| Меню сайта |
|
 |
| Поиск по сайту |
|
|
|
Лазер(англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - «усиление света посредством вынужденного излучения»), оптический квантовый генератор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне.
Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
На сегодняшний момент существует много видов лазеров, с различными методами получения излучения:
1. Газовые лазеры
2. Лазеры на красителях
3. Лазеры на парах металлов
4. Твердотельные лазеры
5. Полупроводниковые лазеры
Рассмотрим детальнее полупроводниковые лазеры:
В основе полупроводниковых лазеров используются полупроводниковые диоды.
Их работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда.
Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.
Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной частоты (резонансной частоты), он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка, по сути, является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode». Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в оптоволоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.
В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.
Типы лазерных указок:
Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неонные (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше чем свет с λ=670 нм. Лазерные указки других цветов также производятся. Например зеленая указка с λ=532 нм хорошая альтернатива красной с λ=635 нм. Человеческий глаз чувствительнее к зелёному свету ~ в 6000 раз по сравнению с красным светом. В последнее время набирают популярность на западе желто-оранжевые указки с λ=593.5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.
Красные лазерные указки
Распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется обычный лазерный диод красного цвета с линзой и небольшая плата для управления питанием. Для данных лазерных указок достаточно питания от обычных батареек-таблеток. Стоимость на сегодняшний день - чуть больше 1$.
Зеленые лазерные указки
Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Это самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется другая схема. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают довольно громоздким способом. Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Nd:YVO4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO4, сокр. KTP), частота излучения сдваивается (1064 нм -> 532нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы ~20%, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК. На мощных указках >50 мВт нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр, голубоватая пластинка 3*3*1 мм) чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. Также стоит отметить прожорливость зелёных лазеров - в большинстве используются две AA\AAA\CR123 батареи. По этой причине непросто найти привычные указки-брелки на батарейках-таблетках (такие тоже выпускаются).
Синие лазерные указки
Синие лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путем удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG). КПД низкий ~3%, сами лазеры очень дорогие. Также производятся голубые лазерные диоды. Они имеют длину волны 405 нм, заметно тусклее 473 нм лазеров и имеют фиолетовый оттенок (вплоть до ультрафиолетового).
Желтые лазерные указки
В желтых лазерных указках 808нм луч конвертируется в 1064нм луч, далее 1064 луч конвертируется в 1342нм луч и только потом сдваивается в 593.5нм луч. КПД желтых лазеров составляет около 1%.
Использование лазерных указок:
· Лазерные указки обычно используются в образовательных учреждениях и на бизнес презентациях вместо обычных указок. Красные лазерные указки могут использоваться в помещениях и вечером на открытых пространствах. Зеленые лазерные указки могут использоваться в тех же условиях, но зеленые лазерные указки, в отличие от красных, хорошо видны на улице днем и на дальних расстояниях.
· Световое пятно, образуемое лазерной указкой, привлекает кошек (и собак), вызывая сильное стремление поймать его, что нередко используется людьми в играх с этими домашними животными. Не следует забывать, что луч лазерной указки, направленный в глаза человека или животного, может повредить сетчатку.
· Зелёные лазерные указки могут использоваться для любительской астрономии. В безлунную ночь луч зелёной лазерной указки может использоваться для указывания на звезды и созвездия.
· Точно установленная лазерная указка может использоваться как лазерный прицел, чтобы нацелить огнестрельное или пневматическое оружие.
· Лазерные указки используют в своих конструкциях радиолюбители, в качестве элемента связи в пределах видимости.
· Указка со снятым коллиматором используется в домашней голографии. Это единственное известное применение лазера в быту, где используется именно наиболее ценное свойство лазера, в корне отличающее его от светодиода - монохроматичность излучения.
Безопасность:
Лазерное излучение опасно при попадании в глаза!
Обычные лазерные указки имеют мощность 1-5мВт и относятся к классу опасности 2 - 3А и могут представлять опасность, если смотреть на них продолжительное время или через оптические приборы. Лазерные указки мощностью 50-300мВт это уже класс 3B и способны причинить сильное повреждение человеческому глазу импульсами прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого.
В лучшем случае лазерные указки оказывают только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь их или даже ослепить. Если это приведёт к аварии, то повлечёт за собой уголовную ответственность. Всё более многочисленные "лазерные инциденты" вызывают в Канаде, США и Великобритании требования ограничить или запретить лазерные указки. Уже сейчас в Новом Южном Уэльсе предусмотрен штраф за обладание лазерной указкой, а за "лазерное нападение" - срок лишения свободы до 14 лет.
|
|
| Наши контакты |
Наши телефоны:
+38-093-577-49-75
+38-066-365-84-54
E-mail:
Lasery@ukr.net
г.Киев
|
|
|
