Физические основы работы лазеров

Основные понятия.

Лазеры применяются во многих отраслях машино и приборостроения. Промышленная обработка материалов – одна из областей наиболее широкого использования лазеров. Лазерный луч применяется для резанья и сваривания металлов, сверления отверстий и термообработки, обработки тонких металлических и неметаллических пленок, получения на них рисунков и микросхем.

Установка для обработки световы лучом «КВАНТ-16» предназначенна для точечной сварки металлов (молибден, тантал, вольфрам, нержавеющая сталь, мельхиор, платина, серебро и т.д.) при глубине проплавления до 0,5 мм и упрочнения поверхностного слоя металлов (У3, Х12М, ХВГ и др.) при глубине обработанного слоя до 0,5 мм.

Физические основы работы лазеров.

Все окружающие нас тела состоят из элементарных частиц – атомов или групп определенных образом объединенных атомов – молекул. Каждый атом или молекула могут обладать различными, но вполне определенными значениями энергии, то есть находиться в том или ином энергетическом состоянии Е₀, Е₁, Е₂ и т.д.. весь набор допустимых значений называется энергетическим спектром системы.

В состоянии термодинамического равновесия распределения атомов по различным энергетическим уровням подчиняетсч закону Больцмана:

где N₁, N₂ – количество атомов на уровнях 1 и 2;

Е₁, Е₂ – энергия атомов;

k=1,3807*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – температура.

Числа N₁, N₂, …N_n – заселенности уровней энергии.

Свет представляет собой электромагнитные волны. Энергия электромагнитного поля евантована. Каждый квант энергии излучения – фотон, равняется h*٧

где ٧ – частота колебаний;

h = 6,625*10^-34 Дж/с – постоянная Планка.

Атом может взаимодействовать с электромагнитным излучением, изменяя при этом свое энергетическое состояние и совершая переходы с одного уровня на другой.

При поглащении электромагнитной энергии происходит переход атома в состояние с большим значением энергии, т.е. переход его на более высокий энергетичекий уровень. При переходе на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии ввиде кванта света, величина которого будет равна

Где Е_m, Е_n – энергия атомов на уровне m и n соответственно.

Энергия атома Е зависит от свойств атома и не зависит от внешних факторов. Она определяет спонтанное (самопроизвольное) излучение.

Энергия атома Е_n линейно зависит от плотности энергии поля, соответствующей частоте перехода ٧_mn действующей на атом извне. Е_n определяет индуцированное (вынужденное) излучение, которое происходит под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты ٧_mn. При этом возбужденная частица испускает квант, не отличимый от приходящих извне, т.е. имеющий такую же частоту, поляризацию и направление распространения. Вероятность испускания индуцированного излучения пропорциональна интегсивности внешнего излучения – числу квантов в единицу времени. Фаза возникающих при индуцированных переходах электромагнитных волн строго согласованна с фазой внешних волн (когерентное излучение). Поток индуцированного излучения отличается от первичного только возросшей интенсивнотью.

Однако в любой, находящейся в термодинамическом равновесии или вблизи его колонии частиц, заселенности более высоких уровней энергии меньше заселенности уровней расположенных ниже. Поэтому процессы поглащения квантов происходят чаще, чем индуцированное излучение. По жтой же причине электромагнитные волны резонансной частоты, взаимодействуя с такими частицами, рассеивают свою энергию и затухают.

Чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо за счет внешних сил вывести систему частиц из состояния термодинамического равновесия. При этом засчет внешнего источника создается более высокая заселенность одного из возбужденных состояний, чем заселенность в системе микрочастиц. Лишь в этом случае, состоящая из таких частиц среда становится активной, т.е. способной усиливать волны резонансной частоты.

В любом оптическом квантовом генераторе (ОКГ) используется явление индуцированного излучения среды, поддерживаемой в состоянии инверсной заселенности уровней засчет работы стороннего мсточника энергии.