Лазеры в производстве

Рис 5. Схема оптического резонатора

Рис 3. Вынужденное излучение

Рис 2. Спонтанное излучение

Рис 1. Поглощение фотона

Из возбужденного состояния электрон всегда стремится вернуться в основное, поэтому время его пребывания в таком состоянии чрезвычайно мало – наносекунда. Переход электрона на более низкий энергетический уровень сопровождается излучением кванта света. Такое самопроизвольное излучениепринято называть спонтанным.

Однако существует и другой вид излучения, открытый Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцированным. Индуцированное излучение происходит тогда, когда электрон в возбужденном состоянии снова подвергается действию внешнего электромагнитного излучения. При этом электрон переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, когерентный (идентичный по энергии и направлению) фотону, спровоцировавшему данный переход.

Таким образом, при индуцированном излучении мы уже имеем два абсолютно идентичных (когерентных) фотона, двигающихся в одном направлении.

А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона.

Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так в результате незначительного внешнего излучения начнется лавинообразное усиление светового потока. Теоретически коэффициент усиления может достигать огромнейшего значения, и в результате такого усиления будет двигаться большое число фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения. Таким образом, излучение будет когерентным.

Такая схема получения когерентного (синхронного и синфазного) излучения впервые предложена в 1939 г. советским ученым В.А. Фабрикантом и получила название лазер.

Слово является аббревиатурой от английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому, если число возбужденных атомов меньше или равночислу невозбужденных, то сколько их ни облучай с помощью внешнего источника, никакого усиления света не получится (поскольку число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет превосходить число фотонов, излученных возбужденными). Значит, для усиления света и получения когерентного излучения надо, чтобы возбужденных атомов было больше, чем находящихся в основном, невозбужденном состоянии.

Если мы сможем каким-то образом “переселить” электроны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство атомов, то получим так называемую инверсию населенностиэнергетических уровней. Тогда при облучении вещества будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приведет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной населенности называется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного, полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере трехуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется потому, что энергетический переход электронов здесь осуществляется благодаря третьему, дополнительному уровню, который называется метастабильным(на рисунке ему соответствует уровень Е2). В отличие от возбужденного состояния (уровень Е3), время жизни атома на этом уровне 10 ^-3 с.

Рис 4. Трехуровневая схема оптической накачки

Необходимость использования метастабильного уровня объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала возбуждаются, поглощая свет. Но для этого недостаточно только двух уровней. Какой бы мощной ни была лампа накачки, возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.

Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е3), из которого тут же спонтаннои без излучения перескакивают на метастабильный уровень Е2, где и накапливаются. Через некоторое время число атомов на уровне Е2 начинает превышать число атомов в основном состоянии, создавая требуемую инверсию населенности.

Однако для нормального функционирования лазера такой процесс должен повторяться многократно и регулярно. Для этого активную среду помещают в оптический резонатор (систему, способную породить колебания определенной амплитуды и частоты), который представляет собой систему двух зеркал.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке - зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде когерентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вызывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвавший.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает многократное отражение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, поэтому если какой-то внешний источник энергии (относительно слабый) может поддерживать инверсное состояние активной среды, то через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Области применения лазеров весьма разнообразны. Вот неполный список различных областей применения лазеров:

Лазеры широко используются в производстве, например, для резки, сверления, сварки, пайки, закалки, обработки поверхностей, маркировки, гравировки, микрообработки, импульсного лазерного напыления, литографии, регулировки и т.д. В большинстве случаев, относительно высокая оптическая интенсивность в небольшом пятне, ведет к интенсивному нагреву, возможному испарению материала и образованию плазмы. Основные аспекты лазерного излучения – это высокая пространственная когерентность лазерного света, что позволяет получить точную пространственную фокусировку, а также доставку энергии высокой интенсивности в виде коротких импульсов.

Методы лазерной обработки имеют много преимуществ, по сравнению с механическими подходами. Они позволяют работать с очень тонкими структурами без потери качества, избегать механических напряжений, которые появляются, к примеру, при использовании механических дрелей и лезвий. Лазерное излучение с высоким качеством выходного пучка может быть использовано для бурения очень тонких или глубоких отверстий, например, для изготовления форсунок. Очень высокая скорость обработки часто достигается, например, при изготовлении механических фильтров (сит). Кроме того, срок службы существенно превышает возможности механических инструментов.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 612; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!