Что называют активной средой в лазерах

1. Теоретические основы

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO,CO₂илиN₂, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а — резко отталкивательная кривая; б — плоская кривая; в — кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать «эксимеры» (excimer,exciteddimer- возбужденный димер) и «эксиплексы» (exciplex,excitedcomplex- возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А₂.

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А₂* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) — связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов — квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Квазимолекулы благородных газов

Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;
• системы накачки (источник энергии);
• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества:твёрдое,жидкое,газообразное,плазма [15] . В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана [16] : здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N₀ — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана,T — температурасреды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, чтофотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтомуэлектромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.Интенсивностьизлучения при этом падает позакону Бугера [2] : здесь I₀ — начальная интенсивность, I_l — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a₁ — показатель поглощениявещества. Поскольку зависимостьэкспоненциальная, излучение очень быстро поглощается. В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону [2] : где a₂ — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе [17] . Эти потери связаны с насыщениемметастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощениепримесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерахона осуществляется за счёт облучения мощнымигазоразрядными лампами-вспышками, сфокусированнымсолнечнымизлучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большиеплотности энергиинакачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачкаэлектрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачкахимических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачкаполупроводниковых лазеровпроисходит под действием сильного прямоготокачерезp-n переход, а также пучкомэлектронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретыхгазов;фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.). На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера. Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубинпредставляет собойкристаллкорундаAl₂O₃, легированныйнебольшим количествомионовхромаCr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического полякристаллической решёткикорунда внешний энергетический уровень хромаE₂ расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергиейE₀ в возбуждённое с энергией около E₂. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E₁, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации. Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E₀ на уровень E₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации. В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодимаNd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E₂ и основным уровнем E₀ имеется промежуточный — рабочий уровень E₁. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E₂ и E₁. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E₂) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E₁). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η_{квантовое} = hν_{излучения}/hν_{накачки})

Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;
• системы накачки (источник энергии);
• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма [14] . В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N₀ — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера [1] :

здесь I₀ — начальная интенсивность, I_l — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a₁ — коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону [1] :

где a₂ — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе [16] . Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Классификация лазеров

Основная статья: Виды лазеров

• Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах [17] .
• Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров [23] . Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине (см. фотодинамическая терапия).
• Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях [24] .
• Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой [25] , в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе [26] , однако, без особого успеха [27] ), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.
• Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N₂+CO₂+He или N₂+CO₂+Н₂О, рабочее вещество — CO₂).
• Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димеарх благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.
• Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.
• Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 10 8 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.
• Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

• Волоконный лазер — лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

• Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности пластин.

• Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Данная статья исследует активную среду в лазере и её элементы, рассматривая исторический контекст, развитие и современное состояние . В статье анализируются основные компоненты активной среды, включая различные виды лазерных сред, такие как газы, твердые тела и полупроводники. Обсуждается механизм взаимодействия между элементами активной среды и эффективностью передачи энергии в системе лазера . Также рассматриваются ключевые моменты в истории развития активных сред для лазеров и их влияние на современные технологии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Касьянов Д.А.

Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 9: создание квантовых генераторов электромагнитного излучения сверхвысокой частоты

Из истории создания лазеров
История развития лазера и особенности его применения
Лазеры, селективное возбуждение молекул и управление химическими реакциями — фемтохимия

История развития лазеров на органических соединениях: I. открытие лазеров на органических соединениях

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ACTIVE MEDIUM IN A LASER: FROM THE FIRST MASERS TO MODERN DEVICES

This article explores the active medium in a laser and its elements, considering the historical context, development and current state. The article analyzes the main components of the active medium, including various types of laser media such as gases, solids and semiconductors. The mechanism of interaction between the elements of the active medium and the efficiency of energy transfer in the laser system is discussed. Key moments in the history of the development of active media for lasers and their impact on modern technologies are also considered.

Текст научной работы на тему «АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ»

1. Shagina I. R. Influence of the educational process on the health of students // Astrakhan Medical Journal. — 2010. — T. 5. — No. 2. — S. 126-131.

2. Timchenkova S. P. Influence of intellectual load on the emotional state of students // Voprosy nauki i obrazovaniya. — 2018. — no. 6 (18). — S. 166-169.

3. Solovyov VN Influence of adaptation and motivation of educational activity on the progress of students // Fundamental research. — 2004. — no. 5. — S. 81-83.

4. Kolmakova T. S., Galustyan L. K. Influence of distance learning on the health of medical students and their motivation to study. — 2020. — S. 85-88.

5. Filippova V.P. Hygienic assessment of the state of health of medical college students: dis. — Rostov n / a: [Rost. state honey. Un-t], 2004.

6. Studenikin S. I. Formation of students’ health culture in the process of higher education (bachelor’s degree programs) // Modern problems of science and education. — 2018. — no. 3. — S. 85-85.

© Ефименко А. А., 2023 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023. Для цитирования: Ефименко А. А. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ НА ЗДОРОВЬЕ СТУДЕНТОВ// Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.

Научная статья Original article УДК 621.373.8

АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ

ACTIVE MEDIUM IN A LASER: FROM THE FIRST MASERS TO MODERN

Касьянов Дмитрий Александрович: Студент БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова (190005 Россия г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская д. 1), тел. 8(911) 938-50-35, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0859-0431, dmitriy kasyanov@mail.ru

Kasyanov Dmitry Alexandrovich: Student of BSTU «Voenmeh» named after D.F. Ustinov (190005 Russia st. Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya street 1), tel. 8(911) 938-50-35, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0859-0431, dmitriy kasyanov@mail.ru

Аннотация. Данная статья исследует активную среду в лазере и её элементы, рассматривая исторический контекст, развитие и современное состояние. В статье анализируются основные компоненты активной среды, включая различные виды лазерных сред, такие как газы, твердые тела и полупроводники. Обсуждается механизм взаимодействия между элементами активной среды и эффективностью передачи энергии в системе лазера. Также рассматриваются ключевые моменты в истории развития активных сред для лазеров и их влияние на современные технологии.

Abstract. This article explores the active medium in a laser and its elements, considering the historical context, development and current state. The article analyzes the main components of the active medium, including various types of laser media such as gases, solids and semiconductors. The mechanism of interaction between the elements of the active medium and the efficiency of energy transfer in the laser system is discussed. Key moments in the history of the development of active media for lasers and their impact on modern technologies are also considered.

Ключевые слова: Активная среда, лазер, развитие, состояние, твердые тела, история.

Keywords: Active medium, laser, development, state, solids, history.

С момента изобретения лазера в 1960 году активная среда стала одним из важнейших элементов прибора для будущих исследований, играя решающую роль в генерации и усилении световых волн. Активная среда представляет собой среду, способную усиливать излучение путем стимулированной эмиссии. Основные элементы активной среды включают газы, твердые тела и полупроводники. Газовые лазеры, такие как С02 и аргоновые лазеры, используют активную среду в виде газовых смесей, где молекулы газа становятся возбужденными и излучают фотоны при возвращении в основное состояние. Твердотельные лазеры, включая Nd:YAG и диодно-накачиваемые лазеры, используют кристаллические или стеклянные материалы с примесями активных ионов. Прошлое столетие свидетельствует о важных этапах в развитии активных сред для лазеров. От первых работы с рубиновыми лазерами до современных высокоинтегрированных полупроводниковых лазеров, понимание активных сред и их оптимизация привели к широкому спектру применения, включая науку, медицину, коммуникации и производство.

Теоретические основы физики света: Исследования света и оптики ведутся с древних времен, но именно в начале 20-го века физики начали понимать его квантовую природу. Это привело к разработке квантовой механики, которая была ключевой для понимания процессов в лазерах.

Развитие молекулярной спектроскопии: В начале 20 -го века были сделаны большие успехи в изучении спектров атомов и молекул. Это позволило углубить наше понимание энергетических состояний атомов и молекул, что оказалось важным для создания лазера.

Основы квантовой механики: Развитие квантовой механики, особенно работы таких ученых, как Макс Планк и Альберт Эйнштейн, положили основу для понимания вынужденного излучения и других процессов, лежащих в основе лазеров.

Микроволны и магнетроны: Во времена Второй мировой войны, разработка радаров и микроволновой техники привела к созданию магнетронов, которые были первыми источниками когерентного излучения, близких к принципам лазера.

Работы по мазерам: В 1954 году Чарльз Таунес и Артур Шоуло создали первый мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), предшественника лазера, который работал в микроволновом диапазоне. Это был первый шаг к созданию лазеров.

Изобретение лазера: В 1960 году Теодор Майман создал первый лазер, который работал на основе активной среды, состоящей из рубина. Этот лазер использовал принципы вынужденного излучения для усиления световых волн.

Активная среда в лазере

Активная среда в лазере — это вещество или материал, в котором происходит вынужденное излучение, создавая когерентный свет. Рассматривая элементы активной среды, а также процессы, проходящие в ней, можно выделить:

Атомы или молекулы: Это элементы, которые обеспечивают энергетические уровни для переходов, которые приводят к вынужденному излучению. В лазерах могут использоваться различные вещества, такие как газы (например, гелий-неон), твердые кристаллы (например, рубин), жидкости или полупроводники.

Энергетические уровни: Это дискретные энергетические состояния, в которых могут находиться атомы или молекулы в активной среде. Переходы между этими уровнями вызывают излучение фотонов.

Бомбардировка атомов или молекул энергией: Для достижения вынужденного излучения в активной среде, атомы или молекулы должны быть возбуждены путем внесения энергии. Это может быть достигнуто путем нагрева, введения электрического разряда или использования других методов.

Резонатор: Резонатор состоит из зеркал, которые создают обратную связь для усиления когерентного света внутри активной среды. Он создает условия для создания лазерного излучения.

Лазеры имеют широкий спектр применений, от научных исследований до медицинских и промышленных приложений, и они стали неотъемлемой частью современной технологии. Эта технология была разработана благодаря долгому пути исследований и разработок в области физики и оптики, и активная среда играет центральную роль в ее функционировании. Развитие концепции активной среды в лазере охватывает несколько десятилетий исследований и инженерных усилий, которые привели к созданию разнообразных типов лазеров с различными активными средами.

1950-е годы: Первые шаги

Мазеры: Первый мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) был создан в 1954 году Чарльзом Таунсом и Артуром Шоуло. Он использовал микроволновые волны и молекулярный водород в качестве активной среды. Мазеры показали, что усиление когерентного излучения возможно, и этот опыт положил начало исследования лазеров.

1960-е годы: Первые лазеры

Рубиновый лазер: В 1960 году Теодор Мейман создал первый работающий лазер, используя рубин в качестве активной среды. Рубиновый лазер излучал в видимом спектре и стал отправной точкой для разработки других типов лазеров.

1970-е годы: Расширение спектра активных сред

Газовые лазеры: В этот период были разработаны газовые лазеры, использующие различные газы в качестве активной среды, такие как гелий-неон, углекислый газ, аргон и другие. Газовые лазеры позволили работать в разных спектральных диапазонах и иметь разную мощность.

Твердотельные лазеры: Исследования в области кристаллов и стекол привели к разработке твердотельных лазеров, в которых активной средой становились кристаллы или стекла, пропитанные активными ионами (например,

ионы неодима). Твердотельные лазеры были более компактными и мощными по сравнению с газовыми лазерами.

1980-е годы: Новые виды активных сред

Диодные лазеры: Развитие полупроводниковой технологии позволило создать диодные лазеры. Они использовали полупроводники в качестве активной среды и были компактными, эффективными и широко используемыми в коммерческих и медицинских приложениях.

1990-е и 2000-е годы: Развитие новых технологий

Фемтосекундные лазеры: Развитие ультракоротких импульсов в лазерах (фемтосекундные лазеры) позволило исследовать ультрабыстрые процессы в физике, химии и биологии, а также использовать лазеры для создания микро- и наноструктур.

Лазеры на свободных электронах: Эти лазеры использовали ускорители для генерации свободных электронов, которые затем усиливали излучение. Они стали мощными источниками рентгеновского и ультрафиолетового излучения для научных исследований и индустриальных приложений.

Современность: Инновации и применения

Лазеры на оптических волокнах: Развитие оптических волокон позволило создать компактные и стабильные лазеры, которые находят широкое применение в сетях связи, медицине и других областях.

Лазеры на основе наноматериалов: Использование наноматериалов, таких как квантовые точки или нанотрубки, в качестве активных сред позволило создать лазеры с улучшенными характеристиками и новыми спектральными возможностями.

Развитие активной среды в лазере охватывает широкий спектр исследований и инноваций, которые привели к созданию разнообразных лазерных систем с различными характеристиками и применениями. Это

продолжающийся процесс, который продолжает вносить важный вклад в современную науку, технологию и медицину.

Активная среда в лазере — это один из ключевых компонентов лазерного устройства, отвечающий за усиление световых излучений и обеспечивающий лазеру его основные характеристики. Современные лазеры можно разделить на несколько категорий:

Твердотельные лазеры: В твердотельных лазерах активная среда чаще всего представлена кристаллами или стеклами, содержащими примеси ионов различных элементов (например, Nd:YAG — неодимий в иттриевом алюмогранатном кристалле). Состояние этой активной среды в современных лазерах достигло высокой степени совершенства, что позволяет получать мощные и стабильные лазерные излучения в различных диапазонах длин волн.

Газовые лазеры: В газовых лазерах активная среда представлена атомами и молекулами газов (например, С02, аргон, ксенон). Современные газовые лазеры обладают высокой эффективностью и мощностью, что делает их ценными инструментами в различных областях, таких как медицина, обработка материалов и научные исследования.

Полупроводниковые лазеры: Эти лазеры используют полупроводниковые структуры, такие как лазерные диоды. Современные полупроводниковые лазеры широко распространены в коммерческих приложениях, таких как оптические диски, сетевые связи и лазерные указки. Они отличаются высокой надежностью, низким энергопотреблением и долгим сроком службы.

Жидкостные лазеры используют специальные жидкости в качестве активной среды. Эти лазеры могут работать в широком диапазоне длин волн и обладают высокой эффективностью. Современные разработки в области жидкостных лазеров улучшили их стабильность и мощность, что расширяет их применение в медицине и исследованиях.

Сверхпроводящие лазеры используют эффект сверхпроводимости для усиления световых излучений. Это относительно новое направление, но

исследования в этой области продолжаются, и современные сверхпроводящие лазеры могут потенциально обеспечить высокую эффективность и стабильность.

Оптические волоконные лазеры (ОВЛ) используют оптические волокна в качестве активной среды. Современные ОВЛ обеспечивают высокую мощность, высокую долговечность и отличную качество лазерного излучения. Они широко используются в областях, таких как металлорежущие станки, медицина и телекоммуникации.

Современное состояние активных сред в лазерах отличается отличной эффективностью, стабильностью и разнообразием типов лазеров, что делает их незаменимыми инструментами в науке, медицине, производстве и других областях. Однако исследования в этой области продолжаются, и новые технологические достижения могут привести к еще более мощным и эффективным лазерам в будущем. Заключение

В заключение следует отметить, что активная среда является ключевым элементом в функционировании лазерных систем. Её разнообразие отражает многогранность лазерных технологий. Современные исследования продолжают стремиться к созданию новых материалов и методов усиления излучения, расширяя границы применения лазеров. От медицинских диагностических процедур до квантовой обработки информации, активная среда продолжает вдохновлять инновации.

1. Звелто О. Принципы Лазеров /— 4-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2008 — 720 с.

2. Борейшо, А. С., Ивакин, С. В. Лазеры: устройство и действие / СПб: Издательство «Лань», 2016 — 304 с.

3. Белоусова И.М. Из истории создания лазеров / [Электронный ресурс] // Cyberleninka: — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/iz-istorii-sozdaniya-lazerov

4. Ораевский А. Н. // Квант. электр. 2001. Т. 31. № 12. С. 1038.

5. Лоудон Р. // Квантовая теория света. — М.: Мир. 1976

6. Пат. 2320979 Российская Федерация, МПК51 G 01 N 21/00, H 01 S 3/094. Способ синтеза оптически активной диамагнитной среды / Лопасов В. П.; заявитель и патентообладатель. № 2006110006/28; Заявл. 28.03.2006; Опубл. 27.03.2008. Бюл. № 9.

7. Кильдишев А. В., Шалаев В. М. //УФН. 2011. Т. 181. № 1. С. 50.

1. Zvelto O. Principles of Lasers / — 4th ed. — St. Petersburg: Publishing house «Lan», 2008 — 720 p.

2. Boreisho, A. S., Ivakin, S. V. Lasers: device and action / St. Petersburg: Publishing house «Lan», 2016 — 304 p.

3. Belousova I.M. From the history of the creation of lasers / [Electronic resource] // Cyberleninka: — URL: https://cyberleninka.ru/article/n7iz-istorii-sozdaniya-lazerov

4. N. Oraevsky, Kvant. electr. 2001. V. 31. No. 12. S. 1038.

5. Loudon R. // Quantum theory of light. — M.: Mir. 1976

6. Pat. 2320979 Russian Federation, MPK51 G 01 N 21/00, H 01 S 3/094. Method for synthesizing an optically active diamagnetic medium / V. P. Lopasov; applicant and patent holder. No. 2006110006/28; Appl. 03/28/2006; Published 03/27/2008. Bull. No. 9.

7. V. Kil’dishev and V. M. Shalaev, UFN. 2011. V. 181. No. 1. P. 50.

© Касьянов Д.А., 2023 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.

Для цитирования: Касьянов Д.А. АКТИВНАЯ СРЕДА В ЛАЗЕРЕ: ОТ ПЕРВЫХ МАЗЕРОВ ДО СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ//Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2023.