Лазеры и их применение. Часть 1

 

 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ 

ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Российский университет транспорта» 

 

Академия базовой подготовки 

 

Кафедра «Физика» 

 
 
 
 
 
 

В.С. Антипенко, В.А. Никитенко  

 
 
 
 

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 

ЧАСТЬ 1 

 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 

 

МОСКВА  2020  

 

                                                

 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ 

ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Российский университет транспорта» 

 
                   Академия базовой подготовки 

 

Кафедра «Физика» 

 
 

В.С. Антипенко, В.А. Никитенко  

 

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 

ЧАСТЬ 1 

 
 

Учебное пособие 

 

Под редакцией профессора В.П. Вороненко  

 

Учебное пособие  

для студентов специальностей 

ИУЦТ, ИТТСУ, ИПСС 

 

 
 
 
 

МОСКВА - 2020 

 
 
 

                                                

УДК 535:681.738 
А72 
 
В.С. Антипенко, А.В. Никитенко, ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. 
ЧАСТЬ1: Учебное пособие для студентов специальностей ИТТСУ, 
ИПСС/Под ред. профессора Вороненко В.П. – М.: РУТ (МИИТ), 
2020. -112 с. 
 
        Учебное пособие содержит краткое описание 
принципа работы некоторых типов лазеров, а так же 
особенности взаимодействия лазерного излучения с 
металлами и использование лазерного излучения для 
обработки 
деталей 
в 
машиностроении. 
Пособие 

соответствует рабочим программам и учебным планам 
курса «Общая физика» для студентов первого и второго 
курсов технических специальностей. 
 
 
Ил. 52, стр. 112 
 
Рецензенты д.т.н., профессор В.П. Вороненко, кафедра 
«Технология машиностроения», ФГБОУ ОВ «МГТУ 
СТАНКИН»;  д.т.н., профессор И.Н. Шапкин,  
РУТ (МИИТ) 

 

 

©  РУТ (МИИТ), 2020 

 
 

 
 

Глава  I 

Принципы получения лазерного излучения и 

его  взаимодействие с веществом 

                  
 
      Лазером, или оптическим квантовым генератором 
(ОКГ), называется устройство, 
 преобразующее 
особым 
способом 
различные 
виды 

энергии (электрическую, световую, 
 химическую) в энергию электромагнитного излучения 
оптического диапазона. Этот  
диапазон обычно разделяется  по длинам волн на 
следующие области: инфракрасная (ИК)  
от 100мкм до 0,74мкм, видимая от 0,74мкм до 0,4мкм и 
ультрафиолетовая (УФ) от 0,4 до  
0,19мкм. 
 

Механизм возникновения оптического 

излучения, квантово-механическое 

описание. 

Закономерности возникновения излучения 

          Согласно законам квантовой механики, энергия 
электрона в атоме и энергия атома 
 в целом, может иметь лишь определенный дискретный 
ряд значений Е0,Е1,…,Еn,… , 
 которые называются уровнями энергии. Графически их 
можно изобразить по аналогии  
с потенциальной энергией тела поднятого на различные 
высоты (уровни), где каждому 
 значению энергии соответствует горизонтальная прямая 
проведенная на высоте  

Еn (n=1,2,3,…) , см. Рис. 1-1. Отсюда термин  «уровни 
энергии». Этот  набор    
«разрешенных» 
значений 
энергии 
называется 

энергетическим спектром атома. При 
 
 

                                                                Рис. 1-1 
 
переходе электрона с одного уровня энергии на другой 
атом может излучать или поглощать 
электромагнитные волны, частота которых определяется 
соотношением: 
 
 mn = (Еm  - Еn) / h                                                               (1.1) 

 

здесь   h = 6,62   10 –34   Дж  с  -  называется постоянной 
Планка. Излучение и поглощение 
электромагнитной 
энергии 
происходит 
отдельными 

порциями – квантами (или фотонами), 
величина которых равна  h. При  поглощении  фотона 
энергия атома увеличивается, 
электрон переходит на более высокий  уровень, при 
излучении фотона  энергия атома уменьшается. 

          Разность 
энергий 
между 
уровнями 
внешних 

валентных электронов соответствует       

                  частоте  излучения видимого света, эти электроны иногда 

называют «оптическими». 

Разность энергий между уровнями внутренних электронов 
значительно  больше, 
 она определяет частоты излучения далекого УФ и 
рентгеновского диапазонов. 

                               Энергетический спектр молекулы, которая так же 

является квантовой системой, еще сложнее. Наряду с 
движением электронов относительно ядер своих атомов в 
молекуле, возможны колебательные движения атомных 
ядер друг относительно друга и вращательное движение 
молекулы как целого. Энергии этих движений так же 
дискретны. Полная энергия молекулы складывается из 
электронной, колебательной и вращательной энергий Е  =  
Еэл +  Екол  +  Евр                                                                  (1.2) 
   Причем  Еэл    Екол    Евр  . Поэтому схема уровней 
энергии молекулы представляет совокупность далеко 
отстоящих друг от друга электронных уровней энергии, 
более близких колебательных уровней и еще более 
близких вращательных уровней энергии. 
   Переходы между электронными уровнями молекулы, как 
и в атоме, соответствуют видимому, ультрафиолетовому и 
рентгеновскому излучению. Разность энергий между 

колебательными уровнями определяют инфракрасный 
диапазон излучений такой квантовой системы. Наконец, 
переходы между вращательными уровнями, из-за еще 
меньшей разницы энергий, имеют частоты 
соответствующие миллиметровым и сантиметровым 
радиоволнам. 

 
 

Параметры описывающие спектральную 

линию 

 
   В приведенных выше рассуждениях предполагалось, что 
при квантовых переходах частица излучает или поглощает 
фотоны строго одной и той же частоты 0 = (Е2 - Е1)  h (cм. 
Рис. 1-2а)), в этом случае наблюдаемые спектры излучения 
(поглощения) состояли бы из бесконечно тонких линий. В 
действительности же спектральные линии всегда имеют 
некоторую конечную ширину и форму ( см. Рис. 1-2в)).   
Ширина   спектральных   линий    связана с тем, что в 
реальных условиях уровни энергий частиц несколько 
размыты 
(см. 
Рис.1-2б)) 
вследствие 
действия 
ряда 

различных факторов. Рассмотрим некоторые из них. 

1) Естественная ширина. Даже в идеальном случае, 

когда на частицу не действуют никакие внешние 
силы, спектральная линия имеет конечную, т.н. 
естественную ширину, неустранимую никакими 
способами. 
Эта 
ширина 
обусловлена 

соотношением 

 
 
 

Рис. 1-2 
неопределенностей Гайзенберга для элементарных частиц                   
Е    h                                                                             (1.3) 
 
   Здесь Е – разброс возможных значений энергий 
частицы,  - время жизни ее в таком состоянии. Это 
соотношение является одним из основных положений 
квантовой механики, согласно которому  энергия и время, 
координата и импульс, а также другие пары сопряженных  
динамических 
величин, 
характеризующих 
состояние 

микрочастицы, не могут одновременно иметь точно 
определенные значения. 
          2)  Уширение из-за столкновений. Если излучающее 
вещество находится в газообразном состоянии, то в 
процессе теплового хаотического движения частицы 
непрерывно сталкиваются между собой и со стенками 
сосуда. В случае неупругих столкновений энергетическое 
состояние частицы может изменяться, а это эквивалентно 
сокращению времени жизни ее на данном уровне, что в 
соответствии  с (1.3) приводит к уширению спектральной 
линии. При этом ее ширина обратно пропорциональна 

среднему времени t между двумя последовательными 
столкновениями (времени свободного пробега)  
 
                = 1 (t)                                                        (1.4) 
 
т.е. прямо пропорциональна давлению газа. 
          3)  Доплеровское уширение. Этот тип уширения 
также имеет место в газообразных средах из-за эффекта 
Доплера (изменение длины волны, наблюдаемое при 
движении источника 
волны 
с 
достаточно 
высокой 

скоростью 
относительно 
приемного 
устройства). 

Хаотичность теплового движения приводит к тому, что 
вместо одной частоты, характерной  в идеальном случае 
для 
неподвижных 
частиц, 
приемник 
воспринимает 

существенно уширенный спектр частот. Ширина его 
пропорциональна наиболее вероятной скорости частиц в 
газе и частоте перехода. Этот механизм уширения  играет 
основную роль в оптическом диапазоне, где его вклад в 
ширину 
спектральных 
линий 
газообразных 
веществ 

значительно выше вклада от соударений при малых 
давлениях. 

4) 
Влияние   электрических  и  магнитных   полей.    
Внешние   достаточно  сильные    

электрические (эффект Штарка) и магнитные (эффект 
Зеемана) поля снимают вырождение с энергетических 
уровней частиц вещества, т.е. расщепляют их на 
подуровни, и смещают невырожденные уровни. Это, в 
свою очередь, приводит к уширению и расщеплению 
спектральных линий.                        
          5)  Уширение спектральных линий в кристаллах. В 
кристаллической решетке составляющие ее частицы 
испытывают воздействие сильных электрических полей со 
стороны своих соседей. Поэтому имеет место значительное 
уширение и расщепление спектральных линий за счет 

внутрикристаллического поля (Штарк –эффект). Однако 
это поле не является постоянным. Во-первых, из-за 
неоднородностей кристалла, т.е. наличия посторонних 
примесей и дефектов решетки, оно неоднородно по 
занимаемому объему. Во-вторых, в кристаллах всегда 
существуют хаотические тепловые колебания частиц. Эти 
колебания вызывают быстрые изменения 
внутрикристаллического электрического поля вокруг 
некоторого постоянного значения, что приводит к такому 
же быстрому хаотическому смещению спектральных 
линий. Все это приводит к дополнительному уширению 
суммарной линии. 

  

Некоторые корпускулярные и волновые 

свойства света 

 

          Электромагнитное излучение, как и другие виды 
материи, обладают двойственной природой, т. е. 
свойствами и волн и частиц, проявляют корпускулярно-
волновой дуализм. Некоторые оптические явления, 
например, интерференция и дифракция, можно объяснить 
предположив, что свет есть электромагнитная волна 
определенной длины и частоты, распространяющийся в 
вакууме с постоянной скоростью   с=3108 мс. Явления 
фотоэффекта и эффекта Комптона, находят объяснение 
только в предположении, что свет есть поток особых 
частиц – фотонов (или квантов), обладающих энергией, 
импульсом, моментом импульса (спином) и двигающихся 
в пространстве со скоростью света. 

          Рассмотрим подробнее некоторые волновые свойства 
света. Монохроматическое световое излучение можно