Қатты денелі лазерлер. Түрлері. Жұмыс принциптері

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 22 бет
Таңдаулыға:

Ғабдолла Жансая ФПК-306.
1-тақырып.
Қатты денелі лазерлер.
Тапсырма.
Қаттыденелік лазерлердің жалпы сипаттамалары. Рубиндік лазер. Алюмоиттрилі гранатқа және шыныға негізделген неодимдік лазерлер. Гадолиний-скандий-галлилі-гранат кристалы мысалындағы басқа кристалдық матрицалар. Александритке негізделген лазерлер. Дайындалған кезде Қаттыденелік лазерлердің жалпы сипаттамалары сұрағына ерекше көңіл бөлу керек.
Қаттыденелік лазерлердің жалпы сипаттамалары.
Лазер -- атомдар мен молекулалардың еріксіз сәуле шығаруына негізделген электромагниттік сәуле.
Қатты күйдегі лазер-бұл Белсенді орта белсендірілген диэлектрлік кристалдар мен әйнектер немесе өзіндік нүктелік ақаулары бар диэлектрлік кристалдар болатын лазер. Кристалдар мен әйнек активаторлары ретінде сирек кездесетін элементтердің иондары немесе темір тобының иондары қызмет етеді. Кристалдардағы өзіндік нүктелік ақаулар иондаушы сәулеленудің әсерінен немесе қосымша бояу арқылы пайда болады. Кері популяцияны құру үшін активаторлардың немесе өз ақауларының энергия деңгейлері қолданылады.

Қатты денелік лазердің жұмыс істеу принципі: иондардың бірінші деңгейден үшінші дедгейге өтуі активті ортаның пайда болуын қамтамасыз етсе, екінші деңгенден бірінші деңгейге өткенде қызыл жарық пайда болады. Қатты денелік лазерлер - бұл лазерлерде активті орта ретінде кристалдық немесе аморфтық диэлектрик пайдаланылады. Активті центрлер ролін активті ортаға арнайы ендірілген (қоспа түрінде) иондар атқарады. Қатты денелік лазерлерде тек оптикалық толтыру қолданылады. Активті ортадағы инверсия толтыру лампасының қуатты жарығымен жарықтандыру арқылы жасалады. Жарық ағынын тиімді пайдалану үшін активті стержень және лампа шағылдырғыш эллипстік қораптың фокустарына орналастырылады. Толтыру көзінің (лампа) энергиясы түгелдей пайдалы сәулеге айналмайды, оның көпшілік бөлігі (≈85%) стерженьді қыздыруга жұмсалады. Жоғары температурада стержень қасиеттері өзгеріп, лазер өз жұмысын тоқтатуы мүмкін. Сондықтан қуатты лазерлерде салқындату системасы қолданылады.
Құрамы жөнінен рубин алюминий тотығының хроммен қосылысы болып есептеледі. Құрылысы жөнінен бұл кристалл оттегі және алюминий атомдарынан тұратын ара ұясын еске түсіреді. Тек кейбір ұяда хром атомы орналасады. Алюминий тотығына енген хром атомдары берік орналасу үшін өзінің үш электронын оттегінің атомдарына береді де, өзі зарядталған хром ионына айналады. Міне осы хром ионы жарық толқындарының көзі болып саналады.
Қатты күйдегі лазерлердің жұмыс элементі кристалды немесе аморфты диэлектриктен жасалған. Мұндай лазерлер сенімді, ыңғайлы және басқаруға салыстырмалы түрде қарапайым. Шағын өлшемдермен олар импульстің өте жоғары қуатын (1012 Вт-қа дейін немесе одан жоғары), өте қысқа жарық импульстарын (10-12 с немесе одан аз) жасай алады, сонымен қатар бірнеше мильватттан шығатын қуатпен үздіксіз режимде жұмыс істейді. жүздеген ваттға дейін. Қатты күйдегі лазерлер оптикалық түрде айдалады. Ол үшін электр энергиясы арнайы сорғы лампаларының көмегімен немесе атомдар сіңіретін жартылай өткізгіш лазерлік диодтардың көмегімен оптикалық сәулеленуге айналады.Қатты күйдегі лазерлердің спектрлік диапазоны белсенді ортаның оптикалық мөлдірлігімен шектелген. Қысқа толқын жағынан ішкі сіңіру процестерімен, ал ұзын толқын жағынан торлы тербелістермен өзара әрекеттесу арқылы шектеледі. Сондықтан қатты дене лазерлері ультрафиолет, көрінетін және спектрдің инфрақызыл аймақтарына жақын жерде жұмыс істейді.Белсенді диэлектриктер деп аталатын, оптикалық айдалатын қатты күйдегі лазердің белсенді элементтерін жасауға арналған материалдар үш немесе төрт деңгейлі лазер жұмысынан туындайтын талаптарға жауап беретін белгілі бір энергия деңгейлеріне ие болуы керек. Бұл материалдарда мыналар болуы керек деген тұжырымға келу оңай: а) біртектілікке жақын жұмыс өтпесінде кванттық шығымдылығы бар интенсивті флуоресценция; б) сорғыш көзінің сәулелену аймағында белсенді сіңірудің кең жолақтары; және в) жұмыс ауысуының жиілігінде шығындардың болмауы. Резонатордың ішінде және қарқынды жарық айдау жағдайында жұмыс жасайтын белсенді элемент жоғары оптикалық қасиеттерді сақтауы керек. Бұл қатты күйдегі лазердің белсенді материалдарының механикалық, оптикалық, термофизикалық, химиялық және т.б. қасиеттеріне өте қатаң талаптар қояды.Қатты күйдегі лазердің диодты лазерге қарағанда бірнеше артықшылығы бар. Мысалы, қатты денелік лазерлер толқын ұзындығында жұмыс істей алады, онда диодты лазерлер болмайды немесе нашар жұмыс істейді. Сонымен қатар, қатты күйдегі лазерден шығатын сәуле лазерлік диодқа қарағанда жоғары сәулелену қарқындылығы мен сәулеленуге ие болуы мүмкін. Лазерлік диодтар бір-біріне қатысты емес сәулеленудің бөлек сәулелерін шығарады; қатты күйдегі лазерде лазерлік диодтарға қарағанда шығуда сәулелену тығыздығы жоғары бір когерентті сәуледен сәуле шығарады.
Рубиндік лазер.

Катты денелік лазерлердің кең тараған түрі -- рубинді лазер, неодим, шынылы лазер. Рубинді лазер толқын ұзындығы 6,2 нм ашық қызыл жарық сәулесін шығарып бере алады. Рубин кристалы лазердің жұмысшы элементі болып саналады. Ол қолдан, жасанды түрде өсіріледі. Құрамы жөнінен рубин алюминий тотығының хроммен қосылысы болып есептеледі. Құрылысы жөнінен бұл кристалл оттегі және алюминий атомдарынан тұратын ара ұясын еске түсіреді. Тек кейбір ұяда хром атомы орналасады. Алюминий тотығына енген хром атомдары берік орналасу үшін өзінің үш электронын оттегінің атомдарына береді де, өзі зарядталған хром ионына айналады. Міне осы хром ионы жарық толқындарының көзі болып саналады. Хром иондары үш деңгейден тұрады. Бірінші лазерлік генерация рубинде алынған. Рубин-хром иондарының қоспасы бар алюминий тотығы. Әдетте лазерлерде 0,05% хром қосылған қызғылт рубин қолданылады. Рубиндегі генерация импульстық және үздіксіз режимдерде іске асырылады. Ұзақтығы 10-3 с-тан 10-9 с-қа дейінгі импульстарды генерациялайтын лазерлер бар; импульс неғұрлым қысқа болса, лазер соғұрлым зор импульстық қуат бере алады.

Рубин лазерлерін (диаметрі 2 мм, ұзындығы 2,5 см стержень) 5 кВт қуатпен қоздырғанда (толтырғанда) одан үздіксіз режимде 2 Вт шамасында қуат алынған. Бірақ үздіксіз режим рубин кристалын сұйық азот температурасына дейін салқындатқанда ғана алынады. Сондықтан рубин лазерлері тек импульстық режимде пайдалынады.

Алюмоиттрилі гранатқа және шыныға негізделген неодимдік лазерлер.
Лазердің активті центрі ретінде көп тараған ионның бірі неодим ионы Nd3+, ол иттрий аллюминий гранаты ИАГ немесе шыны сияқты кристалдық затқа ендіріледі. Nd:YAG лазері қазіргі кезде кең қолданылатын қатты денелік лазер болып саналады.
Лазер төрт деңгейлі схема бойынша жұмыс істейді. Рубин лазеріндегі сияқты цилиндр стержень формалары активті орта оптикалық толтыру арқылы қыздырылады.
Nd:YAG лазері импульстық режимде (қоздыру көзі-импульстық ксенон лампа) , үздіксіз генерация режимінде (криптон толтыру лампасы) жұмыс істей алады. Неодиммен активтендірілген шыны лазерлері де кең қолданылады. Неодимі бар шыны лазері, неодимі бар гранат лазері сияқты, төрт деңгейлі схема бойынша жұмыс істейді. Генерацияланған сәуленің толқын ұзындығы λ=1,06 мкм. Әр түрлі шынылар: боратты (бор тотығы негізінде), қорғасынды (қорғасын тотығы негізінде), фосфатты (фосфатты тотықтары негізінде), фторлы (бериллий фторы негізінде), кварцты және тағы басқалары қолданылады. Шынылы активті элементтер арзан және одан ұзын стержень жасау оңай, олар оптикалық біртекті, бұларды активаторға жоғарғы концетрацияда ендіруге болады. Шынылардың ең негізгі кемшілігі- олардың жылу өткізгіштігі өте нашар. Соның салдарынан шыныларды тек импульстық режимде пайдалануға болады.
Александритке негізделген лазерлер.

Александрит лазері - қайта құрылатын, қатты күйдегі, ұзын толқынды оптикалық кванттық генератор. Ол жоғары қуатқа ие, тірі тіндерге тез және терең ену мүмкіндігі бар. Бұл ең жылдам енетін лазер. Бекітілген толқын ұзындығы (импульс) - 755 нм. Қажет болса, ол 700-ден 820 нм-ге дейінгі спектрлік диапазонда қайта құрылуы мүмкін. Бұл инфрақызыл сәулеленудің жақын спектрі. Импульстің (жарқылдың) ұзақтығы - 2-30 мс. Лазердің белсенді ортасы (эмитенті) хроммен легирленген (байытылған) александриттің жасанды кристалы болып табылады.
Александрит лазері - толқын ұзындығы 700 -- ден 800 мм-ге дейінгі қуатты оптикалық-кванттық генератор. Жабдықтың сипаттамалары заманауи технологиялардың дамуымен өзгеруде, ұқсас жұмыс принципі бар алғашқы лазерлер жарты ғасыр бұрын пайда болды, косметика саласында сынақтан сәтті өтті. Заманауи модельдер функционалдығы, қуаты және теріге әсер ету спектрі бойынша ерекшеленеді. Бұл түрі бет пен денеде артық өсімдіктерді жою үшін ғана емес, сонымен қатар қара түсті монохроматикалық татуировкаларды жою үшін де сәтті қолданылады. Олардың жұмыс принципі ұқсас: лазер сәулесі тіндердегі пигментті бұзады.

2-тақырып.
Газдық лазерлер.
Тапсырма: Газдық лазерлердің жалпы сипаттамалары. Нейтрал атомдарға негізделген лазерлер. He-Ne лазері. Мыс буына негізделген лазерлер. Алтын буына негізделген лазерлер. Иондық лазерлер. Аргондық лазерлер. He-Cd лазері. Тербелмелі-айналмалы өтулерге негізделген молекулалық лазерлер. Бояу бойлық толтырылатын СО2-лазері. Жедел бойлық толтырылатын СО2- лазері. Көлденең толтырылған СО2-лазері. Атмосфералық қысым кезіндегі көлденең қоздырылатын СО2-лазері. Газдықдинамикалық СО2-лазері. СО-лазері. Электрондық-тербелмелі өтулерге негізделген молекулалық лазерлер. Азоттық лазер. Эксимерлік лазерлер. Айналмалы өтулерге негізделген молекулалық лазерлер. Дайындалған кезде Газдық лазерлердің жалпы сипаттамалары, He-Ne лазері, Аргондық лазер, Бояу бойлық толтырылатын СО2-лазері және Азоттық лазер сұрақтарына ерекше көңіл бөлу керек.
Газдық лазерлердің жалпы сипаттамалары.
Газдық лазер - газтәрізді активті орта газ пайдаланылған оптикалық кванттық генератор. Сыртқы көз (толтыру) энергиясының есебінен энергияның қоныстану инверсиялы екі деңгейлі (лазерлік жоғарғы және төменгі) күйі тудырылған газ оптикалық резонаторға орналастырылады немесе ол арқылы айдалады. Резонаторда жоғарғы лазерлік деңгейде қоздырылған газ бөлшектері төменгі деңгейге еріксіз ауысулар нәтижесінде өтулері кезінде сәуле шығарады (таратады).

Әдеттегідей лазерлер қатты күйдегі және сұйық орталармен байланысты, олар қажетті жұмыс сипаттамалары бар жарық сәулесінің пайда болуына ықпал етеді. Бұл жағдайда газдың біртектілік пен төмен тығыздық түрінде артықшылықтары бар. Бұл қасиеттер лазер ағынына бұрмаланбауға, энергияны жоғалтпауға және шашырамауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, газ лазері сәулеленудің жоғарылаған бағытымен ерекшеленеді, оның шегі тек жарықтың дифракциясымен анықталады. Қатты денелермен салыстырғанда газ бөлшектерінің өзара әрекеттесуі тек жылу қозғалысы жағдайында соқтығысқан кезде жүреді. Нәтижесінде толтырғыштың энергетикалық спектрі Әр бөлшектің энергия деңгейіне сәйкес келеді.
Газ лазерлерінің құрылғысы

Мұндай құрылғылардың классикалық құрылғысы газ тәрізді функционалды ортасы бар герметикалық түтікпен, сондай-ақ оптикалық резонатормен қалыптасады. Шығару түтігі әдетте корунд керамикасынан жасалады. Ол бериллий цилиндріндегі шағылысатын призма мен айна арасында орналастырылған. Разряд тұрақты ток кезінде жалпы катодпен екі секцияда жасалады. Оксид-тантал суық катодтар көбінесе токтың біркелкі таралуын қамтамасыз ететін диэлектрлік тығыздағыш арқылы екіге бөлінеді. Сондай - ақ, газ лазерінің құрылғысы анодтардың болуын қамтамасыз етеді-олардың функциясын вакуумдық сильфондар түрінде ұсынылған тот баспайтын болат орындайды. Бұл элементтер түтіктердің, призмалардың және айна ұстағыштардың жылжымалы байланысын қамтамасыз етеді.
Жұмыс принципі
Газдағы белсенді денені энергиямен толтыру үшін құрылғының түтік қуысында электродтар шығаратын электр разрядтары қолданылады. Электрондардың газ бөлшектерімен соқтығысу процесінде олардың қозуы жүреді. Осылайша фотондардың сәулеленуіне негіз жасалады. Түтіктегі жарық толқындарының мәжбүрлі шығарылуы олардың газ плазмасы арқылы өту процесінде жоғарылайды. Цилиндрдің ұштарындағы айна жарық ағынының басым бағыты үшін негіз жасайды. Газ лазерімен жабдықталған мөлдір айна бағытталған сәуледен фотондардың бір бөлігін алады, ал қалған бөлігі сәулелену функциясын қолдайтын түтіктің ішіне шағылысады.

Газдағы белсенді денені энергиямен толтыру үшін құрылғының түтік қуысында электродтар шығаратын электр разрядтары қолданылады. Электрондардың газ бөлшектерімен соқтығысу процесінде олардың қозуы жүреді. Осылайша фотондардың сәулеленуіне негіз жасалады. Түтіктегі жарық толқындарының мәжбүрлі шығарылуы олардың газ плазмасы арқылы өту процесінде жоғарылайды. Цилиндрдің ұштарындағы айна жарық ағынының басым бағыты үшін негіз жасайды. Газ лазерімен жабдықталған мөлдір айна бағытталған сәуледен фотондардың бір бөлігін алады, ал қалған бөлігі сәулелену функциясын қолдайтын түтіктің ішіне шағылысады.
Қатты және сұйықтықпен салыстырғанда газдар тығыздығы едәуір төмен және біртектілігі жоғары. Сондықтан газдағы жарық сәулесі іс жүзінде бұрмаланбайды, шашырамайды және энергия шығынын сезбейді. Мұндай лазерлерде электромагниттік толқындардың тек бір түрін қоздыру салыстырмалы түрде оңай (бір режим). Нәтижесінде лазерлік сәулеленудің бағыттылығы күрт артады, жарықтың дифракциясы есебінен шегіне жетеді. G. l жарық сәулесінің дивергенциясы. көрінетін жарық диапазонында 10-5 - 10-4 рад, ал инфрақызыл диапазонда 10-4 - 10-3 рад.Газды шығаратын лазерлерде белсенді газ ортасын құру. Газдың белсенді ортасы. - бұл қоздырылған газ бөлшектерінің (атомдар, молекулалар, иондар) жиынтығы инверсиясы бар жиынтығы. Бұл дегеніміз, жоғары энергетикалық деңгейлерді мекендейтін бөлшектердің саны төменгі энергетикалық деңгейлердегі бөлшектерден көп. Қалыпты жылу тепе-теңдігі жағдайында керісінше көрініс пайда болады - төменгі деңгейлердің популяциясы жоғары деңгейлерге қарағанда көбірек (Больцман статистикасын қараңыз). Популяция инверсиясы кезінде энергияның hn = Ev - En фотоларының мәжбүрлі сәулелену әрекеттері, Ev-дің жоғарғы деңгейінен бөлшектердің мәжбүрлі ауысуымен жүреді.Газдың (немесе газдардың қоспасының) ерекшеліктерінің бірі - оны қоздыруға және ондағы популяциялық инверсияны тудыратын әр түрлі физикалық процестер. Қатты күйдегі және сұйық лазерлерде кең қолданылған газды шығаратын шамдардың сәулеленуімен белсенді ортаны қоздыру гальваникалық лазерлерде популяция инверсиясын алу үшін өте тиімді емес, өйткені газдар жұтылу жолдары тар, ал шамдар жарық шығарады. Толқын ұзындығының кең диапазонының нәтижесінде сорғы қуатының шамалы бөлігін ғана пайдалануға болады (ПӘК төмен). G. l басым көпшілігінде. популяциялық инверсия электрлік разрядта жасалады (газ разрядты лазерлер).

He-Ne лазері.
Гелий-белсенді ортасы гелий мен неон қоспасы болып табылатын неонды лазер. Гелий-неон лазерлері зертханалық тәжірибелерде және оптикада жиі қолданылады. Көрінетін спектрдің қызыл бөлігінде орналасқан жұмыс толқын ұзындығы 632,8 нм.

Гелий-неон лазерінің жұмыс денесі - бұл төмен қысымдағы шыны ыдыста орналасқан гелий мен неон қоспасы (әдетте шамамен 300 Па). Сорғы энергиясы шамның ұштарында орналасқан шамамен 1000-5000 вольт (түтіктің ұзындығына байланысты) кернеуі бар екі электр разрядтаушыдан беріледі. Мұндай лазердің резонаторы әдетте екі айнадан тұрады-шамның бір жағында толығымен мөлдір емес, ал екінші жағында құрылғының шығыс жағында шамамен 1% сәуле түседі.
Гелий-неон лазерлері ықшам, резонатордың әдеттегі мөлшері 15 см-ден 2 м-ге дейін, олардың шығу қуаты 1-ден 100 мВт-қа дейін өзгереді.

Гелий мен неон қоспасында жұмыс істеген алғашқы газ лазерін Али Джаван, Уильям Беннетт және д.р. Херриотт (ағылш. D. R. Herriott) 1960 жылы және 1,15 мкм (инфрақызыл диапазон) толқын ұзындығында сәуле шығарды. Екі жылдан кейін Алан Дэвид Уайт және Дейн Ригден (ағылш. Dane Rigden) гелий-неон лазері 632,8 нм толқын ұзындығында, яғни спектрдің көрінетін диапазонында сәуле шығара алатындығын көрсетті . Дәл осы көрінетін диапазондағы үздіксіз лазер кейіннен кеңінен қолданылды.
Аргондық лазерлер.

Аргон лазері - көрінетін және ультракүлгін жерлерде әртүрлі толқын ұзындығымен Жарық шығаруға қабілетті иондық газ лазері. Бұл үздіксіз лазер, оның қуаты бірнеше жүз Ваттқа жетуі мүмкін.
1964 жылы сәуірде көпір, Конверт және Беннет иондалған аргонда импульсті генерациялау мүмкіндігі туралы хабарлады, генерация көптеген сызықтарда табылды (ең қарқынды 488, 514,5 және 476 нм). 1964 жылы мамырда аргонда үздіксіз ұрпақ алынды. Жыл соңына қарай 7 Вт лазерлер үздіксіз режимде (толқын ұзындығы 488 нм) құрылды.
Аргон лазерінде, барлық иондық лазерлердегідей, жоғарғы деңгей атомның разряд электрондарымен қатарынан екі соқтығысуы нәтижесінде пайда болады. Бірінші соқтығысу атомды иондайды, ал екіншісі ионды қоздырады. Осылайша, инверсияны құру процесі екі сатылы және оны жүзеге асыру үшін разрядтағы жоғары ток тығыздығы қажет. Мұндай ток кезінде разряд түтігінің қабырғалары тез бұзылады, сондықтан түтіктің осіне параллель тұрақты магнит өрісі қолданылады, ол разрядты резонатордың осіне жақын ұстайды. Газ шығаратын түтіктегі газ қысымы шамамен 0,1 торрент құрайды. Жоғары ток тығыздығы мен төмен қысымға байланысты айтарлықтай жылу шығарылады, сондықтан ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.