Лазери на барвниках

Роботу виконує Котляр Анна

Загальний опис (принцип дії)

Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових фарб у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідина налита в плоску ванночку-кювету. Кювету встановлена між дзеркалами. Енергія молекули барвника накачується оптично, тільки замість лампи-спалаху спочатку використовувалися імпульсні рубінові лазери, а пізніше - лазери газові. Лазер-накачування всередину рідинного лазера не вбудовують, а поміщають поза лазера, вводячи його промінь в кювету через віконце в корпусі. Зараз вдалося добитися генерації світла і з імпульсною лампою, але не на всіх барвниках. Розчини можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі - від ультрафіолету до інфрачервоного світла - і потужністю від сотень кіловат до декількох мегават (мільйонів ват), в залежності від того, який барвник налитий у кювету.

Лазери на барвниках володіють однією особливістю. Всі лазери випромінюють строго на одній довжині хвилі. Це їх властивість лежить в самій природі вимушеного випромінювання атомів, на якому заснований весь лазерний ефект. У великих і важких молекулах органічних барвників вимушене випромінювання виникає відразу в широкій смузі довжин хвиль. Щоб домогтися від лазера на барвниках монохроматичности, на шляху променя стає світлофільтр. Це не просто забарвлене скло. Він являє собою набір скляних пластин, які пропускають тільки світло однієї довжини хвилі. Змінюючи відстань між пластинами, можна злегка змінити довжину хвилі лазерного випромінювання. Такий лазер називається перебудовуваним. А для того, щоб лазер міг генерувати світло в різних ділянках спектра - переходити, скажімо, від синього до червоного світла або від ультрафіолетового до зеленого, - досить змінити кювету з робочою рідиною. Найбільш перспективні вони виявилися для дослідження структури речовини. Перебудовуючи частоту випромінювання, можна дізнатися, світло якої довжини хвилі поглинається або розсіюється на шляху променя. Таким способом можна визначити склад атмосфери і хмар на відстані до двохсот кілометрів, виміряти забрудненість води чи повітря, вказавши відразу, якого розміру частки його забруднюють. Тобто можна побудувати прилад, автоматично і безперервно контролюючий чистоту води і повітря. Але поряд з широкосмуговими рідинними лазерами існують і такі, у яких, навпаки, монохроматичность набагато вище, ніж у лазерів на твердому тілі або на газі.

Історична довідка

Якщо більшість лазерів, які ми розглянули, з'явилися в результаті высокоскоординированных зусиль і вимагали розвитку передових технологій , то випадок органічних барвників (просто барвників) абсолютно відрізняється.

Перший лазер цього типу з'явився випадково завдяки лазерної методики, званої модуляцією добротності, яку запропонував в 1961 р. Роберт Хелворт з Hughes Research Lab. Цей метод, як зазначалося вище, дозволяє у величезній мірі збільшити імпульсну потужність лазерного випромінювання шляхом генерації «гігантських імпульсів». Суть методу полягає в наступному. У період накачування, добротність резонатора штучно підтримується на низькому рівні і генерація не виникає. Відсутність генерації дозволяє отримати велику інверсну населеність (при генерації вимушене випромінювання збіднює верхній лазерний рівень). У момент досягнення максимального значення інверсної населеності швидко включається максимальна добротність резонатора (різко зменшуються втрати). Умови генерації виявляються сильно перевиконаними. В результаті генерація дуже швидко розвивається і в активному середовищі енергія висвічується у вигляді короткого імпульсу (його тривалість становить кілька часів обходу світлом відстані між дзеркалами резонатора). 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 • 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) 1983 • Л. Молленауер, Р. Стоулен побудував перший лазер на солітонах 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 1992 • Ґ.Ґріін, Ґ. Ляйзінґ та інші створили перший органічний полімерний світлодіод з блакитним випромінюванням 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 1999 • Вольфганг Кеттерле та інші; К. Моцума та інші відкрили перший атомний лазер — когерентне підсилення матеріальних хвиль при проходженні атомного резевруару

Технічні характеристики

Довжина хвилі світла лазера може змінюватися, укорачиваясь і подовжуючись приблизно на одну соту (у хороших лазерів). Чим менше відстань між дзеркалами, тим ця смуга ширше. У напівпровідникових лазерів, наприклад, вона становить вже кілька довжин хвиль, а у лазера на основі солей неодиму ця смуга - одна десятитисячна. Така сталість довжини хвилі можна отримати тільки у великих газових лазерів, та й то, якщо взяти всілякі необхідні для цього заходи: забезпечити стійкість температури трубки, сили струму, її живить, і включити в схему лазера систему автоматичного підстроювання довжини хвилі випромінювання. Потужність випромінювання при цьому повинна бути мінімальною: при її підвищенні смуга розширюється. Зате в рідинному неодимовому лазері вузька смуга випромінювання виходить сама собою і зберігається навіть при помітному підвищенні потужності випромінювання, а це вкрай важливе для всякого роду точних вимірювань.

Тому від того, наскільки точно витримується довжина хвилі світла, випромінюваного лазером, залежить і точність вимірювань. Зменшення смуги випромінювання лазера в сто разів обіцяє сторазове збільшення точності вимірювання довжин.

Сфера застосування

Робочий діапазон визначається типом барвника

• Розділення ізотопів;
• Наукові дослідження: У відомих методиках лазерної терапії не приділяють належної уваги точному дозуванню лазерного опромінення, й енергетична доза випромінювання, яка поглинається організмом, не може бути обчислена як простий добуток коефіцієнта поглинання, інтенсивності опромінення і тривалості сеансу. Це пов’язано з тим, що будь-який біологічний організм є автоколивальною системою зі своїм спектром коливальних процесів, і тому енергетична доза, яка поглинається організмом, визначається не тільки тривалістю дії, а й станом організму.

• Спектроскопія ( вивчення спектрів електромагнітного випромінювання);
• Косметична хірургія (усунення деформацій і дефектів органу, тканини або поверхні людського тіла):З їх допомогою виконуються найскладніші операції на мозку. Лазер використовують онкологи. Потужний лазерний пучок відповідного діаметру знищує злоякісну пухлину. Потужними лазерними імпульсами (тривалістю порядку мілісекунди і менше) «приварюють» відшарувалася сітківку і виконують інші офтальмологічні операції і т. д.

Фото, відео-матеріали

Лазер на барвниках

Лазер на барвниках

Лазер на барвниках

Список використаних джерел

1. Матвєєв А. Н. Оптика. - М.: Вища школа, 1985. - 351 с.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Фізика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.
3. Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
4. Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М. Наука, 1985. -176 С.
5. http://studall.org/all-17120.html
6. http://www.studfiles.ru/preview/5751476/page:5/
7. http://mirznanii.com/a/320851/lazer-na-krasitelyakh