РОССИЙСКАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им.Г.В.Плеханова
РЕФЕРАТ:
“ПО КОНЦЕПЦИЯМ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ”
НА ТЕМУ:
“Лазерная технология — важнейшаяотрасль
современного естествознания “
Выполнил:
студент 1-го курса дневного
отделения ОЭФагр.9105
Горбатовский Д.В.
Научный руководитель:
Карпенков С.Х.
МОСКВА 1996 г.
— 2 –
ПЛАН:
1.Особенности лазерногоизлучения.
2.Природа лазерногоизлучения.
3.Разновидностилазеров.Полупроводниковые лазеры.
— 3 –
Одним из самых замечательных достижений физикивторой половины двадцатого века было открытие физических явлений, послужившихосновой для создания удивительного прибора-оптического квантовогогенератора, или лазера.
лазерпредставляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностьюсветового луча.Само слово “лазер” составлено из первых букв английскогословосочетания, означающего”усиление света в результате вынужденногоизлучения”.
Действительно, основной физический процесс,определяющий действие лазера, — это вынужденное испускание излучения. Онопроисходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона сэнергией возбуждения атома (или молекулы)
В результате этого взаимодействия атомпереходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией,направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данногопроцесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов.При дальнейшем взаимодействии этих фотонов свозбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размноженияодинаковых фотонов,“летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведетк появлению
узконаправленногосветового луча.Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было быбольше, чем невозбужденных, поскольку привзаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов.Такая среда
называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.
Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами вневозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов изневозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающиепереходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном
в1916 г.
Если число возбужденных атомов велико исуществует инверсная выделенность
уровней(в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем,
невозбужденном),то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызоветвсенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усилениеспонтанного излучения.
На возможность усиления света в среде с инверсной населенностьюза счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик
В.А.Фабрикант,предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.
При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась
— 4 –
собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча,
т.е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенностьс помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией , совпадающей с энергией данного
перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилительсвета.
Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родивши- еся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящиеза пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то черезнего будет выходить
направленный поток фотонов перпендикулярноплоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал,точной их настройке относительно
друг друга и относительно продольнойоси среды с инверсной населенностью обратная связь можетоказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и
именно этот тип резонатораиспользуют в большинстве существующихлазеров.
В 1955 г. одновременно и независимоН.Г.Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратнойсвязи приводило к генерации чрезвычайно монохроматическогоизлучения.
Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона — лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, аинверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл
представляет собой кристалл оксидаалюминия АL2О3 с небольшой добавкой = О,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра.Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние В результате внутренних процессов возбужденные ионы хромапереходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность междупромежуточными уровнями и основнымуровнем ионов хрома.
Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками,
— 5 –
выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней
ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов, и обратной связина оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубиновогостержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света.Длительность лазерного импульса=
=0.0001с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульсарубинового лазера около 1ДЖ.
С помощью механической системы (вращающеесязеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно,максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированногоизлучения будет чрезвычайно велика и
инверсиянаселенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротностирезонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергияэтого импульса останется прибли-
зитепьнона том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствиесокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастаетмощность излучения, достигая значения =100000000Вт.
Рассмотрим некоторые уникальные свойствалазерного излучения.
При спонтанном излучении атом излучаетспектральную линию конечной ширины При лавинообразном нарастании числа вынужденноиспущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излученияэтой лавины будет возрастать преждевсего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линиипервоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удаетсясделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чемширина
самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.
Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее0,00001 радиана, т. е. на уровне угловыхсекунд.
Известно, что направленный узкий луч света можно получить впринципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экрановс маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе,что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, изкоторого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили
луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источ-
никасветового луча, зквивалентного лазерномулучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятковмиллионов градусов! Удивительноесвойство лазерного луча — его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней
— 6 –
мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.
Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способомнакачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом,химическая накачка и т. п.); рабочейсредой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и.т.д.);конструкцией резонатора; режимомработы (импульсный, непрерывный). Эти различия
определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
ЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯ.
Лазеры нашли широкое применение, и вчастности используются в промышленности для различных видов обработкиматериалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.
Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них используетвозможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча иточного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологическихпроцессах применяют лазеры сравнительно невысокойсредней мощности: это газовые лазеры импульсно-
-периодическогодействия, лазеры на кристаллахиттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощьюпоследних были разработанытехнология сверления тонких отверстий(диаметром 1 — 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей вмикроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нуждполиграфической промышленности.
В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники – фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатныхплат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографическойтехнике до 0,15 — 0,2 мкм.
Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан сприменением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этомслучае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 — О,001 мкм),оказывается просто фантастическим.
Второй вид лазерной технологии основан наприменении лазеров с
большойсредней мощностью: от 1кВт и выше.Мощные лазеры используют в таких энергоемкихтехнологических процессах, как резка исварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление илегирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностейзагрязнений, резка мрамора, гранита,
— 7 –
раскройтканей, кожи и других материалов.При лазерной сварке металлов достигаетсявысокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как приэлектроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейрном производстве.
Мощная лазерная технология нашла применениев машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительныхматериалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, нои улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так,скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100мч при расходеэлектроэнергии 10 кВт.ч.
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый внастоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят дажерубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большаячасть выполненных иследований.Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением оченьбольшой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов.В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовымилазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однакоон всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшенияпопулярности.
Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условийокружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного
излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностыо, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, отультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области
(~0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной
— 8 –
ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочегогаза обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и даетуверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д.превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может
быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном ре жиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типылазеров.
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙОБЗОР
Первые расчеты, касающиеся возможностисоздания лазеров, и первые патентыотносились главным образом к газовым лазерам, так как схемы энергетическихуровней и условия возбуждения в этом случае более понятны, чем для веществ втвердом состоянии. Однако первым былоткрыт рубиновый лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г.Джаван, Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной области на ряде линий в районе1 мк. В последующие два года гелий-неоновый лазер был усовершенствован, а такжебыли открыты друг е газовые лазеры,.работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием другихблагородных газов и атомарногокислорода. Однако наибольший интерес к газовым лазерам был вызван открытиемгенерации гелий-неонового лазера на красной линии
6328А при условиях, лишь незначительноотличавшихся от условий, при кото- рых была получена генерация в первом газовом лазере. Получение генерациив видимой области спектра стимулировало интерес не только к поискамдополнительным переходов такого типа, нои к лазерным применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные явления, а лазерный луч получилновые применения в качестве лабораторного инструмента. Два года,
последовавшиеза открытием генерации на линии 6328 А, были насыщены большим количествомтехнических усовершенствований, направленных главным образом на достижениебольшей мощности и большей компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин волн и были открыты многиеинфракрасные и несколько новых переходовв видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом и сотр. импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода.
Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по–видимому, открытие Беллом в конце 1963 г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдалпервоначальных
надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой
области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью
— 9 –
в видимой области и что на них может быть получена генерацияв непрерывном режиме . В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также вультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации нановых длинах волн,
Тем временем.технические усовершенствованиялазеров быстро расширялись, врезультате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких лазеров, начатые Беннетом , продолжались до тех пор, пока не был создан гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной
уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо; однако большоечисло оригинальных работ Гордона Бриджеса
исотр. позволяет предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера.
На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным
достижением явилось открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с высоким к.п.д.выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотенватт, что обещает открыть целую новую
область лазерных применений.
Полупроводниковые лазеры.
Основным примером работы полупроводниковых лазеровявляется магнитно-оптический накопитель(МО).
Принципы работы МО накопителя.
МО накопитель построен на совмещениимагнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информациипроизводится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считование при помощиодного только лазера.
В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диски, и под воздейстием температуры сопротивляемость изменениюполярности, для нагретой точки, резкопадает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки.После окончания нагревасопротивляемость снова увеличивается нополярностьнагретой точки остается в соответствии с магнитным полем