Презентация "Принцип работы лазера" по физике – проект, доклад

ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ №4 Принцип работы лазера и основные свойства лазерного излучения. Лидары.

Астапенко В.А., д.ф.-м.н.

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

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

Лазеры на красителях

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