Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

2. Принцип действия лазеров

3. Газовые лазеры

4. Гелий-неоновый лазер

5. Гелий-неоновый лазер типа ЛГ-36а

6. Применение гелий-неонового лазера в медицине

7. Некоторые сведения о современных гелий-неоновых лазерах

8. Список используемой литературы

1. Введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы - это современные источники когерентного излучения. Их создание явилось одним из самых важных достижений физики ХХ века. Лазеры нашли достаточно широкое применение почти во всех областях науки, а так же техники, медицине и военном деле.

Окунёмся немного в историю:

Мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в начале ХХ века никому не пришла в голову - ведь ученые ещё не подозревали о его существовании.

В 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию, то есть когерентно вынуждающему излучению. А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.

Первые эксперименты.

Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно.

Одной из попыток создания лазера послужила достаточно серьезная работа, связанная с усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения. Этой работой стала докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными. Причиной этого стало отсутствие резонатора.

Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.

Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Он понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. В апреле 1954-го Таунс и Гордон запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером.

В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.

От микроволн к свету.

Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс совместно с Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.

Сам термин «лазер» возник гораздо раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона.

Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер, созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом.

Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры.

Как уже было выше сказано, лазеры вошли в нашу жизнь, и обосновались в ней достаточно неплохо, занимая хорошее положение во многих областях науки и техники.

В качестве рабочих тел современных лазеров используются вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях: газы, жидкости, твёрдые тела.

Я хочу остановиться на газовых лазерах, и более подробно изучить лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона.

действие гелий неон лазер медицина

2. Принцип действия лазеров

Мы знаем, что, если атому, находящемуся на основном уровне W 1 , сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.1б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии W m на уровень энергии W n , то частота излучаемого (или поглощаемого) света

н mn = (W m - W n)/h.

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: возбужденные атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с параметрами внешней волны, действующей на атом. Происходит как бы копирование внешней волны (рис.1в). Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 г. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем генерировать и усиливать когерентный свет.

Чтобы осуществить это практически, нужно выполнить три условия.

1. Необходим резонанс - совпадение частоты падающего света с одной из частот н mn спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа, т.к. спектры излучения одинаковых атомов абсолютно идентичны.

2. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне W m , происходит также резонансное поглощение атомами, населяющими нижний уровень W n . Атом, находящийся на нижнем уровне W n , поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень W m .

Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света.

Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N m было больше числа атомов на нижнем уровне N n , между которыми происходит переход.

Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, т.к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

3. Третья проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того, чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, так сказать, на "размножение", вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами одно из которых имеет коэффициент отражения около 99.8%, а второе (выходное) - около 97-98%, что может быть достигнуто только за счет применения диэлектрических покрытий. Световая волна, испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома, усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до выходного зеркала, свет частично пройдет сквозь него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного выходного зеркала, дает начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного излучения.

При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.

Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего - еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.

Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для создания источника когерентного света:

· нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

· рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

· усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.

При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером.

3. Газовые лазеры

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла.

Особенности газообразной активной среды.

Среда в газовых лазерах имеет несколько замечательных свойств. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном диапазоне от вакуумной УФ области спектра до волн ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения. При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лезеров.

Как известно, для выполнения условий самовозбуждения усиления в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн.

Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твёрдых тел.

Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населённостей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, оптическая накачка (лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В лазере, который будет более подробно рассмотрен далее в этой работе, возбуждение осуществляется электрическим разрядом.

4. Гелий-неоновый лазер

Лазер на смеси гелия с неоном был первым лазером непрерывного действия, в котором излучение с длины волны 1,15 мкм возникает в результате переходов между уровнями 2S и 2P в атомах Ne.

Позднее для получения лазерной генерации на л=0,6328 мкм и на л=3,39 мкм использовались другие переходы в Ne.

Действие можно объяснить с помощью Рис.3 В смеси газа, содержащей обычно гелий (1 мм рт. ст.) и неон (0,1 мм рт. ст.), создается разряд постоянного тока или высокочастотный разряд.

Рис.3

Электроны, ускоренные электрическим полем, переводят атомы гелия в различные возбужденные состояния. При нормальной каскадной релаксации возбужденных атомов к основному состоянию многие из них накапливаются на долгоживущих метастабильных уровнях 2(3)S 2(1)S время жизни которых составляет соответственно 10 -4 и 5*10 -6 секунд соответственно. Так как эти метастабильные уровни почти совпадают по энергии с уровнями 2Sи 3S в Ne, они могут передавать возбуждение атомам Ne. Находящимися в основном состоянии, и обмена с ними энергией. Небольшая разница в энергии (?400 см -1 в случае 2S уровня) переходит в кинетическую энергию атома после столкновения. Таков основной механизм накачки в He-Ne-системе.

1. Генерация на длине волны 0,6328 мкм. Верхний лазерный уровень-это один из уровней 3S неона, тогда как нижний принадлежит группе 2Р. Нижний 2Р-уровень распадается радиационно с постоянной с постоянной времени около 10 -8 с. в долгоживущее по времени 1S-состояние. Это время много короче времени жизни (10 -7 с.) верхнего лазерного уровня 3S. Таким образом, условие для инверсии населенности в 3S-2Р-переходе выполняется.

Важное значение имеет уровень 1S. Атомы задерживаются на нём при радиационных переходах с нижнего лазерного уровня 2Р из-за большого времени жизни этого уровня. Атомы в 1S-состоянии сталкиваются с электронами разряда и возбуждаются обратно на нижний лазерный уровень 2Р. Это уменьшает инверсию. Атомы в состояниях 1S релаксируют обратно в основное состояние, главным образом, при столкновениях со стенкой разрядной трубки. По этой причине усиление на переходе 0.6328 мкм увеличивается с уменьшением диаметра трубки.

2. Генерация на длине волны 1.15 мкм. Верхний лазерный уровень 2S неона накачивается при резонансных (т.е. с сохранением внутренней энергии) столкновениях с метастабильным 2 3 S-уровнем гелия. Нижний уровень тот же, что и при генерации на переходе 0,6328 мкм, что также приводит к зависимости населенности 1S-уровня неона от столкновений со стенками.

3. Генерация на длине волны 3,39 мкм. Она обусловлена 3S-3Р-переходами в атомах неона. Теперь верхний лазерный уровень тот же, что и при генерации, на длине волны 0.6328 мкм. На этом переходе оптическое усиление для небольшого сигнала 1 достигает примерно 50 дБ/м. Это большое усиление частично объясняется коротким временем жизни уровня 3Р, благодаря которому и возможно создание большой инверсии. Из-за большого усиления на этом переходе генерация на длине волны 3,39 мкм препятствует генерации на длине волны 0,6328 мкм. Это обусловлено тем, что пороговые условия вначале достигаются для перехода 3,39 мкм. Как только это происходит, насыщение усиления начинает мешать любому дальнейшему увеличению населенности 3S-уровня. В лазерах с длиной волны 0,6328 мкм с этим борются, вводя в оптический пучок дополнительные элементы, например стеклянные или кварцевые окошки Брюстера, которые сильно поглощают излучение с длиной волны 3,39 мкм и пропускают-с 0,6328 мкм. В этом случае уровень пороговой накачки для генерации на л=3,39 мкм становится выше уровня для генерации на 0,6328 мкм.

Речь идет об усилении очень слабой волны, распространяющейся через область разряда внутри лазерного резонатора, при одном проходе. В лазере усиление на проход уменьшается за счет насыщения, пока оно не становится равным потерям на проход.

5. Г елий-неоновый лазер типа ЛГ-36а

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке Рис.4, длина которой может достигать 0,2-1 м.

Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению объема рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов. Что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшении потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол i Б =arctg n (n-показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюстера. Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом i Б широко применяется в лазерной технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается в лазере и является преобладающим.

Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой около 30 МГц при мощности в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000-2000 В, получаемых с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка снабжается подогревным или холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. Это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1-2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинствами гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8-10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки - невысокий к. п. д. (0,01-0,1%) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать и в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд.

6. Применение ге лий-неонового лазера в медицине

Как уже сказано выше гелий-неоновый лазер имеет широкое применение. Я же, в этой работе, хочу рассмотреть применение данного лазера в медицине. А именно, использование гелий-неонового лазера для восстановления и повышения работоспособности человека.

Лазеры в медицине применяют более 20 лет. За этот период исследования с использованием лазерного излучения оформились в специализированную область медико-биологической науки, которая включает два основных направления: разрушение тканей патологических очагов сравнительно мощным лазерным излучением и биостимуляционные воздействия низкоэнергетическим излучением.

Исследования показали, что гелий-неоновый лазер оказывает на живой организм стимулирующее действие, способствует очищению ран от микроорганизмов и ускоряет эпителизацию, улучшает функциональные показатели центральной нервной системы и мозгового кровообращения у больных гипертонической болезнью; вызывает прекращение болей или их уменьшение у больных остеохондрозом позвоночника.

Многими исследователями было показано, что энергия, принесенная лазерным излучением, "востребуется" в том случае, когда это обусловливается нуждами саморегуляции состояния человека. Это дает право считать, что лазерное излучение имеет не раздражающий, возбуждающий, а нормализующий недопинговый характер.

Рассмотрим более подробно исследование, проводимое кандидатом медицинских наук, доцентом Т.И. Долматовой, Г.Л. Шрейберг, кандидатом биологических наук, доцентом Н.И. Близнец Московской государственной академии физической культуры Всероссийского научно-исследовательского института физической культуры. Они локально воздействовали лазерным лучом на биологически активные точки (БАТ) на поверхности тела. Примененяли гелий-неоновый лазер на БАТ в спорте для изучения процессов восстановления после физических нагрузок и последствия излучения. Лазерное излучение проводилось аппаратом АГ-50, длина волны которого 632 А, мощность излучения - 10 мВ, площадь облучения - 0,5 см2; точки облучения - "хе-гу" 2 , "джу-сань-ли", время облучения - 2,0 мин на каждую симметричную точку, общее время экспозиции - 10 мин, процедура осуществлялась ежедневно в течение 10 дней.

Спортсмены облучались гелий-неоновым лазером до физической нагрузки. На 5-й день они отмечали лучшее восстановление после нагрузок, так же лучше переносили тренировку с большими весами. К 10-му дню воздействия гелий-неонового лазера самочувствие спортсменов оставалось хорошим, они тренировались с удовольствием, нагрузки переносили хорошо. Так же воздействовали лазером в период восстановления, сразу после нагрузки, исследования показали, что более быстро, чем без воздействия излучения происходило восстановление, расслабление, хороший сон, наблюдались урежение пульса и понижение максимального и минимального артериального давления.

Таким образом, у всех спортсменов, получавших облучение гелий-неонового лазера, более выражено повышение спортивной работоспособности за цикл тренировочных занятий, так же восстановление протекало значительно лучше, чем без воздействия излучения.

Хе-гу точка расположена на верхушке складки между сжатыми указательным и большим пальцами рук.

7. Некоторые сведения о сов ременных гелий-неоновых лазерах

Наиболее распространены отпаянные плазменные He-Ne трубки со встроенными зеркалами и высоковольтными источниками питания. Лабораторные He-Ne лазеры со внешними зеркалами так же существуют и дорого стоят.

Длины волн :

· Красный 632,8 нм (выглядит на самом деле как оранжево-красный) сейчас самый распространенный.

· Оранжевый 611,9 нм

· Желтый 594,1 нм

· Зеленый 543,5 нм

· ИК 1523,1 нм (они так же существуют, но они менее эффективны и поэтому более дороги при равной мощности луча).

Качество луча:

Исключительно высокое. Выходное излучение хорошо сколлимировано без дополнительной оптики и имеет прекрасную длину когерентности (от 10 см до нескольких метров и более). Большинство маленьких трубок работают в одной поперечной моде (ТЕМ00).

Выходная мощность:

От 0,5 до 35 мВт (самые распространенные), существуют на 250 мВт и более.

Некоторые применения:

Заводская настройка и измерения; подсчет и анализ клеток крови; медицинская наводка и наблюдение во время операций (для лазеров большой мощности); печать, сканирование и оцифровка высокого разрешения; сканеры штрих-кода; интерференционная метрология и измерение скорости; бесконтактные измерения и мониторинг; общая оптика и голография; лазерные шоу; Laser Disk и другие накопители данных.

Цена:

От 25 до 5000 долларов и более в зависимости от размера, качества, состояния (новый или нет).

Достоинства:

Недорогой, детали широко доступны, надежный, долго работающий.

8. Список используемой литературы

1. Н. В. Карлов Лекции по квантовой физике. 314с.

2. А. С. Борейшо Лазеры: Устройство и Действие. Санкт-Петербург 1992. 214с.

3. А. Ярив Введение в оптическую электронику. “Высшая школа” Москва 1983. 398 с.

4. Ю. В. Байбородин Основы лазерной техники. “Высшая школа” 1988. 383с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общая характеристика гелий-неонового лазера, его проектирование и расчет основных параметров: коэффициент усиления активной среды, оптимальный ток, длина резонатора, радиус пучка в перетяжке, эффективная площадь сечения пучка, мощность накачки и КПД.

контрольная работа , добавлен 24.07.2013


Основа принципа работы лазеров. Классификация лазеров и их основные характеристики. Использование лазера при маркировке товаров. Способ возбуждения активного вещества. Расходимость лазерного луча. Диапазон длины волн. Области применения лазера.

творческая работа , добавлен 24.02.2015


Теория атомно-абсорбционных измерений: излучение и поглощения света, понятие линии поглощения и коэффициента поглощения, контур линии поглощения. Принцип работы лазера. Описание работы гелий-неонового лазера. Лазеры на органических красителях.

реферат , добавлен 03.10.2007


Создание оптического квантового генератора или лазера - великое открытие физики. Принцип работы лазеров. Вынужденное и спонтанное излучение. Газовый, полупроводниковый непрерывного действия, газодинамический, рубиновый лазер. Сферы применения лазеров.

презентация , добавлен 13.09.2016


История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.

реферат , добавлен 17.12.2014


Лазер - квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения. Схема устройства лазера и принцип его действия. Временные режимы работы прибора, частота поступления энергии. Применение лазеров в различных отраслях науки и техники.

реферат , добавлен 28.02.2011


Понятие, классификация лазеров по признакам, характеристика основных параметров, их преимущества. Причины конструкции лазеров с внешним расположением зеркал. Описание физических процессов в газовых разрядах, способствующих созданию активной среды.

реферат , добавлен 13.01.2011


Характеристики полупроводниковых материалов и источников излучения. Соединение источника с волокном. Конструкции одномодовых лазеров, особенности РБО-лазеров. Расчет параметров многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо. Светоизлучающие диоды (СИД).

реферат , добавлен 11.06.2011


Устройство и назначение простейшего твердотельного лазера; их изготовление из рубинов, молибдатов, гранатов. Ознакомление с оптическими свойствами кристаллов и особенностями генерации света. Определение энергетических характеристик импульсного лазера.

реферат , добавлен 12.10.2011


Ознакомление с историей создания генераторов электромагнитного излучения. Описание электрической схемы и изучение принципов работы полупроводникового лазера. Рассмотрение способов применения лазера для воздействия на вещество и для передачи информации.

Газовые гелий-неоновые лазеры (He-Ne лазеры) производства немецкой компании LSS имеют надежную конструкцию, хорошее качество луча и долгий срок службы - до 20 000 часов. Серия гелий-неоновых лазеров представлена большим разнообразием моделей лазеров, одномодовых и мультимодовых, с выходной мощностью от 0,5 до 35 мВт, излучающих в спектральном диапазоне красного, зеленого и желтого. Есть также лазерные трубки с окном Брюстера для образовательных и научных целей.

Все модели комплектуются блоком питания. Газовые ионные аргоновые лазеры серии LGK удовлетворяют внушительному перечню мировых стандартов и имеют сертификаты CDRH, IEC, CSA, CE, TUV, UL. Компания LSS осуществляет эффективную поддержку для работающих по всему миру лазеров собственного производства, предоставляя своим клиентам удобный и быстрый сервис по замене лазерных трубок. Помимо серийных моделей, компания выпускает лазерные системы под индивидуальный заказ.

Гелий-неоновый лазер предназначен для широкого круга приложений таких областей, как сканирующая микроскопия, спектроскопия, метрология, промышленные измерения, позиционирование, выравнивание, направленных, тестирования, проверки кода, научные, фундаментальные и медицинские исследования, а также для образовательных целей.

Технические характеристики лазерных модулей

В таблицах ниже приведены ключевые характеристики лазеров. Для всех пунктов ниже перечисленные характеристики представляют собой общую производительность стандартных моделей. Индивидуальные характеристики могут быть оптимизированы для конкретных приложений. Пожалуйста, свяжитесь с консультантом нашей компании, если у Вас есть особые пожелания.

Технические характеристики лазерных трубок

Технические характеристики блока питания

Все модели газовых ионных аргоновых лазеров серии LGK комплектуются блоком питания производства LSS.

Самым распространенным газовым лазером является гелий-неоновый (He-Ne ) лазер (лазер на нейтральных атомах), который работает на смеси гелия и неона в соотношении 10:1. Этот лазер также является первым лазером непрерывного действия.

Рассмотрим энергетическую схему уровней гелия и неона (рис.3.4). Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 2 3 S 1 и 2 1 S 0 гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 2 3 S 1 и 2 1 S 0 являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).

Таким образом, уровни 2s и 3s неона могут заселяться и, следовательно, с этих уровней может идти генерация. Время жизни s -состояний (t s »100 нс) намного больше времени жизни р -состояний (t р »10 нс), поэтому выполняется условие для работы лазера по четырехуровневой схеме:

1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .

Лазерная генерация возможна на одном из переходов a , b , c соответственно с длинами волн l а =3,39 мкм, l b =0,633 мкм, l с =1,15 мкм, которые можно получить подбором коэффициента отражения зеркал резонатора или введением в резонатор дисперсионных элементов.

Рис. 3.4. Схема энергетических уровней гелия и неона.

Рассмотрим генерационую характеристику такого лазера.

Рис.3.5. Генерационная характеристика гелий-неонового лазера.

Первоначальный рост выходной мощности при увеличении тока накачки объясняется инверсией населенности. После достижения максимальной мощности при дальнейшем увеличении тока накачки кривая начинает спадать. Это объясняется тем, что 2р и 1s уровни не успевают релаксировать, т.е. электроны не успевают перейти на низкий энергетический уровень и количество электронов на соседних 2р и 1s уровнях становится одинаковым. В этом случае отсутствует инверсия.

КПД гелий-неоновых лазеров имеет порядок 0,1 %, что объясняется низкой объемной плотностью возбужденных частиц. Выходная мощность типичного He-Ne –лазера P ~5-50 мВт, расходимость q ~1 мрад.

Аргоновый лазер

Это самые мощные лазеры непрерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра относящиеся к ионным газовым лазерам. Верхний лазерный уровень в рабочем газе заселяется благодаря двум последовательным столкновениям электронов при электрическом разряде. При первом столкновении образуются ионы из нейтральных атомов, а при втором происходит возбуждение этих ионов. Следовательно, накачка представляет собой двухступенчатый процесс, эффективность каждого из которых пропорциональна плотности тока. Для осуществления эффективной накачки необходимы достаточно большие плотности тока.

Диаграмма энергетических уровней лазера на Ar + показана на рис. 3.3. Излучение лазера в линиях между 454,5 нм и 528,7 нм происходит при заселении группы уровней 4p путем возбуждения электронным ударом основного или метастабильных состояний Ar + .

3.5 СО 2 -лазер

МолекулярныеСО 2 –лазеры являются среди газовых лазеров самыми мощными непрерывными лазерами, вследствие наибольшего КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (15-20 %). Лазерная генерация происходит на колебательно-вращательных переходах и линии излучения этих лазеров находятся в дальней ИК-области, которые расположены на длинах волн 9,4 мкм и 10,4 мкм.

В СО 2 –лазере используется смесь газов СО 2 , N 2 и He . Накачка осуществляется непосредственно при столкновениях молекул СО 2 с электронами и колебательно возбужденными молекулами N 2 . Высокая теплопроводность He в смеси способствует охлаждению СО 2 , что приводит к обеднению нижнего лазерного уровня, заселяемого в результате теплового возбуждения. Таким образом, присутствие N 2 в смеси способствует высокой заселенности верхнего лазерного уровня, а присутствие He – обеднению нижнего уровня, а в итоге совместно они приводят к повышению инверсии населенностей. Диаграмма энергетических уровней СО 2 –лазера показана на рис. 3.4. Лазерная генерация осуществляется при переходе между колебательными состояниями молекулы СО 2 n 3 Þn 1 или n 3 Þn 2 с изменением вращательного состояния.

Рис. 3.4. Диаграмма энергетических уровней N 2 и СО 2 в СО 2 –лазере.

СО 2 –лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсных режимах. В непрерывном режиме его выходная мощность может достигать нескольких киловатт.

Целью работы является исследование основных характеристик и параметров газового лазера, в качестве активного вещества в котором используется смесь газов гелия и неона.

3.1. Принцип действия гелий-неонового лазера

Гелий-неоновый лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Он относится к атомарным газовым лазерам и его активной средой служит смесь нейтральных (неионизированных) атомов инертных газов – гелия и неона. Неон является рабочим газом, и между его энергетическими уровнями происходят переходы с испусканием когерентного электромагнитного излучения. Гелий исполняет роль вспомогательного газа и способствует возбуждению неона и созданию в нем инверсии населенности.

Для начала генерации в любом лазере должны быть выполнены два важнейших условия:

1. Между рабочими лазерными уровнями должна существовать инверсия населенности.

2. Усиление в активной среде должно превышать все потери в лазере, в том числе «полезные» потери на вывод излучения.

Если в системе существуют два уровня Е 1 и Е 2 с числом частиц на каждом из них соответственно N 1 и N 2 и степенью вырождения g 1 и g 2 , то инверсия населенностей будет происходить, когда населенность N 2 /g 2 верхнего уровня Е 2 будет больше населенности N 1 /g 1 нижнего уровня Е 1 , то есть степень инверсии ΔN будет положительна:

Если уровни Е 1 и Е 2 невырождены, то для возникновения инверсии необходимо, чтобы число частиц N 2 на верхнем уровне Е 2 было больше числа частиц N 1 на нижнем уровне Е 1 . Уровни, между которыми возможно образование инверсии населенностей и возникновение вынужденных переходов с испусканием когерентного электромагнитного излучения, называют рабочими лазерными уровнями .

Состояние с инверсией населенностей создается с помощью накачки – возбуждения атомов газа различными методами. За счет энергии внешнего источника, называемого источником накачки , атом Ne с основного уровня энергии E 0 , соответствующего состоянию термодинамического равновесия, переходит в возбужденное состояние Ne*. Переходы могут происходить на различные энергетические уровни в зависимости от интенсивности накачки. Далее происходят спонтанные или вынужденные переходы на нижележащие уровни энергии.

В большинстве случаев нет необходимости рассматривать все возможные переходы между всеми состояниями в системе. Это дает возможность говорить о двух-, трех- и четыхуровневых схемах работы лазеров. Вид схемы работы лазера определяется свойствами активной среды, а также используемым методом накачки.

Гелий-неоновый лазер работает по трехуровневой схеме, как показано на рис. 3.1. В этом случае каналы накачки и генерации излучения частично разделены. Накачка активного вещества вызывает переходы с основного уровня E 0 на возбужденный уровень E 2 , что приводит к возникновению инверсии населенностей между рабочими уровнями E 2 и E 1 . Активная среда, находящаяся в состоянии с инверсией населенностей рабочих уровней, способна усиливать электромагнитное излучение с частотой
за счет процессов вынужденного испускания.

Рис. 3.1. Схема энергетических уровней рабочего и вспомогательного газа, поясняющая работу гелий-неонового лазера

Так как уширение уровней энергии в газах мало и широкие полосы поглощения отсутствуют, то получение инверсной населенности с помощью оптического излучения затруднено. Однако в газах возможны другие методы накачки: прямое электронное возбуждение и резонансная передача энергии при столкновении атомов. Возбуждение атомов при столкновении с электронами может быть проще всего осуществлено в электрическом разряде, где ускоренные электрическим полем электроны могут приобрести значительную кинетическую энергию. При неупругих столкновениях электронов с атомами последние переходят в возбужденное состояниеE 2:

Важно, что процесс (3.4) носит резонансный характер: вероятность передачи энергии будет максимальна, если возбужденные энергетические состояния различных атомов совпадают, т. е. находятся в резонансе.

Подробно уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рис. 3.2. Переходы, соответствующие неупругим взаимодействиям атомов газов с быстрыми электронами (3.2) и (3.3), показаны пунктирными стрелками вверх. Атомы гелия в результате электронного удара возбуждаются на уровни 2 1 S 0 и 2 3 S 1 , которые являются метастабильными. Излучательные переходы в гелии в основное состояние 1 S 0 запрещены правилами отбора. При столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne, находящимися в основном состоянии 1 S 0 , возможна передача возбуждения (3.4), и неон переходит на один из уровней 2S или 3S. При этом выполняется условие резонанса, поскольку энергетические зазоры между основными и возбужденными состояниями во вспомогательном и рабочем газе близки между собой.

С уровней 2S и 3S неона могут происходить излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Уровни Р менее заселены, чем верхние уровни S, так как прямая передача энергии от атомов He на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни Р обладают малым временем жизни, и безызлучательный переход Р→1S опустошает уровни Р. Таким образом, возникает ситуация (3.1), когда населенность верхних уровней S выше населенности нижележащих уровней Р, т. е. между уровнями S и P возникает инверсия населенности, а значит переходы между ними могут использоваться для лазерной генерации.

Так как число уровней S и Р велико, то возможен большой набор различных квантовых переходов между ними. В частности, с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S→2Р является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра). Для переходов 3S→2Р наиболее значима линия 0,6328 мкм (красная область), а для 3S→3Р – 3,3913 мкм (ИК-область). Спонтанное излучение происходит на всех перечисленных длинах волн.

Рис. 3.2. Энергетические уровни атомов гелия и неона и схема работыHe-Ne-лазера

Как указывалось ранее, после излучательных переходов на уровни Р происходит безызлучательный радиационный распад при переходах Р→1S. К сожалению, уровни неона 1S являются метастабильными, и если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в основное состояние с уровня 1S является соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы увеличивается при уменьшении диаметра разрядной трубки. Поскольку состояния 1S неона опустошаются медленно, то атомы Nе задерживаются в этих состояниях, что является весьма нежелательным и определяет ряд особенностей этого лазера. В частности, при увеличении тока накачки выше порогового значения j пор происходит быстрое увеличение, а затем насыщение и даже спад мощности лазерного излучения, что как раз и объясняется накоплением рабочих частиц на уровнях 1S и затем их перебросом в состояния 2Р или 3Р при столкновении с электронами. Это не дает возможности получать высокие выходные мощности излучения.

Возникновение инверсной населенности зависит от давления He и Ne в смеси и температуры электронов. Оптимальные значения давлений газов составляют для Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура электронов задается напряжением, прикладываемым к газовой смеси. Обычно это напряжение поддерживается на уровне 2…3 кВ.

Для получения лазерной генерации необходимо, чтобы в лазере существовала положительная обратная связь, иначе прибор будет работать только как усилитель. Для этого активную газовую среду помещают в оптический резонатор. Кроме создания обратной связи резонатор используется для селекции типов колебаний и отбора длины волны генерации, для чего применяются специальные селективные зеркала.

При уровнях накачки, близких к пороговому, сравнительно легко осуществляется генерация на одном типе колебаний. С увеличением уровня возбуждения, если не принимается специальных мер, возникает ряд других мод. В этом случае генерация происходит на частотах, близких к резонансным частотам резонатора, которые заключены в пределах ширины атомной линии. В случае аксиальных типов колебаний (ТЕМ 00 -мод) расстояние по частоте между соседними максимумами
, гдеL – длина резонатора. В результате одновременного присутствия нескольких мод в спектре излучения возникают биения и неоднородности. Если бы существовали только аксиальные моды, то спектр представлял бы собой отдельные линии, расстояние между которыми было бы равно c / 2L . Но в резонаторе возможно также возбуждение неаксиальных типов колебаний, например ТЕМ 10 -мод, наличие которых сильно зависит от настройки зеркал. Поэтому в спектре излучения появляются дополнительные линии-спутники, расположенные симметрично по частоте по обе стороны от аксиальных типов колебаний. Возникновение новых типов колебаний с увеличением уровня накачки легко определяется при визуальном наблюдении структуры поля излучения. Также визуально можно наблюдать влияние юстировки резонатора на структуру мод когерентного излучения.

Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается, а излучение гелий-неонового лазера характеризуется хорошей стабильностью частоты и высокой направленностью, которая достигает своего предела, обусловленного дифракционными явлениями. Дифракционный предел расходимости для конфокального резонатора

,

где λ – длина волны; d 0 – диаметр светового пучка в наиболее узкой его части.

Излучение гелий-неонового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Ширина линий излучения такого лазера значительно ỳже «естественной» ширины спектральной линии и на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров. Поэтому для ее определения проводят измерение спектра биений различных мод в излучении. Кроме того, излучение этого лазера плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Доказательством когерентности излучения может быть наблюдение дифракционной картины при наложении излучений, полученных из различных точек источника. Например, когерентность можно оценить, наблюдая интерференцию от системы нескольких щелей. Из опыта Юнга известно, что для наблюдения интерференции света от обычного «классического» источника излучение сначала пропускают через одну щель, а затем через две щели, и тогда на экране образуются интерференционные полосы. В случае же использования лазерного излучения первая щель оказывается ненужной. Это обстоятельство является принципиальным. Кроме того, расстояние между двумя щелями и их ширина могут быть несоизмеримо больше, чем в классических опытах. У выходного окна газового лазера располагают две щели, расстояние между которыми 2a . В случае, когда падающее излучение когерентно, на экране, расположенном на расстоянии d от щелей, будет наблюдаться интерференционная картина. При этом расстояние между максимумами (минимумами) полос

.

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000÷5000 вольт (в зависимости от длины трубки), расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал - полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.

Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора - от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Принцип действия

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - электрический разряд.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гелий-неоновый лазер" в других словарях:

гелий-неоновый лазер - helio neono lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. helium neon laser vok. Helium Neon Laser, m rus. гелий неоновый лазер, m pranc. laser à mélange d hélium et néon, m; laser hélium néon, m … Radioelektronikos terminų žodynas

Лазер с ядерной накачкой это лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет ядерного излучения (гамма кванты, ядерные частицы, продукты ядерных реакций). Длина волны излучения такого устройства может быть от… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) … Википедия

Квантовый генератор, источник мощного оптического излучения (laser аббревиатура выражения light amplification by stimulated emission of radiation усиление света вынужденным излучением). Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного… … Энциклопедия Кольера

Источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов… …

Лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным. Испущенная в каком либо месте трубки … Большая советская энциклопедия

Оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический… … Физическая энциклопедия

Лазер (лаборатория НАСА) Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «Усиление света с помощью вынужденного излучения») устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) … Википедия