Лазери на парах металів

Роботу виконує Котляр Анна

Загальний опис (принцип дії)

Лазер працює наступним чином. Між катодом і анодом порушується тліючий електричний розряд при оптимальному робочому струмі. Метал, розташований в резервуарі, нагрівають за допомогою нагрівача до температури, що відповідає оптимальній концентрації парів кадмію в електричному розряді. У плазмі позитивного стовпа розряду метал іонізується і внаслідок явища катафореза іони металу рухаються до катода і рівномірно розподіляються вздовж капіляра розрядного каналу . Пройшовши через розрядний канал, метал осідає в конденсорі. В процесі роботи лазера стінки конденсора, на яких осідає кадмій, розігріваються за рахунок тепла, що виділяється при проходженні струму розряду через капіляр, що входить в конденсор .

Нагрівання конденсора відбувається за рахунок конвенційних потоків від розташованого поруч полого циліндричного катода, який рівномірно розігрівається за рахунок іонного бомбардування в процесі роботи. Так як катод виконаний у вигляді порожнього циліндра і розташований коаксіально з оболонкою лазера, то тепло, що виділяється за рахунок іонного бомбардування, рівномірно розподіляється навколо оболонки, не створюючи локального перегріву як в разі використання точкового на і оболонкою температура стінки конденсора підтримується досить високою, щоб не відбувалося явище захоплення осаждающимся металом атомів гелію.

Змінюються зовнішні потоки повітря в межах робочих температур лазера не впливають безпосередньо на нагрівальний елемент завдяки наявності зазору між нагрівальним елементом і оболонкою, що забезпечує лазеру стабільність у роботі. Оскільки нагрівальний елемент розігріває не дільниці оболонки (як в прототипі), а безпосередньо невеликий резервуар з металом, який значною мірою розігрівається за рахунок струму розряду лазера, а оболонка відіграє роль теплоізоляції, енергія, необхідна для створення робочої концентрації парів металу, досить низька, що збільшує коефіцієнт корисної дії лазера і здешевлює його. Лазерне випромінювання посилюється, проходячи вздовж розрядного каналу , і відбивається від дзеркал , съюстированних шляхом пластичної деформації юстіровочних втулок.

Історична довідка

Як одержати когерентне випромінювання, стало загалом зрозуміло в 1918 р. коли Альберт Ейнштейн пророчив явище змушеного випромінювання. Якщо створити оточення, у якій атоми перебувають у збудженому стані, і «запустити в нього слабкий потік когерентних фотонів, то його інтенсивність стане рости. Залишалася «сама малість»: придумати, як таке середовище «зробити». На це пішло більше 30 років.

На початку 50-х рр. радянські дослідники Микола Басов (народився в 1922 р.), Олександр Прохоров (народився в 1916 р.) і незалежно від них американський фізик Чарльз Таунс (народився в 1915 р.) створили підсилювач радіохвиль високої частоти на молекулах аміаку.

Потрібні для роботи збуджені молекули відбирало з потоку газу електричне поле складної конфігурації. Новонароджений пристрій одержав назву мазер.

В 1960 р. американський фізик Теодор Мейман сконструював перший квантовий генератор оптичного діапазону лазер. Посилення світла відбувалося в кристалі рубіна прозорого різновиду окису алюмінію з невеликою домішкою хрому (на цей матеріал указали трьома роками раніше Н.Г Басов і А.М. Прохоров). У лазері використовувався охолоджуваний рідким азотом рубіновий стрижень довжиною близько 4 см і діаметром 5 мм. Посріблені торці стрижня служили дзеркалами, одне із яких було напівпрозорим. Енергію в кристал накачувала потужна імпульсна лампа. Потік фотонів високої енергії переводив атоми хрому в збуджений стан. На одному з відбатожити рівнів атоми затримуються в середньому на 0,003 із час по атомних масштабах величезне. За цей період частина атомів устигає мимовільно випроменити фотони Їхній потік, багаторазово пробігаючи між дзеркалами, змушує всі збуджені атоми випромінювати кванти світла В результаті народжується світловий спалах - лазерний імпульс потужністю в десятки тисяч ватів. Сьогодні лазерні стрижні виготовляють із різних матеріалів, але найчастіше з рубіна, граната й скла з домішкою рідкого металу - неодиму.

1968 • M. Росс реалізував перший Nd:YAG-лазер з накачкою лазерними діодами

1969 • В.Б. Тіфанні та інші побудували перший кіловатний CO2-лазер

1970 • O. Петерсон на інші отримали неперервне випромінювання на родаміні 6G

1971 • Г. Когельник і С. Шанк винайшли лазер на барвниках з розподіленим зворотнім зв'язком (Distributed Feedback) 1973 • M. Накамура і А .Ярів створили перший DFB напівпровідниковий лазер 1974 • Г. Маровський використав кільцевий резонатор для запобігання „spatial hole burning”-ефекту

1977 • Дж. Мадейс та інші свторюють перший лазер на вільних електронах 1979 • Х. Сода та інші створили перші поверхнево-емітуючі лазерні діоди (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)

1980 • Л. Молленауер, Р. Стоулен, Дж. Ґордон вперше спостерігали солітони в оптичних волокнах

1981 • Ф. Кояма та інші побудували GaInAsP/InP-лазерні діоди з розподіленим рефлектором Бреґґа (Distributed Bragg Reflector)

1985 • Д. Меттьюс та інші відкрили рентгенівський лазер з 15 нм випромінюванням 1987 • Д. Пейн відкрив ербієвий підсилювач з робочою довжиною хвилі 1,55 мкм (Erbium Doped Fiber Amplifier ) 1991 • М. Гаазе та інші отримали короткочасну генерацію з блакитно-зеленого лазерного діода на базі селеніду цинку

1995 • М. Андерсон та інші; К. Дейвіс та інші вперше спостерігають конденсат Бозе-Ейнштейна в атомарних газах

1999 • Вольфганг Кеттерле та інші; К. Моцума та інші відкрили перший атомний лазер — когерентне підсилення матеріальних хвиль при проходженні атомного резевруару

Технічні характеристики

Лазер містить скляну оболонку, герметично закриту на торцях фланцями із закріпленими в них втулками з дзеркалами. Оскільки нагрівальний елемент і резервуар з металом знаходяться всередині оболонки, що захищає випарник металу від впливів змінних зовнішніх потоків, то з'являється можливість використовувати оболонку в якості власника оптики. Технічний результат винаходу полягає в підвищенні стабільності роботи лазера і в скороченні витрат при його виготовленні.

Винахід відноситься до галузі квантової електроніки і може бути використане при виготовленні стабільних по потужності випромінювання лазерів на парах металів, наприклад гелій-кадмієвих лазерів. Гелій-кадмієві лазери безперервної дії отримали найбільше поширення серед лазерів безперервної дії на парах металів, так як ці прилади генерують у фіолетовій і ультрафіолетової області спектра на довжинах хвиль, зручних для запису інформації на фоточутливі матеріали, включаючи фоторезист.<і симетричні і можуть поперемінно грати роль холодного катода, то анода при перемиканні полярності джерела живлення .

Резервуар з испаряемим кадмієм у такій конструкції не захищений від впливу зовнішнього середовища (хаотичні зовнішні потоки), що призводить до нестабільності роботи лазера. Відома також конструкція розрядної трубки лазера на парах металу, що складається зі скляної оболонки і розташованого в ній коаксіально капіляра, оточеного з одного боку циліндричним катодом. Протилежна частина капіляра введена в резервуар, що містить активну речовину лазера - метал, наприклад кадмій.

У цій конструкції розрядний капіляр захищений від зовнішніх впливів оболонкою, однак найбільш чутливий до зовнішніх впливів вузол - випарник металу не захищений від зовнішніх впливів, що призводить до нестабільності потужності вихідного випромінювання.

Сфера застосування

• Поліграфія
• УФ детектори валюти
• Наукові дослідження : Оригінально застосовують сучасні астрономи лазер і отримують дивовижний результат. Вони визначили точну відстань до супутника Землі - Місяця, а використовували для цього сміливого експерименту рубіновийлазер і кутові відбивачі. З поверхні Землі вчені за допомогою телескопа посилали сфокусований лазер. За часом, витраченому на шлях до Місяця і назад, було визначено точне відстань.

• Археологія
• Навчальні лазери
• Дерматологія
• Швидкісна фотографія
• Медицина : У медицині застосування лазерів неймовірно широке. З їх допомогою повертається людям можливість жити повноцінним життям. Прикладом можуть стати операції, що проводяться на сітківці ока, під час яких замість скальпеля лікарі використовують все той же лазер. Крім цього, цей джерело електромагнітного випромінювання застосовується для лікування важких травм кісток, а також при оперативних втручаннях, коли потрібно з`єднання розірваної м`язової тканини.

Фото, відео-матеріали

Лазер на парах міді

Лазер на парах

Лазер на парах стронцію

Список використаних джерел

1. Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.
2. Ландсберг Г. С. Елементарний підручник фізики. - М.: Наука, 1986. - Т.3 .- 656 с.
3. Матвєєв А. Н. Оптика. - М.: Вища школа, 1985. - 351 с.
4. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Фізика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.
5. Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
6. Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М. Наука, 1985. -176 С.
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B4%D1%8B_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2
8. http://uahealing.pp.ua/lazer-na-parah-midi-v-otolarynholohiji/
9. http://www.studfiles.ru/preview/5751476/page:2/