Понятие и принципы работы оптических квантовых генераторов. Сфера применения оптических квантовых генераторов
Страницы работы
Фрагмент текста работы
1954 году почти одновременно в журналах «ЖЭТФ» № 27 в СССР и «Phys. Rev.» № 95 в США были опубликованы статьи, которые положили начало новому разделу физики и радиотехники — квантовой электронике. Авторами статьи «Применение молекулярных пучков дли радиоспектроскопического излучения вращательных спектров молекул» были советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров. Авторами статьи «Мазерный тип усилителя СВЧ, стандарт частоты и спектрометр» были американские ученые Дж. Гордон, X. Цейгер и Ч. Таунс. Несмотря на различие в названиях статей, обе они относились к исследованию одного и того же принципиально нового способа усиления и генерации микроволн, основанного на взаимодействии электромагнитного излучения с молекулой (атомом) как квантомеханической системой.
В Советском Союзе новые приборы были названы молекулярными генераторами, в США — мазерами. В первом случае название отражает конструкцию и физическую сущность прибора, во втором случае слово «мазер» составлено из первых букв английского словосочетания (microwave amplification by stimulated emission of radiation — усилитель микроволн стимулированного излучения).
Само открытие было отмечено присуждением Нобелевской премии Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и Ч. Таунсу. Приборы, разработанные для микроволн светового излучения, названы оптическими квантовыми генераторами — лазерами.
Цель контрольной работы- рассмотреть принципы работы и области применения оптических квантовых генераторов (лазеров и мазеров).
1. Изучить понятие и принципы работы оптических квантовых генераторов;
2. Рассмотреть сферы применения оптических квантовых генераторов.
1. Понятие и принципы работы оптических квантовых генераторов
Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 –10 13 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10 –8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10 –3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Применение — оптический квантовый генератор
Применение оптических квантовых генераторов ( лазеров) позволяет существенно расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического неразрушающего контроля, например, голографические, акустооптические и др. Лазерная дефектоскопия базируется на использовании основных свойств лазерного излучения — монохроматичности, когерентности и направленности. [1]
Применение оптических квантовых генераторов , дающих большую интенсивность излучения, позволило значительно увеличить изображение интерферометрической картины. [2]
Работники, занятые в производстве и применении оптических квантовых генераторов . [3]
Рассмотрим некоторые устройства для измерения перемещений с применением оптических квантовых генераторов ( ОКГ), используемые в Московском авиационном институте. [5]
Метрологические институты работают над созданием аппаратуры для измерения длин ( в том числе больших) с применением оптических квантовых генераторов , новых высококачественных стабильных во времени штриховых и концевых мер длины; универсальных автоматических измерительных приборов для измерений до 1 м с погрешностью 1 мкм и менее. Создается ряд новых производственных приборов высокой точности, позволяющих автоматизировать не только процесс измерения линейных и угловых размеров, но и введение поправок. [6]
Другие области химии также могут взять лазер на вооружение. Все более отчетливо вырисовывается перспектива применения оптического квантового генератора для инициирования многих химических процессов, в частности диссоциации, синтеза и катализа, и для управления ими. Когда колебания лазерного луча приводятся в резонанс с частотой колебаний молекул, путем наращивания энергии колебаний можно добиться разрыва химической связи, ведущего к образованию химических активных осколков молекул. Поэтому в будущем химики смогут ( сначала теоретически и частично в лаборатории) избирательно разрывать химические связи и затем целенаправленно строить новые молекулярные структуры. Для успешной реализации этих возможностей нужно, очевидно, иметь в распоряжении лазер с непрерывно меняющейся частотой или набор лазеров с различными частотами. [7]
Ломаченко, Я. И. Бовсуновский), разрабатывали теоретические вопросы механики процесса резания ( О. К. Зворыкин) и др. Начаты исследования по применению оптических квантовых генераторов для обработки металлов. [8]
Для изменения интенсивности излучения или модуляции применяются, кроме механических модуляторов, импульсные лампы, ячейки Керра и другие модулирующие устройства. Особенно часто они применяются в геодезических дальномерах. Ячейки Керра используются в дальномерах с применением оптических квантовых генераторов . [9]
Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях. Следует подчеркнуть, что постоянно расширяется сфера применений оптических квантовых генераторов . [10]
Один из новых методов — голография — подробно описан в гл. Изучение атомно-молекулярных процессов, протекающих в излучающей среде лазеров, а также рассеяния света и фотолюминесценции с применением лазеров позволило получить большой объем сведений в атомной и молекулярной физике, равно как и в физике твердого тела. Оптические квантовые генераторы заметно изменили облик фотохимии; с помощью мощного лазерного излучения могут производиться разделение изотопов и осуществляться направленные химические реакции. Благодаря монохроматичности излучения оптических квантовых генераторов оказывается сравнительно простыми измерения сдвига частоты, возникающего при рассеянии света вследствие эффекта Доплера; этот метод широко используется в аэро-и гидродинамике для излучения поля скоростей в потоках газов и жидкостей. Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях. Следует подчеркнуть, что постоянно расширяется сфера применений оптических квантовых генераторов . [11]
Источник
Оптические квантовые генераторы
Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения. Основой работы ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения.
Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющею ту же частоту. Самое важное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения.
Вынужденное излучение в оптическом диапазоне спектра в обычных условиях значительно меньше спонтанного и поэтому практически не наблюдалось. В 1940 г. В.А. Фабрикант предложил метод прямого доказательства существования вынужденного излучения и при этом впервые обратил внимание на принципиальную возможность создания среды, не ослабляющей, а усиливающей проходящее через нее излучение. Для этого необходимо было создать такие искусственные условия, при которых концентрация возбужденных атомов или молекул на каком-либо верхнем энергетическом уровне была бы больше, чем их концентрация на каком-либо нижнем, соответствующем оптическому переходу между ними. Такая необычная «заселенность» энергетических уровней называется инверсной, так как в обычных условиях концентрации возбужденных атомов или молекул резко убывают с ростом энергии возбужденного уровня.
Среда с инверсной заселенностью называется активной. Излучение с частотой, соответствующей инверсному переходу, проходя через активную среду (АС), вызывает лавину вынужденных фотонов, «летящих» строго в одном направлении, и вместо обычного ослабления получается усиление излучения в направлении падающего луча.
Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением.
Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Он может содержать один или несколько лазерных элементов, помещенных в ОР.
Активный элемент (АЭ) является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда (АС). Лазерное вещество может находиться в плазменном, газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают следующие типы лазеров: плазменные, газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые.
Оптический резонатор в общем случае представляет собой систему отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля. Он должен иметь минимальные потери на поглощение в рабочей части спектра (коэффициент отражения одной из поверхностей часто бывает выше 0,99) и высокую оптическую точность узлов и их установки относительно друг друга.
Системы накачки — это совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи её от внешнего источника к АЭ. Накачка осуществляется несколькими способами: 1) электрическим разрядом (газовые лазеры), 2) оптическим излучением (твердотельные и жидкостные), 3) инжекцией — «впрыскиванием» электронов в р-n-переход (полупроводниковые). 4) пучком ускоренных электронов (все типы лазеров).
Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:
Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой атомов трехвалентного хрома. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых фотонов (импульсной лампы) возбуждаются и переходят на высокий энергетический уровень. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить фотон, как это вызывает переход других атомов.
Если подействовать на атомы в метастабильном состоянии квантами световой энергии ( частота которых равна частоте перехода из метастабильного состояния в основное), то атомы переходят в основное состояние, излучая световую энергию. Процесс перевода атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки (процесс заселения метастабильного уровня).
Атомы хрома в возбужденном состоянии (черные точки) под действием фотонов (стрелки) переходят в возбужденное состояние (белые точки, рис. а). После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на низкий уровень, излучая избыток энергии в виде электромагнитных колебаний. Одна часть излучаемой энергии рассеивается наружу через стенки стержня (б), другая в виде фотонов параллельно оси стержня (в, г) по пути движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов.
Возникший поток световой энергии отражается от зеркал на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конце в виде светового луча выходит из торца стержня в том месте, где находится полупрозрачное зеркало.
Твердотельные полупроводниковые лазеры отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего вещества используют проводник.
Жидкостные лазеры – основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью её охлаждения, что позволяет получать больше энергии в импульсном и непрерывном режимах (активная среда – раствор органических жидкостей).
Газовые лазеры – стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В её торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания.
Химические лазеры – инверсия и генерация излучения осуществляется или в результате химической реакции, или после реакции при обмене энергией между компонентами среды.
В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование).
Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.
В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).
Также лазеры применяются для передачи информации.
20. Блок-схема комплекта “лампа-ПРА”. Основные параметры, характеризующие ПРА. Статистические и динамические вольт-амперные характеристики газоразрядных ламп (ГРЛ). Условия устойчивости работы ГРЛ в контуре.
21. Схемы зажигания и стабилизации работы ГРЛ. Схемы зажигания ГРЛ с холодными электродами. Схемы включения ламп с предварительным подогревом электрода. Схемы зажигания импульсом. Стартерные схемы; стартеры; схемы, обеспечивающие работу ламп в импульсном режиме. Принципы выбора типа схем для различных ГРЛ.
22. Методы электрического расчета. Методы расчета контуров “ГРЛ — линейный индуктивный балласт”, “ГРЛ – емкостно-индуктивный-линейный балласт”. Особенности работы ГРЛ с нейлоновыми балластами. Методы электротехнического расчета многоэлементных схем; согласование пускового и рабочего режимов. Метод расчета многофазных схем включения ГРЛ.
23. Расчет и конструирование индуктивного балласта (ИБ). Определение исходных данных. Конструктивный расчет дросселя. Метод расчета балласта на стандартный магнитопровод. Принципы оптимизации параметров ИБ. Метод конструктивного расчета трансформатора с большим внутренним сопротивлением. Компенсация реактивной мощности ПРА. Уменьшение пульсации светового потока.
Источник