И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Оптический резонатор лишь в простейшем случае сцставлен из двух плоскопараллелъных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал. В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1 — 100 мкм. При импулъсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10 э до 10 '~ с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц.
Достижимая мощность — 10э Вт для наносекунднъ~х импульсов и 1О'э Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов. 12.5. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В настоящее время лазеры получили широкое применение в науке и технике. Возникла новая область физики— нелинейная оптика, в которой изучается взаимодействие мощного лазерного излучения с различными веществами. За счет высокой при лазерном излучении напряженности электрического поля, превышающей напряженность внутри- атомных электрических полей, происходят изменения в электронной оболочке атомов и возникает ряд новых явлений.
Некоторые из них кратко перечислены ниже. Лазерный луч может проникать через вещества, непрозрачные для обычного света. При этом возможно явление 181 самофокусировки. Иногда наблюдается увеличение частоты лазерного излучения в два-три раза, если оно проходит через некоторые вещества, например, инфракрасное излучение становится зеленым, частота которого в два раза выше.
Такое явление называют генеричяей гармоник (второй, третьей и т. д.). Оно объясняется тем, что при взаимодействии лазерного излучения с атомами вещества возможно объединение двух, трех и более квантов в один. При удвоении частоты КПД достигает 100;~,'. Возможен и обратный процесс: деление кванта на два новых, причем сумма энергий и сумма частот полученных двух квантов равна энергии и частоте исходного кванта. Обе новые частоты можно изменять, но сумма их остается постоянной. Лазерное излучение способно управлять движением атомов. Взаимодействие лазерного излучения с атомами вещества вызывает появление в спектре этого вещества новых линий, по которым можно судить о некоторых, ранее неизвестных свойствах вещества (нелинейная лазсрная спектроскопия). Важная область применения лазерного излучения — связь.
Для лазерной связи характерна высокая направленность и огромный диапазон частот, позволяющий разместить практически неограниченное число передач различных видов информации. Посредством лазерного луча можно передавать одновременно десятки тысяч телевизионных программ или десятки миллионов телефонных переговоров.
Конечно, для наземной связи лазерным лучом создаются помехи в виде различных капельных образований в атмосфере (дождь, туман, снег). Например, в густом тумане связь возможна лишь на сотни метров. Таких препятствий нет в космосе, где возможна связь на огромные расстояния. На земле лазерная связь без помех осуществляется по световодам.
Они представляют собой кабели из специального стекла или прозрачной пластмассы. Эти вещества обладают высокой прозрачностью и вызывают очень малое затухание лазерного луча. Световоды ценны тем, что позволяют экономить цветные металлы, из которых делаются обычные кабели, и имеют массу во много раз меньше, чем у металлических кабелей. Кроме устройств связи лазерное излучение используется в локаторах, которые имеют более высокую точность, нежели радиолокаторы. Лазерные лучи применяются для точных геодезических измерений, для сварки и резки различных материалов, в том числе сверх- твердых. Возможно пробивание лазерным лучом отверстий.
Все эти операции производятся с высокой точностью. Поэтому лазерная обработка материалов успешно применяется в технологии изготовления микросхем. Лазерное излучение может также оказывать существенное влияние на химические реакции.
На использовании лазерного излучения основана голография — область науки и техники, занимающаяся получением объемных изображений, а также оптической обработкой информации и ее хранением. Ведется разработка системы голографического объемного телевидения. Лазерные методы используются также для высококачественной звукозаписи и видеозаписи. Исключительно важно применение лазерного излучения в медицине и биологии. С помощью лазерного луча делаются сложные глазные операции. Излучение мощного лазера используется в хирургии в качестве скальпеля. Здесь важна абсолютная стерильность лазерного луча и его способность прижигать разрезы мелких кровеносных сосудов, чтобы остановить кровотечение. Взаимодействие лазерного излучения с клетками живых организмов внимательно изучают ученые в разных странах. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения дают возможность исследовать различные процессы очень малой длительности в клетках, Например, можно изучать процесс фотосинтеза в растениях, т.е.
преобразование солнечной энергии в химическую, процесс зрительного восприятия у человека, детали строения и функционирования молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), обусловливающих явления наследственности. Области применения лазер- ного излучения непрерывно расширя- ются. 12.6. МАЗЕРЫ Квантовые генераторы диапазона СВЧ (сантиметровые и миллиметровые волны) в отличие от лазеров называют махерами. Это название происходит от тех же английский слов, что и «лазер», но только первое слово не 118)ц, а щ)сто>каче, т. е.
микроволны. Исторически в .квантовой электронике первым был именно квантовый генератор СВЧ, работавший с активной средой в виде пучка молекул аммиака (ХНз). Такой генератор был впервые построен Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1954 г., а также независимо от ннх Ч. Таунсом с сотрудниками в США. Мазер на аммиаке применяется и в настоящее время. Принцип работы мазеров имеет много общего с работой лазеров.
Главный процесс — вынужденное излучение возбужденных молекул — протекает в отличие от лазерного .не в оптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ. Схематически мазер показан на рис. 12.7. Пучок молекул аммиака из источника ! влетает в сел«к>иор 2, в котором происходит разделение молекул. В качестве селектора большей частью применяют так называемый >1вадруиольный конденсакиор, который состоит из четырех параллельных металлических стержней с разноименным зарядом 1рис, 12.8), создаваемым напряжением 20 — 30 кВ.
Внутри возникает неоднородное электрическое поле, причем на продольной (вдоль стержней) оси симметрии конденсатора поле отсутствует. В молекулярном пучке, поступающем в конденсатор, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая часть в невозбужденном. Возбужденные молекулы имеют Рис. 12.7.
Принцип устройства маэера 183 Рис. !2.8. Взаимное расположение стержией в квадрупольиом конденсаторе электроны на более высоких энергетических уровнях. Электрическое поле квадрупольного конденсатора действует на молекулы так, что возбужденные молекулы собираются на оси конденсатора, а невозбужденные отклоняются от оси.
В результате из квадрупольного конденсатора в объемный резонатор 3 (рис. 12.7) попадает пучок возбужденных молекул. Объемный резонатор представляет собой колебательную систему в виде некоторой полости, ограниченной проводящими стенками. Такой резонатор в зависимости от размеров обладает обычно несколькими резонансными частотами. В квантовом генераторе резонатор настроен на частоту, соответствующую переходу возбужденных молекул в основное, невозбужденное состояние.
Тогда поток молекул, в которых осуществляется такой переход, излучает электромагнитные волны, возбуждающие и поддерживающие колебания в резонаторе. Энергия этих колебаний отбирается через вывод 4 резонатора. Молекулярный генератор на аммиаке создает колебания с частотой 23,87 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1,25 см. Мощность такого генератора очень мала и составляет 10 в в 10 'е Вт.
Главная особенность молекулярного генератора на аммиаке — высокая стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты ф'Д'за несколько часов работы не превышает 10 'е. Подобный генератор может быть использован в качестве стандарта частоты. Еще более высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке атомов водорода. Он отличается от генератора на аммиаке тем, что для селекции возбужденных и невозбужденных 184 атомов используется неоднородное магнитное~ поле, а не электрическое. Это объясняется наличием у атомов водорода некоторой намагниченности. Неоднородное магнитное поле прижимает к осн возбужденные атомы водорода и отклоняет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонатор влетают возбужденные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора в невозбужденное состояние, генерируют электромагнитные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
