Lazer yuqori direktiv nurli nurli monoxromatik kogerent yorug'lik manbai hisoblanadi

Yigirmanchi asrning ikkinchi yarmida fizikaning eng ajoyib yutuqlaridan biri ajoyib qurilma, optik kvant generatori yoki lazerni yaratish uchun asos bo'lgan fizik hodisalarning kashf etilishi edi.
Lazer yuqori direktiv nurli nurli monoxromatik kogerent yorug'lik manbai hisoblanadi.
Kvant generatorlari fan va texnikaning turli sohalaridagi eng soʻnggi yutuqlarni oʻzida mujassam etgan elektron qurilmalarning maxsus sinfidir.
Gaz lazerlari - faol muhit gaz, bir nechta gazlar aralashmasi yoki gazlarning metall bug'lari bilan aralashmasi bo'lgan lazerlar.
Gaz lazerlari bugungi kunda eng ko'p qo'llaniladigan lazer turidir. Har xil turdagi gaz lazerlari orasida har doim lazer uchun deyarli har qanday talabni qondiradigan lazerni topish mumkin, impulsli rejimda spektrning ko'rinadigan hududida juda yuqori quvvat bundan mustasno.
Materiallarning chiziqli bo'lmagan optik xususiyatlarini o'rganishda ko'plab tajribalar uchun yuqori quvvatlar kerak. Hozirgi vaqtda gaz lazerlarida yuqori quvvatlar olinmagan, chunki ulardagi atomlarning zichligi etarlicha yuqori emas. Biroq, deyarli barcha boshqa maqsadlarda, optik pompalanadigan qattiq holatdagi lazerlar va yarim o'tkazgichli lazerlardan ustun bo'lgan o'ziga xos turdagi gaz lazerini topish mumkin.
Gaz lazerlarining katta guruhi gaz deşarj lazerlari bo'lib, ularda faol muhit kam uchraydigan gaz (bosim 1-10 mm Hg) bo'lib, nasos porlash yoki yoy bo'lishi mumkin bo'lgan elektr razryad orqali amalga oshiriladi va yaratiladi. to'g'ridan-to'g'ri oqim yoki yuqori chastotali o'zgaruvchan tok (10 -50 MGts) bilan.
Gaz chiqarish lazerlarining bir necha turlari mavjud. Ion lazerlarida nurlanish ionlarning energiya darajalari orasidagi elektronlarning o'tishlari tufayli olinadi. Bunga misol qilib, shahar yoyi deşarjdan foydalanadigan argon lazerini keltirish mumkin.
Atom o'tishlariga asoslangan lazerlar atomlarning energiya darajalari orasidagi elektronlarning o'tishlari tufayli hosil bo'ladi. Ushbu lazerlar to'lqin uzunligi 0,4-100 mkm bo'lgan nurlanish hosil qiladi. Misol tariqasida geliy va neon aralashmasida taxminan 1 mmHg bosim ostida ishlaydigan geliy-neon lazeridir. Art. Nasos uchun taxminan 1000 V doimiy kuchlanish natijasida hosil bo'lgan porlash oqimi ishlatiladi.
Molekulyar lazerlar ham gazli lazerlarga tegishli bo'lib, ularda nurlanish molekulalarning energiya darajalari orasidagi elektron o'tishlaridan kelib chiqadi. Ushbu lazerlar 0,2 dan 50 mkm gacha bo'lgan to'lqin uzunliklariga mos keladigan keng chastota diapazoniga ega.
Molekulyar karbonat angidrid lazerining eng keng tarqalgani (CO 2 lazer). U 10 kVtgacha quvvatni etkazib bera oladi va ancha yuqori samaradorlikka ega - taxminan 40%. Azot, geliy va boshqa gazlar odatda asosiy karbonat angidridga qo'shiladi. Nasos uchun to'g'ridan-to'g'ri oqim yoki yuqori chastotali porlashdan foydalaniladi. Karbonat angidrid lazeri to'lqin uzunligi taxminan 10 mikron bo'lgan radiatsiya hosil qiladi.
Kvant generatorlarining dizayni ularning ishlashini aniqlaydigan turli xil jarayonlar tufayli juda mashaqqatli, ammo shunga qaramay, karbonat angidrid gazi lazerlari ko'plab sohalarda qo'llaniladi.
CO 2 lazerlari asosida lazerni yo'naltirish tizimlari, atrof-muhitni kuzatish uchun joylashishni aniqlash tizimlari (lidarlar), lazerli payvandlash, metallar va dielektrik materiallarni kesish uchun texnologik qurilmalar, shisha yuzalarni chizish va po'latdan yasalgan buyumlarning sirtini qattiqlashtirish uchun qurilmalar ishlab chiqilgan. va muvaffaqiyatli faoliyat yuritdi. Shuningdek, CO2 lazerlari kosmik aloqa tizimlarida keng qo'llaniladi.
"Optoelektron kvant qurilmalari va qurilmalari" fanining asosiy maqsadi optik aloqa tizimlarida qo'llaniladigan eng muhim qurilmalar va qurilmalarning fizik asoslari, qurilmalari, ishlash tamoyillari, xarakteristikalari va parametrlarini o'rganishdir. Bularga kvant generatorlari va kuchaytirgichlar, optik modulyatorlar, fotodetektorlar, chiziqli bo'lmagan optik elementlar va qurilmalar, golografik va integral optik komponentlar kiradi. Bu ushbu kurs loyihasi mavzusining dolzarbligini anglatadi.
Ushbu kurs loyihasining maqsadi gaz lazerlarini tavsiflash va geliy-neon lazerini hisoblashdir.
Maqsadga muvofiq quyidagi vazifalar hal etiladi:
Kvant generatorining ishlash printsipini o'rganish;
CO 2 lazerining qurilmasi va ishlash printsipini o'rganish;
Lazerlar bilan ishlashda xavfsizlik hujjatlarini o'rganish;
CO 2 lazerini hisoblash.
1 Kvant generatorining ishlash printsipi
Kvant generatorlarining ishlash printsipi kuchaytirishga asoslangan elektromagnit to'lqinlar stimulyatsiya qilingan (induktsiyalangan) nurlanish ta'siridan foydalanish. Kuchaytirish tashqi nurlanish bilan qo'zg'atilgan atomlar, molekulalar va ionlarning ba'zi bir qo'zg'atilgan yuqori energiya darajasidan pastki (quyida joylashgan) o'tishlari paytida ichki energiyaning chiqishi bilan ta'minlanadi. Bu majburiy o'tishlarga fotonlar sabab bo'ladi. Foton energiyasini quyidagi formula bo'yicha hisoblash mumkin:
hn \u003d E 2 - E 1,
bu erda E2 va E1 - yuqori va pastki darajalarning energiyalari;
h = 6,626∙10-34 J∙s - Plank doimiysi;
n = c/l - nurlanish chastotasi, c - yorug'lik tezligi, l - to'lqin uzunligi.
Qo'zg'alish yoki, odatda, nasos, to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasi manbasidan yoki optik nurlanish oqimi tufayli amalga oshiriladi. kimyoviy reaksiya, bir qator boshqa energiya manbalari.
Termodinamik muvozanat sharoitida zarrachalarning energiya taqsimoti yagona tarzda tananing harorati bilan belgilanadi va Boltsman qonuni bilan tavsiflanadi, unga ko'ra energiya darajasi qanchalik yuqori bo'lsa, ma'lum bir holatda zarralar kontsentratsiyasi shunchalik past bo'ladi. so'z bilan aytganda, uning aholisi kamroq.
Termodinamik muvozanatni buzadigan nasos ta'siri ostida, yuqori darajadagi aholi pastki aholi sonidan oshib ketganda, teskari vaziyat yuzaga kelishi mumkin. Populyatsiya inversiyasi deb ataladigan holat yuzaga keladi. Bunday holda, induktsiyalangan nurlanish sodir bo'ladigan yuqori energiya darajasidan pastki darajaga majburiy o'tishlar soni dastlabki nurlanishning yutilishi bilan birga keladigan teskari o'tishlar sonidan oshadi. Induktsiyalangan nurlanishning tarqalish yo'nalishi, fazasi va qutblanishi ta'sir qiluvchi nurlanishning yo'nalishi, fazasi va qutblanishiga to'g'ri kelganligi sababli, uning kuchayish effekti paydo bo'ladi.
Induktsiyalangan o'tishlar tufayli nurlanish kuchayishi mumkin bo'lgan muhit faol muhit deb ataladi. Uning kuchaytiruvchi xususiyatlarini tavsiflovchi asosiy parametr koeffitsient yoki kuchaytirish omili kn - o'zaro ta'sir maydonining birlik uzunligi uchun n chastotada nurlanish oqimining o'zgarishini aniqlaydigan parametr.
Kuchaytirilgan signalning bir qismi faol muhitga qaytarilganda va qayta kuchaytirilganda, radiofizikada ma'lum bo'lgan ijobiy qayta aloqa printsipini qo'llash orqali faol muhitning kuchaytiruvchi xususiyatlarini sezilarli darajada yaxshilash mumkin. Agar bu holda daromad barcha yo'qotishlardan, shu jumladan foydali signal (foydali yo'qotishlar) sifatida ishlatiladiganlardan oshsa, avtomatik ishlab chiqarish rejimi paydo bo'ladi.
O'z-o'zini avlod o'z-o'zidan o'tishning paydo bo'lishi bilan boshlanadi va daromad va yo'qotish o'rtasidagi muvozanat bilan belgilanadigan qandaydir statsionar darajaga qadar rivojlanadi.
Kvant elektronikasida ma'lum to'lqin uzunligida ijobiy fikrni yaratish uchun asosan ochiq rezonatorlar qo'llaniladi - ikkita ko'zgu tizimi, ulardan biri (kar) butunlay shaffof bo'lishi mumkin, ikkinchisi (chiqish) shaffof bo'ladi.
Lazer hosil bo'lish hududi elektromagnit to'lqinlarning optik diapazoniga to'g'ri keladi, shuning uchun lazer rezonatorlari optik rezonatorlar deb ham ataladi.
Yuqoridagi elementlarga ega lazerning tipik funksional diagrammasi 1-rasmda keltirilgan.
Gaz lazerining majburiy strukturaviy elementi qobiq (bo'shatish trubkasi) bo'lishi kerak, uning hajmida ma'lum bir bosimda ma'lum tarkibdagi gaz mavjud. Oxirgi tomonlarda qobiq lazer nurlanishiga shaffof materialdan yasalgan derazalar bilan yopiladi. Qurilmaning ushbu funktsional qismi faol element deb ataladi. Oynalar sirtidan aks ettirish yo'qotishlarini kamaytirish uchun Brewster burchagiga o'rnatiladi. Bunday qurilmalarda lazer nurlanishi har doim polarizatsiyalangan.
Faol elementdan tashqarida o'rnatilgan rezonator nometall bilan birgalikda faol element emitent deb ataladi. Variant rezonator nometalllari to'g'ridan-to'g'ri faol elementning qobig'ining uchlariga o'rnatilganda, bir vaqtning o'zida gaz hajmini yopish uchun oynalar funktsiyasini bajaradigan bo'lsa (ichki nometallli lazer).
Faol muhitning kuchayishining chastotaga bog'liqligi (foydalanish davri) ishchi spektral chiziqning shakli bilan belgilanadi. kvant o'tish. Lazer hosil bo'lishi faqat ko'zgular orasidagi bo'shliqda yarim to'lqinlarning butun soniga to'g'ri keladigan ushbu sxema ichidagi shunday chastotalarda sodir bo'ladi. Bunday holda, to'g'ridan-to'g'ri va orqaga to'lqinlarning aralashuvi natijasida rezonatorda ko'zgularda energiya tugunlari bo'lgan doimiy to'lqinlar hosil bo'ladi.
Rezonatorda turgan to'lqinlarning elektromagnit maydonining tuzilishi juda xilma-xil bo'lishi mumkin. Uning maxsus konfiguratsiyasi mods deb ataladi. Har xil chastotali, lekin ko'ndalang yo'nalishda bir xil maydon taqsimotiga ega bo'lgan tebranishlar uzunlamasına (yoki eksenel) rejimlar deb ataladi. Ular rezonator o'qi bo'ylab qat'iy ravishda tarqaladigan to'lqinlar bilan bog'liq. Maydonni ko'ndalang yo'nalishda taqsimlashda bir-biridan farq qiluvchi tebranishlar, mos ravishda - ko'ndalang (yoki eksenel bo'lmagan) rejimlar. Ular o'qga turli xil kichik burchaklarda tarqaladigan va mos ravishda to'lqin vektorining ko'ndalang komponentiga ega bo'lgan to'lqinlar bilan bog'liq. Turli rejimlarni belgilash uchun quyidagi qisqartma ishlatiladi: TEMmn. Ushbu belgida m va n ko'ndalang yo'nalishda turli koordinatalar bo'ylab oynalarda maydon o'zgarishining davriyligini ko'rsatadigan indekslardir. Agar lazer bilan ishlash jarayonida faqat asosiy (eng past) rejim yaratilsa, bitta rejimli ish haqida gapiriladi. Agar bir nechta transvers rejimlar mavjud bo'lsa, rejim multimod deb ataladi. Yagona rejimda ishlaganda, turli xil uzunlamasına rejimlar bilan bir nechta chastotalarda ishlab chiqarish mumkin. Agar avlod faqat bitta uzunlamasına rejimda sodir bo'lsa, bitta chastotali rejim haqida gapiriladi.
1-rasm - Gaz lazerining sxemasi.
Rasmda quyidagi belgilar qo'llaniladi:

1. 
   Optik rezonatorning nometalllari;
   
2. 
   Optik rezonatorli oynalar;
   
3. 
   elektrodlar;
   
4. 
   Bo'shatish trubkasi.
   

2 CO 2 lazerining dizayni va ishlash printsipi
Sxematik ravishda CO 2 lazer qurilmasi 2-rasmda ko'rsatilgan.

2-rasm - CO2 lazer qurilmasining printsipi.

CO 2 lazerlarining eng keng tarqalgan turlaridan biri gaz-dinamik lazerlardir. Ularda lazer nurlanishi uchun zarur bo'lgan populyatsiya inversiyasiga gaz 20-30 atm bosimda 1500 K ga oldindan qizdirilganligi sababli erishiladi. , ish kamerasiga kiradi, u erda kengayadi va uning harorati va bosimi keskin kamayadi. Bunday lazerlar 100 kVtgacha quvvatga ega bo'lgan uzluksiz nurlanishni ishlab chiqarishi mumkin.
CO 2 lazerlarining faol muhitini (ular aytganidek, "nasoslash") yaratish uchun ko'pincha doimiy to'lqinli oqim ishlatiladi. So'nggi paytlarda yuqori chastotali deşarj tobora ko'proq foydalanilmoqda. Lekin bu alohida masala. Yuqori chastotali zaryadsizlanish va bizning davrimizda topilgan eng muhim ilovalar (nafaqat lazer texnologiyasida) alohida maqola mavzusidir. Haqida umumiy tamoyillar elektr deşarj CO 2 lazerlarining ishlashi, bu holda yuzaga keladigan muammolar va to'g'ridan-to'g'ri oqim deşarjdan foydalanishga asoslangan ba'zi dizaynlar.
1970-yillarning boshida, yuqori quvvatli CO 2 lazerlarini ishlab chiqish jarayonida, zaryadsizlanish lazerlarga zararli bo'lgan hozirgacha noma'lum xususiyatlar va beqarorlik bilan tavsiflanganligi aniq bo'ldi. Ular yuqori bosimda katta hajmni plazma bilan to'ldirishga urinishlar uchun deyarli engib bo'lmaydigan to'siqlarni keltirib chiqaradi, bu esa yuqori lazer quvvatlarini olish uchun zarur bo'lgan narsadir. Ehtimol, so'nggi o'n yilliklarda gazlardagi elektr zaryadsizlanishi fanida yuqori quvvatli CW CO 2 lazerlarini yaratish muammosi kabi amaliy ahamiyatga ega bo'lgan muammolardan hech biri xizmat qilmagan.
CO 2 lazerining ishlash printsipini ko'rib chiqing.
Deyarli har qanday lazerning faol muhiti ma'lum molekulalar yoki atomlardagi moddadir, ularning ma'lum bir juft darajalarida teskari populyatsiya yaratilishi mumkin. Bu shuni anglatadiki, radiatsiyaviy lazer o'tishiga mos keladigan yuqori kvant holatidagi molekulalar soni pastki qismidagi molekulalar sonidan oshadi. Odatiy holatdan farqli o'laroq, bunday muhitdan o'tadigan yorug'lik nuri so'rilmaydi, balki kuchayadi, bu radiatsiya hosil qilish imkoniyatini ochadi.