Как работает лазер?

Обсуждение новых теорий по физике.
Правила форума
Научный форум "Физика"

Как работает лазер?

Комментарий теории:#1  Сообщение Фёдор Менде » 18 ноя 2019, 12:30

Лазер состоит из трёх обязательных частей. Это рабочее тело, помещённое во внешний резонатор, и устройство накачки. Процесс генерации лазерного излучения происходит следующим образом. В рабочем теле имеются атомы, у которых имеются собственные резонансные частоты, и колебания на этих частотах можно возбудить путём внешнего воздействия, например, при горении или электрическим разрядом. Но почему-то лазерного излучения при этом мы не видим. Для того чтобы получить лазерное излучение, нужно суметь забрать у возбуждённых атомов энергию в очень узком частотном диапазоне. Почему нужен очень узкий диапазон? Он нужен по той причине, что когерентными (совпадающими по частоте и фазе) могут быть только сигналы очень близкие по частоте. Именно для этих целей и служит резонатор, куда помещают рабочее тело. В рабочем теле после её возбуждения уже имеется громадное количество атомов, частота которых совпадает (атомы это резонансные системы, которые имеют собственные резонансные частоты). Но в рабочем теле, после его возбуждения, резонансные колебания атомов или молекул не фазированы ни по фазе, ни по поляризации, т.е. их фазы и поляризации произвольны. Задачей внешнего резонатора является отбор из всего этого хаоса только тех молекул или атомов, у которых колебания очень близки по фазе и поляризации к электромагнитным колебаниям в резонаторе. КПД твердотельных лазеров очень низкий, поскольку очень незначительный процент колеблющихся атомных диполей близки по фазе, частоте и поляризации к условиям, накладываемым резонатором. Но именно энергию этих атомных резонансов выпустит наружу резонатор через свои полупрозрачные стенки в виде лазерного излучения. Энергия же остальных атомов, не подпадающих под это условие, не выйдет из резонатора в виде лазерного излучения.
Но в работе лазера присутствует ещё одно интересное явление, которое называют стимулированным излучением и которое существенно повышает КПД лазера. Мы уже сказали, что фазы колебаний возбуждённых атомов и молекул рабочего вещества могут сильно отличаться. Но, будучи помещёнными в электромагнитное поле внешнего резонатора, колебания этих атомов уже не являются самостоятельными, а оказываются связанными с полями резонатора. Именно эта связь и приводит к тому, что через некоторого времени после возбуждения, фазы отдельных атомов подтягиваются (синхронизируются) с фазой колебаний резонатора. Это явление и носит название стимулированного излучения.
Лазер принято называть квантовым генератором, но, как видим, ничего квантового в нём нет. Это обычная фазированная антенная решетка (ФАР), в которой в качестве элементарных излучателей используются атомы или молекулы рабочего вещества.

Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
Код: выделить все
<div style="text-align:center;">Обсудить теорию <a href="http://www.newtheory.ru/physics/kak-rabotaet-lazer-t5627.html">Как работает лазер?</a> Вы можете на форуме "Новая Теория".</div>
http://fmnauka.narod.ru/
Аватар пользователя
Фёдор Менде
 
Сообщений: 181
Зарегистрирован: 14 ноя 2019, 13:08
Благодарил (а): 0 раз.
Поблагодарили: 3 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#2  Сообщение kulikovюн » 26 ноя 2019, 22:00

Фёдор Менде писал(а):Это обычная фазированная антенная решетка (ФАР), в которой в качестве элементарных излучателей используются атомы или молекулы рабочего вещества.
Лазер содержит активный элемент, оптический резонатор, и источник возбуждения оптических переходов в активном элементе.
Оптический переход обладает свойством поглощать излучение на длине "волны",соответствующей этому переходу, возбуждаться. или усиливать излучение на той же длине волны, которое стимулирует снятие возбуждение с этого же уровня. Вероятность конечного результата этого процесса зависит от населённостей верхнего и нижнего уровней на оптическом переходе. Если разница населённостей в пользу верхнего уровня наблюдают усиление интенсивности излучения. Обычно время жизни возбуждённого состояния небольшое -от 10^-6c до 10^-8 c. и по этой причине излучение теряется. Чтобы его использовать запас перенаселённости используют оптический резонатор, в котором луч многократно проходит расстояние между зеркалами соответственно увеличивая мощность лазера. Лазер может быть одночастотным, многочастотным, одномодовым. многомодовым, многоволновым. перестраиваемым по длине волны. Считается, что внутри резонатора формируется стоячая волна, но вря ли это возможно в условиях непрерывного возбуждения по всей длине активного элемента.
kulikovюн
 
Сообщений: 807
Зарегистрирован: 12 июл 2019, 11:50
Благодарил (а): 8 раз.
Поблагодарили: 7 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#3  Сообщение Фёдор Менде » 28 ноя 2019, 16:37

kulikovюн писал(а):
Лазер содержит активный элемент, оптический резонатор, и источник возбуждения оптических переходов в активном элементе.
Оптический переход обладает свойством поглощать излучение на длине "волны",соответствующей этому переходу, возбуждаться. или усиливать излучение на той же длине волны, которое стимулирует снятие возбуждение с этого же уровня. Вероятность конечного результата этого процесса зависит от населённостей верхнего и нижнего уровней на оптическом переходе. Если разница населённостей в пользу верхнего уровня наблюдают усиление интенсивности излучения. Обычно время жизни возбуждённого состояния небольшое -от 10^-6c до 10^-8 c. и по этой причине излучение теряется. Чтобы его использовать запас перенаселённости используют оптический резонатор, в котором луч многократно проходит расстояние между зеркалами соответственно увеличивая мощность лазера. Лазер может быть одночастотным, многочастотным, одномодовым. многомодовым, многоволновым. перестраиваемым по длине волны. Считается, что внутри резонатора формируется стоячая волна, но вря ли это возможно в условиях непрерывного возбуждения по всей длине активного элемента.


Начнём отделять мух от котлет

Лазеры считаются квантовыми генераторами. Известно, что лазерное излучение обладает высокой когерентностью и направленностью. Известный в радиотехнике принцип построения излучающих систем с такими характеристиками – использование большого количества элементарных фазированных излучателей, расположенных в определённом порядке. Называются такие системы фазированными решетками (ФАР). Чем больше элементарных излучателей используется и чем на большем пространстве они расположены, тем большую направленность и мощность можно получить. Для получения высокой направленности линейные размеры системы должны быть значительно больше длины излучаемой волны.
В рабочем веществе лазера тоже всегда содержится громадное количество элементарных излучателей - атомов или молекул рабочего вещества. В твердотельных лазерах, например, рубиновых, излучающие атомы (атомы хрома) тоже расположены в кристалле рабочего вещества в строго определённом порядке. Если такие атомы каким-либо образом синхронно возбудить так, чтобы их колебания были фазированы, как в ФАР, то с радиотехнической точки зрения такая система может давать очень узконаправленное излучение, т.к. количество излучателей очень велико, а длина излучаемой волны гораздо меньше линейных размеров поля излучения. Но как возбудить атомы? Один из таких способов – ударное возбуждение, когда рабочее вещество лазера облучают коротким импульсом от лампы вспышки, как это делается в рубиновом лазере. Но при помощи лампы вспышки нельзя возбудить атомы так, чтобы фаза их колебаний соответствовала условиям ФАР. Для такой селекции служит внешний макроскопический резонатор. Условие указанной селекции – совпадение одной из резонансных мод внешнего резонатора с частотой собственных колебаний атомов хрома. Но этого недостаточно. Решетку ФАР составят только атомы хрома, расположенные в местах, где их фаза колебаний совпадает с фазой колебаний макроскопического резонатора. Но в общем количестве возбуждённых атомов таких не много, всего несколько процентов от общего количества. Поэтому КПД рубинового лазера не высок.
Следовательно, рубиновый лазер работает по всем законам классической электродинамики и радиотехники, и ничего в нём квантового нет, хотя название у него очень красивое – двухуровневый квантовый генератор.
Многоуровневые квантовые генераторы, излучающие опусканием вниз последовательно через несколько уровней квантов с более высоких уровней, работают по радиотехническим законам нелинейных параметрических систем. Происходит или параметрическое усиление, или параметрическая генерация согласно соотношениям Менли-Роу – энергетическим соотношениям, характеризующим взаимодействие колебаний или волн в нелинейных системах с сосредоточенными или распределёнными параметрами:


где – изменение мощности на комбинационной частоте ; , – частоты исходных колебаний (волн). Отношение должно быть иррационально, поскольку в противном случае, возможно выразить все частоты как гармоники одной фундаментальной частоты.
Соотношения Мэнли-Роу справедливы для системы с произвольной реактивной нелинейной связью. В совокупности с законами сохранения энергии и импульса, они определяют характер нелинейного взаимодействия волн (колебаний) и позволяют рассчитать максимальную эффективность преобразователя частоты на реактивной нелинейности.
Пусть в единицу времени появляется или исчезает квантов комбинационной частоты. Тогда мощность на этой частоте равна

В силу сохранения энергии в системе общая мощность равна нулю:

Поскольку иррационально, а , , – целые числа, то это равенство выполняется, только если оба слагаемых равны нулю:

Выразив из (1) и подставив в последнее выражение, получим:

Рассмотрим соотношения Мэнли-Роу в частном случае трёхчастотного взаимодействия. Пусть, например, комбинационной является разностная частота . Тогда система имеет три частоты:
, , .
При этом соотношения Мэнли-Роу имеют вид:
.
Они описывают нелинейную среду с тремя взаимосвязанными резонансами. Если возбудить один из них, то будут возбуждены и остальные. Энергия, запасенная в каждом из резонансов, пропорциональна резонансной частоте, что квантовая механика интерпретирует, как наличие в среде энергетических уровней, пропорциональных частоте. А перекачка энергии между резонансами, обеспечиваемая нелинейностью среды, интерпретируется, как перепрыгивание с одного энергетического уровня на другой. Такая схоластическая схема скрывает истинный физический смысл процесса.
Первый, так называемый, квантовый генератор, в котором электромагнитные колебания СВЧ генерировались при помощи молекул NH3, был создан в 1954 H.Г. Басовым и A.M. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом (Ch. Townes), Дж. Гордоном (J. Gordon) и X. Цайгером (H. Zeiger). Оба варианта генераторов работали на пучке молекул аммиака. Его работа так объяснялась с точки зрения квантовой механики: молекулы NH3, обладающие электрическим дипольным моментом, пролетая через неоднородное электрическое поле, по-разному отклоняются этим полем в зависимости от их внутренней энергии. В первом молекулярном генераторе сортирующая система представляла собой квадрупольный конденсатор, состоящий из 4 параллельных стержней, соединённых попарно через один с высоковольтным выпрямителем. Электрическое поле такого конденсатора неоднородно, оно вызывает искривление траекторий молекул, летящих вдоль его продольной оси. Молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, отклоняются к оси конденсатора и попадают внутрь объёмного резонатора, находящиеся в нижнем – отбрасываются в стороны.
Попадая внутрь резонатора, возбуждённые молекулы испускают фотоны под воздействием поля резонатора. Энергия фотонов усиливает поле в резонаторе, увеличивая вероятность вынужденного испускания для молекул, пролетающих позже (обратная связь). Если вероятность вынужденного испускания фотона больше вероятности поглощения в стенках резонатора и излучения за его пределы, то интенсивность поля резонатора на частоте перехода быстро возрастает за счёт внутренней энергии молекул. Возрастание прекращается, когда поле в резонаторе достигает величины, при которой вероятность вынужденного испускания становится столь большой, что за время пролёта резонатора успевает испустить фотон как раз половина молекул пучка. При этом для пучка в целом вероятность поглощения становится равной вероятности вынужденного испускания (насыщение). Мощность молекулярного генератора на пучке молекул NH3 равна 10-11 Вт.
Как же на самом деле работает молекулярный генератор на пучке молекул аммиака? У молекулы аммиака действительно есть дипольный момент, и в пространстве эта молекула может иметь два положения: одно устойчивое, а другое – нет. Если при тепловом возбуждении молекула попадает в неустойчивое состояние, то её электрический диполь опрокидывается и начинает колебаться с резонансной частотой. Поскольку размер диполя, определяемый размером молекулы, значительно меньше длины волны излучения, такой резонанс имеет очень большую добротность. Если при помощи квадрупольного конденсатора отфильтровать молекулы в неустойчивом состоянии, а затем вбросить их в макроскопический резонатор, резонансная частота которого совпадает с частотой колебаний молекулярного диполя, то такие молекулы возбудят в резонаторе колебания, и макроскопический резонатор самостоятельно отберёт молекулы с фазой колебаний, совпадающей с фазой колебаний в нём. Единственное отличие от рубинового лазера – у последнего частота колебаний лежит в области световых частот, а у аммиачного – в СВЧ диапазоне. Поэтому принцип работы молекулярного генератора, как и рубинового лазера, укладывается в радиотехнические понятия без привлечения квантовомеханических понятий.
Следует особо подчеркнуть, что в существующих конструкциях лазеров отбор атомов, которые образуют фазированную решетку, формирующую направленный лазерный луч, осуществляет макроскопический резонатор, в котором находится активное вещество. Макроскопический резонатор является сепаратором, отбирающим только соответствующие определённым условиям колебания расположенных в нём атомов. Возбуждённый ударным способом атом, представляющий дипольный излучатель, может находиться в резонаторе в любом месте, и его излучение может иметь любую поляризацию и направление. Но только атомы с частотой, совпадающей с частотой одной из мод макроскопического резонатора, имеют шансы дать вклад в лазерный луч. Для этого нужно, чтобы направление излучения этих атомов совпадало с осью резонатора, и чтобы расстояние от атомов до обеих линз было кратно половине длины волны излучения атома. Тогда излучения атома после многократных отражений от зеркал внешнего резонатора образуют экспонециально убывающую стоячую волну. Если таких атомов много, и возбуждаются они в разное время, они все вместе образуют незатухающую стоячую волну между зеркалами, которая, пройдя через полупрозрачное зеркало, даёт лазерный пучок света. Этот пучок, в силу принципа Гюйгенса, слабо расходится в случае, если размер полупрозрачного зеркала много больше длины волны, что и наблюдается на практике.
Атомы с колебаниями тех атомов, которые не удовлетворяют этим условиям, израсходуют свою колебательную энергию на создание рассеянного некогерентного излучения. Потому-то мы и видим яркое свечение прозрачной трубки газового лазера, через которую такое излучение выходит.
http://fmnauka.narod.ru/
Аватар пользователя
Фёдор Менде
 
Сообщений: 181
Зарегистрирован: 14 ноя 2019, 13:08
Благодарил (а): 0 раз.
Поблагодарили: 3 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#4  Сообщение Александр Рыбников » 28 ноя 2019, 18:03

Фёдор Менде писал(а):Начнём отделять мух от котлет

Уважаемый Фёдор Менде!
Золотые слова!
Разве лазер работает таким образом?
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phasearray.gif
Александр Рыбников
 
Сообщений: 3528
Зарегистрирован: 12 июн 2018, 02:39
Благодарил (а): 15 раз.
Поблагодарили: 40 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#5  Сообщение kulikovюн » 28 ноя 2019, 22:56

Фёдор Менде писал(а):излучающие атомы (атомы хрома) тоже расположены в кристалле рабочего вещества в строго определённом порядке.

Фёдор Менде писал(а):Условие указанной селекции – совпадение одной из резонансных мод внешнего резонатора с частотой собственных колебаний атомов хрома.

Фёдор Менде писал(а): Решетку ФАР составят только атомы хрома, расположенные в местах, где их фаза колебаний совпадает с фазой колебаний макроскопического резонатора.

Уважаемый Менде, лазеры - это такая древность, что за это время их изучили так основательно что дело довели и до полного понимания механизма работы . и до конкретного расчёта всех элементов конструкции активного элемента, оптического резонатора и источника накачки возбуждённых уровней. Никому и в голову не приходит располагать атомы хрома в определённых местах резонатора. В одночастотном He-Ne лазере одной частоты добиваются сокращением расстояния между зеркалами резонатора с целью отсечь возможность появления паразитных мод и выбором конфигурации зеркал. Стабильность частоты с точностью до восьмого, девятого знака добиваются в ЛГ-212-1 с помощью опорной иодной ячейки и термостабилизации длины резонатора. При большой длине резонатора используют фильтры Фабри-Перо. Это не электромагнитная волна, это просто излучение. Мощность лазера определяется параметрами активного элемента, разностью населённостей верхнего и нижнего уровней, чего добиваются самыми разными способами. Импульсный или непрерывный режим используют исходя из возможности получить инверсию населённостей. Одночастотный режим обеспечивает максимально возможную длину когерентности.Никаких стоячих волн внутри резонатора нет,просто принастройке резонатора максимально удлиняют путь луча,чтобы максимально увеличить мощность излучения и уменьшить вероятность потерь из=за спонтанного излучения с верхнего уровня.
kulikovюн
 
Сообщений: 807
Зарегистрирован: 12 июл 2019, 11:50
Благодарил (а): 8 раз.
Поблагодарили: 7 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#6  Сообщение Фёдор Менде » 29 ноя 2019, 10:58

kulikovюн писал(а):
Уважаемый Менде, лазеры - это такая древность, что за это время их изучили так основательно что дело довели и до полного понимания механизма работы . и до конкретного расчёта всех элементов конструкции активного элемента, оптического резонатора и источника накачки возбуждённых уровней. Никому и в голову не приходит располагать атомы хрома в определённых местах резонатора. В одночастотном He-Ne лазере одной частоты добиваются сокращением расстояния между зеркалами резонатора с целью отсечь возможность появления паразитных мод и выбором конфигурации зеркал. Стабильность частоты с точностью до восьмого, девятого знака добиваются в ЛГ-212-1 с помощью опорной иодной ячейки и термостабилизации длины резонатора. При большой длине резонатора используют фильтры Фабри-Перо. Это не электромагнитная волна, это просто излучение. Мощность лазера определяется параметрами активного элемента, разностью населённостей верхнего и нижнего уровней, чего добиваются самыми разными способами. Импульсный или непрерывный режим используют исходя из возможности получить инверсию населённостей. Одночастотный режим обеспечивает максимально возможную длину когерентности.Никаких стоячих волн внутри резонатора нет,просто принастройке резонатора максимально удлиняют путь луча,чтобы максимально увеличить мощность излучения и уменьшить вероятность потерь из=за спонтанного излучения с верхнего уровня.

Это же твердят все начётчики, не понимающие физики работы лазера.
http://fmnauka.narod.ru/
Аватар пользователя
Фёдор Менде
 
Сообщений: 181
Зарегистрирован: 14 ноя 2019, 13:08
Благодарил (а): 0 раз.
Поблагодарили: 3 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#7  Сообщение kulikovюн » 29 ноя 2019, 19:07

Фёдор Менде писал(а):то же твердят все начётчики, не понимающие физики работы лазера.

А какие у Вас доказательства. что лазер выдаёт "волну"и что есть магнитная составляющая? Опишите, если можете причины и процесс синхронизации.Кстати, лазер с большим усилением вообще может работать без резонатора.
kulikovюн
 
Сообщений: 807
Зарегистрирован: 12 июл 2019, 11:50
Благодарил (а): 8 раз.
Поблагодарили: 7 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#8  Сообщение Фёдор Менде » 29 ноя 2019, 19:51

kulikovюн писал(а):
Кстати, лазер с большим усилением вообще может работать без резонатора.

Дайте ссылки.
http://fmnauka.narod.ru/
Аватар пользователя
Фёдор Менде
 
Сообщений: 181
Зарегистрирован: 14 ноя 2019, 13:08
Благодарил (а): 0 раз.
Поблагодарили: 3 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#9  Сообщение kulikovюн » 30 ноя 2019, 10:35

Фёдор Менде писал(а):Кстати, лазер с большим усилением вообще может работать без резонатора.

Дайте ссылки.

Даже неудобно за Вас.Или Вы не слышали о сверхсветимости. о волоконных лазерах. эксимерах. лазерах на красителях... Вам задаёшь конкретные вопросы - Вы не отвечаете. Свет как ЭМ волна должен исчезнуть из оборота вместе с вот этим.
Фёдор Менде писал(а): возбуждённые молекулы испускают фотоны под воздействием поля резонатора.
kulikovюн
 
Сообщений: 807
Зарегистрирован: 12 июл 2019, 11:50
Благодарил (а): 8 раз.
Поблагодарили: 7 раз.

Re: Как работает лазер?

Комментарий теории:#10  Сообщение Борис Шевченко » 30 ноя 2019, 14:06

Ответ на комментарий №9.
kulikovюн писал(а):Свет как ЭМ волна должен исчезнуть из оборота вместе с вот этим.
Фёдор Менде писал(а):возбуждённые молекулы испускают фотоны под воздействием поля резонатора.

Уважаемый kulikovюн.Это Ваше глубочайшее заблуждение. Любое излучение фотонов непосредственно связано с возбуждением осцилляторов поля физ. вакуума и именно через возбуждение этих осцилляторов фотоны как волны и распространяются. С уважением, Борис.
Аватар пользователя
Борис Шевченко
 
Сообщений: 20774
Зарегистрирован: 24 фев 2011, 13:20
Благодарил (а): 0 раз.
Поблагодарили: 260 раз.

След.

Вернуться в Физика

 


  • Похожие темы
    Ответов
    Просмотров
    Последнее сообщение

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: Bing [Bot], bocharov, Yandex [Bot] и гости: 3