Презентация на тему: Принцип работы лазера
ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ №4 Принцип работы лазера и основные свойства лазерного излучения. Лидары. Астапенко В.А., д.ф.-м.н. * 900igr.net
Основные резонансные фотопроцессы в дискретном энергетическом спектре * Фотопоглощение (а), спонтанное излучение (b) и вынужденное излучение (c)
Свойства вынужденного излучения Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток фотонов распространяется в том же направлении, что и первоначальный возбуждающий фотонный поток. Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны. Вынужденный поток фотонов когерентен возбуждающему, т.е. имеет те же фазовые характеристики *
Принцип работы лазера L i g h t A m p l i f i c a t i o n by S t i m u l a t e d E m i s s i o n of R a d i a t i o n Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). *
Рабочий переход в лазерной активной среде *
а - трёхуровневая и б - четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера *
Условие лазерного усиления *
Развитие процесса генерации в лазере *
Оптический резонатор *
Пичковый режим работы лазера * Временные зависимости нормированной инверсии населенностей (сплошная кривая) и нормированной концентрации фотонов (пунктир), являющиеся решением системы балансных уравнений, T1 = 100 τc , Ne = 10 Nth
Временные зависимости нормированной инверсии населенностей (сплошная кривая) и нормированной концентрации фотонов (пунктир), являющиеся решением системы балансных уравнений, T1 = 103 τc , Ne = 10 Nth *
Основные свойства лазерного излучения Высокая спектральная яркость Монохроматичность Временная когерентность Узкая угловая направленность Возможность генерации ультракоротких импульсов *
* Параметры мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса № п/п Фирма, страна , мкм τ, фс Р, 1012 Вт I, Вт/см2 1 2 3 4 Lawrence Livermore Nat. Lab. (USA) California Univ. (USA) Michigan Univ. (USA) Texas Univ. (USA) 1.06 0.78 0.78 0.78 500 30 30 35 1000 50 40 20 >1020 5 1019 2 1019 2 1017 5 6 Rutherford Lab. (Great Britain) Astra (Great Britain) 1.06 0.8 500 40 1000 40 >1020 3 1018 7 8 Institute оf Laser Engineering. (Japan) Jap. Atomic Energy Agency (Japan) 1.06 0.78 500 30 1000 500 1020 1020 9 10 MBI (Berlin, Germany) ATLAS (Germany) 0.78 0.78 30 100 100 30 1019 5 1018 11 12 LULI (France) LOA (France) 0.78 0.78 30 30 100 100 5 1019 5 1019 13 Lund (Sweden) 0.78 30 30 1019 14 Changhai Inst. Opt. (China) 1.06 500 1000 1020 15 ИПФ (г. Нижний Новгород, Россия) 0.78 40 560 1020 16 НИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Россия) 1.06 1000 40 1019 17 ЦНИИмаш (г. Королев, Россия) 1.06 1500 10 2 1018 18 ГОИ (г. Санкт-Петербург, Россия) 1.06 1500 5 1018 19 ИОФАН (г. Москва, Россия) 0.78 40 0.5 1018 20 МГУ (г. Москва, Россия) 0.78 55 0.4 1018 21 ВНИИТФ (г. Челябинск, Россия) 1.06 1500 5 1018
Петаваттный лазер в Техасском университете. Слева - усилитель (синие блоки) *
Типы лазеров Газовые Твердотельные Полупроводниковые Жидкостные (на красителях) Эксимерные (Eximer – excited dimer) Лазеры на парах металлов Лазеры на свободных электронах *
Первый лазер на рубине Спектры излучения рубина: (а) спонтанное излучение при слабой накачке, (б) стимулированное излучение при сильной накачке (из оригинальной статьи Т. Меймана, Nature, v.187, p.494, 1960) *
Схема рубинового лазера *
Устройство и принцип работы гелий-неонового лазера *
* Различные виды твердотельных лазеров и их области применения Рабочее тело Длина волны Источник накачки Применение Рубиновый лазер 694.3 нм Импульсная лампа Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера Алюмо-иттривые лазеры с легированием неодимом (Nd:YAG) 1.064 мкм, (1.32 мкм) Импульсная лампа, лазерный диод Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия научные исследования, накачка других лазеров. Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с легированием неодимом (Nd:YVO) 1.064 мкм Лазерный диод Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике. Лазер на неодимовом стекле (ND:Glass) ~1.062 мкм (силикатные стекла), ~1.054 мкм (фосфатные стекла) Импульсная лампа, лазерный диод Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Титан-сапфировый лазер 650 – 1100 нм Другой лазер Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования. Алюмо-иттривые лазеры, легированные тулием (Tm:YAG) 2.0 мкм Лазерные диоды Лазерные радары Алюмо-иттривые лазеры с легированием иттербием (Yb:YAG) 1.03 мкм Импульсная лампа, лазерный диод Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная спектроскопия, лазерные дальномеры
Лазеры на красителях * Краситель Центр линии люминесценции, нм Рабочая область лазера, нм Область накачки, нм Приемлемая концентрация, 10−3 моль/л Карбостирил 165 445 419—485 350—365 2,5 Кумарин 2 450 435—485 340—365 3 Кумарин 1 470 450—495 350—365 3 Кумарин 102 495 470—515 400—420 1 Кумарин 30 515 495—545 400—420 1 Кумарин 7 535 505—565 400—420 5 Кумарин 6 538 521—551 458—514 12,5 Флуоресцин 552 538—573 458—514 2,7 Родамин 110 (R110) 570 540—600 458—514 12,5 Родамин 6Ж (R6G) 590 570—650 458—514 2 Родамин Б (RB) 630 601—675 458—514 2 R101/R6G 645 620—690 458—514 1,5 R101 1,5 R6G Крезил-виолет/R6G 695 675—708 458—514 2,4 Нильский голубой 750 710—790 647—? 1 Оксазин 1(4) 750 695—801 647—672 0,6 DEOTC-P(4) 795 765—875 647—672 0.6 HITC-P(4) 875 840—940 647—672 0.74
Простейшая реализация п/п лазера на прямозонном полупроводнике типа GaAs с фотонной накачкой *
ДИОДНЫЙ ЛАЗЕР НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Многократное увеличение области излучения (в 10 раз) Снижение порога катастрофического разрушения (в 10 раз) Уменьшение угловой расходимости излучения (в 3-5 раз) Увеличение выходной мощности (в 5-10 раз) Обеспечение надежности работы при больших мощностях Создана принципиально новая конструкция диодных лазеров Стандартный ДЛ ДЛ нового типа 30-50° 5-10°
Принцип действия импульсного лазерного дальномера * Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые. Импульсный лазерный дальномер это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
Лидар * Определение: лидар транслитерация с английского выражения Light Detection and Ranging Назначение: прибор, реализующий технологию получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения излучения и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лазерный дальномер – одна из реализаций лидара. В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.
Применение лидаров * Исследования атмосферы: Измерение скорости и направления воздушных потоков; Измерение температуры атмосферы. Исследования Земли: Космическая геодезия; Авиационная геодезия. Строительство и горное дело. Морские технологии: Измерение глубины моря; Поиск рыбы. Транспортные применения: Определение скорости транспортных средств; Системы активной безопасности. Промышленные и сервисные роботы.
ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР ИМПУЛЬСНЫЙ ЛДИ-3-1М
ЛАЗЕРНЫЙ ПРИЦЕЛ-ДАЛЬНОМЕР ЛПД
ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ТАХЕОМЕТР КТД-3
