Что называют активной средой в лазерах
Перейти к содержимому

Что называют активной средой в лазерах

  • автор:

Что называют активной средой в лазерах

Photo Photo Photo

Photo Thumb

Photo Thumb

Photo Thumb

Главная // Общая информация // Активная среда лазера

Активная среда лазера

Активная или рабочая среда лазера является самой важной составляющей конструкции квантового оптического генератора. В качестве активной среды лазера ученые изначально использовали твердые тела (кристаллы синтетического рубина) и газы (гелий, неон, углеводород), со временем в качестве активной среды лазера стали использовать жидкости и плазму.
В обычном состоянии материалы для активной среды находятся в стандартном своем состоянии, а затем при помощи определенных реактивов атомы этих газов, жидкостей или твердых тел приводятся в возбужденное состояние, и начинается процесс продуцирования светового потока. Для возбуждения атомов тех или иных веществ в активной среде лазера используют электромагнитную волну.
Важной составляющей работы активной среды лазера является квантовое усиление (не забываем, что лазер является квантовым генератором). Коэффициент квантового усиления в лазере основополагающий показатель для просчета работы установки. В современных лазерных установках квантовое усиление атомов происходит до тех пор, пока не исходящая и входящая энергия не будут сбалансированы и равны друг другу.
Отражающие зеркала, расположенные на торцах активной среды лазерной установки помогают в формировании и рассеивании светового потока и лучей лазера. Обычно с одной стороны устанавливается прозрачное или полупрозрачное зеркало, в то время как на противоположном торце зеркало будет полноценным.

АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Данная статья исследует активную среду в лазере и её элементы, рассматривая исторический контекст, развитие и современное состояние . В статье анализируются основные компоненты активной среды, включая различные виды лазерных сред, такие как газы, твердые тела и полупроводники. Обсуждается механизм взаимодействия между элементами активной среды и эффективностью передачи энергии в системе лазера . Также рассматриваются ключевые моменты в истории развития активных сред для лазеров и их влияние на современные технологии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Касьянов Д.А.

Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 9: создание квантовых генераторов электромагнитного излучения сверхвысокой частоты

Из истории создания лазеров
История развития лазера и особенности его применения
Лазеры, селективное возбуждение молекул и управление химическими реакциями — фемтохимия

История развития лазеров на органических соединениях: I. открытие лазеров на органических соединениях

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ACTIVE MEDIUM IN A LASER: FROM THE FIRST MASERS TO MODERN DEVICES

This article explores the active medium in a laser and its elements, considering the historical context, development and current state. The article analyzes the main components of the active medium, including various types of laser media such as gases, solids and semiconductors. The mechanism of interaction between the elements of the active medium and the efficiency of energy transfer in the laser system is discussed. Key moments in the history of the development of active media for lasers and their impact on modern technologies are also considered.

Текст научной работы на тему «АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ»

1. Shagina I. R. Influence of the educational process on the health of students // Astrakhan Medical Journal. — 2010. — T. 5. — No. 2. — S. 126-131.

2. Timchenkova S. P. Influence of intellectual load on the emotional state of students // Voprosy nauki i obrazovaniya. — 2018. — no. 6 (18). — S. 166-169.

3. Solovyov VN Influence of adaptation and motivation of educational activity on the progress of students // Fundamental research. — 2004. — no. 5. — S. 81-83.

4. Kolmakova T. S., Galustyan L. K. Influence of distance learning on the health of medical students and their motivation to study. — 2020. — S. 85-88.

5. Filippova V.P. Hygienic assessment of the state of health of medical college students: dis. — Rostov n / a: [Rost. state honey. Un-t], 2004.

6. Studenikin S. I. Formation of students’ health culture in the process of higher education (bachelor’s degree programs) // Modern problems of science and education. — 2018. — no. 3. — S. 85-85.

© Ефименко А. А., 2023 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023. Для цитирования: Ефименко А. А. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ НА ЗДОРОВЬЕ СТУДЕНТОВ// Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.

Научная статья Original article УДК 621.373.8

АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ

ACTIVE MEDIUM IN A LASER: FROM THE FIRST MASERS TO MODERN

Касьянов Дмитрий Александрович: Студент БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова (190005 Россия г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская д. 1), тел. 8(911) 938-50-35, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0859-0431, dmitriy kasyanov@mail.ru

Kasyanov Dmitry Alexandrovich: Student of BSTU «Voenmeh» named after D.F. Ustinov (190005 Russia st. Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya street 1), tel. 8(911) 938-50-35, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0859-0431, dmitriy kasyanov@mail.ru

Аннотация. Данная статья исследует активную среду в лазере и её элементы, рассматривая исторический контекст, развитие и современное состояние. В статье анализируются основные компоненты активной среды, включая различные виды лазерных сред, такие как газы, твердые тела и полупроводники. Обсуждается механизм взаимодействия между элементами активной среды и эффективностью передачи энергии в системе лазера. Также рассматриваются ключевые моменты в истории развития активных сред для лазеров и их влияние на современные технологии.

Abstract. This article explores the active medium in a laser and its elements, considering the historical context, development and current state. The article analyzes the main components of the active medium, including various types of laser media such as gases, solids and semiconductors. The mechanism of interaction between the elements of the active medium and the efficiency of energy transfer in the laser system is discussed. Key moments in the history of the development of active media for lasers and their impact on modern technologies are also considered.

Ключевые слова: Активная среда, лазер, развитие, состояние, твердые тела, история.

Keywords: Active medium, laser, development, state, solids, history.

С момента изобретения лазера в 1960 году активная среда стала одним из важнейших элементов прибора для будущих исследований, играя решающую роль в генерации и усилении световых волн. Активная среда представляет собой среду, способную усиливать излучение путем стимулированной эмиссии. Основные элементы активной среды включают газы, твердые тела и полупроводники. Газовые лазеры, такие как С02 и аргоновые лазеры, используют активную среду в виде газовых смесей, где молекулы газа становятся возбужденными и излучают фотоны при возвращении в основное состояние. Твердотельные лазеры, включая Nd:YAG и диодно-накачиваемые лазеры, используют кристаллические или стеклянные материалы с примесями активных ионов. Прошлое столетие свидетельствует о важных этапах в развитии активных сред для лазеров. От первых работы с рубиновыми лазерами до современных высокоинтегрированных полупроводниковых лазеров, понимание активных сред и их оптимизация привели к широкому спектру применения, включая науку, медицину, коммуникации и производство.

Теоретические основы физики света: Исследования света и оптики ведутся с древних времен, но именно в начале 20-го века физики начали понимать его квантовую природу. Это привело к разработке квантовой механики, которая была ключевой для понимания процессов в лазерах.

Развитие молекулярной спектроскопии: В начале 20 -го века были сделаны большие успехи в изучении спектров атомов и молекул. Это позволило углубить наше понимание энергетических состояний атомов и молекул, что оказалось важным для создания лазера.

Основы квантовой механики: Развитие квантовой механики, особенно работы таких ученых, как Макс Планк и Альберт Эйнштейн, положили основу для понимания вынужденного излучения и других процессов, лежащих в основе лазеров.

Микроволны и магнетроны: Во времена Второй мировой войны, разработка радаров и микроволновой техники привела к созданию магнетронов, которые были первыми источниками когерентного излучения, близких к принципам лазера.

Работы по мазерам: В 1954 году Чарльз Таунес и Артур Шоуло создали первый мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), предшественника лазера, который работал в микроволновом диапазоне. Это был первый шаг к созданию лазеров.

Изобретение лазера: В 1960 году Теодор Майман создал первый лазер, который работал на основе активной среды, состоящей из рубина. Этот лазер использовал принципы вынужденного излучения для усиления световых волн.

Активная среда в лазере

Активная среда в лазере — это вещество или материал, в котором происходит вынужденное излучение, создавая когерентный свет. Рассматривая элементы активной среды, а также процессы, проходящие в ней, можно выделить:

Атомы или молекулы: Это элементы, которые обеспечивают энергетические уровни для переходов, которые приводят к вынужденному излучению. В лазерах могут использоваться различные вещества, такие как газы (например, гелий-неон), твердые кристаллы (например, рубин), жидкости или полупроводники.

Энергетические уровни: Это дискретные энергетические состояния, в которых могут находиться атомы или молекулы в активной среде. Переходы между этими уровнями вызывают излучение фотонов.

Бомбардировка атомов или молекул энергией: Для достижения вынужденного излучения в активной среде, атомы или молекулы должны быть возбуждены путем внесения энергии. Это может быть достигнуто путем нагрева, введения электрического разряда или использования других методов.

Резонатор: Резонатор состоит из зеркал, которые создают обратную связь для усиления когерентного света внутри активной среды. Он создает условия для создания лазерного излучения.

Лазеры имеют широкий спектр применений, от научных исследований до медицинских и промышленных приложений, и они стали неотъемлемой частью современной технологии. Эта технология была разработана благодаря долгому пути исследований и разработок в области физики и оптики, и активная среда играет центральную роль в ее функционировании. Развитие концепции активной среды в лазере охватывает несколько десятилетий исследований и инженерных усилий, которые привели к созданию разнообразных типов лазеров с различными активными средами.

1950-е годы: Первые шаги

Мазеры: Первый мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) был создан в 1954 году Чарльзом Таунсом и Артуром Шоуло. Он использовал микроволновые волны и молекулярный водород в качестве активной среды. Мазеры показали, что усиление когерентного излучения возможно, и этот опыт положил начало исследования лазеров.

1960-е годы: Первые лазеры

Рубиновый лазер: В 1960 году Теодор Мейман создал первый работающий лазер, используя рубин в качестве активной среды. Рубиновый лазер излучал в видимом спектре и стал отправной точкой для разработки других типов лазеров.

1970-е годы: Расширение спектра активных сред

Газовые лазеры: В этот период были разработаны газовые лазеры, использующие различные газы в качестве активной среды, такие как гелий-неон, углекислый газ, аргон и другие. Газовые лазеры позволили работать в разных спектральных диапазонах и иметь разную мощность.

Твердотельные лазеры: Исследования в области кристаллов и стекол привели к разработке твердотельных лазеров, в которых активной средой становились кристаллы или стекла, пропитанные активными ионами (например,

ионы неодима). Твердотельные лазеры были более компактными и мощными по сравнению с газовыми лазерами.

1980-е годы: Новые виды активных сред

Диодные лазеры: Развитие полупроводниковой технологии позволило создать диодные лазеры. Они использовали полупроводники в качестве активной среды и были компактными, эффективными и широко используемыми в коммерческих и медицинских приложениях.

1990-е и 2000-е годы: Развитие новых технологий

Фемтосекундные лазеры: Развитие ультракоротких импульсов в лазерах (фемтосекундные лазеры) позволило исследовать ультрабыстрые процессы в физике, химии и биологии, а также использовать лазеры для создания микро- и наноструктур.

Лазеры на свободных электронах: Эти лазеры использовали ускорители для генерации свободных электронов, которые затем усиливали излучение. Они стали мощными источниками рентгеновского и ультрафиолетового излучения для научных исследований и индустриальных приложений.

Современность: Инновации и применения

Лазеры на оптических волокнах: Развитие оптических волокон позволило создать компактные и стабильные лазеры, которые находят широкое применение в сетях связи, медицине и других областях.

Лазеры на основе наноматериалов: Использование наноматериалов, таких как квантовые точки или нанотрубки, в качестве активных сред позволило создать лазеры с улучшенными характеристиками и новыми спектральными возможностями.

Развитие активной среды в лазере охватывает широкий спектр исследований и инноваций, которые привели к созданию разнообразных лазерных систем с различными характеристиками и применениями. Это

продолжающийся процесс, который продолжает вносить важный вклад в современную науку, технологию и медицину.

Активная среда в лазере — это один из ключевых компонентов лазерного устройства, отвечающий за усиление световых излучений и обеспечивающий лазеру его основные характеристики. Современные лазеры можно разделить на несколько категорий:

Твердотельные лазеры: В твердотельных лазерах активная среда чаще всего представлена кристаллами или стеклами, содержащими примеси ионов различных элементов (например, Nd:YAG — неодимий в иттриевом алюмогранатном кристалле). Состояние этой активной среды в современных лазерах достигло высокой степени совершенства, что позволяет получать мощные и стабильные лазерные излучения в различных диапазонах длин волн.

Газовые лазеры: В газовых лазерах активная среда представлена атомами и молекулами газов (например, С02, аргон, ксенон). Современные газовые лазеры обладают высокой эффективностью и мощностью, что делает их ценными инструментами в различных областях, таких как медицина, обработка материалов и научные исследования.

Полупроводниковые лазеры: Эти лазеры используют полупроводниковые структуры, такие как лазерные диоды. Современные полупроводниковые лазеры широко распространены в коммерческих приложениях, таких как оптические диски, сетевые связи и лазерные указки. Они отличаются высокой надежностью, низким энергопотреблением и долгим сроком службы.

Жидкостные лазеры используют специальные жидкости в качестве активной среды. Эти лазеры могут работать в широком диапазоне длин волн и обладают высокой эффективностью. Современные разработки в области жидкостных лазеров улучшили их стабильность и мощность, что расширяет их применение в медицине и исследованиях.

Сверхпроводящие лазеры используют эффект сверхпроводимости для усиления световых излучений. Это относительно новое направление, но

исследования в этой области продолжаются, и современные сверхпроводящие лазеры могут потенциально обеспечить высокую эффективность и стабильность.

Оптические волоконные лазеры (ОВЛ) используют оптические волокна в качестве активной среды. Современные ОВЛ обеспечивают высокую мощность, высокую долговечность и отличную качество лазерного излучения. Они широко используются в областях, таких как металлорежущие станки, медицина и телекоммуникации.

Современное состояние активных сред в лазерах отличается отличной эффективностью, стабильностью и разнообразием типов лазеров, что делает их незаменимыми инструментами в науке, медицине, производстве и других областях. Однако исследования в этой области продолжаются, и новые технологические достижения могут привести к еще более мощным и эффективным лазерам в будущем. Заключение

В заключение следует отметить, что активная среда является ключевым элементом в функционировании лазерных систем. Её разнообразие отражает многогранность лазерных технологий. Современные исследования продолжают стремиться к созданию новых материалов и методов усиления излучения, расширяя границы применения лазеров. От медицинских диагностических процедур до квантовой обработки информации, активная среда продолжает вдохновлять инновации.

1. Звелто О. Принципы Лазеров /— 4-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2008 — 720 с.

2. Борейшо, А. С., Ивакин, С. В. Лазеры: устройство и действие / СПб: Издательство «Лань», 2016 — 304 с.

3. Белоусова И.М. Из истории создания лазеров / [Электронный ресурс] // Cyberleninka: — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/iz-istorii-sozdaniya-lazerov

4. Ораевский А. Н. // Квант. электр. 2001. Т. 31. № 12. С. 1038.

5. Лоудон Р. // Квантовая теория света. — М.: Мир. 1976

6. Пат. 2320979 Российская Федерация, МПК51 G 01 N 21/00, H 01 S 3/094. Способ синтеза оптически активной диамагнитной среды / Лопасов В. П.; заявитель и патентообладатель. № 2006110006/28; Заявл. 28.03.2006; Опубл. 27.03.2008. Бюл. № 9.

7. Кильдишев А. В., Шалаев В. М. //УФН. 2011. Т. 181. № 1. С. 50.

1. Zvelto O. Principles of Lasers / — 4th ed. — St. Petersburg: Publishing house «Lan», 2008 — 720 p.

2. Boreisho, A. S., Ivakin, S. V. Lasers: device and action / St. Petersburg: Publishing house «Lan», 2016 — 304 p.

3. Belousova I.M. From the history of the creation of lasers / [Electronic resource] // Cyberleninka: — URL: https://cyberleninka.ru/article/n7iz-istorii-sozdaniya-lazerov

4. N. Oraevsky, Kvant. electr. 2001. V. 31. No. 12. S. 1038.

5. Loudon R. // Quantum theory of light. — M.: Mir. 1976

6. Pat. 2320979 Russian Federation, MPK51 G 01 N 21/00, H 01 S 3/094. Method for synthesizing an optically active diamagnetic medium / V. P. Lopasov; applicant and patent holder. No. 2006110006/28; Appl. 03/28/2006; Published 03/27/2008. Bull. No. 9.

7. V. Kil’dishev and V. M. Shalaev, UFN. 2011. V. 181. No. 1. P. 50.

© Касьянов Д.А., 2023 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.

Для цитирования: Касьянов Д.А. АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ//Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.

КАК РАБОТАЕТ ЛАЗЕР

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста (1). Активная среда — вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), — имеет форму цилиндра или стержня. Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал — полупрозрачного переднего и «глухого», непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки — импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).

Активная среда «сконструирована» таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня (2). В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией Е0. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е2, откуда они незамедлительно опускаются на уровень Е1. На этом — возбужденном — уровне атомы могут находиться достаточно долго (по квантовым масштабам, разумеется). Наличие такого уровня (он называется метастабильным) — необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго (опять-таки по квантовым масштабам), и атомы среды за это время успевают много раз «сбросить» энергию. Поэтому лазерная вспышка при внимательном рассмотрении выглядит как «гребенка» из десятков и сотен очень коротких импульсов, а сам такой режим называется «пичковым» (3).

Если же в резонатор поместить затвор, перекрывающий путь фотонам, его добротность упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждение атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнут максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия «выплеснется» в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или «гигантского импульса» (4).

Что называют активной средой в лазерах

Активная среда лазера

Активная или рабочая среда лазера является самой важной составляющей конструкции квантового оптического генератора. В качестве активной среды лазера ученые изначально использовали твердые тела (кристаллы синтетического рубина) и газы (гелий, неон, углеводород), со временем в качестве активной среды лазера стали использовать жидкости и плазму.
В обычном состоянии материалы для активной среды находятся в стандартном своем состоянии, а затем при помощи определенных реактивов атомы этих газов, жидкостей или твердых тел приводятся в возбужденное состояние, и начинается процесс продуцирования светового потока. Для возбуждения атомов тех или иных веществ в активной среде лазера используют электромагнитную волну.
Важной составляющей работы активной среды лазера является квантовое усиление (не забываем, что лазер является квантовым генератором). Коэффициент квантового усиления в лазере основополагающий показатель для просчета работы установки. В современных лазерных установках квантовое усиление атомов происходит до тех пор, пока не исходящая и входящая энергия не будут сбалансированы и равны друг другу.
Отражающие зеркала, расположенные на торцах активной среды лазерной установки помогают в формировании и рассеивании светового потока и лучей лазера. Обычно с одной стороны устанавливается прозрачное или полупрозрачное зеркало, в то время как на противоположном торце зеркало будет полноценным.

Свойства лазерного излучения

PDF

Печать

E-mail

Автор: Administrator

22.06.2013 00:00

Лазер обладает целым рядом уникальных свойств, которые связаны с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение других источников света, не лазерный, такими особенностями не обладает. Мощность, которая излучается раскаленным телом, определяется его температурой. Мощность излучения очень быстро растет вместе с ростом температуры, и при высоких температурах достигает больших величин. Но излучение источника, нагретого до определенной температуры, распространяется во все стороны, а вот формирование сконцентрированного и направленного пучка от подобного источника, осуществляется при помощи системы оптических систем, состоящих из зеркал и линз, сопровождается потерей энергии.

Лазерные материалы

PDF

Печать

E-mail

Автор: Administrator

03.10.2011 06:16

Лазерные материалы – это те вещества, материалы или элементы, на основании которых работают лазерные установки. Среди лазерных материалов выделается несколько групп материалов:
Во-первых, это материалы в твердом состоянии, в частности, кристаллы, молекулы которых приводятся в возбужденное состояние ионами редкоземельных химических элементов или ионами переходных металлов, таких как хром или титан.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *