Відмінності між версіями «Лазер: газовий, напівпровідниковий»

Версія за 17:07, 22 травня 2017

Головна

Роботу виконала Котляр Анна

Загальний опис (принцип дії)

Основним робочим компонентом будь-якого лазерного пристрою є так звана активна середовище. Вона не лише виступає джерелом спрямованого потоку, але і в деяких випадках може значно посилювати. Саме такою особливістю і мають газові суміші, що виступають активною речовиною в лазерних установках. При цьому існують різні моделі подібних пристроїв, що відрізняються конструкцією, і характеристиками робочої середовища. Так або інакше, газовий лазер має чимало переваг, які дозволили йому зайняти міцне місце в арсеналі багатьох промислових підприємств.

Традиційно лазери асоціюються з твердотільними і рідинними середовищами, які сприяють формуванню світлового променя з необхідними робочими характеристиками. При цьому газ має переваги у вигляді однорідності і невеликий щільності. Ці якості дозволяють лазерного потоку не спотворюватися, не втрачати енергію і не розсіюватися. Також газовий лазер відрізняється збільшеною спрямованістю випромінювання, межа якої визначає лише дифракція світла. У порівнянні з твердими тілами взаємодія частинок газу відбувається виключно при зіткненнях в умовах теплового переміщення. В результаті енергетичний спектр наповнювача відповідає енергетичному рівню кожної частки окремо.

Класичне влаштування таких апаратів формується герметичній трубкою з газоподібної функціональної середовищем, а також оптичним резонатором. Розрядна трубка зазвичай виконується з корундової кераміки. Її розміщують між відбиває призмою і дзеркалом на бериллиевом циліндрі. Розряд проводиться у двох секціях з загальним катодом при постійному струмі. Оксиднотанталовие холодні катоди найчастіше поділяють на дві частини за допомогою діелектричної прокладки, яка забезпечує однорідність розподілу струмів. Також пристрій газового лазера передбачає наявність анодів – їх функцію виконує нержавіюча сталь, представлена у вигляді вакуумних сильфонів. Ці елементи забезпечують рухливе з'єднання трубок, призми і власників дзеркала.

Для наповнення енергією активного тіла в газі застосовуються електричні розряди, які виробляються електродами в порожнині трубки приладу. В процесі зіткнення електронів з газовими частинками відбувається їх порушення. Таким чином створюється основа для випромінювання фотонів. Вимушене випускання світлових хвиль в трубці підвищується в процесі їх проходженні по газовій плазмі. Виставлені дзеркала на торцях циліндра створюють основу для переважного напрямку світлового потоку. Напівпрозоре дзеркало, яким забезпечується газовий лазер, відбирає з направленого променя частку фотонів, а інша їх частина відображається всередину трубки, підтримуючи функцію випромінювання.

Посилання на опис Напівпровідникового лазеру: Напівпровідниковий лазер

Історична довідка

Лазери – це джерела когерентного оптичного випромінювання, принцип дії яких грунтується на використанні явища індукованого випромінювання. Слово «лазер» є абревіатуру англійської фрази «Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation», перекладної посилення світла результаті вимушеного випромінювання. Гіпотеза про існування вимушеного (індукованого) випромінювання пролунала в 1917 р. А. Ейнштейном. У 1940 р. професор Московського енергетичного інституту У. А.Фабрикант сформулював умови, і під час яких можна знайти індуковане випромінювання, а 1951 р. він разом із М. М.Вудинським і Ф. А.Бутаєвой отримав авторське свідчення на засіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, котре генерує електромагнітні коливання з урахуванням використання явища індукованого випромінювання в діапазоні, було створене 1953—1954 рр. М. Р.Басовим й О. М.Прохоровим у СРСР і групою Ч.Таунса США.

У 1958 р. А. М. Прохоров у СРСР, а США Ч.Таунс й О.Шавлов показали зокрема можливість використання індукованого випромінювання до створення генераторів когерентного оптичного випромінювання — лазерів. У 1959 р. М. Р.Басову й О. М.Прохорову за розробку нового принципу генерування і через посилення електромагнітних коливань й створення з урахуванням цього принципу НВЧ генераторів і підсилювачів присуджували Ленінська премія, а 1964 р. що з Ч.Таунсом — Нобелівську премію із фізики за дослідження у сфері квантової електроніки.

1960 р. американськими фізиками А. Джавану, У. Беннету, Еге. Эрриоту удалося одержати генерацію оптичного випромінювання в електричному розряді в суміші гелію і неону. Отак виникло перший газовий лазер, поява якого треба було фактично підготовлено експериментальними дослідженнями У. А. Фабриканта і Ф. А. Бутаєвой, розробленими у 1957 р. Починаючи з 1961 р., лазери різних типів (твердотільні газові) займають міцне місце у оптичних лабораторіях. Освоюються нові активні середовища, розробляється і вдосконалюється технологію виготовлення лазерів.

1967 • Ф.К. Кнойбюль та інші реалізували хвилепровідний газовий лазер на HCN-молекулах (λ = 337 мкм) • Т.Ф. Дойтч, К.Л. Компа і Ґ С. Піментель побудували перший фтороводневий (HF) лазер

1968 • Ж.І. Алферов та інші створили напівпровідниковий лазер на подвійній гетероструктурі з генерацією в імпульсному режимі • M. Росс реалізував перший Nd:YAG-лазер з накачкою лазерними діодами • В.Т. Волтер побудував перший лазер на парах золота (λ = 637,8 нм)

1969 • В.Б. Тіфанні та інші побудували перший кіловатний CO2-лазер • Т.А. Кул і Р.Р. Тефенс відкрили чисто хімічний лазер на HCl неперервної дії

1970 • O. Петерсон на інші отримали неперервне випромінювання на родаміні 6G • Н.Г. Басов та інші побудували перший ексимерний лазер на Xe*2 • T. Чанг і T. Бріджес побудували 496-мкм -CH3F-лазер • Ж. Алферов та інші побудували перші лазерні діоди на подвійних гетероструктурах з неперервною генерацією при кімнатній температурі • І. Хаяші, М. Паніш на інші побудували лазерні діоди з неперервною генерацією при кімнатній температурі • Л. Есакі та Р. Тсу отримали перші квантові хвилеві структури

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 • А.І. Гудзенко і С.І. Яковенко запропонували реактор-лазер

1975 • T. Генш, А. Шавлов, Д. Вінеланд і Г. Демельт запропонували охолодження атомних променів за допомогою лазерів 1976 • Дж. Гсіех побудував неперервні InGaAsP-лазерні діоди (λ = 1,25 мкм) 1977 • Дж. Мадейс та інші свторюють перший лазер на вільних електронах 1978 • Дж. Валлінґ побудував твердотільний лазер на александриті (BeAl2O4:Cr3+) з неперервною перебудовою в діапазоні 710 — 820 нм • В. Мак Дермотт, Н. Пчелкин та інші створили чисто хімічний лазер на електронних переходах в йоді (λ = 1,315 мкм)

1979 • Е. Аффолтер і Ф. Кнойбюль побудували газовий лазер з розподіленим зворотнім зв'язком (DFB) • 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 • Ц. Бор отримав короткі імпульси за допомогою лазера на барвниках

1981 • Ф. Кояма та інші побудували GaInAsP/InP-лазерні діоди з розподіленим рефлектором Бреґґа (Distributed Bragg Reflector) 1982 • П. Моултон побудував перший Ti:сапфір-лазер (Ti3+:Al2O3) з перебудовою хвиль між 670 нм і 1079 нм 1983 • Л. Молленауер, Р. Стоулен побудував перший лазер на солітонах 1985 • Д. Меттьюс та інші відкрили рентгенівський лазер з 15 нм випромінюванням • Т. Кейн і Р. Бейр створили монолітний кільцевий YAG-лазер з діодною накачкою

1987 • Д. Пейн відкрив ербієвий підсилювач з робочою довжиною хвилі 1,55 мкм (Erbium Doped Fiber Amplifier ) 1988 • С. Пейн та інші побудували перший Cr:LiCaF-лазер з перебудовою довжини хвилі в діапазоні 720 нм і 840 нм 1989 • С. Пейн та інші побудували перший Cr:LiCaF-лазер з перебудовою довжини хвилі в діапазоні 780 нм і 920 нм 1991 • М. Гаазе та інші отримали короткочасну генерацію з блакитно-зеленого лазерного діода на базі селеніду цинку 1992 • Ґ.Ґріін, Ґ. Ляйзінґ та інші створили перший органічний полімерний світлодіод з блакитним випромінюванням 1994 • K. Ан та інші відкрили перший лазер на одному атомі (λ = 791 нм) 1995 • М. Андерсон та інші; К. Дейвіс та інші вперше спостерігають конденсат Бозе-Ейнштейна в атомарних газах 1996 • Накамура Сюдзі створив перші ефективні блакитні лазерні діоди на базі нітриду галію • Р. Френд побудував полімерний лазер з оптичною накачкою

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

Технічні характеристики

Внутрішній діаметр розрядної трубки зазвичай становить 15 мм. Діаметр оксиднотанталового катода може досягати 48 мм при довжині елемента 51 мм. При цьому конструкція працює під дією постійного струму з напругою до 1000 В. В гелій-неонових лазерах потужність випромінювання невелика і, як правило, обчислюється у десятих частках Вт. Моделі на вуглекислому газі припускають використання трубок діаметром від 2 до 10 див. Примітно, що газовий лазер, що працює в безперервному режимі, володіє дуже високою потужністю. З погляду експлуатаційної ефективності, цей фактор іноді йде в плюс, але для підтримання стабільної функції таких приладів потрібні довговічні й надійні дзеркала з підвищеними оптичними властивостями. Як правило, технологи використовують металеві і сапфірові елементи з обробкою золотом.

Сфера застосування

Практично всі лазери такого типу відрізняються високим ступенем надійності, довговічністю і доступною ціною. Ці фактори зумовили їх широке поширення в різних галузях. Наприклад, гелій-неонові апарати знайшли застосування в нівелювальних і юстіровочних операціях, які виконуються в шахтних роботах, в кораблебудуванні, а також при будівництві різних споруд. Крім цього, характеристики гелій-неонових лазерів підходять для використання в організації оптичного зв'язку, у розробці голографічних матеріалів і квантових гіроскопів. Не став винятком з точки зору практичної користі і аргоновий газовий лазер, застосування якого показує ефективність в сфері обробки матеріалів. Зокрема, подібні пристрої служать в якості різьбяра твердих порід і металів.

Фото, відео-матеріали

Газовий лазер

Газовий лазер

Газовий лазер

Список використаних джерел

1. Звелто О. Принципы лазеров 1990 р.
2. Борейшо А.С. Лазеры - устройство и действие 1992 р.
3. Хьюстис Д.Л. Газовые лазеры 1989 р.
4. http://www.studfiles.ru/preview/5259448/page:17/
5. Н.Н.Соболева Газовые лазери Москва “Світ” 1968 р.
6. Донина М.М. Виникнення квантової електроніки. М.: Наука, 1974.
7. Брюннер У., Юнзі До. Довідник по лазерної техніці. / Під ред. О.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80
9. http://fb.ru/article/251705/gazovyiy-lazer-opisanie-harakteristiki-printsip-deystviya
10. http://www.teh-lib.ru/koe/gazovye-lazery.html