дипломы,диссертации,курсовые,контрольные,рефераты,отчеты на заказ

1. История развития систем связи

1.3 Этапы развития лазерной техники

В 1964 году на церемонии присуждения Нобелевской премии в Стокгольме академик А.М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 года, фундаментом квантовой электроники следует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 году».

Сущность этого явления заключается в том, что возбужденные атомы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны. Однако только много лет спустя появилась мысль применить это явление практически. В авторском свидетельстве СССР от 18/VI. 51 г., выданном В.А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «квантовое усиление».

Явление индуцированного излучения легло в основу современной квантовой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Вебером был предложен квантовый усилитель. В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили устройство молекулярного газового генератора и усилителя сантиметрового диапазона с теоретическим обоснованием эксперимента. Независимо от них к идее такого же генератора пришли Д. Гордон, X.Цайгер и Ч. Таунс, опубликовавшие в 1954 г. сообщение о действующем квантовом усилителе на пучке молекул аммиака. В 1956 г. Н. Бломберген теоретически разработал вопрос о парамагнитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г. Г.Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройства, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазон радиоволн и назывались мазерами.

Следующий этап развития квантовой электроники связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч.Таунс, А.Л.Шавлов и А.М.Прохоров показали возможность использования явлений вынужденного усиления в поле оптических излучений. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Labora-tories способствовали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера.

О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1964 г. советские ученые Н.Г. Басов, и А.М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоились Нобелевской премии по физике за фундаментальные труды в области квантовой электроники.

В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер и получил патент. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана лежат в основе всех современных лазеров.

В конце 1960 г. Али Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона.

Первый молекулярный лазер был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел К.П.Д. Примерно 10% и значительную мощность около 10 Вт. Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (Р. Холл, 1962 г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом, Ю.М. Поповым (1958-1961 гг.). Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.

В 1970 г. (год разработки первых ОВ со светоослаблением менее 20 Дб/км) академик Ж.И. Алферов с сотрудниками впервые реализовали полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры AlAs - GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре. За это научное открытие Жорес Алферов был удостоен Нобелевской премии.

Структура лазера на рубине
Рис. 1.2 Структура лазера на рубине

Принцип действия лазера. Как уже было сказано, первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом - сотрудником фирмы «Radio corporation of America». В нем он использовал кристалл рубина.

Слово «лазер» образовано начальными буквами английских слов light amplification by stimulated emission of radiation («усиление света с помощью вынужденного излучения»). В литературе встречается также название ОКГ - оптический квантовый генератор. Для того чтобы объяснить принцип действия лазера, необходимо дать определение понятиям спонтанного и вынужденного излучения.

В традиционных источниках света, таких как лампа накаливания, атомы получают энергию от электронов, создающих электрический ток. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через (10-8-10-7c) без какого-либо внешнего воздействия (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются электронами и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом. Рассмотрим теперь возможные процессы взаимодействия атома с фотоном. Пусть энергия фотона

hν=E2-E1

где Е1, Е2 - энергии основного и возбужденного состояний атома.

1. Поглощение света. Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е2, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > Ех (рис. 1.3, а). Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации n1 атомов, находящихся в основном состоянии.

2. Спонтанное излучение. В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние (рис. 1.3, б)

Процессы взаимодействия атома с фотоном
Рис. 1.3 Процессы взаимодействия атома с фотоном: а) поглощение фотона; б) спонтанное излучение; в) вынужденное излучение

Спонтанное излучение - излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света (рис. 1.3, в).

Индуцированное (вынужденное) излучение - излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации п2 атомов, находящихся в возбужденном состоянии. При этом у световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом. Это означает, что к первичному фотону I, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон II индуцированного излучения (рис. 1.3, в). Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения возникает оптическое усиление.

Лазер - источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения. Усиление излучения, падающего на среду, возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения. Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 >n1.

В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает состояние с наименьшей энергией Eν, т.е. n1 > n2, усиления не происходит.

Инверсная населенность энергетических уровней - неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильное состояние - возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (например, 10-3 с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10-8 с).

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Аl2О3, в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома Сr3+.

Источником индуцированного излучения в рубине являются именно атомы хрома. Они могут находиться на одном из трех разрешенных энергетических уровней. На самом нижнем располагаются невозбужденные атомы. Переселение атомов на верхние уровни осуществляется путем облучения рубина мощным потоком света от импульсной лампы накачки (похожей на ту, которая применяется в фотовспышке, но гораздо мощнее). Поток света вторгается в глубь рубина. Но полезными в нем являются лишь зеленые лучи. Они возбуждают атомы хрома и забрасывают их сразу на третий уровень. Правда, там атомы хрома задерживаются недолго: через одну стомиллионную долю секунды они «спрыгивают» на второй уровень (рис. 1.4).

Оптические процессы в рубиновом лазере
Рис. 1.4 Оптические процессы в рубиновом лазере

Второй уровень самый замечательный. На нем атомы могут находиться длительное время, не переходя в основное состояние. По обычным представлениям это время невелико всего несколько тысячных долей секунды, но в «атомных» масштабах оно огромно и сродни человеческому долгожительству. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1. Случайный фотон с энергией hν = E2 - Е1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов (рис. 1.5, а).
 Конечно, атомы хрома будут «скатываться» спонтанно, самопроизвольно и с третьего, и со второго уровней на первый, но для этого им требуется значительно больше времени, чем перейти с третьего уровня на второй. Ясно, что число атомов, переходящих на второй уровень, будет во много раз больше числа атомов, возвращающихся «домой» на первый уровень. Цель световой накачки состоит как раз в том, чтобы перенаселить второй уровень. Это тот трамплин, прыжки с которого приводят к индуцированному излучению.

Оптическое усиление
Рис. 1.5 Оптическое усиление: а) оптическая «накачка»; б) оптическое усиление; в) генерация лазерного излучения

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается (рис. 1.5, б).

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой частично прозрачным (рис. 1.5, в). Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

Типы лазеров. В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров.

По режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного излучения (одномодовые, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения.

В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время используют множество веществ. По активным веществам лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, на ионных кристаллах, на флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические и т.д.),жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, на растворе органических соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т.д.).

Твердотельные лазеры используют в качестве активных сред кристаллические или аморфные вещества, содержащие небольшие примеси ионов редкоземельных элементов, металлов. Накачка активного вещества, необходимая для работы лазера, производится при помощи света, излучаемого импульсными или непрерывными лампами. Достоинством твердотельных лазеров является большая энергия излучения, к недостаткам следует отнести малую когерентность, большую расходимость излучения, значительные габариты и массу.

Жидкостные лазеры используют индуцированное излучение растворов органических и металлоорганических соединений, а также индуцированное комбинационное рассеяние света в жидкостях. Накачка осуществляется светом импульсных ламп. Энергетические параметры жидкостных лазеров близки к соответствующим параметрам твердотельных. Когда жидкостные лазеры работают в импульсном режиме, их выходная мощность может достигать сотен и более мегаватт. При непрерывном режиме типичные уровни выходной мощности составляют доли ватта. Спектр излучения лежит в видимом диапазоне излучения. Достоинствами жидкостных лазеров являются возможность перестройки частоты генерации и малая расходимость излучения; недостатками  малый КПД, малая монохроматичность излучения, нестабильности параметров излучения, большие габариты и масса.

Газовые лазеры имеют газообразные активные среды. Это может быть газ, состоящий из атомов, ионов, молекул или их различных смесей. Газовые лазеры позволяют получать излучение от ультрафиолетовых до субмиллиметровых длин волн. Накачка обычно производится при помощи постоянного или переменного тока, проходящего через газ. Мощность излучения в непрерывном режиме генерации лежит в диапазоне от нескольких милливатт до сотен и более ватт. Некоторые из газовых лазеров работают также в импульсном режиме. Преимуществами газовых лазеров перед другими являются малая расходимость луча (примерно 10-3 рад), высокая монохроматичность, высокая степень пространственной и временной когерентности. Недостатком газовых лазеров является то, что их размеры довольно велики (обычно около 1 м). Минимальная длина составляет десятки сантиметров. <>Полупроводниковые лазеры используют в качестве активных веществ полупроводники: арсенид галлия, фосфид галлия, сульфид цинка, арсенид индия и целый ряд других. Длины волн излучения этих лазеров перекрывают область от 0,33 до 8,5 мкм. Накачка осуществляется или пропусканием электрического тока через р-п-переход (инжекционные лазеры), или бомбардировкой p-n-перехода электронами (лазеры с электронным возбуждением). Инжекционные лазеры обычно работают в импульсном режиме. Это связано с большой чувствительностью полупроводников к тепловому нагреву. Достоинствами полупроводниковых лазеров являются: высокий КПД, малые габариты, составляющие доли миллиметра, возможность быстрой модуляции излучения путем изменения тока возбуждения. К недостаткам относятся: малая монохроматичность, большая расходимость излучения (единицы градусов), малая температурная стабильность, плохая когерентность, необходимость охлаждения.

Основные особенности лазерного излучения следующие:

  • лазерное излучение обладает исключительной монохроматичностью и когерентностью;
  • пучок света лазера имеет очень малый угол расходимости (около 10-5 рад);
  • лазер имеет колоссальную плотность энергии и является наиболее мощным искусственным источником света.
  • Благодаря этим свойствам лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в оптических локаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих-кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. В обработке материалов при помощи лазера осуществляют сварку, резку, сверление очень маленьких отверстий с высокой точностью. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции.

    Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трехмерные объемные изображения. В метрологии лазер применяется при измерении длины, скорости, давления.

    Создание лазеров результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии. Создание лазера стало определяющим фактором и в развитии оптических систем передачи.

    дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации,отчеты на заказ