Применение лазера

Загрузить архив:
Файл: ref-24807.zip (434kb [zip], Скачиваний: 180) скачать

Введение.. PAGEREF _Toc161679754 h 3

Первый лазер. PAGEREF _Toc161679755 h 6

Принцип работы и устройство лазера.. PAGEREF _Toc161679756 h 8

Режимы работы лазеров.. PAGEREF _Toc161679757 h 12

Режим модулированной добротности (режим генерации гигантских импульсов) PAGEREF _Toc161679758 h 12

Метод синхронизации продольных мод. PAGEREF _Toc161679759 h 12

Виды лазеров. PAGEREF _Toc161679760 h 14

Газовый лазер. PAGEREF _Toc161679761 h 14

Особенности газов как лазерных материалов. PAGEREF _Toc161679762 h 14

Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. PAGEREF _Toc161679763 h 15

Гелий-неоновый лазер. PAGEREF _Toc161679764 h 16

Лазер на углекислом газе. PAGEREF _Toc161679765 h 17

Ионные лазеры.. PAGEREF _Toc161679766 h 18

Химические лазеры. PAGEREF _Toc161679767 h 19

Лазер на красителях. PAGEREF _Toc161679768 h 21

Лазеры на парах металлов. PAGEREF _Toc161679769 h 23

Полупроводниковый лазер. PAGEREF _Toc161679770 h 24

Люминесценция в полупроводниках. PAGEREF _Toc161679771 h 24

Инверсия населённостей в полупроводниках. PAGEREF _Toc161679772 h 25

Лазер на свободных электронах. PAGEREF _Toc161679773 h 32

Применение лазеров.. PAGEREF _Toc161679774 h 35

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.. PAGEREF _Toc161679775 h 35

Флуоресцентная спектроскопия. PAGEREF _Toc161679776 h 36

Молекулярная спектроскопия. PAGEREF _Toc161679777 h 37

Рамановская спектроскопия. PAGEREF _Toc161679778 h 38

Ультрабыстрая спектроскопия. PAGEREF _Toc161679779 h 39

Спектроскопия одиночных фотонов. PAGEREF _Toc161679780 h 39

Измерение расстояния до Луны.. PAGEREF _Toc161679781 h 40

Фотохимия. PAGEREF _Toc161679782 h 40

Лазерное намагничивание. PAGEREF _Toc161679783 h 40

Лазерное охлаждение. PAGEREF _Toc161679784 h 41

Голография. PAGEREF _Toc161679785 h 41

Лазерная локация и зондаж атмосферы.. PAGEREF _Toc161679786 h 42

Микроэлектроника. PAGEREF _Toc161679787 h 42

Литография. PAGEREF _Toc161679788 h 42

Тестирование качества микросхем.. PAGEREF _Toc161679789 h 43

Микрообработка печатных плат. PAGEREF _Toc161679790 h 43

Тестирование интерферометрической оптики. PAGEREF _Toc161679791 h 44

Запись и хранение оптической информации. PAGEREF _Toc161679792 h 44

Накачка титан-сапфира. PAGEREF _Toc161679793 h 44

Обработка материалов. PAGEREF _Toc161679794 h 45

Лазерная маркировка и гравировка. PAGEREF _Toc161679795 h 45

Трехмерное моделирование. PAGEREF _Toc161679796 h 45

Резка металлов и неметаллов. PAGEREF _Toc161679797 h 46

Сварка металлов и пластиков. PAGEREF _Toc161679798 h 46

Пайка. PAGEREF _Toc161679799 h 46

Сверление микроотверстий. PAGEREF _Toc161679800 h 47

Терагерцовая оптика. PAGEREF _Toc161679801 h 47

Шоу-бизнес. PAGEREF _Toc161679802 h 48

Медицина. PAGEREF _Toc161679803 h 48

Промышленность и быт. PAGEREF _Toc161679804 h 48

Лазерная ассоциация.. PAGEREF _Toc161679805 h 49

Основные направления деятельности ЛАС.. PAGEREF _Toc161679806 h 49

Развитие международного сотрудничества членов ЛАС.. PAGEREF _Toc161679807 h 49

Заключение. PAGEREF _Toc161679808 h 51

Сводная таблица видов лазеров. PAGEREF _Toc161679809 h 52

Газовые лазеры.. PAGEREF _Toc161679810 h 52

Лазеры на красителях. PAGEREF _Toc161679811 h 53

Лазеры на пара́х металлов. PAGEREF _Toc161679812 h 53

Твердотельные лазеры.. PAGEREF _Toc161679813 h 54

Полупроводниковые лазеры.. PAGEREF _Toc161679814 h 56

Другие типы лазеров. PAGEREF _Toc161679815 h 56

Список источников: PAGEREF _Toc161679816 h 57

Рис. 1. Возможные переходы в двухуровневой системе. Вероятности: Wc - спонтанного излучения, R - безизлучательной релаксации, W12 - поглощения, W21 - индуцированного излучения. n2 и n1 - плотности населенностей, F2 и F1 - скорости накачки (число частиц, поставляемых в единицу времени и в единицу объема) на уровни 2 и 1.

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии (
Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид

и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B21 и B12), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии B21 = B12 , W21 = W12 [Советская энциклопедия, 1969]. При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W21n2 было больше числа переходов вверх W12n1, необходимо, чтобы n2 > n1: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем.
Среда, для которой выполняется условие n2 > n1, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n2 > n1 является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера.
Ясно, что при термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, поскольку, согласно закону Больцмана,

и на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия.
Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки).
Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения

то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего.

Рис. 2. Принципиальная схема лазера.

Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения [Тарасов Л.В., 1981].
В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q:

и расстоянию по частоте между соседними (q отличается на 1) модами:


На рисунке 3 приведен частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе

Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление
Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.

Гелий-неоновыйлазер

632,8 нм (543,5 нм, 593,9 нм, 611,8 нм, 1,1523 мкм, 1,52 мкм, 3,3913 мкм)

Электрический разряд

Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.

Аргоновый лазер

488,0 нм, 514,5 нм, (351 нм, 465,8 нм, 472,7 нм, 528,7 нм)

Электрический разряд

Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.

Криптоновый лазер

416 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676.4 нм, 752,5 нм, 799,3 нм

Электрический разряд

Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.

Ксеноновый лазер

Множество спектральныхлиний по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях.

Электрический разряд

Научные исследования.

Азотный лазер

337,1 нм

Электрический разряд

Накачка лазеровнакрасителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.

Лазер на фтористом водороде

2,7 – 2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6 – 4,2 мкм (фторид дейтерия)

Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF3)

Лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.

Химическийлазер на кислороде и йоде (COIL)

1,315 мкм

Химическая реакция в пламени синглетногокислорода и

Научные исследования, лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.

Углекислотныйлазер (CO2)

10,6мкм, (9,4мкм)

Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд

Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.

Лазер на монооксиде углерода (CO2)

2,6 – 4 мкм, 4,8 – 8,3 мкм

Электрический разряд

Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическаяспектроскопия.

Эксимерныйлазер

193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)

Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде

Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.

Лазер на красителях

390—435 нм (Stilbene), 460—515 нм (Кумарин 102), 570—640 нм (Родамин 6G), другие

Другой лазер, импульсная лампа

Научные исследования, спектроскопия, косметическая хирургия, разделение изотопов. Рабочий диапазон определяется типом красителя.

Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов

440 нм, 325 нм

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.

Гелий-ртутный лазер на парах металлов

567 нм, 615 нм

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Археология, научные исследования, учебные лазеры.

Гелий-селеновый лазер на парах металлов

до 24 спектральных полос от красного до УФ

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Археология, научные исследования, учебные лазеры.

Лазер на парах меди

510,6 нм, 578,2 нм

Электрический разряд

Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.

Лазер на парах золота

627 нм

Электрический разряд

Археология, медицина.

Рубиновый лазер

694,3 нм

Импульсная лампа

Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазеров (1960).

Алюмо-иттриевые лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG)

1,064 мкм, (1,32 мкм)

Импульсная лампа, лазерный диод

Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд).

Лазер на фториде иттрия-лития с неодимовым легированием (Nd:YLF)

1,047 и 1,053 мкм

Импульсная лампа, лазерный диод

Наиболее часто используются для накачки титансапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с неодимовым легированием (Nd:YVO)

1,064 мкм

Лазерные диоды

Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass)

~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)

Импульсная лампа, Лазерные диоды

Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты от 351 нм в устройствах лазерной плавки.

Титан-сапфировый лазер

650—1100 нм

Другой лазер

Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.

Алюмо-иттриевые лазеры с тулиевым легированием (Tm:YAG)

2,0 мкм

Лазерные диоды

Лазерные радары

Алюмо-иттриевые лазеры с иттербиевым легированием (Yb:YAG)

1,03 мкм

Импульсная лампа, Лазерные диоды

Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.

Алюмо-иттриевые лазеры с гольмиевым легированием (Ho:YAG)

2,1 мкм

Лазерные диоды

Медицина

Церий-легированный литий-стронций(или кальций)-алюмо-фторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)

~280–316 нм

Лазер Nd:YAG с учетверением частоты, Эксимерный лазер, лазер на парах ртути.

Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.

Александритовый лазер с легированием

Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм

Импульсная лампа, Лазерные диоды. Для непрерывного режима – дуговая ртутная лампа

Дерматология, лазерные дальномеры.

Оптоволоконный лазер с легированием

1,53–1,56 мкм

Лазерные диоды

Оптические усилители в оптоволоконных линиях связи.

Лазеры на фториде кальция, легированном ураном (U:CaF2)

2,5 мкм

Импульсная лампа

Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня не используется.

Полупроводниковый лазерный диод

Длина волны зависит от материала: 0,4мкм (GaN), 0,63–1,55мкм (AlGaAs), 3–20мкм (соли свинца)

Электрический ток

Телекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры (алюминий-арсенид-галлиевые), работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дисков и являются самыми распространёнными в мире.

Лазер на свободных электронах

могут излучать и настраиваться в широком спектре излучения

Пучок релятивистских электронов

Исследования атмосферы, материаловедение, медицина, противоракетная оборона.

Псевдо-никелевый самариевый лазер

Рентгеновское излучение 7.3 нм

Излучение в сверхгорячей плазме самария, создаваемое двойными импульсами лазера на неодимовом стекле. [1]

Первый демонстрационный лазер, работающий в области жесткого рентгеновского излучения. Может применяться в микроскопах сверхвысоко разрешения и голографии. Его излучение лежит в «окне прозрачности» воды и позволяет исследовать структуру ДНК, активность вирусов в клетках, действие лекарств.

Список источников:

Научная сеть--

Информационный сайт ЛАС --

Всё о лазерах --

Информационный портал --

Сайт --

Сайт --

Центр лазерных технологий --

TOC h z c "Рисунок"