Лазер: газовий, напівпровідниковий
Роботу виконала Котляр Анна
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Напівпровідниковий лазер:
У звичайному стані більшість електронів розташоване на рівні валентності. При підводі фотонами енергії, перевищує енергію зони розриву, електрони напівпровідника приходять у стан збудження і, подолавши заборонену зону, переходять у вільну зону, концентруючись у її нижнього краю. Одночасно дірки, що утворилися на валентном рівні, піднімаються до її верхньої межі. Електрони у вільну зону рекомбінують з дірками, випромінюючи енергію, рівну енергії зони розриву, у вигляді фотонів. Рекомбінація може бути посилена фотонами з достатнім рівнем енергії. Чисельне опис відповідає функції розподілу Фермі.
Газовий лазер: 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.
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.Вудинским і Ф. А.Бутаевой отримав авторське свідчення на засіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, котре генерує електромагнітні коливання з урахуванням використання явища індукованого випромінювання в НВЧ 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.
Технічні характеристики
Напівпровідниковий лазер:
Пристрій напівпровідникового лазера являє собою лазерний діод, накачується енергією електронів і дірок у зоні р-n-переходу – місці зіткнення з провідністю напівпровідників p – і n-типу. Крім того, існують напівпровідникові лазери з оптичним підведенням енергії, в яких пучок формується при поглинанні фотонів світла, а також квантові каскадні лазери, робота яких заснована на переходах всередині зон.
Газовий лазер: 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
Напівпровідниковий лазер: Потужні діодні лазери з високоефективною електричної накачуванням при помірних напругах використовуються в якості засобів підведення енергії високоефективних твердотільних лазерів.
Напівпровідникові лазери можуть працювати у великому діапазоні частот, який включає видиму, ближню інфрачервону і середню інфрачервону частину спектру. Створено пристрої, що дозволяють змінювати частоту издучения.
Лазерні діоди можуть швидко перемикати і модулювати оптичну потужність, що знаходить застосування в передавачах оптоволоконних ліній зв’язку.
Такі характеристики зробили напівпровідникові лазери технологічно найбільш важливим типом квантових генераторів. Вони застосовуються:
- у датчиках телеметрії, пирометрах, оптичних высотомерах, дальномерах, прицілах, голографії;
- в оптоволоконних системах оптичної передачі і зберігання даних, системах когерентної зв’язку;
- у лазерних принтерах, видеопроекторах, покажчиках, сканерах штрих-коду, сканерах зображень, програвачах компакт-дисків (DVD, CD, Blu-Ray);
- у охоронних системах, квантової криптографії, автоматиці, індикаторах;
- в оптичній метрології та спектроскопії;
- у хірургії, стоматології, косметології, терапії;
- для очищення води, обробки матеріалів, накачування твердотільних лазерів, контролю хімічних реакцій, промислової сортування, промисловому машинобудуванні, системи запалювання, системи ППО.
Газовий лазер:
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
Список використаних джерел
- Принципы лазеров [Звелто О., 1990]
- Лазеры - устройство и действие [Борейшо А.С., 1992]
- Газовые лазеры [Хьюстис Д.Л. и др., 1989]
- http://www.studfiles.ru/preview/5259448/page:17/
- ”Газовые лазери” (під. ред. Н.Н.Соболева) Москва “Світ” 1968 р.
- Донина М.М. Виникнення квантової електроніки. М.: Наука, 1974.
- Брюннер У., Юнзі До. Довідник по лазерної техніці. / Під ред. О.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.
