[lasers_madtehnik]

Решили создать тему о том ,кто, как и когда, изобрёл наши игрушки (лазеры) . И с чего это всё начиналось.

Добавлено через 2 минуты
И так впервые подал идею о существовании так называемого"вынужденного" излучения А.Эйнштейн (да,да тот самый) . Это было в1916 году! (во голова)

В 1940году В.А.Фабрикант разработал теорию применения неравновесных термодинамических систем для усиления света (неравновесная система -это какраз наши зеркала -одно полупрозрачное второе на 99.9% отражающее))

В 1950году Е.Парсел и Р.Паунд впервые получили вынужденное излучение ...

Продолжим...
в1953году , группой учёных , впервые получена генерация на молекулах аммиака (это уже почти лазер)
Н.Г.Басов
А.М.Прохоров
Дж.Вебер
Дж.Гордон
Х.Цайгер
Ч.Таунс

Добавлено через 2 минуты
1955 год
Н.Г.Басов и А.М.Прохоров предложили использовать,трёхуровневую схему и оптическую накачку для получения инверсии

Ну и наконец 1960 год
В этот год Т.Мейман и А.Джаван построили ,соответственно , впервые , рубиновый и газовый лазер (Ге-Не)
В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях,

[lasers_Fonarik]

а нельзя было это всё в один пост написать?

[lasers_madtehnik]

 Сообщение от Fonarik :

а нельзя было это всё в один пост написать?

а чем тебя такая выкладка неустраивает?

[lasers_Hobbi TV]

Объединил! Так удобней будет...

[lasers_madtehnik]

Немного о лазерных диодах (это ближе всего к нам)
Принцип действия

Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.

Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной частоты (резонансной частоты), он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode». Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

[Koner]

Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо

Вот меня уже давно мучает вопрос по зеркалам .... есть они или нет ???
Похоже что их нет ( в смысле отдельно напыляемых на торцы )
Но везде упорно идут разговоры про разрушение этих самых зеркал при повышении оптической мощности ( например при сильном охлаждении лазера ) А если их нет ... то и нарушаться вроде как нечему ????? Полировка то вроде не должна попортиться .....

Может Сергей даст все-таки доходчивое объяснение по конструкции красных и УФ диодов ......

[lasers_madtehnik]

зеркала - ЕСТЬ (это они неравновесная система для усиления света) Вот в этих лазерах- VECSEL

VECSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой

[lasers_madtehnik]

Наконец то нашёл...Вот они наши герои! Благодаря им мы сейчас играемся нашими указками...
Ж. Алфёров и Г. Кремер ,это они разработали в 1963 г. теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы полупроводниковые лазеры.

[lasers_madtehnik]

Немного формул и теории (по материалам ВИКИ)
Устройство лазера

Основная статья: Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

* активной (рабочей) среды;
* системы накачки (источник энергии);
* оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций. Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:
~N=N_0 \exp (-E/kT),

здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N0 — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов очень мало, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также очень мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:
~I_l=I_0 \exp (-a_1l),

здесь I0 — начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a1 — коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:
~I_l=I_0 \exp (a_2l),

где a2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).
Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).
На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет из себя кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd3+, используется четырехуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимуществом этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (ηквантовое = hνизлучения/hνнакачки)
Оптический резонатор
В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n:
~2L = n \lambda,

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:
\nu_n = \frac{c}{2L} n,

здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:
\vartriangle \nu_r = \frac{c}{2L}.

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину \vartriangle \nu_l. Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же \vartriangle \nu_l < \vartriangle \nu_r, то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом \varphi к ней. Условие усиления тогда принимает вид:
~2L \cos \varphi = n \lambda.

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

[lasers_madtehnik]

рисунок к началу статьи

[lasers_madtehnik]

рисунок пояснение трёхуровневой и ичетырехуровневой схемы накачки активной среды лазера.

[lasers_madtehnik]

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

[lasers_madtehnik]

Лазер с ядерной накачкой
как вам такое?

Добавлено через 1 минуту
Рентгеновский лазер с возбуждением активной среды с помощью энергии ядерного взрыва является на сегодняшний день одним из наиболее мощных лазерных устройств (устройство одноразового применения поскольку при взрыве оно испаряется).

Но при создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и этими атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Коэффициент усиления излучения составляет = s (Nвоз — Nocн), где s — сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nocн — число атомов в возбужденном и основном состояниях. В условиях термодинамического равновесия Nвоз < Nocн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям: Nвоз > Nocн. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что s µ l2.

Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 50-х годов. В 60-е годы был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелий-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили к середине 70-х годов создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета (возбужденные неоноподобные атомы) около 1000 Ангстрем (СССР). А к концу 70-х стало ясно, что практически осуществима схема лазера с длиной волны около 10-20 Ангстрем, на многозарядных ионах(например ионы селена-74) с возбуждением с помощью мощного лазера оптического диапазона (неодимовый лазер). А для рентгеновского диапазона с длиной волны менее 10 Ангстрем должны быть использованы ядерные переходы а так же эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта).

Для поддержки инверсной заселенности верхних уровней мощность возбуждения должна быть намного больше той, которая рассеивается в виде спонтанного излучения в среде (тепловые потери и др). Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте излучения и к, тому же вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника возбуждения, пропорциональна третьей степени от частоты излучения. Учитывая это, получим, что мощность, необходимая для поддержания инверсной заселенности, W µ n4 µ l-4.Так например для лазеров видимого диапазона с длиной волны около 500 нм, достаточно обеспечить мощность, вводимую в см³ среды около 100-10000 Вт/см³ (лампы-вспышки, хим-е реакции), то для лазера рентгеновского диапазона с длиной волны около 0,5 нм, плотность энергии «накачки» должна быть около 10 в десятой степени- 10в пятнадцатой степени Вт/см2 (!). Такой высокий уровень энергий при «накачке» может быть обеспечен только с помощью ядерного взрыва, либо в фокальном пятне мощного импульсного лазера.

В 1984 году в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «NOVETTA» И «NOVA» (Ливермор,Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса), каждый луч которого имел плотность мощности 5 ґ 10в тринадцатой степениВт/см²в импульсе длительностью 450 пикосекунд на волне 5320 Ангстрем. В фокусе лазера помещалась мишень — тончайшая пленка размером 0,1 ґ 1,1 см из селена-74 или иттрия.Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206,3 Ангстрема и 209,6 Ангстрема для селена и 155 A — для ионов иттрия. Достигнутый коффиэциент усиления превысил 100000000 раз.

В том же году в лаборатории физики плазмы (Принстон, США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах углекислого газа удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 Ангстрем. Их лазер накачки имел импульсную мощность около 20 ГВт. Пучок лазера был сфокусирован на площади диаметром около 0,2 мм, что и позволило достичь плотности энергии около 10в тринадцатой степени Вт/см².В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, и вследствие интерференции усиливаются, таким образом коэффициент отражения зеркала нарастает и достигает 62-75 %.

В 1986, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 Ангстрем. Дальнейшее уменьшение длины волны необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного пучка, и потребует огромных плотностей энергии «накачки», которые можно получить только при ядерном взрыве. Разработки в данном направлении, с целью создания боевого лазера работающего в рентгеновской части спектра велись в США (Ливермор, Э.Теллер). Во время подземных ядерных взрывовв 1983 году(полигон Невада) были проведены оценочные испытания первых рентгеновских лазеров). В 1983 году было опубликовано первое сообщение об измеренных во время эксперимента параметрах лазерного излучения: длина волны около 14 Ангстрем, длительность импульса Ј 10-9 с, мощность излучения полученная от рентгеновского лазера при атомном взрыве превысила 400 Тераватт (!). Конструкция лазера не была подробно описана, но стало известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни.

После взрыва ядерного заряда вещество рабочих стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, и начинается рекомбинация в основном на нижние уровни, происходит излучение в рентгеновской части спектра. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, и облако раскаленной до миллионов градусов плазмы не успевает существенно изменить свою геометрию, то оно сохраняет форму и направление рабочего стержня. Так как зеркал для работы с рентгеновским излучением с длиной волны около 10 A пока еще не существует (см.рентгеновское зеркало), то рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией и геометрией стержня. Точнее говоря, наибольшим значением из них. Принимая малое значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: D = (lL)1/2. Для длин волн около 10-14 Ангстрем и L = 7 м это дает D = 0,1 мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~ 10-5рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту рекомбинации сгусток плазмы может расшириться до 0,8-1 мм, и в этом случае расходимость лазерного луча будет порядка от 10в минус четвёртой до 10в минус пятой степени. Для поражения межконтинентальной ракеты, то есть для достижения плотностей энергии около 10-20 кДж/см²на расстоянии до 1000 километров при расходимости луча 10-5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~ 10в десятой степени Джоулей. При КПД лазера около 8-10 % и при расстоянии стержня от ядерного заряда ~ 1 м мощность заряда должна быть около 10в пятнадцатой степени Джоулей, или порядка двухсот килотонн тротилового эквивалента. При этом предположительно львиная доля энергии ядерного взрыва пойдет на испарение рабочих стержней (стержня), и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боковой поверхностью. Однако в литературе на эту тему упоминаются заряды значительно меньшей мощности. Возможно использовать не одну, а несколько десятков (около 50-100) параллельно ориентированных стержней наводимых на цель. Возможно также что инженеры попытаются создать концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов или многослойные рентгеновские зеркала (с высокими характеристиками отражения), и в этой области предвидится значительный успех.

Современные технологии позволяют создавать достаточно компактные рентгеновские лазеры (массой около 1-2 тонны), удобные для вывода на орбиту с помощью межконтинентальных ракет. Компьютерное управление отдельными стержнями позволит поражать одновременно до нескольких десятков целей, или гарантированно поражать одну. Таким образом можно заключить из целого ряда публикаций что рентгеновский лазер при соответствующем развитии технологий способен стать одним из основных инструментов в космических вооружениях и системах противоракетной обороны.

Добавлено через 1 минуту
Лазер с ядерной накачкой — это лазерное устройство, основная энергия лазерного излучения которого генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, основными из которых являются ядерный либо термоядерный взрыв, инверсное излучение возбуждённых плазменных сред, излучение возбуждённых твердотельных сред либо синхротронное излучение пучка электронов при пролёте через область переменного магнитного поля (FEL-лазер).

[lasers_madtehnik]

Классификация лазеров

Твердотельные лазеры
Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине .

Лазеры на красителях
Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.

Газовые лазеры
Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

Газодинамические лазеры
Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество — CO2).

Эксимерные лазеры
Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих из себя среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

Химические лазеры
Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

Лазеры на свободных электронах
Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 108 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.

Квантовые каскадные лазеры
Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

[lasers_madtehnik]

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Аберрация — явление, заключающееся в том, что световые лучи, исходящие из одной точки, после отражения их от вогнутого зеркала или прохождения через линзу, не сходятся в одной точке (фокусе), а дают расплывчатое изображение в виде пятна; объясняется большей отклоняемостью лучей у краев зеркала или линзы, чем в средней их части.

Апертура — угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающий в оптический прибор.

Время жизни, на уровне — средняя продолжительность пребывания атома, молекулы и др. квантовой системы в состоянии с определенной энергией.

Время когерентности — наибольший временной интервал, в течение которого сохраняется постоянство (или закономерная связь) характеристик колебания (амплитуды, частоты, фазы). Чем оно больше, тем ближе колебание к гармоническому.

Гетеродинирование — преобразование модулированных электрических колебаний высокой частоты в колебания промежуточной частоты. В оптике гетеродином может служить перестраиваемый лазер.





Голограмма — зарегистрированная фотопластинкой интерференционная картина, образованная когерентным излучением источника (опорный пучок) и излучением, рассеянным предметом, освещенным тем же источником. Голограмма содержит информацию об объемном изображении предмета.

Голограммы Фурье — голограммы плоского объекта, записываемые с помощью опорного источника, расположенного в плоскости объекта, параллельной плоскости голограммы.

Голография — принципиально новый метод получения объемных изображений предметов, основанный на явлении интерференции света.

ГСП — гиростабилизированная платформа. Стабилизация платформы, на которой располагаются приборы и устройства, нуждающиеся в стабилизации при движении объекта, осуществляется гироскопами совместно с различными электроавтоматическими устройствами.

Детектирование (демодуляция) — преобразование электрических колебаний, в результате которого получается постоянный ток и колебания более низкой частоты.

Диссектор — электронно-оптический преобразователь, преобразующий изображение на поверхности фотокатода в поток электронов со всей площади фотокатода, промодулированный яркостью изображения. Этот поток с помощью отклоняющей системы развертывается мимо точечного отверстия, за которым — электронный умножитель.

Диссоциация — распадение (расщепление) молекул на составные части.

Дифракция света — нарушение законов геометрической оптики, наблюдающееся в местах резкой неодиородностя среды. Она приводит к отклонению распространения света от прямолинейного вблизи краев непрозрачных тел, к «огибанию» препятствий световыми лучами.

Инверсия населенностей — соотношение между населенностями энергетических уровней атомов и молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем.

Интерференция света — явление, заключающееся в том, что при наложении двух или более световых волн с одинаковой частотой и поляризацией в различных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей амплитуды световых колебаний в зависимости от соотношения между фазами колебаний световых волн в этих точках.

Ионизация — образование ионов, происходит под влиянием химических процессов, освещения газов ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, под действием радиоактивных веществ, высоких температур, ударов быстрых электронов и ионов.



Когерентность — согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов.

Когерентность пространственная — понятие, характеризующее постоянство или изменение по определенному закону основных характеристик волны (амплитуды, частоты, фазы, поляризации) в пространстве. Пространственная когерентность нарушается там, где исчезает закономерная связь характеристик волны и вместе с ней интерференционная картина.

Криостат — устройство для поддержания в каком-либо объеме температуры ниже температуры окружающей среды.

Лазер — это слово составлено из первых букв английской фразы: «Light amplification by stimulated emission of radiation», что означает: усиление света с помощью стимулированного излучения.

Легирование — введение в основной металл добавки другого для улучшения его свойств.

Мазер — любой прибор радиодиапазона, в котором используется стимулированное излучение атомов и молекул. Оно составлено из начальных букв основных слов английской фразы: «Microwave amplification by stimulated emission of radiation», что означает: усиление радиоволн в результате стимулированного излучения.

Микросистема — система, состоящая из конечного числа элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны), взаимодействующих друг с другом, например атомное ядро, атом, молекула, кристалл.

Модуляция добротности — метод получения одиночных коротких лазерных импульсов большой мощности, при котором добротность резонатора лазера быстро увеличивается от небольших начальных значений до очень больших величии.

Монохроматичность — степень близости колебаний к идеальным колебаниям. Чем выше монохроматичность, тем в меньшем интервале частот группируются частоты его монохроматических составляющих.

Накачка — процесс нарушения равновесного распределения микрочастиц (электронов, атомов, молекул) по их уровням энергии под действием внешнего электромагнитного излучения или постоянного электрического поля. Накачка может перевести вещество из состояния теплового равновесия, когда оно поглощает излучение, в активное состояние, когда вещество может усиливать и генерировать излучение.

Оптический резонатор — открытый резонатор, в котором возбуждаются электромагнитные колебания оптического диапазона.

Плазма (газовая) — состояние газа с высокой концентрацией заряженных частиц — ионов и электронов.

Порог генерации — состояние квантового устройства, при котором энергия, излучаемая веществом на частоте рабочего перехода, равна полной потере энергии на этой частоте.

Резонатор - колебательная система, в которой возможно накопление энергии колебаний. Если на резонатор действует внешняя периодическая сила, то в нем возникают вынужденные колебания, амплитуда которых резко возрастает при приближении частоты внешнего воздействия к определенным (собственным) значениям частоты, зависящим от свойств резонатора.

Рубин (синтетический) — твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд — диэлектрический кристалл окиси алюминия А12О3. Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов алюминия в этом кристалле заменяют ионами хрома (0,05% ).

Сканирование (то же, что и развертка) — движение луча или изображения, осуществляемое по определенной траектории с известной скоростью и имеет целью отобразить какой-либо процесс во времени.

Скрайбирование — метод резки и фасонной обработки образцов, в ходе которого испарением охватывается лишь часть поверхности вдоль границы раздела.

Спектральная плотность излучения — энергия электромагнитного излучения, приходящаяся на 1 см3 и на единичный интервал частоты (1 Гц).

Спонтанное излучение — суммарное излучение вещества в результате самопроизвольных (спонтанных) излучательных квантовых переходов его частиц (атомов, молекул и др.) на более низкие уровни энергии.

Спонтанный шум — случайные изменения электромагнитного поля, вызванные самопроизвольным (спонтанным) излучением.

Стимулированное излучение (вынужденное излучение) — излучение атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля (излучения). Важное свойство этого излучения состоит в том, что оно ничем не отличается от стимулирующего излучения, совпадают все характеристики — частота, поляризация, направление распространения и фаза.

Тепловое равновесие — состояние, в которое приходит любая физическая система при неизменных внешних условиях.

Угол Брюстера — угол, при котором в отраженном свете остается только волна, поляризованная перпендикулярно плоскости падения (угол полной поляризации).

Фотон — квант (наименьшая порция) электромагнитного излучения данной частоты.

Эксимер — молекула, устойчивая в возбужденном состоянии, но не связанная в основном состоянии. Эксимеры инертных газов при высоком давлении испускают молекулярное излучение в области вакуумного ультрафиолета и обладают высоким коэффициентом преобразования кинетической энергии электронов в свет.

Юстировка — выверка и регулировка прибора или механизма.

[lasers_madtehnik]

Пожалуйста выкладываем свои пожелания и замечания по этой теме.

[Demon99974]

Дас Батенька! Дали Вы Джазу! В "Курилке" и подумать нельзя было о количестве УМИЩА! Мои поздравления! Очень увлекательно изложено,без лишнего теоретического нагромождения.. И всетаки хотелось бы пару ссылок на источники,если можно.Так,для более углубленного изучения вопроса,самостоятельно.С уважением,коллега "Курильщик".

[Demon99974]

А нельзя ли подредактировать пост №13 и ему подобные на предмет правильного написания численных показателей.Например:"расходимость10-5 рад",написать как положено "10 в минус пятой степени","Мощность накачки 1015 Дж",написать по человечески "10 в пятнадцатой степени" ну и т.д.

[lasers_madtehnik]

 Сообщение от Demon99974 :

А нельзя ли подредактировать пост №13 и ему подобные на придмет правильного написания численных показателей.Например:"расходимость10-5 рад",написать как положено "10 в минус пятой степени","Мощность накачки 1015 Дж",написать по человечески "10 в пятнадцатой степени" ну и т.д.

Спасибо за замечание, исправил.

[lasers_madtehnik]

Нашёл когда и где представили публике один из первых полупроводниковых лазеров. Это состоялось на Лейпцигской ярмарке в 1965 году , Это был лазерный диод на основе арсенида галлия (размер кристалла ,был, 0.03мм3). Называлось это чудо "Луч-3" .Он находился в термостате с жидким азотом при температуре -196 градусов цельсия . Работал в импульсном режиме на волне 0.844мкм , имея длительность импульса 2мкс и достигал мощности излучения до 10Вт.