ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ1. СН 4557-88 «Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях».
2. ГН 1854-78 «Гигиенические требования к конструированию и эксплуатации установок с искусственными источниками ультрафиолетового излучения для люминисцентного контроля качества промышленных изделий».
3. ГН 1432-76 «Гигиенические требования к проектированию облучательных ультрафиолетовых установок и правила их эксплуатации на судах морского, речного и промыслового флота».
4. Указания к проектированию и эксплуатации установок искусственного ультрафиолетового облучения на промышленных предприятиях № 1158-74.
5. МУ 5046-89. Методические указания. Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей.
6. РМГ 69-2003. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики оптического излучения соляриев. Методика выполнения измерений.
7. РМГ 70-2003. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики ультрафиолетового излучения бактерицидных облучателей. Методика выполнения измерений.
8. РМГ 71-2003. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики ультрафиолетового излучения источников медицинского назначения. Методика выполнения измерений.
9. Р.3.1.683-98 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях». Требования безопасности и правила эксплуатации бактерицидных установок. Лабораторная работа Лазер-1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Цель работы: изучить физические основы работы лазеров; ознакомиться с работой лазера ЛТН-102А. Теоретическая часть Общие основы работы лазеров
Переходы микрочастиц с одного уровня энергии на другой сопровождаются испусканием или поглощением кванта энергии - фотона hν, где ν - частота колебаний электромагнитного излучения; h =6,625·10-34 Дж·с - постоянная Планка. Согласно закону сохранения энергии должно выполняться hν nm=En-Em. Для перехода на более высокий энергетический уровень микрочастица должна поглотить квант энергии. Поглощенная энергия идет на увеличение внутренней энергии атома. При переходе микрочастицы на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии в виде кванта света. В 1916 г. А.Эйнштейн, развивая идеи М.Планка о квантовом характере взаимодействия света с атомами, указал на существование одного процесса поглощения фотонов и двух процессов испускания фотонов.
Процесс испускания микрочастицей фотона может происходить спонтанно, т.е. самопроизвольно, без всякого внешнего воздействия (рис.6.2,б). Спонтанное излучение происходит из-за неустойчивости возбужденного состояния микрочастицы. Спонтанное излучение имеет шумоподобный характер. Спонтанно излучаемый свет дают, например, нагретые тела, плазма газовых разрядов. Второй процесс испускания фотонов называют вынужденным, или индуцированным (рис.6.2,в). Он происходит при столкновении фотона с возбужденной микрочастицей. При этом вынужденный переход микрочастицы с уровня Еn на более низкий энергетический уровень Еm может вызвать только фотон с энергией hν nm=Еn-Еm. Фотон, вызвавший переход, не изменяет своей энергии и направления движения. Возникший новый фотон имеет такую же энергию и летит по тому же направлению. Следовательно, после встречи фотона с возбужденной микрочастицей дальше полетят уже два одинаковых фотона, а микрочастица переходят на более низкий энергетический уровень. Световая волна, встретив на своем пути возбужденную микрочастицу, как бы вбирает ее энергию, увеличивает свою интенсивность и продолжает распространяться без изменения фазы и направления. Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна называется когерентной. Когерентное усиление света при вынужденном испускании фотонов лежит в основе работы оптических квантовых генераторов (ОКГ) - лазеров. Слово "лазер" образовано из начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света стимулированным испусканием излучения). Рассмотрим основные условия, необходимые для возникновения процессов усиления и генерации электромагнитного излучения в лазерах. Условия квантового усиления Атомы, молекулы вещества непрерывно взаимодействуют между собой, что приводит к определенному распределению их энергии. При термодинамическом равновесии распределение микрочастиц по энергиям подчиняется закону Больцмана, согласно которому вероятность Рi нахождения атома на уровне с энергией Еi:
где С - постоянная; Т - абсолютная температура; к=1,38*10-23 Дж/К - Из общего числа N атомов на уровне с анергией Ei находитсяся Ni атомов (Ni населённость i-го уровня):
Для двухуровневойсистемы (см.рис.6.2) отношение часла Ni атомов с энергией Еn к числу nm атомов с энергией Em будет
Так как En>Em, то Nn<Nm. Следовательно, при термодинамическом равновесии в среде имеется больше атомов, способных поглощать фотоны, чем испускать, и число актов поглощения фотонов будет превышать число актов испускания фотонов. Интенсивность светового потока J, прошедшего в среде путь L, будет уменьшаться по закону: J=J0e-αL, (6,4) где α - коэффициент поглощения; J0- интенсивность начального светового потока. Для усиления проходящего светового потока необходимо создать условия, при которых должно преобладать число актов испускания фотонов, т.е, число атомов с энергией Еn должно превышать число атомов с энергией Еm(Nn>Nm). В этом случае коэффициент α в формуле (6,4) имеет отрицательное значение и называется коэффициентом усиления. В итоге получим J > J0. Среда работает как усиливающая со степенью αL, Состояние, при котором Nn>Nm, называют инверсией населенности энергетических уровней. Увеличение числа микрочастиц на верхнем уровне достигается внешним воздействием, называемым накачкой. Накачка может быть осуществлена, например, при облучении рабочей среды потоком фотонов или электронов о энергией hνnm= Еn-Em. В двухуровневой системе инверсную населенность, создать невозможно. При достижении равенства N2=N1 независимо от энергии накачки число переходов, с уровня Е1 на Е2 будет равняться числу обратных переходов, так как эти два перехода являются равновероятными. Поэтому для осуществления инверсии необходимо подбирать систему с тремя или более рабочими уровнями энергии, причём один из верхних уровней должен быть метастабильным.
Работа квантового генератора Принцип усиления и генерации сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний на основе вынужденных квантовых переходов был предложен в 1952 г. советскими учеными В.Г.Басовым и А.В.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом. Ими был разработан квантовый генератор сантиметрового диапазона - мазер, работающий на пучке молекул аммиака. За эти работы Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу в 1964 году была присуждена Нобелевская премия. Первый лазер был создан в 1960 г, американским ученым Т.Мейманом. Для превращения рабочей среды из усилителя в генератор ее помещают в резонатор, обеспечивающий непрерывную подачу части световой энергии усиленного светового потока обратно в активную среду, т.е. положительную обратную связь.
отразится и пойдет, усиливаясь, обратно к зеркалу 1 и т.д. С помощью зеркал как бы удлиняется путь L в усиливающей среде [см.формулу (6.4)]. Если потери, света в зеркалах 1 и 2 будут компенсироваться усилением света в активном элементе, то в системе установится стационарный режим генерации светового потока. Луч лазера 4 представляет собой сушу частей световой волны* проходящей через полупрозрачное зеркало 2. Импульс излучения лазера (ряс. 6.5) при свободной генерации, т.е. без применения каких-либо внешних ограничений, имеет длительность ~10-3 с и состоит из большого числа отдельных хаотично расположенных импульсов-пичков длительностью ~10-6 с, следующих друг за другом со скважностью ~5. Огибающая пичков имеет колоколообразную несимметричную форму. Пичковый характер импульса обуславливается взаимодействием между различными типами колебаний, устанавливающихся в резонаторе.
В резонаторе возникает большое число волн, распространяющихся вдоль оси в обоих направлениях. Вследствие того, что все возникшие волны когерентны, наблюдается их интерференция. Максимальная амплитуда результирующей волны получается при разности хода складываемых волн, равной целому числу длин волн. Если длина пути, проходимого волной между двумя отражениями от одного зеркала, равна 2L (L - расстояние между зеркалами резонатора), то для получения яркого выходящего луча должно быть 2L = qλ (6.5) где q - целое число; λ -длина световой волны. Таким образом, на длине резонатора L должно укладываться целое число полуволн qλ/2 Условие (6.5) записывается также в виде
где C - скорость света; ν=с/λ - частота излучения. Из-за теплового движения микрочастиц частота излучения не в точности равна ν, а лежит в интервале значений ν±Δν. Спектральная линия излучения микрочастицы активной среды имеет вид колоколообразной кривой (рис.6.6), В резонаторе устанавливаются колебания с частотами, определяемыми по формуле (6.6). Наибольшую интенсивность будут иметь колебания, совпадающие с вершиной спектральной линии (см.рис.6.6). Основные элементы лазера Каждый лазер имеет следующие основные элементы: а) активную среду (активный элемент), в кокорой создаётся инверсия населённость энергетических уровней микрочастиц (атомов, молекул, ионов) и возникает световой луч; б) систему накачки - устройство для создания инверсии а активной среде; в) оптический резонатор - устройство для обеспечения положи тельной обратной связи. По перечисленным признакам лазеры подразделяются на отдельные группы. По типу применяемого вещества активного элемента лазеры разделяются на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. Последние являются также твердотельными, но отличаются от них характером генерации. Поэтому они выделяются в отдельную группу. Внутри каждой группы определяются подгруппы. Например, газовые лазеры подразделяются на молекулярные, атомные, ионные. Различают лазеры по способам накачки. Применяют оптическую накачку при облучении светом; электрическую при прохождении электрического тока через активное вещество; химическую, когда инверсия возникает вследствие химической реакции; газодинамическую, при которой инверсия обеспечивается при нагреве и быстром охлаждении в сверхзвуковом потоке газа. Во типу резонаторов принято подразделять лазеры на линейные (см.рис.6.4) и кольцевые. Лазеры излучают световой поток в непрерывном или импульсном режимах с длительностью tи=10-3...10-12 с.
|
Согласно законам квантовой механики внутренняя энергия микро-частиц (молекул, атомов, ионов) вещества может принимать строго определённые дискретные значения Е1<Е2<Е3...<Еm<En,(Рис.6.1). Эти значения энергии называться энергетическими уровнями, или уровнями энергии. Система возможных энергетических уровней составляет энергетический спектр микрочастиц. Уровень с минимальной энергией Е1 называется основным, а все остальные - возбужденными. Число микрочастиц, имеющих одно значение энергии, т.е. находящихся на одном энергетическом уровне, называется населенностью уровня. Время нахождения атома на возбужденном энергетическом уровне (время жизни уровня) составляет 10-3 - 10-8 с. Уровни, которым соответствует наибольшие время жизни микрочастиц (10-3 с), называют метастабильными (долгоживущими).
В процессе поглощения микрочастица переходит с энергетического уровня Еm на более высокий уровень Еn (рис.6.2,а).
, (6.1)
(6.2).
(6.3)
После проведения накачки и осуществления инверсии подвергаем совокупность микрочастиц облучению потоком фотонов слабой интенсивности с частотой νnm, соответствующей переходу с уровня Еn на уровень Еm. Начальный поток фотонов части образуется и вследствие спонтанных переходов. В результате взаимодействия светового потока с микрочастицами произойдет лавинное размножение фотонов (рис.6.3). После взаимодействия одного фотона с возбужденной микрочастицей образуются два фотона. Далее, эти два фотона превратятся в четыре, восемь, шестнадцать и т.д. На выходе из рабочей среды интенсивность пучка света будет значительно больше, т.е. произойдет его усиление.
Самым простым резонатором (рис.6.4) является система, состоящая из двух параллельно расположенных плоских зеркал (резонатор Фабри - Перо). Зеркало 1 выполняется непрозрачным для данной световой волны с коэффициентом отражения, близким к 100% (глухое зеркало). Зеркало 2 является частично прозрачным с коэффициентом отражения 50 - 90%. Возникший в активном элементе 3 световой поток дойдет до одного зеркала, например, 1, отразится от него, пойдет усиливаясь в обратном направлений до зеркала 2. Часть потока 4 выходит из резонатора, а часть (до 50 -90%) - вновь
, (6.6)
