RiseGirl
10-31-2008, 11:37
ЛАЗЕРИТЕ И ТЯХНОТО ПРИЛОЖЕНИЕ В ЖИВОТА
В печата се появява съобщение за създаване на лазер от кристал калциев флуорид с примес от триавалентни йони на урана . Този лазер при температури , по-ниски от 7 градуса по Целзий . Също така необходимо е всеки квадратен сантиметър от кристала да получава 10-15 вата светлинна мощност .Създадени са лазери в които се използва калциев барит с примеси на уран . Те излъчват невидими инфрачервени лъчи с дължина на вълната 2,56 микрона . В същия диапазон работят и лазери с кристал от калиев волфрамат с примеси неодим , гулий или холмин . Пробиват си път и много редки елементи. Например самарият е включен в кристалите на калциев флуорит . Лазерите с тези вещества могат да работят само при много ниски температури , при които водородът и хелият стават течности .
Характерна особеност на повечето от изброените лазери е тази , че в тях три излъчване преходът на възбудените атоми не остава на основното ниво , а на някое промеждутъчно .Населеността на тези нива е малка при ниски температури , затова се налага предварително да бъдат охладени .
Появили се и лазери , в които активната среда е стъкло . Най-подходящо се оказало бариевото стъкло с примеси на тривалентен неодим . Този лазер излъчва на дължина 1,06 микрона . Стъклените му пръчки са доста тънки , за да може светлината от напомпването да проникне дълбоко в тях .
Публикувано е съобщение за разработка на стъклен лазер с енергия на излъчване 100 джаула . Пръчките на този лазер са почти по половин метър дължина и диаметър , малко по голям от половин сантиметър . Напомпването става с линейна лампа-светкавица , разположена успоредно със стъклената пръчка .
Учените търсят подходяща активна среда и между органичните вещества . Отдало се да получат индуцирано излъчване от молекули на бензофенола , охладен от минус 196 градуса . Търсенето продължава
По-горе се спомена , че за изпълнител на газовите лазери не се използва само смес от хелий и неон .
Интересни са газовите лазери в смес от неон или аргон с кислород . В тях отначало става възбуждане на атомите на инертния газ например на аргона . Тези възбудени атоми се сблъскват с атомите на кислорода . Последните както е известно , се състоят от два атома . Под ударите на възбудените атоми на аргона настъпва дисоциация на молекулите на кислорода . Вместо една молекула се получават два единични атома . Освен това единият от тези атоми е във възбудено състояние . Отдавайки енергия , възбудените атоми на кислорода излъчват светлина с дължина на вълната 0,8446 микрона . Мощността на излъчване е около 2 миливата . разработен е също и лазер със смес от криптон и живачни пари , създаващи излъчване на светлинни вълни с дължина 6 микрона .
Наскоро се появи съобщение за изпробване на лазери , работещи в чисти инертни газове , а не в смес от газове . В тях се използват хелий , аргон , криптон и ксенон . Получено е излъчване с 14 дължина на вълната . Накрая , трябва да се спомене за най-мощния газов лазер , получен неотдавна . За активна среда в този лазер служи трайна смес от газове : въглероден окис , азот и хелий . Лазерът излъчва инфрачервена светлина с дължина на вълната около 10 микрона . В сравнение със събратята си този лазер има огромна мощност – 200 вата в непрекъснат режим на излъчване . КПД е също висок – около 10 % .
Появяването на този лазер е голям успех потвърждаващ мнението на учените перспективността на плазмените квантови генератори .
През 1962 година е бил създаден лазер излъчваща среда на които била течност . В този лазер активната среда е съединение на тербия , разтворен в особено огромна течност . Напомпването се осъществява с ултравиолетова светлина , т.е. също както в лазерите на твърдо тяло . Този лазер работи при ниска температура създавайки излъчване в зелената част на спектъра . Индуцирано излъчване е получено в течности с примеси и на други редки елементи – тадолиний , неодим , самарий .
Създателите на течните лазери мечтаят да построят лазер , който да не се нуждае от напомпване . В него ще се използва химическа енергия на двете взаимодействащи течности . Ако тази идея се осъществи , учените ще получат надежден и кампактен уред . Тогава лазерите ще се продават в изобилие .
В последно време вниманието на учените и инженерите е привлечено от полупроводниковите лазери . Тяхното създаване сложило начало на ново направление в науката за квантовите генератори .
В 1957 година съветският физик Н. Г. Басов първи предложил да се използват полупроводници в качеството на активна среда за квантови генератори . След една година се появила работа – резултат от предварителни изчисления . В нея били набелязани пътищата на по-нататъшната работа . Автори на този труд били сътрудниците на Физическият институт “ П. Н. Лебедов “ при Академията на науките на СССР ; Н. Г. Басов , Б. М. Вул и Ю. М. Попов .
За да се разбере как работи полупроводниковият лазер , трябва да се спрем на свойствата на тези вещества .
Най-широко разпространение са получили полупроводниците германий и силиций . Тези елементи са от четвърта група на периодичната таблица . Те представляват кристали , чийто атоми не задържат много здраво външните си електрони . Достатъчно е въздействието на топлината или електрическо поле и някои от електроните разкъсват връзката с атомите и започват да се движат свободно в кристала се появяват носители на електричество , електропроводимостта му се повишава .
Проводимостта на проводниците е два типа : електронна и дупчеста . Ако в германия например се прибави много малко антимон или арсен – елементи от пета група , се получава полупроводник с чиста електронна проводимост . В него при слабо външно въздействие се появява голямо количество
свободни електрони . Движението на тези електрони под влияние на електрическите сили представлява електрическият ток в полупроводниците .
Ако в германия се прибави индий или галий , тоест елементи на трета група , се получава полупроводник с дупчеста
проводимост. В него няма свободни , непринадлежащи на кой да е атом електрони . Отделените електрони могат да напуснат своя “собственик” - атом и да преминат към друг . Мястото , което е заемал преди този електрон , се оказва празно или в атома се е появила “дупка” . Тя може да бъде заета от електрон от някой съседен атом . Получава се така , като че ли , дупката е свободна да се движи в полупроводника , което е аналогично на движението на положителен заряд . Не трябва да се мисли , че дупките са реални положителни заряди , но движението на прескачащите електрони е аналогично на движението на положителните заряди .
Сега , когато се запознахме с полупроводниците , нека да разгледаме въпросите за енергичните нива на атомите им .
Атомите на полупроводника , също както и атомите на хрома в рубиновата пръчка , имат напълно определени енергични нива .
Близко до основното ниво се намира така наречената валентна зона на нива . тя е запълнена с електрони даже три стайна температура . Ако на електроните се съобщи допълнителна енергия , те могат да преминават в по-висока зона – зоната на проводимостта . Естествено електрони от тази зона могат да слязат на долната , да заемат свободните места във валентната зона . При този преход те освобождават придобитата енергия във вид на квант светлина .
Задачата се състои в това , колкото може повече електрони да се озоват в проводимата зона . Изпълнението й се улеснява , ако полупроводникът се охлади . Следователно охлаждането е едно от основните условия за работа на полупроводниковите генератори за светлина .
Прехвърляне на електрони от валентната в проводимата зона може да се осъществи по няколко начина . Един от тях е въздействието върху полупроводника с импулсно напрежение .
Електроните получават голяма скорост и енергия вследствие на импулса , дори значително по голяма , отколкото е нужна . Затова е необходимо известно време , за да могат да “изстинат” електроните , тоест да отделят излишната енергия на атомите на полупроводника и да останат на границата на проводимата зона .
Разбира се , електроните могат веднага да преминат във валентната зона . Тогава няма да се получи необходимия ефект , полупроводникът няма да генерира . Следва да се направи така , че времето за “изстиване” да бъде по-малко от времето за преходът във валентната зона . Това е второто условие за работа на генератора .
Виждаме , че този процес наподобява процеса в рубиновия лазер при напомпване .
Установено е , че при прехода на електроните от проводимата във валентната зона не настъпва само излъчване , но и “разлюляване” – трептене на ядрата от кристалната решетка . Полупроводници , в които е наблюдаван този ефект , генерират по-лесно , тъй като за това е необходимо гъсто заселване на нивата около проводимата зона .
През 1961 година група учени под ръководството на Н. Г. Басов доказала , че полупроводников излъчвател може да се възбужда с постоянен ток . Необходим е полупроводник , в който едната част да притежава електронна проводимост , а другата – дупчеста . Броя на електроните в първата трябва да бъде много голям . Също така голям трябва да бъде и броят на дупките във валентната зона на втората част на полупроводника . За тази част на полупроводника валентната зона е същото , което е проводимата за първата . Ако това условие не е изпълнено , не настъпва режим на генерация , тъй като поглъщането ще доминира над изпускането .
Този тип полупроводници се наричат изродени .
В полупроводниковия лазер двата изродени полупроводника с електронна и дупчеста проводимост са съединени заедно . На границата се нарича така нареченият преходен слой с дебелина няколко десетки микрона . В този слой става излъчването на лазера .
Лазерът се включва към източник на постоянен ток , при което плюсът на източника се свързва към частта с дупчестата проводимост , а минусът към електронната . Такова включване застава електроните и дупките да се движат едни срещу други . В преходния слой те рекомбинират , тоест съединяват се . Този процес е съпроводен с излъчване на индуцирана светлина , която излиза навън през полираните стени на полупроводника , които изпълняват ролята на огледалата необходими за работата на лазера .
Полупроводников лазер от описания тип направен с галиев арсенид . Първите лазери от този тип са се появили в края на 1962 година .
Какво ново внасят полупроводниковите лазери в техниката ?
Когато ставаше дума за рубиновия лазер , един съществен негов недостатък беше малкият коефициент на полезно действие . създателите му също мечтаят да постигнат КПД от няколко процента , сега той е около четири процента . При полупроводниковите лазери такъв проблем не съществува. В тях електрическата енергия се преобразува в светлина с КПД , близък до 100 процента .
Друго тяхно предимство е миниатюрността – части от милиметъра , това са размерите на полупроводниковите лазери . Там където трябва да се поместят голям брой елементи в малък обем , лазерите от този тип ще се окажат незаменими .
Накрая трябва да се спомене още една възможност , която се появява във връзка със създаването на полупроводниковите лазери .
Представете си електростанция , чиято електроенергия на самото място се преобразува с полупроводникови лазери в светлина . Това преобразуване става почти без загуби . В мястото на приемане светлината отново се превръща в електроенергия , която се консумира от потребителите . Подобен начин за предаване на енергия е много изгоден в космоса , тъй като там няма да има разсейване от атмосферата .
Могат ли полупроводниковите лазери да изместят рубиновите и газовите ?
За да се отговори на този въпрос , отначало ще разгледаме , какво е индуцирано излъчване на полупроводниковите лазери .
Повечето от известните полупроводникови лазери дават инфрачервено излъчване . Лазер с галиев арсенид има максимум на излъчване с дължина на вълната 0,81 микрона . Ако се изготви кристал от галиев арсенид и галиев фосфид , може да се получи излъчване в червената част на спектъра .
Сега се търсят интензивно нови полупроводници , които да дават излъчване в областта на жълтите , зелените и сините части от спектъра . по разнообразие на излъчването полупроводниковите лазери не отстъпват на лазерите от другите типове .
Но те им отстъпват по някои важни параметри . Един от тях е разсейването на лъчите . В рубиновите лазери то е само няколко ъглови минути , докато в полупроводниковите лазери е цели градуси . в тях лъчът не е чак толкова тесен и насочен .
Вторият параметър е монохроматичността на излъчването . вече бе отбелязано , че преимуществото е на газовите лазери . Полупроводниковите също не дават еднородно излъчване , то обхваща то широк участък от спектъра .
Повечето от специалистите считат , че полупроводниковите лазери няма да изместят своите предшественици , а ще допълнят тяхното семейство , разширявайки възможностите за приложение на квантовите генератори .
Видове лазери според активната среда
История на създаване
Лазерът е оптическо устройство, представляващо квантов генератор и е източник на монохроматична, кохерентна, насочена светлина, т.е. лазерът изпуска тънък, добре насочен, кохерентен лъч с постоянна дължина на вълната ( еднакъв цвят), постаянна фаза и голяма яркост. Принципът на действие е комбинация между квантово механични и термодинамични процеси.
Вече повече от две хилядолетия историята предава от поколение на поколение легендата за римските галери на Клавдий Марцел от Архимед по времето на Втората пуническа война (214 г. пр.н.е). За да унищожи вражеските кораби Архимед използвал огледала, които фокусирали слънчевите лъчи. Така възникнала първата идея да се използват светлинните лъчи като оръжие. Тази легенда предизвиквала редица дискусии между учените. За да се установи дали това е действителност, били направени много опити с огледала, като приблизително се повтаряла ситуацията при Архимед.
Така например през 1747 г. фр. естественик Жорж Бюфон направил серия от опити с различен брой огледала. С помощта на 128 огедала той подпалил насмолена дъска, която била отдалечена на 150 фута.
Гръцкият инжинер Йоанис Сакас подредил на брега на морето 60 войници с огледала. За мишена служела лодка, натоварена със смола, отдалечена на 50 метра от брега. Когато войниците насочили лъчите на огледалата към нея, тя пламнала. Така пръв, който изказва предложение, че е възможно стимулирано излъчване на светлината, е Алберт Айнщайн през 1917 г. В основата на действието на лазерите днес лежи именно този принцип.
През 1951 г. московският физик В. А. Фабрикани и неговите сътрудници оформят заявка за авторско изобретение,в което предлагат начин за усилване на електро магнитното лъчение, основано на явлението “стимулирано излъчване”.
Три години по-късно съветски и американски учени едновременно и независимо едни от други получили с помощта на молекули стимулирано излъчване на електромагнитни трептения трептения със свръх честота. Съветските учени го нарекли моликулен генератор, а американските – тазер. Той излъчвал сноп от микро вълни и бил прилаган за микровълновата област на ЕМ спектър. По късно, когато принципът на действие бил разширен и приложен за електромагнитни вълни, в оптичния диапазон се появил и първият лазер. През 1960 изработен от американския физик Теодор Меймън. Той получил червена флоуресценсия на рубинов кристал, осветяван със зелена светлина.
След това се създали лазери с разтвори на органични багрила (оцветители).
След появата си лазерите се развили бурно. Смятало се е, че от тях ще станат чудесни военни оръжия. Появили се най-различни лазери с различна мощност и дължини на вълните в целия оптичен диапазон – от УВ област (ексимерни и азотни лазери), през видимата (аргонови и хелий – неонови лазери) до инфрачервената област (лазери с въглироден оксид и въглероден диоксид), а също и полупроводникови лазери.
Видове лазери
Основният принцип, който най-често се използва за класифицирането им, е типът на активната среда. Различаваме четири основни вида лазери: твърдотелни, газови, течни и полупроводникови лазери.
Твърдотелни лазери
Активната среда на тези лазери са диелектрични кристали и стъкла, в които някои от образуващите ги йони са заместени с йони на редкоземни и преходни метали. Именно тези йони са активните центрове. В твърдотелните лазери се използва само оптично наполепване. То може да се осъществи със специални лампи с полупроводникови диоди или с друг лазер. Активната среда при твърдотелните лазери се състои от матираща основа и активни центрове, въведени във вид на импулси. Използват се кристали или стъклени матрици. От кристалите най-широко приложение имат оксидните кристали, някои от които са предпочитани и в бижутерията – рубин, сапфир, гранат, алесадрид и др. Това е така, защото както и в бижутерията те трябва да бъдат прозрачни, да бъдат устойчиви на влиянието на околната среда, да се подават на полирани и шлайфане.
Днес рубиновите лазери имат ограничено приложение. Използват се в медицината, за лекуване на някои очни болести и за обработка на рубините, необходими в часовниковата промишленост. Най-голямо разпространение сега има лазерът с активна среда Nd: YAG (итриево алуминиев гранат, активиран с ниодим).
Газови лазери
Те били създадени почти едновременно с твърдотелните лазери. Тяхното работно вещество са различни газове, затворени в прозрачни тръби. Налягането в тези тръби е стотици пъти по-ниско от атмосферното. Както при твърдотелнитер тръбата е поместена между огледала. Голямата разлика от твърдотелните е начина на напомпване. Газовете при ниско налягане довре провеждат електричен ток, затова техните атоми могат да се възбуждат просто с електрически заряд. В зависимост от вида на газа, лазера дава лъч с различен цвят. Има дори лазер на водни пари. Той дава мощно инфрачервено излъчване. Това е най-дълговълновато излъчване, получено от лазер. Той като газа провежда много добре светлината, активната част може да се прави с големи размери – 5-10 см. В зависимост от вида на частиците, играещи ролята на активни центрове, различаваме три вида газови лазери:
*лазери с активна среда, неутрални атоми. Типичен представител на тези лазери е хелий – неоновия. Използват се като градивни елементи на голям брой апаратури в промишлеността, медицината, строителството и търговията, както и в системи за запис и възпроизвеждане на информация.
*лазери с активна среда, свободни йони. За да работи йонният лязер е необходимо да се създаде голяма концентрация на йони и инверсна населеност между работните им нива. Това се постига чрез дъгов разряд с много голяма плътност на тока през газовата среда. Пример с активна среда от йонизирани атоми е аргоновият лазер. Той е най-мощния сред лазерите, излъчващи във видимата част от спектъра. Основното му приложение е в медицината и фотохимията.
*лазери с активна среда, свободни молекули. Пример за лазер от тази група е лазер с активна среда СО2, който е най-мощния промишлено произвеждан лазер. Намира широко приложение в металургията, за обработка на метали и неметали и извършването на технически операции, като пробиване, рязане и други. Още по-мощен вариант на лазера с активна среда СО2 е т. нар. газодинамически лазер. Той прилича на реактивен двигател.
Полупроводникови лазери
Тези лазери се състоят от два полупроводника от различни типове съединени заедно. На границата между двата типа се образува т.нар. преходна зона. Атомите на веществото в тази зона са способни да се възбуждат при преминаване на електричен ток през зоната и да генерират светлина. При добавяне на огледала е възможно получаването на лазерно излъчване. За огледала може да се използват посребрени граници на самия кристал – полупроводник. Малките размери на тези размери ги правят много удобни там, където е нужен миниатюрен източник на светлина с голяма мощност. Недостатъкът им се състои в по-малката кохерентност и монохроматичност.
Течни лазери
Лазерите с течни активни среди имат някои предимства. Течните активни среди се приготвят лесно, сравнително евтини са и за разлика от газовите активни среди, концентрацията на активните центрове в течностите е много по-голяма и може лесно да се изменя. Най-широко разпространени са багрилните лазери. Наричат се така, защото тяхната работна течност е разтвор на анилеинови бои във вода, спирт, киселина и др. Течността се налива във ваничка, поставена между огледала. Вместо лампи се използват рубинови или газови лазери. Тези лазери могат да се излъчват в най-различна дължина на вълната – от ултравиолетово до инфрачервено излъчване. За да получи от лазера монохроматичност се поставя филтър.
РУБИНОВ ЛАЗЕР
Първият прототип на лазера е с активна среда от рубинов кристал с цилиндрична форма, на който двете чела са полирани, за да служат като отразяващи повърхности. По късно се появява лазер, използващ среда от хелий и неон, както и лазери с друга структура, работещи на същия принцип.
Устройство:
Рубиновият лазер се състои от електронна лампа или светлинна тръба, рубинов цилиндър поставен между две плоски успоредни огледала - едното непрозрачно, а другото - полупрозрачно за възбуждане на атомите и за създаване на необходимата обратна населеност. Рубиновият цилиндър произвежда лазерната светлина, а електронната лампа спомага за освобождаването на фотоните.
Действие:
1. Лазерът в състояние на покой
2. Електронната лампа се включва и "инжектира" светлина в рубинения цилиндър. При светване лампата излъчва ярка светлина с дължина на вълната 550 nm, на която съответства фотон с енергия 2.2 eV. Рубиновият кристал поглъща част от енергията на светлината. Атомите на хрома в рубина преминават от основното енергийно във възбудено състояние. Светлината възбужда атомите в рубина.
3. От възбудено състояние атомите или бързо се връщат в първоначалното състояние, или преминават в междинно метастабилно състояние с време на живот около 3 по 10 на минус трета секунди. При този преход без излъчване енергията се предава на кристалната решетка на средата. В междинното състояние възбудените атоми се задържат по-дълго време, отколкото във възбудено състояние, поради което в даден момент техният брой е много по-голям от броя на атомите в основното състояние. По такъв начин се създават нива с обратна населеност. Някои от тези атоми излъчват фотони.
4. Някои от фотоните се движат в посока паралелна на оста на рубина и така започват да се движат между двете огледала. По такъв начин те освобождават заедно и синхронно запасената енергия във вид на кохерентна лазерна светлина. Светлинните вълни получени в кристала, се отразяват от огледалата, по пътя си срещат други възбудени атоми и ги принуждават да излъчват фотони, предизвикват излъчването и в останалите атоми.
5. Така в активната среда на лазера (рубина) се освобождава светлинна енергия, част, от която се излъчва през полупрозрачното огледало във вид на червен монохроматичен лазерен сноп с дължина на вълната 694.3 nm - наблюдава се лазерната светлина. Поради импулсното действие на лампата рубиновият лазер излъчва мощни краткотрайни импулси с продължителност 10 на минус шеста секунди.