Lazerių veikimas

ĮVADAS Fizikos šaka, vadinama kvantine elektronika, yra mokslas, nagrinėjantis elektromagnetinių bangų ir medžiagos sąveikos teoriją, tų bangų generavimo metodus priverstiniu (indukuotuoju) kvantinių sistemų (molekulių, atomų, jonų) spinduliavimu, taip pat įranga, kurioje vyksta optinio diapazono elektromagnetinės spinduliuotės generavimas. Tokie įrenginiai vadinami lazeriais (arba optiniais kvantiniais generatoriais). Žodis ,,lazeris" atsirado 1960 m., kai amerikiečių, mokslininkas T. Meimenas (Maiman) sukūrė pirmąjį pasaulyje optinį kvantinį generatorių, skleidžiantį raudonąją šviesą. Žodis yra angliškos frazes ,,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (šviesos stiprinimas indukuotuoju spinduliavimu) akronimas. Šiuo metu lazeriai plačiai taikomi įvairiose mokslo ir technikos srityse: 1) Netiesinė optika. Netiesinė optika, kaip tyrinėjimo objektas atsirado kartu su lazeriu. 2) Spektroskopija. Senam daiktui gali būti suteiktas naujas gyvenimas, išradus valdomą lazerį. Spektroskopistai dabar turi anksčiau nepasiekiamą galią ir spektrinį grynumą. 3) Fotochemija. Rūpestingai parinktos aukštos energijos būsenos gali būti sužadinamos žinomose medžiagose ir tada gali būti tyrinėjamos cheminės savybės. 4) Greitų įvykių tyrinėjimas. Pikosekundžių dalių trukmės šviesos impulsų pagalba gali būti tyrinėjama eilė greitai vykstančių reikšmių fizikoje, chemijoje ir biologijoje. 5) Plazmos diagnozė. Daug įdomių plazmos savybių atsiskleidžia, jas peršvietus lazerio spinduliu. 6) Plazmos kaitinimas. Plazma gali būti užkaitinama iki aukštų temperatūrų galingų lazerių pagalba. 7) Akustika. Didelio dažnio (GHz eilės) akustinės bangos kietuose kūnuose gali būti tiriamos, suplakant jas su lazerio šviesa. 8) Genetika. Galima pasirinktinai sunaikinti chromosomas, apšviestus atskirą ląstelę sufokusuotu lazerio spinduliu. 9) Metrologija. Šviesos greitis gali būti nustatytas iš santykio c=λν bet taip pat matuojant žinomo lazerio bangos ilgį ir dažnį. Lazerių stabilizuojamas, pririšant jį prie molekulinės absorbcijos linijos ir dažnis matuojamas, lyginant su tiksliai žinomu dažniu, kuris padauginamas nuo mikrobangos iki optinio dažnio. Bangos ilgis matuojamas interferometriniais metodais. Šviesos greičio tikslumas, išmatavus jį šiuo būdu pagerėjo 100 kartų. Žinoma, yra šimtai kitų mokslinių pritaikymo sričių. Lazeris – tai nuostabus įtaisas bet kuriam tyrinėtojui, kuris nebeturi idėjų. Kad ir ką jis betyrinėtų, jis visada gali paklausti ir kaip šis reiškinys bus įtakotas lazerio šviesos? Galima lazerio panaudojimo sritis – optinis radaras. Jeigu tai gali būti daroma su mikrobangomis, kodėl to nebūtų galima daryti su lazeriu? Bangos ilgis yra mažesnis, taigi galima pagaminti mažesnį ir tikslesnį prietaisą, nes optiniai radarai sveria iki 20kg, ir gali atpažinti važiuojančią mašiną kaip mašiną, o ne kaip judančią dėmę ekrane. Jie gali fiksuoti objektų poziciją (debesis, oro duobes, teršalų debesis), ko negalima padaryti mikrobangomis, nes jos silpnai atsispindi nuo taškinių objektų. Šiam tikslui dažniausiai naudojami CO2 lazeriai su bangos ilgiu lygiu 10.6μm. Šie lazeriai padeda pamatyti rūką, miglą ir dūmus. Optiniai radarai plačiau žinomi Lidar (Light Detection and Changing) – lazerinis aptikimas ir atstumo nustatymas. Kitas lazerio pritaikymas – informacijos saugojimas kompaktiniuose diskuose. Dabar visi apie tai žino, bet buvo ne taip paprasta prieiti prie tokios idėjos ir pritaikyti ją praktiškai. Tai – pats populiariausias buityje naudojamas lazerinis prietaisas. Nuo jo išradimo 1982 metais, apie 0.5 milijardo grotuvų buvo parduota rinkoje ir kiekvienas jų turi puslaidininkį lazerį. Informacija užrašoma skaitmenine forma, nepriklausomai nuo jos kilmės. Plačiausiai šis principas buvo taikomas garso įrašų gamybai, bet dabar CD ROM įrengimas tapo irgi labai populiarūs. Veikimo principas yra labai parastas. Įrašoma sufokusuotu lazerio spinduliu išdeginant mikroskylutes diske, įrašas atkuriamas kitu lazeriu, kuris moduliuojamas tų pačių skylučių pagalba. Standartinis CD formatas bus greitai pamirštas, nes vis labiau populiarėja DVD (Digital Versatile Disc), kurie yra tų pačių matmenų, bet ten galima sutalpinti apie 15 kartų daugiau informacijos. Talpos padidėjimas dalinai priklauso ir nuo to, kad sutrumpintos lazerio bangos ilgis nuo 780nm iki 640nm, duodantis talpos padidėjimą: (780/640)2 = 1.5 karto. Likęs talpos padidėjimas pasiekiamas naudojant įmantresnę moduliaciją ir klaidų taisymo technologija. Tolesnis talpos padidėjimas laukiamas tada, kai prekyboje pasirodys mėlyni puslaidininkiai lazeriai. Sparčiai daugėja medicinos šakų, kur galima pritaikyti lazerį, o ypač Jungtinėse Amerikos Valstijose, kur medicina kur kas mažiau konservatyvesnė, negu Europoje. Esminė lazerio savybė, kuri naudojama medicinoje yra ta, kad išspinduliuojama energija gali būti sukoncentruota į mažytį taškelį ir kad skirtingi audiniai skirtingai sugeria lazerio spindulius. Išskirtinis lazerio pritaikymas – akies tinklainės gydymas, sutelkiant reikiamą kiekį šilumos reikiamoje vietoje. Chirurgas gali naudoti galingą lazerį audinių išgarinimui (naudingas būdas atsikratyti piktybinių auglių). Taigi, medicinoje lazerį galima taikyti labai plačiai. Įvairių medicininių taikymų skaičius yra didelis (vien optohalmologijoje apie 40), bet kol kas nelabai paplitę. Lazerio spindulys žinoma gali būti fokusuojamas ne tik žmogaus audiniuose, bet ir kietiems tikslams, kaip suvirinimui ir kitokiam apdirbimui. Ta pati technika gali būti naudinga perkeliant piešinius ant didelės skiriamosios gebos fotografinių plokštelių. Šis privalumas naudojamas integralinių mikroschemų gamybai. Visai neseniai buvo atrasta, kad lazeris gerai tinka navigacijoje, kur reikia žinoti posūkio kampą. Lazeriu galima registruoti vienos tūkstantosios laipsnio per valandą kampo pasikeitimą. Galima nuspėti, kad plačiausiai lazeriai bus pritaikomi komunikacijų srityje (ypač dvigubos sandūros lazeriai). Jau pašalintos visos techninės kliūtys, todėl nėra abejonių, kad optiniai pluoštai ateityje vis plačiau bus panaudojami moderniausiuose aparatuose, pernešančiuose didelius informacijos kiekius, kurie bus pernešami vos ne akimirksniu. Taip pat lazeris taikomas ir holografijoje (fotografijos metodas išrastas 1948 metais Denio Gaboro). Labai sunku nuspėti kur link pasisuks ši idėja. Gali būti, kad holografija pasiliks amžinai mokslininkų tyrinėjimo objektu su trumpais pranešimais apie medžiagų bandymus, bet ši mokslo šaka gali ir išsivystyti, gali turėti tokią įtaką mūsų gyvenimui, kaip fotografija, išrasta XIXa. Holografija ir lazeris tapo neatsiejami todėl, kad holografinis vaizdas gali būti lengvai atkuriamas lazeriu, generuojančiu bet kurį optinį dažnį. 1. FIZIKINIAI LAZERIO VEIKIMO PRINCIPAI 1.1. SAVAIMINIS IR PRIVERSTINIS SPINDULIAVIMAS Optinio kvantinio generatoriaus veikimas grindžiamas šiais elektromagnetinės bangos sąveikos su medžiaga procesais: savaiminiu ir priverstiniu spinduliavimu bei sugertimi. Šiuos klausimus nagrinėjo A. Einšteinas. Jis kurdamas kvantinę spinduliavimo teoriją vartojo statistines sąvokas, naudojosi detaliosios pusiausvyros principu, teigiančiu, kad kai sistema yra statistinės pusiausvyros būsenos, bet kokių tiesioginių šuolių iš vienos būsenos į kitą skaičius yra lygus atvirkštinių šuolių skaičiui — jis ne tik naujai pagrindė Planko šiluminio spinduliavimo dėsnį, bet ir giliau įsiskverbė į elektromagnetinio lauko ir medžiagos sąveikos esmę. Atrado, kad be anksčiau žinomų procesų — sugerties ir savaiminio spinduliavimo — yra trečiasis procesas — priverstinis spinduliavimas. Savaiminio spinduliavimo dėsnį A. Einšteinas suformulavo kaip tikimybinį: kai nėra išorinio spinduliuotės lauko, yra tam tikra dalelės savaiminio šuolio iš aukštesniojo E2 energijos lygmens (2) į žemesnįjį E1, energijos lygmenį (1) tikimybė (1 a pav.). Šuolių skaičius per vienetinį laiką, vadinas šuolio tikimybe A21. Savaiminės spinduliuotės galia reiškiama taip: , čia N2 — dalelių skaičius lygmenyje 2. Koeficientas A21 nusako savaiminio spinduliavimo tikimybę ir vadinamas savaiminio spinduliavimo Einšteino koeficientu. Jis susijęs su sužadintosios būsenos gyvavimo trukme τ kai nėra nespindulinių šuolių: Savaiminės spinduliuotės galia reiškiama taip: , čia W0 = A21N20 h nusako savaiminės spinduliuotės galią pradiniu laiko momentu. Per savaiminius šuolius įvairios dalelės spinduliuoja ne vienu metu ir nepriklausomai viena nuo kitos, todėl jų spinduliuojamų fotonų fazės nesusietos tarpusavyje, t. y. savaiminė spinduliuotė nekoherentinė. Be to, spinduliuojamo fotono sklidimo linkmė ir poliarizacija atsitiktinės, dažnis kinta kuriame nors ruože. A. Einšteino teiginio esmė apie priverstinį spinduliavimą yra ta, kad veikiant υ dažnio elektromagnetiniam laukui molekulė gali pereiti iš žemesnio energijos lygmens E1 į aukštesnį E2 sugerdama energijos kvantą h = E2-E1 (1 b pav.) arba pereiti iš aukštesnio lygmens E2 į žemesnį E1 išspinduliuodama energijos kvantą h = E2-E1 (1 c pav.). Pirmasis procesas vadinamas sugertimi, antrasis — priverstiniu spinduliavimu. Priverstinis spinduliavimas iš esmės skiriasi nuo savaiminio. Svarbiausia tai, kad susikūręs spinduliuotės srautas sklinda ta pačia linkme kaip ir pradinis žadinantysis srautas. Be to, priverstinio ir pirminio srauto dažniai ir poliarizacijos griežtai vienodi. Priverstinis srautas yra koherentinis pradiniam žadinančiajam srautui. 1.2. ŠVIESOS STIPRINIMAS IR GENERAVIMAS Sugerties ir priverstinio spinduliavimo reiškiniai sudaro dvi neatskiriamas to paties proceso — šviesos ir medžiagos sąveikos — puses. Kuria nors kryptimi sklindančio šviesos srauto dalį medžiaga sugeria ir tuo pat metu kažkurią sugertosios energijos dalį gražina priverstinio spinduliavimo būdu, todėl eksperimento metu negalima atskirai išmatuoti sugerties arba priverstinės spinduliuotės galios; nustatomas jų skirtumas: , čia B12 ir B21 - sugerties ir priverstinio spinduliavimo Einšteino koeficientai, u - spinduliuotės spektrinis energijos tankis. Dažniausiai B12Nl > B21N2, todėl Wsug > 0, terpę perėjęs šviesos srautas dėl sugerties susilpnėja, tačiau jei sistemos dalelių skaičius N2 lygmenyje 2 tampa didesnis už dalelių skaičių N1 lygmenyje 1, tai B12N1 0) tada, kai viršutinio energijos lygmens užpildymą N2 viršija apatinio lygmens užpildymas N1, kai yra inversinis dalelių pasiskirstymas (arba apgrąžinis lygmenų užpildymas) energijos lygmenyse (N2 > N1). Terpė su tokia energijos lygmenų užpildymu vadinama aktyviąja. Aktyvioji terpė sukuriama suteikus išorinės papildomos energijos, kuri po to per priverstinį spinduliavimą iš dalies virsta stiprinamos elektromagnetinės spinduliuotės energija. Dviejų lygmenų optinio sužadinimo ypatumas tas, kad negalima sužadinti daugiau negu pusę dalelių ir todėl negalima sukurti apgrąžinio lygmenų užpildymo. Tokia padėtis susidaro todėl, kad yra priverstinis spinduliavimas. Kai kurių spinduliuotės ir medžiagos sąveikos savybių negalima nusakyti dviejų lygmenų modeliu. Labai dažnai po sužadinimo sistema nespinduliuodama pereina į kurią nors trečiąją būseną 2 pav. Tokia situacija susidaro, pvz., rubine. Trečioji būsena 2 yra metastabilioji (santykinai ilgai gyvuojanti). Dalelių skaičiaus N1 ir N2 priklausomybės nuo išorinės žadinančiosios spinduliuotės intensyvumo pavaizduotos 3 pav. Dalelių skaičius lygmenyje 3 mažas, lygmuo 3 yra savotiškas ,,virsmo" punktas, kuriame dalelės ilgai neužsibūna. Didėjant kaupinimo energijos tankiui ukaup, N2 vertė staigiai auga, o Nl mažėja. Skirtingai nuo dviejų lygmenų sistemos, šiuo atveju dalelių skaičius pradiniame lygmenyje 1 gali sumažėti iki nulio ir visos dalelės gali susikaupti metastabiliajame lygmenyje 2. Už kreivių N2(ukaup) ir N1(ukaup) sankirtos taško susidaro inversinis lygmenų užpildymas (N2 > N1). Kai ukaup

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!