₀ – диэлектрическая и магнитная постоянные.

Известно, что отношение c / = n – называется абсолютным показателем преломления данной среды, тогда из (2) получим:

. (3)

Не зависящей от условий распространения характеристикой волны является частота – ν. Соответственно, длина волны, т.е. расстояние, на которое перемещается волна за время равное периоду колебаний Т, будет зависеть от свойств среды: λ = Т = /ν, но = c/n , тогда λ_n = с/nν. Т.к. с/ν = λ₀ – длине волны данного излучения в вакууме, то

. (4)

Т.о. при переходе из одной среды в другую длина волны на границе будет изменяться скачком.

Типы спектров

Рис. 4

Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу — как зависимость интенсивности от длины волны.. По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров. Показан комбинированный спектр излучения солнца. Отмечены линии поглощения бальмеровской серии водорода

Примерами линейчатых спектров могут служить спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров.

Оптические спектры, количественно описываются функцией зависимости интенсивности излучения от его длины волны или, что эквивалентно, от частоты , то есть функция задана в частотной области (frequency domain). Частотное разложение в этом случае выполняется анализатором спектроскопа — призмой или дифракционной решеткой. Спектральная плотность потока излучения – это функция, показывающая распределение мощности потока излучения по частоте излучения (или по длине волны):

Общий суммарный поток для всех длин волн в диапазоне от до будет вычисляться как интеграл:

В соответствии с корпускулярной теорией света электромагнитная волна может быть представлена в виде потока частиц – фотонов движущихся в вакууме со скоростью . Этот поток должен переносить ту же энергию что и волна и обладать той же спектральной плотностью. В соответствии с квантовой теорией света каждый фотон несёт энергию:

Где: энергия, постоянная Планка, , частота излучения.

Лазерные источники излучения имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греческого «один цвет»). Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра.

Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность.

Для уточнения понятия когерентности рассмотрим случай наложения друг на друга двух волн одинаковой частоты, которые возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

Е₁ = Е₀₁соs(ωt + φ₀₁)

Е₂ = Е₀₂соs(ωt + φ₀₂). (9)

Сложение этих двух колебаний, согласно принципу суперпозиции, даст результирующее колебание с амплитудой:

. (10)

Как видно из (10), амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз δφ = φ₀₂ - φ₀₁. Если разность фаз δφпроизвольно и хаотично изменяется, то средняя по времени величина соs(φ₀₂ - φ₀ )= 0. Тогда . Принимая во внимание, что интенсивность волны I ~ E² получим I_р= I₁ + I₂, т.е. количество энергии переносимое результирующей волной за единицу времени, через единицу площади в данной точке пространства равно сумме интенсивностей (энергий), складываемых волн.

Если разность фаз δφ = φ₀₂ - φ₀₁ колебаний, возбуждаемых волнами в данной точке пространства с течением времени не изменяется, а вектора и параллельны друг другу, то такие волны называются когерентными. Для когерентных волн результат наложения зависит от значения δφ в данной точке.

В случае – соs δφ > 0, I_р > I₁+ I₂.

Еслисоsδφ = 1, и Е₁ = Е₂ = Е, то Е_р = Е₁² + Е₂² + 2Е₁ Е₂ = (2Е)² и I_р= 4I₁.

Если соs δφ < 0,то I_р < I₁ + I₂.

При соs δφ = -1,и Е₁ = Е₂ = Е – Е₂ = Е₁² + Е₂² - 2Е₁ Е₂ = 0 и I_р = 0.

Таким образом, при наложении когерентных волн происходит перераспределение энергии световых волн, в результате чего в одних местах наблюдается прирост энергии, зато в других уменьшение.

Это явление перераспределения энергии в пространстве, которое происходит при наложении когерентных волн, получило название интерференции.

Точки, в которых интенсивность имеет наименьшее значение, называются интерференционными минимумами. Там, где энергия наиболее велика, располагаются интерференционные максимумы.

Рис. . При освещении экрана двумя пучками лазера возникает интерференционная картина из чередующихся ярких и тусклых полос.

Обычно говорят о пространственной и временной когерентности. Пусть лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 1).

Рис. 5

После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Если фазы электромагнитной волны постоянны, то наблюдается явление интерференции.

Рис. 6 . При освещении экрана двумя пучками лазера возникает интерференционная картина из чередующихся ярких и тусклых полос.

Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Лазер – устройство, осуществляющее преобразование некоторого внешнего источника не монохроматичного и не когерентного света в поток монохроматичного когерентного с очень низкой расходимостью. Только с такими характеристиками излучение может быть сфокусировано на некоторую поверхность в пятно очень малой площади. Это преобразование осуществляется в оптически прозрачных средах.

Прозрачность среды - свойство вещества направленно пропускать свет; характеризуется отношением величины потока излучения I, прошедшего без изменения направления через слой среды единичной толщины, к величине потока излучения I₀, вошедшего в эту среду в виде параллельного пучка (то есть при исключении влияния поверхностей раздела). Зависит от степени отражения, поглощения и рассеяния света веществом. Высокую прозрачность имеют среды с направленным пропусканием излучения, поэтому прозрачность отличается от пропускания вообще: высокорассеивающая неоднородная среда, например, лист бумаги, образованной прозрачными волокнами целлюлозы, непрозрачен, хотя отношение прошедшего потока света к падающему потоку велико.

Прозрачные предметы могут создавать тень.

Прозрачность зависит от длины волны излучения; применительно к монохроматическому излучению говорят о монохроматической прозрачности, по отношению к излучению в определённом спектральном диапазоне — о прозрачности в данном диапазоне (например, радиопрозрачность). При использовании термина прозрачность без упоминания среды обычно подразумевается прозрачность для светового излучения в видимом диапазоне.

Механизм прозрачности

Электромагнитная волна воздействует на заряды в атомах и молекулах вещества так, что те начинают собственные колебания и переизлучают её, отражая или преломляя волновой фронт.

Атомы поглощают и излучают электромагнитное излучение на определённых длинах волн — спектральных линиях. Поглощение и последующее переизлучение при тепловом движении атомов из-за эффекта Доплера приводит к смещению и «размытию» линий в спектре.

Атомные системы

Согласно первому квантовому закону, атомная система является устойчивой лишь в стационарных состояниях, соответствующих некоторой дискретной или непрерывной последовательности значений энергии Е системы. Любое изменение этой энергии связано со скачкообразным переходом системы из одного стационарного состояния в другое. В соответствии с законом сохранения энергии, переходы атомной системы из одного стационарного состояния в другое связаны с получением или отдачей энергии системой. Ими могут быть либо переходы с излучением (оптические переходы), когда атомная система испускает или поглощает электромагнитное излучение, либо переходы без излучения (безызлучательные или неоптические), когда происходит непосредственный обмен энергией между рассматриваемой атомной системой и окружающими системами, с которыми она взаимодействует. Согласно второму квантовому закону, электромагнитное излучение, связанное с переходом атомной системы из стационарного состояния с энергией Еj в стационарное состояние с энергией Еi, является монохроматическим, и его частота определяется соотношением

, (1.1)

где h – постоянная Планка; – частота перехода. Электромагнитное излучение при этом поглощается (если Еi > Ej) или испускается (если Ei < Ej) определенными пропорциями h – квантами излучения. Уравнение (1.1) описывает квантовые переходы с излучением. Это есть закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

1.2. Уровни энергии и переходы между ними

На рис. 2 изображены диаграмма уровней энергии и переходы между ними.

Рис. 7

Горизонтальные линии проведены на расстояниях, пропорциональных разностям значений энергий Е1, Е2, Е3, Е4, Е5 соответствующих стационарных состояний.

Слева дана шкала энергий. Переходы между стационарными состояниями – между уровнями энергии – показаны вертикальными линиями, соединяющими соответствующие горизонтальные линии – комбинирующие уровни.

Разность энергий комбинирующих уровней согласно пропорциональна частоте перехода – частоте испускаемого или поглощаемого кванта,

- поэтому шкала энергий Е пропорциональна шкале частот ν и шкале волновых чисел v / c = 1 / λ (где с – скорость света; λ – длина волны).

При рассмотрении уровней энергии атомных систем можно пользоваться любой из этих шкал, а также пропорциональной им шкалой абсолютных температур Т согласно соотношению hv = kT, где k – постоянная Больцмана.

Шкалы Е = hv , v / c и 1 / λ связаны переводными множителями. В спектроскопии особенно широко пользуются волновыми числами (см^-1) и энергиями (эВ).

Каждому возможному переходу между дискретными уровнями энергии соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая в спектре значением частоты монохроматического излучения. Частоты спектральных линий на рис. 7 обозначены как ν12, ν13, ν23 и т.д. Из основного соотношения (1.1) вытекает, что между частотами различных спектральных линий имеются соотношения типа νik = νij + νjk, (1.2) например, ν13 = ν12 + ν23, очевидные из диаграммы. Таким образом, могут наблюдаться переходы с частотами, равными комбинациям – суммам и разностям частот других переходов. В этом состоит содержание комбинационного принципа, предстающего как непосредственное следствие основного квантового закона (1.1). При переходах между уровнями i, j и уровнями k, l, m…, согласно комбинационному принципу νik – νjk = νil – νjl = νim – νjm= ··· = νij. (1.3)

Например, ν13 – ν23 = ν14 – ν24 = ν15 – ν25 = ν12 и т. д.

Зная совокупность частот наблюдаемых спектральных линий, можно построить соответствующую схему уровней. С помощью комбинационного принципа можно находить для спектральных линий, частоты которых известны с недостаточной точностью, более точные значения по частотам двух или нескольких других линий.

В табл. Приведены частоты переходов с излучением от диапазона длинноволновых радиоволн до диапазона гамма-излучений.

Таблица

Физ. величины	Радиочастотная область	Оптическая область	Рентгеновская обл.	Обл. гамма излучений
Длин. волн. область	Корот. Волн. Обл.	Микр. Волн. Обл.	Ифр. Крас. Обл.	Видим. Обл.	Ультра-фиол. Обл.
Частота (Гц)	103-107	108	109-1012	1013-1014	1015	1015-1016	1017-1020	1021
Длина волны (м)	105-101	101-10-1	10-1- 10-3	10-3- 10-6	(0,4-0,76) 10-6	10-7- 10-9	10-9 – 10-12	10-13
Волновое число (см-1)	10-7- 10-4	10-3- 10-1	10-1- 102	102- 104	(2,5-1,3) 106	105- 107	107- 109	1010
Энергия фотонов (эВ)	10-11- 10-7	10-7- 10-4	10-4- 10-1	10-1- 100	100- 101	101- 103	103- 106	107
Температура (К)	10-7- 102	10-2- 10-1	100- 101	102- 104	102- 105	105- 107	108- 1010	1011

Принцип действия лазеров.

Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E1, E2 и т. д. Стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10^-8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора:

Частота излучения при переходе электрона с верхнего уровня , на нижний уровень :

где: постоянная Планка;

частота электромагнитной волны;

разрешённые энергетические уровни электронов в атоме.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным.

На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^-3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях. Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

Переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным.

Вынужденное излучение резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 8 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта.

Рисунок 8. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта.

Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2 > E1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Количество атомов вещества, электроны которого находятся в состоянии назовём населённостью уровня . Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через и . Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Условие термодинамического равновесия Больцмана:

Где: показатели вырожденности энергетических уровней электронов, в первом приближении равны 1.

При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно и распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну. Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых ., т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной.

Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 9), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 9. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней в классическом приближении невозможно. Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень. Возбуждённое состояние атома с электронами на верхнем уровне может существовать очень короткое время, порядка – 10^-8с. С этого уровня электроны за короткое время переходят - релаксируют к более низкому значению энергии – «верхнему лазерному» уровню время существования, которого составляет порядка – 10^-3с. В результате число атомов с электронами на «верхнем лазерном» уровне возрастает. В лазерной генерации участвует также один из нижележащих уровней. Это - основное состояние атома в «трехуровневой схеме накачки», или промежуточное – «нижний лазерный» уровень в четырехуровневой (рис. 10). Четырехуровневая схема оказывается энергетически выгодней в силу того, что промежуточный - «нижний лазерный» уровень обычно населен гораздо меньше, чем основное состояние, так как с него происходит быстрый переход электронов в основное состояние, следовательно инверсная населенность оказывается выше и для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии.

Рис. 10. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Блок - схема ОКГ.

Блок схема ОКГ.

Рис. 13

Основные элементы лазера:

1. Активное вещество;

2. Система накачки;

3. Резонатор.

Активное вещество это: матрица – кристалл АИГ, либо Al₂O₃ – корунд, с активатором ниадимом - Nd⁺³, либо хромом Cr⁺³ для твёрдотельных лазеров. Либо колба с газами CO₂, N₂, He, для газовых лазеров.

Система накачки – это система очень мощных газоразрядных ламп, обычно ксеноновых, отражателей и системы охлаждения.

Резонатор – это два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно, между которыми помещено активное вещество. Такая система удлиняет путь луча в активном веществе и приводит к генерации лазерного излучения.

Остальные элементы являются вспомогательными:

4. Система охлаждения (обычно проточной дистиллированной водой);

5. Внешняя оптическая система;

6. Система модуляции излучения;

7. Устройство селекции типов колебании (Мод);

8. Система контроля.

Классификация лазеров

Классификация лазеров производиться с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения ( способа накачки ).

По способу накачки выделяют два способа:

– оптическую накачку

- накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка применяется для возбуждения самых различных активных сред – диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей.

Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах – при давлении 1….10 тор. Соответствующие типы лазеров объединяют общим термином газоразрядные лазеры.

Классификация лазеров по активной среде и области применения:

Газовые лазеры

Гелий-неоновые лазеры (HeNe) ( длины волн 543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм)

Аргоновые лазеры (Ar) (длины волн 458 нм, 488 нм или 514,5 нм)

Лазеры на углекислом газе (CO₂ ) (длины волн 9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для резки и сварки материалов, имеют мощность до 100 кВт

Твердотельные лазеры

Рубиновые (длина волны 694 нм),

Nd наYAG (Итриево-алюминиевом гранате или (алюмо-иттриевые)) (длина волны 1064 нм),.

Nd наYAG - твердотельные лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG) — инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов

Наибольшая мощность сверхкоротких импульсов достигнута на эрбии Yb:YAG-лазере. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт)

алюмо-иттриевые с эрбиевым легированием, 1645 нм

алюмо-иттриевые с тулиевым легированием, 2015 нм

алюмо-иттриевые с гольмиевым легированием, 2096 нм.

Эффективный ИК-лазер, обычно работает в импульсном режиме и используется в медицине.

Лазерное излучение и способы его получения

Лазер (от англ. «light amplification by stimulated emission of radiation» - «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор - это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Также к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения.

Основные понятия

Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Свет может быть представлен (описан) двояко:

- в виде электромагнитной волны, распространяющейся в пространстве;

- в виде потока световых корпускул (частиц) – фотонов.

Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны. Цвета света образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет.

Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

В основе этой теории ЭМ лежит два положения: всякое переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле и, наоборот, всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Это второе положение известно как явление электромагнитной индукции.

Таким образом любой проводник, по которому течет переменный ток, любая совокупность электрических зарядов, совершающих колебания, образуют в среде вокруг себя систему взаимопроникающих электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве – т.е. электромагнитную волну (рис.1).

Рис. 2

Расположение силовых линий и векторов напряженностей полей таково, что перпендикулярен и каждый из них перпендикулярен вектору скорости волны с. Т.о. электромагнитные волны являются поперечными (рис.2).

Максвелл показал, что уравнение электромагнитной волны математически может быть представлено, как совокупность двух совпадающих по фазе плоских волн: электрической (т.е. волны напряженности поля электрического – Е = f(x,t)) и магнитной (т.е. волны напряженности поля магнитного – Н = f(x,t) ).

(1)

Для распространения электромагнитного излучения не требуется какая-либо среда. Однако, значения параметров этого излучения зависят от свойств среды. Так, например, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет около 3·10⁸ м/с, а в стекле примерно в 1,5 раза меньше. В общем случае фазовая скорость распространения электромагнитных волн в среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ:

, (2)

где - скорость света в вакууме, ε₀ и μ₀ – диэлектрическая и магнитная п