Потужні молекулярні лазери і їх застосування

Міністерство  освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет

Кафедра фізики 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсова робота на тему: 

Потужні молекулярні лазери і їх застосування 
 
 

      Виконав:

      студент 5-го курсу

      фізико-технологічного

      факультету 

групи ФІ-51

Литвинчук Ігор Васильович

      Науковий  керівник:

      Нікітчук  Віктор Іванович 
 
 
 
 
 
 

Рівне-2008 

    ЗМІСТ

    Вступ

    Основні принципи роботи лазерів………………………………….….….....5

    Чому  ефективні молекулярні лазери ……….................................................13

    СО₂-лазери …………………………………………………………….…….16

    Газорозрядні  СО₂-лазери……………………………………………….…...21

    Імпульсні лазери СО₂-лазери.………………………………………............29

    Газодинамічні  лазери…………………………………………………….. ..28

    Хімічні лазери………………………………………………………………..42

    СО-лазери…………………………………………………………………….49

    Застосування молекулярних лазерів……………………………………..…52

    Висновок

    Література 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Вступ

       Ми  є сучасниками науково-технічної  революції, в ході якої наукові досягнення бурхливо вторгаються у виробничу  практику. Потреби останньою, у свою чергу, активно впливають на науку, сприяючи взаємопроникненню її напрямів, що вже склалися, і викликаючи появу нових. До одного з таких напрямів, що займає видне місце в науці останніх років, слід віднести квантову електроніку. Найбільш яскравим і важливим її досягненням стало створення лазерів.

       Появу лазерів можна поставити в  один ряд з такими видатними подіями, як відкриття Г. Герцем електромагнітних хвиль і винахід А. С. Поповим  радіо.

       Лазерами  є джерела світла нового типу. Енергія  світлових хвиль, які вони випромінюють, концентрується в просторі у вигляді дуже вузького променя (висока спрямованість лазерного променя) і зосереджена в дуже малому інтервалі довжин хвиль (висока монохроматичність лазерного випромінювання). Ця енергія може випромінюватися безперервно або у вигляді коротких імпульсів, тривалість яких може складати від декількох мілісекунд до рекордно коротких величин 10^-12 с. Специфічні якості світлового випромінювання лазерів зробили вплив, що революціонізував, на оптику, відкрили шляхи для проникнення оптичних методів в різні області фізики, хімії, радіотехніку, електроніку, енергетику, геологію, метеорологію, будівництво, медицину і так далі.

       Закони  оптики для традиційних джерел світла свідчили, що світлова енергія не може бути сконцентрована у вигляді слабкого променя, що розходиться, або сфокусована на майданчик з розмірами, меншими, ніж розміри зображення джерела світла. Звідси слідував вивід, заснований на найзагальніших законах фізики: при фокусуванні світлового випромінювання неможливо нагрівати тіло до температури, що перевищує температуру джерела світла. Причиною є той факт, що різні точки цих джерел випромінюють світло незалежно один від одного (або, як кажучи, некогерентний в просторі) в широкому діапазоні довжин хвиль (некогерентний в часі). Якби було поставлено завдання створити традиційне джерело світла, яке випромінювало б однакову потужність з лазером середніх параметрів в тому ж інтервалі довжин хвиль, що і лазер, то довелося б використовувати випромінювання тіл, нагрітих до температур, що перевищують десятки мільйонів градусів.

        У об'ємі лазера різні крапки випромінюють світло погоджено один з одним, даючи тим самим можливість передавати випромінювання у вигляді вузьких направлених променів. Найважливіші властивості лазерного світла — його гранично висока монохроматичність, просторова спрямованість, величезна спектральна яскравість — визначають істотну роль лазерів в науково-технічній революції.

       В даний час лазери працюють в надзвичайно  широкому діапазоні — від ультрафіолетового до далекого інфрачервоного навіть субміліметрового випромінювання. Активним середовищем лазерів є кристали і стекла, неорганічні рідини і молекулярні гази, пари металів і напівпровідники. Для збудження лазерів застосовується широкий арсенал засобів — могутні електронні пучки і розряди в газах, світло імпульсних ламп, хімічні реакції і фотодиссоціація, нагріваючи і швидке охолоджування в надзвукових потоках газу.

       Найважливіша  мета робіт із створення і вдосконалення  лазерів — дістати можливість концентрувати енергію випромінювання в просторі, в часі, в малому інтервалі частоти. Але, виграючи як випромінювання, ми неминуче втрачаємо в його кількості. Коефіцієнт корисної дії (ККД) більшості типів лазерів дуже малий, а отже, невелика і їх середня потужність. Абсолютно особливе місце серед всього різноманіття лазерів, що існують зараз, займають молекулярні лазери, що працюють в інфрачервоному діапазоні. Кажучи коротко, ці лазери володіють високим ККД при великій потужності і енергії випромінювання. Світлове випромінювання в них отримують за рахунок енергії коливань ряду молекул в газовій фазі. Сюди перш за все відноситься лазер на молекулах вуглекислого газу, СО₂-лазер. Цей унікальний лазер відрізняється рекордними енергетичними показниками і високим ККД. У безперервному режимі вже отримана потужність його випромінювання до декількох десятків кіловат, імпульсна потужність досягає рівня в декілька мільйонів кіловат, енергія одного імпульсу вимірюється кілоджоулями, а ККД доходить до 30% і перевершує ККД всіх існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі. Крім того, в сімейство могутніх молекулярних лазерів входять лазери на окислі вуглецю і ряду молекул галогеноводородов.

       Як  працюють ці лазери? Як вони влаштовані і які досягнення різних областей науки і нової техніки використовуються при їх створенні? Які можливості їх застосування?

Основні принципи роботи лазерів

       Звернемося  спочатку до тих фундаментальних  фізичних явищ, які лежать в основі дії всіх лазерів.

       Згідно  законам квантової механіки енергія  відносного руху будь-якої зв'язаної системи мікрочасток не може бути довільною. Вона може приймати лише певний ряд значень Е₀, Е₁, ..., Е_n, які називаються рівнями енергії. Весь набір допустимих значень енергій називають енергетичним спектром мікросистеми. Якщо є група однакових мікрочасток, і серед них знаходиться N₀ частинок з енергією Е₀, N₁ частинок з енергією Е₁ і т. д., то числа N₀, N₁, ..., N_n називають населенностями рівнів енергії. Стан кожної частинки може змінюватися при взаємодії з іншими частинками або з електромагнітним полем. При переходах з високих рівнів енергії на нижні частинки можуть випромінювати електромагнітні хвилі, частота яких визначається співвідношенням

                                                                                                                       (1)  

       Тут эрг·с— постійна Планка. При переходах на вищі рівні частинки можуть поглинати електромагнітні хвилі такої ж частоти, що приходять ззовні.

       З погляду квантової теорії світлом (і електромагнітні хвилі будь-якої частоти) є потік окремих порцій енергії — квантів, або фотонів, величина енергії яких рівна . Тому рівність (1) виражає закон збереження енергії при взаємодії фотонів з мікрочастками — енергія фотона, що випромінює або поглиненого, рівна зміні енергії частинки. Переходи між станами мікрочасток відбуваються тільки при взаємодії з фотонами резонансної частоти v_nm, коли .

       У 1917 р. А. Ейнштейн створив квантову теорію взаємодії світла з речовиною. Ця теорія є одним з видатних досягнень науки нашого століття, але повною мірою оцінити її значення почало можливо лише після створення мазерів, а потім і лазерів. Передбачене цією теорією явище індукованого випромінювання складає фізичну основу всієї квантової електроніки.

       Згідно  Ейнштейнові, процес взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною складається з трьох елементарних актів — поглинання фотона і його спонтанного або індукованого випромінювання. Якщо мікрочастка знаходиться у збудженому стані, тобто її енергія перевищує мінімальну допустиму величину Е_0, то такий стан не може зберігатися необмежено довго. Навіть якщо частинку повністю ізолювати від зовнішніх дій, через деякий час вона перейде в стан з меншою енергією, випустивши квант електромагнітного випромінювання. Такий перехід називається спонтанним (мимовільним) випромінюванням. Окремі акти спонтанного випромінювання  різними  частинками відбуваються випадково, момент випромінювання кванта кожною частинкою, напрям його руху і поляризація ніяк не пов'язані з попередніми і подальшими актами випускання квантів іншими такими ж частинками. Спонтанне випромінювання носить шумоподібний характер. Всі традиційні джерела світла, такі, як нагріті тіла, плазма    газових розрядів і т. п., дають спонтанно випромінюване світло. Така ж природа шумів радіоапаратури і теплового інфрачервоного випромінювання.

       Абсолютно інакше відбувається процес індукованого випромінювання. Якщо збуджена частинка знаходиться під впливом зовнішніх  електромагнітних хвиль резонансної  частоти, то вона може перейти в стан з меншою енергією, випустивши квант, невідмітний від тих, що приходять ззовні, тобто що має таку ж частоту, поляризацію і напрям розповсюдження. Вірогідність випускання індукованого випромінювання пропорційна числу квантів, тобто інтенсивності зовнішнього випромінювання. Фаза електромагнітних хвиль, що виникають при індукованих переходах, строго узгоджена з фазою зовнішніх хвиль. Потік випромінювання відрізняється від первинного тільки збільшеною інтенсивністю.

       Проте в будь-якій сукупності частинок, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги або поблизу, його, населеності вищих рівнів енергії менше, ніж розташованих нижче. Тому процеси поглинання квантів відбуваються частіше, ніж індуковане випромінювання. Як наслідок цього електромагнітні хвилі резонансної частоти, що взаємодіють з такими частинками, втрачають свою енергію, затухають. Для того, щоб індуковане випромінювання переважало над поглинанням, необхідно вивести частинки із стану термодинамічної рівноваги, за рахунок зовнішнього джерела енергії створити населеність одного із збуджених станів, вищу, ніж населеність хоч би одного із станів з меншою енергією. Говорять, що треба створити інверсну населеність в системі мікрочасток. Тоді середовище, що складається з таких частинок, стає активним, здатним підсилювати хвилі резонансної частоти.

       З радіофізики добре відомо, що якщо є підсилювач коливань, то за наявності  достатньо глибокого зворотнього зв'язку такий підсилювач здатний генерувати коливання. Як елемент, що забезпечує позитивний зворотний зв'язок, в оптичному, інфрачервоному і субміліметровому діапазонах використовується так званий відкритий резонатор — система з двох паралельних або злегка викривлених дзеркал, що відображають. У разі паралельних плоских дзеркал це — добре відомий в оптиці інтерферометр Фаб-ри-Перо, вперше запропонований А. М. Прохоровим для отримання позитивного зворотнього зв'язку в квантових генераторах.

       Таким чином, в будь-якому лазері-генераторі використовується явище індукованого випромінювання середовища, отриманої в змозі з інверсною населеністю рівнів за рахунок роботи стороннього джерела енергії і поміщеною у відкритий резонатор. Створення лазерів стало можливим лише в результаті синтезу ідей квантової теорії взаємодії світла з речовиною і радіофізики.

       Подивимося  тепер, як повинен бути стан активного  середовища, щоб на її основі можна  було побудувати могутній лазер з  високим ККД.

       Як  вже сказано, перш за все необхідно  повідомити мікрочасткам енергію зовнішнього  джерела, достатню для досягнення стану  з інверсною населеністю рівнів. Проте при протіканні більшості процесів  збудження  енергія  передається  великому числу рівнів. В цьому випадку досягнення інверсної населеності можливе при виконанні певних умов. Наприклад, через особливості будови конкретного виду мікрочасток передача енергії з боку зовнішнього джерела якомусь рівню може бути ускладнена. Такий випадок можливий при поглинанні світла слабким переходом. Тоді протягом деякого проміжку часу після початку збудження населеності ряду вищих рівнів, що сильніше поглинають енергію, можуть перевищувати населеності рівнів, розташованих нижче. Далі, завжди існують процеси, прагнучі повернути частинку в початковий незбуджений стан. Залежно від конкретних умов ці процеси відбуваються з різною швидкістю для різних рівнів енергії. Коли енергія передається приблизно в рівній мірі великому числу рівнів, ті з них, які довше зберігають збуджений стан, виявляються населеними більше. Але як в першому, так і в другому випадку ті рівні енергії, між якими виникає інверсія    населенностей, складають малу частину серед всіх збуджених рівнів. Як наслідок цього, енергія, що підводиться, лише в незначному ступені витрачається на створення і підтримку інверсії. Тому першою умовою створення лазера з високим ККД є використання тих, порівняно процесів, що рідко зустрічаються, які відбуваються з селективним збудженням невеликої групи енергетичних рівнів.