Каким свойством должны обладать материал используемый в лазерах

Естествознание, 11 класс

Урок 19. Свойства лазерного излучения. Использование лазеров

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Какие свойства у лазерного излучения?
• Какие типы лазеров существуют?
• Где применяются лазеры?

Глоссарий по теме:

Лазер – оптический квантовый генератор

Спонтанное излучение – самопроизвольное излучение кванта света атомом или молекулой при переходе электрона на более низкий энергетический уровень

Вынужденное излучение – явление испускания фотонов определённой частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты

Метастабильное состояние атома – возбужденное энергетические состояние, которое может существовать достаточно долго ≈ 10-3с

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 100-103.
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
• https://fb.ru/article/251655/printsip-deystviya-lazera-osobennosti-lazernogo-izlucheniya

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Изучая корпускулярные свойства света, мы уже познакомились с лазером. Процесс излучения обусловлен переходом электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Излучение кванта света в таком процессе происходит самопроизвольно и называется спонтанным излучением. Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.

Рассмотрим устройство лазера на примере рубинового.

В центре находится кристалл рубина, состоящий из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома. Этот кристалл имеет строго параллельные торцы и на него навита спиральная газоразрядная лампа, называемая – лампа накачки. Под действием света лампы атомы хрома переходят на метастабильный уровень. Параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными, при этом один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера. Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного направления, называется резонатором. Резонатор состоит из рабочей зоны с зеркалами с двух сторон. Причём одно из них частично прозрачное.

Рассмотрим свойства лазерного излучения.

Высокая монохроматичность: при разложении лазерного излучения в спектр получается очень узкая линия, намного уже, чем для естественного света. Это свойство оказалось важным для научных исследований в области спектроскопии, молекулярной физики и химии.

Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например, у прожектора). Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облучённых участках. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.

Ещё одно свойство – высокая интенсивность и короткая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10-15с. Это позволяет рассмотреть даже процесс протекания быстрых химических реакций.

Помимо всех вышеперечисленных свойств также можно выделить когерентность и поляризованность. Эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

Конструкции лазеров очень разнообразны. Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей активной средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

Благодаря своим особым свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры широко применяются во многих областях деятельности человека.

Узкий нерасходящийся луч применяется при строительстве туннелей, метрополитенов, когда необходимо провести прямую линию на большое расстояние. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Также это свойство лазеров применимо для создания оружия с оптическим прицелом. Используя хорошо отлаженное оружие, пуля попадает точно в пятно, образованное лазером на мишени

Точная фокусировка лазерного луча позволяет использовать его для записи информации на оптические диски.

Высокая интенсивность излучения используется в медицине, в частности в микрохирургии. Лазер представляет собой тончайший скальпель, с помощью которого можно вырезать мельчайшие участки ткани.

Это же свойство применяется и других устройствах для разрезания различных материалов, проделывания отверстий. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала нагревается, затем плавится и испаряется. Дозируя тепловые нагрузки, можно обеспечить практически любой тепловой режим нагреваемого участка, который в результате и определяет вид технологической обработки.

Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др.

С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.

Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Предполагают, что лазеры позволят создать высокую температуру для дейтериево-тритиевой плазмы и удержания этой плазмы.

Лазеры, обладая высокой монохроматичностью, применяются в голографии.

Полупроводниковые лазеры применяются для передачи информации в быту и системе космической связи

Всё большее применение лазеры находят в искусстве. С их помощью создаются феерические быстроизменяющиеся живописные картины на сцене.

Таким образом благодаря уникальным свойствам лазеры находят применение в различных областях промышленности, в медицине, искусстве, военном деле.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1.:

Попарно соединяя овалы, решите ребус-соответствие:

Фразы:

• Прибор, в котором используют лазерный луч
• Оптический квантовый генератор
• Оптический прибор для просмотра стерео-слайдов
• Стереоскоп
• Дисковод
• Лазер

Правильный вариант: надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:

1. Прибор, в котором используют лазерный луч – дисковод
2. Оптический квантовый генератор – лазер.
3. Оптический прибор для просмотра стереослайдов – стереоскоп.

Текст задания 2.:

Разместите предложенные варианты ответов в две колонки по указанному критерию

Монохроматичность, твёрдотельные, интенсивность, полупроводниковые, жидкостные, когерентность, химические, газовые, оптические, электрические, направленность

Правильные варианты

1. Химическая энциклопедия

ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

вещества, используемые в качестве активных сред лазеров. Осн. Л. м. — диэлектрич. кристаллы и стекла, полупроводниковые кристаллы, газы, неорг. жидкости и растворы красителей. Диэлектрич. кристаллы и стекла — активные среды твердотельных лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями, как правило, примесных активных ионов (ионы РЗЭ и переходных металлов; чаще всего Nd3+ ) и т. наз. центров окраски (напр., F — центры в кристаллах некоторых фторидов). Среди наиб. известных лазерных кристаллов Y3Al5O12-Nd3+, Y3Al5O12-Er3+, YAlO3-Nd3+, KGd(WO4)2-Nd3+, LiYF4-Nd3+, ВeAl2O4-Cr3+, Al2O3-Cr3+, Cd3Se2Ga3O12-Cr3+-Nd3+. Кристаллы Y3Al5O12-Nd3+ по совокупности эксплуатац. свойств превосходят др. неодимовые Л. м. Среди стекол широкое практич. применение нашли многокомпонентные стекла на силикатной и фосфатной основе, содержащие ионы Nd3+. Концентрация активных ионов в кристаллах и стеклах обычно составляет 1–2% по массе, что соответствует наличию 1020 частиц в 1 см3; в некоторых матрицах (напр., кристаллы NdxLa1-xР5О14, неодимовые фосфатные стекла) концентрация активных ионов может достигать 10–15% по массе, т. е. более 1021 частиц в 1 см3. Столь высокая плотность активных частиц позволяет получать значит. мощность генерации с единичного объема Л. м. Кристаллы для лазеров выращивают преим. путем направленной кристаллизации из расплавов (напр., по методу Чохральского); стекла варят в керамич. и платиновых сосудах. Количество посторонних примесей в исходных веществах не должно превышать 10−3–10−4 % по массе. На диэлектрич. кристаллах и стеклах созданы лазеры, работающие в разл. режимах и излучающие преим. в диапазоне длин волн 1–3 мкм. Их мощности генерации достигают 1 кВт в непрерывном режиме (кристаллы Y3Al5O12-Nd3+), 1013 Вт в импульсном режиме при длительности импульса 1 нс (стекло с Nd3+ ); кпд 1–5%. Осн. недостатки этого типа Л. м. — сложность выращивания кристаллов больших размеров и высокого оптич. качества, низкая теплопроводность и невысокие мех. свойства стекол, что препятствует созданию лазеров на стекле, работающих в непрерывном или периодич. режиме при большой средней мощности накачки. Полупроводниковые кристаллы — активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Используют полупроводники типа AIIBVI, AIIIBV, AIVBVI. Активные элементы изготовляют из монокристаллощ (напр., CdS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для которых характерен электронно-дырочный переход (р-n-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. Наиб. распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа АIIIВV на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и Al и их твердых растворов. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых растворов замещения (напр., AlxGa1-xAs), в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы получают из особо чистых исходных веществ кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых растворов. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, напр., элементы II (Zn, Cd, Mg; акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S; доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3–30 мкм, обладающие малой инерционностью (~10−9 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 105 Вт при длительности импульса 3 нс и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых Л. м. ограничивает выходную мощность лазеров. Газы используются как активные среды разл. газовых лазеров. Активными частицами в них м. б. нейтральные атомы (Не, Cu, I), устойчивые молекулы (CO2, CO, N2, HF), эксимерные молекулы (Ar2, Kr2, ArF, KrF), ионы инертных газов (Ar2+ , Ar3+ , Kr2+, Kr3+ Ne2+ , Ne3+ ), пары металлов (Cu+, Cd2+). Малая плотность газов ограничивает плотность активных частиц величиной 1015–1016 см+3, в связи с чем энергосъем с единичного объема газовой активной среды невелик. В одних случаях активной средой являются исходные газы или газовые смеси (напр., СО; смесь He-Ne, в которой активными частицами служат атомы Ne, смеси CO2 с N2 и парами H2O или Не, в которых активные частицы — молекулы CO2), в других — приготовление активной среды происходит в процессе работы лазера, напр. при ионизации нейтральных атомов инертных газов (лазеры на ионизир. газах), образовании возбужденных атомов, радикалов и молекул в результате инициир. хим. реакций (лазеры химические), образовании эксимерных молекул (эксимерные лазеры), испарении металлов (лазеры на парах металлов). Вследствие разнообразия активных газовых сред созданы лазеры, перекрывающие диапазон длин волн от вакуумной УФ области до субмиллиметровых. Мощности генерации составляют 105 Вт в непрерывном режиме (газодинамич. CO2 — лазер) и 1011 Вт в импульсном режиме при длительности импульса 20 нс (хим. HF — лазер). Лазеры на нейтральных атомах, ионизованных газах и парах металлов имеют кпд ~0,1%, кпд газодинамич. лазеров ~1%, кпд мол. лазеров может достигать 25%. Благодаря большой однородности активных газовых сред расходимость лазерного излучения очень незначительна и близка к дифракц. пределу. Неорг. жидкости и растворы краентелей — активные среды жидкостных лазеров. Наиб. часто применяют активные неорг. жидкости на основе POCl3-SnCl4, SeOCl2 и SOCl2 с примесью ионов Nd3+. Генерационными переходами в них являются переходы между уровнями энергии ионов Nd3+ (1020 частиц в 1 см3) и молекулами красителей. В лазерах на POQ3-SnCl4 (или ZrCl4)-Nd3+ достигнута импульсная мощность генерации 1010 Вт при длительности импульса 20 не, кпд — неск. %. В лазерах на красителях применяют ксантеновые, метиновые, оксазиновые красители, производные оксазола и диазола, кумарины и фталимиды. Растворители — спирты, глицерин, H2SO4, вода и др. В пределах широких полос излучения красителей возможна плавная перестройка частоты генерации. Лазеры на красителях излучают в диапазоне длин волн 0,34–1,1 мкм; при лазерной накачке в непрерывном режиме генерации достигнута выходная мощность 20 Вт, в импульсном режиме — 108 Вт при длительности импульса 10 нс. Потенциальное преимущество жидкостей перед др. Л. м. — сочетание высокой плотности активных частиц и высокой оптич. однородности в больших объемах.

Лит.: Справочник по лазерам, под ред. А. М. Прохорова, пер. с англ., т. 1–2, М., 1978; Елисеев П. Г., в сб.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т. 14, ч. I, М., 1978; Алексеев Н. Е., Гапонцев В. И., Жаботинский М. Е., Лазерные фосфатные стекла, М., 1980; Физика и спектроскопия лазерных кристаллов, М., 1986; Аникеев Ю. Г., Жаботинский М. Е., Кравченко В. Б., Лазеры на неорганических жидкостях, М., 1986; Bennet W. R., The physics of gas lasers, N. Y., 1977.

Б. И. Денкер