Мощность лазера

Содержание

Свойства лазеров и лазерного излучения

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны;
когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний;
поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения;
направленность — малая расходимость потока излучения.

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равное расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) ( 1мкм=1000нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность излучения

— средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.

Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Дж – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1Дж=1Вт/1с

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Спектр лазерного излучения (цвет лазера)

Ультрафиолетовый диапазон

Видимый спектр:

фиолетовый 400-450 нм;
синий 450-480 нм;
голубой 480-510 нм;
зелёный 510-575 нм;
жёлтый 575-585 нм;
оранжевый 585-620 нм;
красный 620-760 нм;

Инфракрасный диапазон

Ближняя область 760 нм -15 мкм;
Дальняя область 15-30 мкм.

В физиотерапии наиболее часто применяют красный и ближнего инфракрасного диапазона, которое обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2)
среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2)
высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).

Автор статьи Команда профессионалов АЮНА Professional

www.ayna-spb.ru

2 Мощные лазеры

Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики — это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путей высвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовой электроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазеры открыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высоких концентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подвода световой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатами по созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на три группы — импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают свет одиночными импульсами, вторые — непрерывными сериями импульсов, и, наконец, третьи, дают непрерывное излучение.

Мощность — характеристика относительная, она говорит о том, какая работа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единица мощности, как известно, ватт (Вт) — он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейся за 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждую секунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, а если 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100 Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж. На это «бы» не нужно обращать внимания — при определении мощности не имеет значения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это время выделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о его интенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго, во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что было действительно сделано за одну секунду.

В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-то ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получается огромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере, созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж и продолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощность импульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тот же джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе — до 10 нс (наносекунда, миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот же джоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющая мощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той, конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардные доли секунды, а электростанция — непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры дают импульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощность достигает 100 миллионов кВт.

Источник энергии	Плотность энергии Дж/см3	Плотность мощности Вт/см3
Электрический конденсатор	10-2	—
Электрический разряд	10-4	108—109
Химическое взрывчатое вещество	104	109
Сильноточный электронный пучок	106	1013—1014
Ядерное взрывчатое вещество	1010— 1011	1016—1018
Сфокусированный мощный лазерный пучок	1010—1012	1020—1022
Аннигиляция вещества (плотность 10 г/см3)	1015	—

Лазерный луч — это поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Именно за все эти качества мы платим столь высокую цену — кпд лазеров составляет доли процента, а в лучшем случае несколько процентов, то есть на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки, а то и сотни джоулей энергии накачки. Но часто даже такая высокая плата совершенно оправданна,— теряя количество, мы приобретаем качество. В частности, когерентность, направленность лазерного луча в сочетании с последующей фокусировкой в очень малом объеме, например, до сферы диаметром 0,1 мм, и сжатием процесса во времени, то есть излучением очень короткими импульсами, позволяет получить огромные плотности энергии. Об этом напоминает таблица 1. Из таблицы видно, что концентрации энергии в сфокусированном мощном лазерном луче всего в тысячу раз меньше своеобразного рекордного значения для полной аннигиляции вещества нормальной плотности, полного превращения массы в энергию. Увеличение мощности лазеров связано с некоторыми общими проблемами, прежде всего со свойствами рабочего тела, то есть самого вещества, где рождается излучение. Но есть и проблемы специфические для импульсных, импульсно-периодических и непрерывных лазеров. Так, например, для импульсных лазеров одна из важных проблем — стойкость оптических элементов в сильном световом поле очень коротких импульсов. Для непрерывных и импульсно-периодических очень важна проблема отвода тепла, так как эти лазеры развивают большую среднюю мощность. Для лазера, работающего в режиме длинной очереди, импульсная мощность говорит о том, как сконцентрирована во времени энергия одного импульса, а средняя — о работе, которую выполняет серия импульсов, длившаяся секунду. Так, например, если лазер в секунду дает 20 импульсов длительностью 1 мс и энергией 1 Дж в каждом, то импульсная мощность составит 1 кВт, а средняя — 20 Вт.

Все виды лазеров начинали с достаточно скромных энергетических показателей, а совершенствовались зачастую разными путями. В частности, первый импульсный лазер работал в режиме свободной генерации — в нем самопроизвольно возникала лавина лазерного излучения и опять-таки сама собой прекращалась по окончании возбуждения. Импульс длился по нынешним меркам долго, и это определило сравнительно невысокую импульсную мощность.

Через несколько лет научились управлять генерацией методом модуляции добротности, вводя в резонатор ячейку Керра или другой аналогичный элемент, который под действием электрического напряжения меняет свои оптические свойства. В обычном состоянии ячейка закрыта, непрозрачна, и лазерная лавина в резонаторе не возникает. Только под действием короткого электрического импульса ячейка открывается, и в рабочем теле возникает короткий лазерный импульс. Его длительность может быть всего в несколько раз больше времени прохождения света между зеркалами лазера, то есть может составлять 10—20 нс.

Этот метод дал заметный прирост импульсной мощности за счет уменьшения длительности импульса. Очень короткие импульсы, вплоть до пикосекундных, получают в режиме синхронизации, или, иначе, в режиме захвата мод. Здесь в резонатор вводят особый нелинейный элемент, он неодинаково ведет себя, неодинаково просветляется для разных по интенсивности всплесков излучения и как бы вырезает из наносекундного светового импульса очень короткие пикосекундные всплески интенсивности.

studfiles.net

О мощности портативных лазеров и лазерных указок Поиск по сайту

« Назад

О мощности портативных лазеров и лазерных указок 11.05.2014 21:21

Во многих интернет магазинах мощность портативных лазеров и лазерных указок неоправданно завышается в целях коммерческой выгоды. Рядовому покупателю достаточно сложно разобраться в этом вопросе и определить, насколько мощность приобретённого портативного лазера или лазерной указки соответствует действительности. В связи с этим мы предлагаем прочитать данную статью, в которой расскажем о том, какие бывают мощности у портативных лазеров и лазерных указкок, а также о том, как измеряется мощность в нашем интернет магазине.

Мощность портативных лазеров и лазерных указок

На данный момент наиболее мощными представителями портативных лазеров являются синие лазеры с длиной волны 445-450нм. Некоторые самостоятельно собранные модели при использовании нескольких лазерных диодов и сведения луча достигают мощности в 6,3Вт. Однако мощность у существующих отдельных лазерных диодов не превышает 3,5Вт. Важно отметить, что данные мощности были получены при аномально больших токах, на которые данные диоды не расчитаны. Максимальная выходная мощность, при которой синий портативный лазер будет работать стабильно на данный момент не превышает 2000мВт (2000 милливатт = 2Вт, 2000mW).

Следующие по мощности идут красные (650-660нм) и фиолетовые (405нм) портативные лазеры. Их мощность не превышает 1000мВт.

Наконец, наиболее популярные и яркие зелёные (532нм) лазеры имеют максимальную мощность 750мВт. Важно отметить, что зелёные лазеры по принципу действия отличаются от синих и красных: зелёные 532нм лазеры — полупроводниковые лазеры с диодной накачкой. Поэтому, мощность зелёного лазера складывается из трёх компонент: инфракрасной 808нм (лазерный диод накачки), 1064нм (лазерное излучение алюмо-иттриевого граната, («YAG», Y₃Al₅O₁₂) легированного ионами неодима (Nd)) и 532нм (зелёный лазерный свет после удвоения частоты в кристалле KTP). Чтобы на выходе получить 750мВт мощности зелёного 532нм лазера нужно более 5Вт мощности 808нм диода накачки! Проверяя мощность зелёного лазера с помощью ваттметра необходимо удостовериться, что у него есть фильтр, способный отсечь инфракрасные длины волн. В противном случае ваттметр покажет суммарную мощность лазера (из которых лишь 10-15% приходится на 532нм).

Об измерении мощности в интернет-магазине LaserMag

В нашем интернет магазине имеется уникальная возможность проверять оптическую мощность портативных лазеров и лазерных указок благодаря специальному оптическому ваттметру.

Принцип его работы основан на термоэлементе, который поглощает лазерное излучение и формирует электрический сигнал. Электрический сигнал попадает в ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Далее, с помощью специальной программы, поставляемой с оптическим ваттметром на экран компьютера выводится динамическая характеристика мощности (зависимость мощности от времени). При желании клиента мы готовы предоставить график мощности любого приобретаемого лазера.

laser-mag.com

FAQ (Чаво)

В данном разделе даны ответы на наиболее частые вопросы, которыми задаются новички

Каковы предельные мощности портативных лазеров?
На данный момент мощность портативных лазеров, имеющихся в продаже не превышает 2200 мВт! Имеются отдельные самодельные портативные лазеры, мощность которых достигла 3700-4400мВт, но в магазинах таких не продают! Опасайтесь мошенничества.
Конкретно по цветам.
Мощность зелёных лазеров <750мВт. Стоимость наиболее мощного ~20 000р.
Мощность красных лазеров <1000мВт. Стоимость наиболее мощного ~10 000р.
Мощность синих лазеров <3000мВт. Стоимость наиболее мощного ~20 000р.
Мощность фиолетовых лазеров <1000мВт. Стоимость наиболее мощного ~12 000р.
К сожалению, во многих интернет магазинах существенно завышают мощности портативных лазеров. Будьте бдительны!
От чего зависит предельная мощность портативных лазеров?
Мощность — количество энергии в единицу времени. Прежде всего мощность портативных лазеров ограничивается предельной мощностью его элементов питания и коэффициентом полезного действия (КПД) лазера, т.е. насколько эффективно мощность элементов питания преобразуется в световую мощность. КПД портативных лазеров не превышает 20-30% (у зелёных 532нм 10-15%). Также мощность портативных лазеров ограничивается максимальной мощностью лазерных диодов — основного элемента полупроводникового лазера. Таким образом, зная, с какими элементами питания поставляется лазер, можно легко оценить его максимальную мощность.
Подробнее о мощности портативных лазеров читайте в нашей статье «О мощности портативных лазеров и лазерных указок».
Почему при равной мощности лазеров, зелёный лазер ярче красного и синего?
Секрет в физиологии наших глаз. Чувствительность человеческих глаз неравномерна по цветам (длинам волн света). Максимум чувствительности приходится на жёлто-зелёный цвет (длина волны ~550-555 нм).
От чего зависит яркость луча лазера?
У лазера видно луч только из-за наличия атмосферы (среды), капелек воды в ней, пыли и др. частиц. Свет от лазера рассеивается на этих микроскопических частицах и попадает к нам в глаз, что мы и видим как луч. В идеально чистом пространстве, вакууме, вне зависимости от того, какая мощность у лазера, луча видно НЕ будет. В космосе, таким образом, мы не увидим лазерного луча. Итого, яркость луча, во-первых, зависит от того, насколько читый воздух и, во-вторых, от мощности и цвета лазера.
Подробнее о лазерном луче и других характеристиках читайте в нашей статье «Характеристики лазера».
От чего зависит дальность луча лазера?
Поскольку видимость луча определяется состоянием среды, в которой он распространяется, то дальность луча, прежде всего, зависит от самой среды, насколько она прозрачная/непрозрачная. Во вторую очередь дальность зависит от мощности и расходимости луча. В идеальной прозрачной среде (или вакуумуме) свет лазера будет распространяться до бесконечно далеко!
Подробнее о дальности лазерного луча и других характеристиках читайте в нашей статье «Характеристики лазера».
Насколько лазеры вредны для глаз?
Глаз представляет собой линзу, которая фокусирует свет на светочувствительные клетки. При попадании в глаз мощности больше допустимой, те клетки, на которые попал свет, могут перестать работать. Но зрение от этого человек НЕ потеряет. Более того, скорее всего изменение в зрении вообще заметно не будет. Имеет значение также время контакта. Кратковременного случайного попадания можно не бояться.
Тем не менее, при работе с лазерами класса опасности выше 3-го рекомендуется использовать специальные защитные очки.

laser-mag.com

Лазер плотность мощности — Справочник химика 21

Наибольшую мощность в зоне стимуляции обеспечивает нагрев оптическим излучением, генерируемым лампами различного типа и лазерами (рис. 1.1, а). Наиболее просто можно нагреть поверхность объекта контроля с помощью электрических ламп накаливания. Плотность нагрева может составлять до нескольких кВт/м в зоне диаметром до 1 м при произвольной длительности нагрева. Такие лампы являются гибким и практичным средством «мягкого» нагрева неметаллов. Для стимуляции металлов применяют галогенные и ксеноновые лампы, которые создают плотность мощности до 100 кВт/м в течение времени от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. [c.20]
Аналитические характеристики. Механизм парообразования и разрущения образца под действием луча лазера изучен пока очень мало. Известно, однако, что количество испаривщегося материала при каждой вспышке лазера зависит от мощности импульса, плотности лазерной энергии, приходящейся на поверхность образца, так как именно от этого зависят площадь и глубина кратера. Диаметр кратера во много раз больше диаметра освещенной площадки (диаметра лазерного луча), так как значительная часть энергии распространяется на ближайшие участки поверхности образца и нагревает их. Чем больше теплопроводность образца, тем заметнее диаметр кратера отличается от диаметра луча. При уменьшении подводимой к поверхности образца энергии уменьшаются глубина и диаметр кратера. На поверхности легкоплавких веществ при равных условиях размеры кратера больше, чем у тугоплавких. При малой мощности лазера размеры кратеров, а следовательно, и количество испарившегося вещества растут с уменьшением отражательной способности поверхности. При гигантских импульсах размеры кратеров оказываются меньше, чем при той же энергии и режиме свободной генерации. [c.105]

Перенос энергии от мощного источника фотонов, таких, как лазеры, на поверхность материала приводит к десорбции частиц с поверхности, при этом часть частиц ионизируется. В зависимости от плотности мощности лазерного излучения преобладают либо нетермические десорбционные процессы (менее 10 Вт/см ) — при этом испаряются молекулы адсорбированного вещества, либо термические десорбционные процессы (более 10 Вт/см ) [10-9]. Последний процесс характеризуется термическим объемным испарением, приводящим к атомизации материала поверхности. Обычно этот метод используют для элементного микроанализа, хотя можно получить некоторую информацию о молекулярном составе из картины фрагментации. [c.321]

Недостатки лазерного способа возбуждения и приема, мешающие его промышленному применению, — громоздкость аппаратуры, малая частота следования импульсов, недостаточно большой ресурс работы лазера, малая чувствительность при приеме. Возможно сочетание лазерного возбуждения с неоптическими способами приема [249]. Рекомендовано [45] для контроля алюминиевых сплавов применять лазерный пучок с диаметром на поверхности ОК 1,8. .. 3 мм и средней поверхностной плотностью тепловой мощности лазерного излучения 240. .. 300 МВт/см . Излучение происходит в результате действия эффекта абляции, т.е. при некотором повреждении поверхности. [c.78]

Лазерные источники возбуждения спектров. Электроразрядные источники возбуждения спектров позволяют анализировать непосредственно только электропроводные материалы, анализ диэлектрических материалов требует специальной подготовки. Лазерные источники дают возможность прямого анализа любых твердых материалов, и для этой цели могут применяться различные лазеры твердотельные импульсные лазеры в свободном и моноимпульсном режимах, лазеры на красителях с ламповой накачкой и др. с энергией лазерных импульсов до 10 Дж в режиме свободной генерации и до 0,6 Дж в моноимпульсном режиме. При этом реализуется плотность мощности излучения до 10 °-10 Вт/см [c.374]

Кратеры, образующиеся при взаимодействии излучения лазера с веществом, зависят от условий фокусировки, плотности мощности излучения -и материала образца их размеры лежат в пределах диаметр 50—1000 лкл, глубина 0,5—1 мкм [c.168]

Лазерная сварка — один из новейших способов сварки [137, с. 61]. Главная Особенность лазерной сварки основана на способности лазера создавать высокую плотность мощности за счет фокусирования луча в точку. Так, у непрерывно действующего лазера, выходной мощностью 1 кВт в точке диаметром 0,1 мм, лежащей в фокальной плоскости, обеспечивается плотность мощности около 3 МВт/см . [c.190]

Большинство лазеров высокой мощности, например СОг- и К гО-лазеры, генерируют на множестве близко расположенных колебательно-вращательных линиях. Если ширину каждой отдельной линии уширить с помощью давления так, чтобы она стала больше расстояния между линиями, то излучение молекулярного лазера будет представлять собой спектральный континуум, используя который можно получить непрерывно перестраиваемую по частоте генерацию [70]. В случае СОг-лазера для достижения этого континуума требуется давление около 10 атм ( 1013 кПа). При использовании смесей различных изотопов плотность линий увеличивается и континуум образуется уже при более низких давлениях. [c.263]

Мы можем принять также, что плотность мощности лазера на расстоянии Я в момент времени х дается выражением [c.375]

Распределение концентрации атомов примесей при разных температурах над отверстием стаканчика было изучено предварительно, и это позволило выбрать сечение возбуждающего пучка в зоне возбуждения флуоресценции таким, чтобы оптимально использовать всю область, заполненную парами, и, следовательно, получить максимальную величину полезного сигнала. С этой целью (в тех случаях, когда мощность генерации была достаточной для насыщения флуоресценции в столбе, сечение которого превышает сечение выходящего из лазера пучка) он расширялся телескопической системой до размеров 6X2,5 мм . При этом спектральная плотность мощности составляла 250 кBт/ м нм, что было достаточно для насыщения флуоресценции свинца. При опытах с определением железа мощность применявшегося излучения в условиях эксперимента была мала для получения насыщения. [c.76]

Лазерная техника расширила возможность изучения колебательной и вращательной релаксации в молекулах и открыла путь к проведению реакций под воздействием лазерного излучения. Как правило, колебательно-возбужденные молекулы химически более активны, чем невозбужденные. Лазерное излучение отличается от обычного сочетанием монохроматичности с высокой мощностью спектральная плотность лазеров в 10 — 10 раз превосходит спектральную плотность излучения солнца. Это позволяет избирательно возбуждать в молекулах определенные колебательные состояния и в принципе селективно осуществлять определенные химические реакции. Повышение селективности достигается тем, что лазерным излучением создается высокая заселенность некоторых возбужденных состояний при отсутствии термического разогрева, когда превращение молекул по обычным тепловым каналам практически не происходит. С этой целью успешно используется возбуждение колебаний резонансным лазерным излучением. При возбуждении колебательных уровней существенную роль играет вращательная релаксация. Это можно показать,

www.chem21.info

Мир современных материалов — Принципы работы лазера

Лазер (от англ. «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор — это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Также к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения. Таким образом, чтобы понять принципы работы лазера, необходимо поговорить о характерных свойствах лазерного излучения и инверсно-населенной среды – одного из трех основных компонент лазера.

Спектр лазерного излучения. Монохроматичность.

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры (например, полупроводниковые с вращающейся дифракционной решеткой в качестве выходного зеркала) могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»). На рис. 1 для иллюстрации данного свойства приведены спектры излучения Солнца (на уровне внешних слоев атмосферы и на уровне моря) и полупроводникового лазера производства компании Thorlabs.

Рис. 1. Спектры излучения Солнца и полупроводникового лазера.

Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии (ширина может быть задана как отстройка по длине волны или частоте от максимума интенсивности). Обычно спектральная ширина задается по уровню 1/2 (FWHM), 1/e или 1/10 от максимума интенсивности. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра. Для специалистов отметим, что ширина лазерной линии может быть на порядки уже ширины линии спонтанного излучения, что также является одной из отличительных характеристик лазера (по сравнению, например, с люминесцентными и суперлюминесцентными источниками).

Когерентность лазерного излучения

Монохроматичность – важное, но не единственное свойство лазерного излучения. Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность. Обычно говорят о пространственной и временной когерентности.

Представим себе, что лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 2). После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Можно разделить лазерный пучок и по-другому: вместо полупрозрачного зеркала поставить полностью отражающую поверхность, но перекрыть ей не весь пучок, а только часть его (рис. 2). Тогда будет наблюдаться взаимодействие излучения, которое распространялось в разных частях пучка. Максимальное расстояние между точками пучка, излучение в которых будет интерферировать, называется длиной поперечной когерентности лазерного пучка. Конечно, для многих лазеров длина поперечной когерентности просто равна диаметру пучка лазерного излучения.

Рис. 2. К объяснению понятий временной и пространственной когерентности

Угловая расходимость лазерного излучения. Параметр M².

Как бы мы ни стремились сделать пучок лазерного излучения параллельным, он всегда будет иметь ненулевую угловую расходимость. Минимальный возможный угол расходимости лазерного излучения α_d («дифракционный предел») по порядку величины определяется выражением:

α_d ~ λ/D, (1)

где λ — длина волны лазерного излучения, а D – ширина пучка, вышедшего из лазера. Легко подсчитать, что при длине волны 0.5 мкм (зеленое излучение) и ширине лазерного луча 5 мм угол расходимости составит ~10^-4 рад, или 1/200 градуса. Несмотря на столь малое значение, угловая расходимость может оказаться критичным для некоторых приложений (например, для использования лазеров в боевых спутниковых системах), поскольку оно задает верхний предел достижимой плотности мощности лазерного излучения.

В целом качество лазерного пучка можно задать параметром M². Пусть минимально достижимая площадь пятна, создаваемого идеальной линзой при фокусировке гауссова пучка, равна S. Тогда если та же линза фокусирует пучок от данного лазера в пятно площади S₁ > S, параметр M² лазерного излучения равен:

M² = S₁/S (2)

Для наиболее качественных лазерных систем параметр M² близок к единице (в частности, в продаже имеются лазеры с параметром M², равным 1.05). Надо, однако, иметь в виду, что далеко не для всех классов лазеров на сегодняшний день достижимо низкое значение этого параметра, что надо учитывать при выборе класса лазера для конкретной задачи.

Мы вкратце привели основные свойства лазерного излучения. Опишем теперь на основные компоненты лазера: среду с инверсной населенностью, лазерный резонатор, накачку лазера, а также схему лазерных уровней.

Среда с инверсной населенностью. Схема лазерных уровней. Квантовый выход.

Основным элементом, преобразующим энергию внешнего источника (электрическую, энергию нелазерного излучения, энергию дополнительного лазера накачки) в световую, является среда, в которой создана инверсная населенность пары уровней. Термин «инверсная населенность» означает, что определенная доля структурных частиц среды (молекул, атомов или ионов) переведена в возбужденное состояние, причем для некоторой пары энергетических уровней этих частиц (верхний и нижний лазерный уровни) на верхнем по энергии уровне находится больше частиц, чем на нижнем.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 3), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 3. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней, однако, в классическом приближении невозможно[1]. Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень, с которого частицы за короткое время релаксируют к более низкому значению энергии — верхнему лазерному уровню. В лазерную генерацию вовлекается также один из нижележащих уровней — основное состояние атома в трехуровневой схеме или промежуточное — в четырехуровневой (рис. 4). Четырехуровневая схема оказывается более предпочтительной в силу того, что промежуточный уровень обычно населен гораздо меньшим количеством частиц, чем основное состояние, соответственно создать инверсную населенность (превышение числа возбужденных частиц над числом атомов на нижнем лазерном уровне) оказывается гораздо проще (для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии).

Рис. 4. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Особой структурой энергетических уровней обладают полупроводниковые лазеры. В процесс генерации излучения в полупроводниковых лазерах вовлечены электроны двух зон полупроводника, однако благодаря примесям, формирующим светоизлучающий p-n переход, границы этих зон в разных участках диода оказываются сдвинутыми друг относительно друга. Инверсная населенность в области p-n перехода в таких лазерах создается за счет перетекания электронов в область перехода из зоны проводимости n‑участка и дырок из валентной зоны p‑участка. Подробнее о полупроводниковых лазерах можно прочитать в специальной литературе.

В современных лазерах применяются различные методы создания инверсной населенности, или накачки лазера.

Накачка лазера. Способы накачки.

Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс называется накачкой лазера. Существует несколько основных методов накачки, применимость которых в конкретном лазере зависит от рода активной среды. Так, для эксимерных и некоторых газовых лазеров, работающих в импульсном режиме (например, CO₂ — лазера) возможно возбуждение молекул лазерной среды электрическим разрядом. В непрерывных газовых лазерах для накачки можно использовать тлеющий разряд. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется за счет приложения напряжения к p‑n переходу лазера. Для твердотельных лазеров можно использовать некогерентный источник излучения (лампу-вспышку, линейку или массив светоизлучающих диодов) или другой лазер, длина волны которого соответствует разности энергий основного и возбужденного состояний примесного атома (в твердотельных лазерах, как правило, лазерная генерация возникает на атомах или ионах примеси, растворенных в сетке матрицы — например, для рубинового лазера активной примесью являются ионы хрома).

Обобщая, можно сказать, что метод накачки лазера определяется его типом и особенностями активного центра генерирующей среды. Как правило, для каждого конкретного типа лазеров имеется наиболее эффективный метод накачки, который и определяет тип и конструкцию системы подвода энергии к активной среде.

Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации, хотя на их основе уже можно построить некоторые устройства (например, усилитель или суперлюминесцентный источник излучения). Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора. Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

exp(a×2L) = R₁×R₂×exp(g×2L)×X, (3)

где L = длина активной среды, a — коэффициент усиления в активной среде, R₁ и R₂ — коэффициенты отражения зеркал резонатора и g — «серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды). Последний множитель «X» обозначает все прочие потери, присутствующие в лазере (например, в лазер может быть введен специальный поглощающий элемент, чтобы лазер генерировал импульсы малой длительности), при их отсутствии он равен 1. Чтобы получить условие развития лазерной генерации из спонтанно излученных фотонов, очевидно, равенство надо заменить знаком «>».

Из равенства (3) вытекает следующее правило для выбора выходного лазерного зеркала: если коэффициент усиления излучения активной средой с учетом серых потерь (a-g)×L мал, коэффициент отражения выходного зеркала R₁ должен быть выбран большим, чтобы лазерная генерация не затухала из-за выхода излучения из резонатора. Если же коэффициент усиления достаточно велик, обычно имеет смысл выбрать меньшее значение R₁, поскольку высокий коэффициент отражения будет приводить к повышению интенсивности излучения внутри резонатора, что может сказаться на времени жизни лазера.

Однако резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 5. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами; устойчивый резонатор и

стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.

Мы кратко описали минимальный необходимый набор элементов для создания лазера и основные особенности лазерного излучения.

Вас также может заинтересовать:

worldofmaterials.ru

Лазеры оптическая мощность — Справочник химика 21

Со времени создания в 1960 г. первого лазера квантовая электроника прошла в своем развитии огромный путь. Открыты различные виды лазеров, генерирующих излучение на тысячах длин волн в спектральном диапазоне примерно от 0,1 до 2000 мкм, разработаны эффективные методы управления параметрами излучения. Стали реальностью казавшиеся ранее невероятными чрезвычайно высокие мощность, степень монохроматичности, спектральная яркость и другие параметры оптического излучения. Успехи лазерной техники и быстрое развитие сфер ее применения привели не только к существенному усовершенствованию традиционных оптических методов исследования, но и к появлению принципиально новых идей и методов, новых научных направлений. Диапазон научных и практических применений лазеров постоянно расширяется. Представление об этом может дать простое перечисление примеров — лазерные спектроскопия и фотохимия, управляемый термоядерный синтез, локация и связь, контроль за состоянием природной среды, микрохирургия отдельной живой клетки, автоматический раскрой тканей и металлических листов… Без преувеличения можно утверждать, что нет ни одного естественно-научного направления или связанной с ним области техники, где бы применение лазеров уже не привело к получению новых интересных результатов или не сулило их получение в будущем. [c.159]
Мощность, излучаемая лазером в режиме свободной генерации, т.е. без дополнительного управления, соизмерима с мощностью лампы накачки. Более высокая мощность может быть получена в режиме модулирования добротности, при котором резонатор помещается в быстродействующий оптический затвор. После накопления достаточной энергии затвор открывается на короткое время. Для резонатора длиной 60 см длительность импульса составляет 10-20 не и при энергии 1 Дж пиковая мощность достигает 50-100 МВт. Поскольку в лазерном резонаторе возможны многомодовые колебания, для увеличения мощности используют также режим синхронизации или захвата мод, позволяющий генерировать более короткие (пикосекундные) импульсы [11]. [c.99]

Новые применения ядерной техники в управляемом термоядерном синтезе. В настоящее время во ВНИИ ядерной физики РФ ведутся работы по прямому преобразованию энергии ядерных реакций в лазерное излучение оптического диапазона [2]. Задача инерционного термоядерного синтеза решается на установке Искра-5 с применением 12-канального лазера с суммарной мощностью излучения 30 кДж и длительностью импульса 0,3 не. Оптические зеркала направляют 12 лазерных лучей на мишень диаметром 2 мм лазерное излучение трансформируется в рентгеновское излучение, которое обеспечивает 3000-кратное сжатие сферической мишени диаметром 0,03 мм, содержащей дейтерий-тритиевую смесь. Нри этом радиус мишени уменьшается в 14 раз. Сейчас создается установка Искра-6 , мощность которой будет в 10 раз превышать мощность установки Искра-5 . [c.27]

Оптическая мощность современных лазеров в 10 ООО раз выше на любой частоте, чем мощность любой самой большой импульсной лампы. Очевидно, что они не просто расширяют возможности, которые давали обычные источники света. Взаимодействие молекул с фотонным полем такой огромной интенсивности приводит к новым процессам. Например, при нормальной интенсивности света одновременное поглощение двух фотонов одной молекулой представляет собой настолько редкое явление, что оно не может быть обнаружено. Но вероятность такого события возрастает пропорционально квадрату интенсивности света. Лазеры позволяют увеличить интенсивность света в 10 ООО раз, и вследствие этого вероятность двухфотонного поглощения становится на четыре порядка выше, чем вероятность поглощения одного фотона. Это позволяет нам осуществлять в экспериментах генерацию молекулярных состояний, не достижимых при однофотонном возбуждении. Более того, полная поглощенная энергия может стать достаточной для ионизации молекулы. А это открывает новые перспективы в химии ионов. Интерес к этой области исследований быстро растет, поскольку недавно были открыты ион-молекулярные реакции в межзвездном пространстве, а также потому что ионы являются основными частицами в плазме (тлеющий разряд) и при ядерном синтезе. Двухфотонная ионизация была использована для обнаружения особых молекул в специфически трудно достижимых условиях, подобных существующим в пламенах и при взрывах. Например, концентрацию оксида азота N0, который является составной частью смога, можно легко определить в пламени по количеству ионов, образующихся [c.148]

Метод импульсного возбуждения. Молекулы возбуждают коротким оптическим или электронным импульсом и наблюдают последующее затухание флуоресценции во времени. Преимуществом метода является то, что молекулы не возбуждаются во время намерения флуоресценции. Для данного метода идеально подходят импульсные лазеры или лазеры с синхронизацией мод [186]. Прн пспользовании импульсных лазеров большой мощности, имеющих обычно низкую частоту повторения, после каждого имиульса детектируется много фотонов флуоресценции. Затухание флуоресценции может непосредственно наблюдаться на экране осциллографа [187], запоминаться в переходном устройстве [188] или выводиться на дисплей с усреднением сигналов. [c.293]

Гелиево-неоновый лазер имеет оранжево-красное излучение при длине волны 6329 А с выходной мощностью порядка нескольких милливатт. Пропускание лазерного излучения имеет место между энергетическими уровнями неона, гелий же используется для оптической накачки неона и создания инверсной заселенности. При пропускании через гелий электрического тока его атомы переходят в возбужденные состояния в результате столкновения со свободными электронами и затем ступенчато спускаются на соответствующие энергетические уровни. Те атомы, которые попадают на уровни 2 5 и 2 s, остаются там в течение длительного времени. Постепенно атомы собираются на тех уровнях, заселенность которых достаточно высока. При столкновении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона возбуждение переносится на последний. Две другие линии наблюдаются при 3,39 и 1,15 мкм (рис. 10.22). [c.168]

С другой стороны, выражение (I, 4-23в) соответствует рассеянному излучению с частотой Щп — vo при > Уо или Wk > > + Луо. Последнее условие может выполняться, только если состояние к — возбужденное состояние системы (рис. 1-10). В данном случае при рассеянии появляются два кванта с энергиями h (vkn — vo) и Луо соответственно. Несмотря на то, что с помощ