Как работает лазер

Физика для «чайников»: основы работы лазеров

Лазеры давно вошли в нашу жизнь повседневную жизнь. С одной стороны, почти у каждого дома или на работе есть лазерный принтер, к которому все привыкли. С другой – лезерные мечи все так же будоражат воображение тех, кто первый раз (да и не первый тоже) смотрит Звездные Войны. В данной статье мы на элементарном уровне разберем, что такое лазер, а также рассмотрим физические основы работы этого хитрого понятия.

Что такое лазер?

Интересный факт: знаете ли Вы, что до появления лазеров были мазеры?

Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны (волны сантиметрового диапазона)

Мазер – это аббревиатура, от английского microwave amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». Мазер был изобретен в 1950-х годах, на несколько лет раньше лазера.

Мазеры и лазеры работают по одному и тому же принципу. Отличие состоит в том, что мазеры усиливают волны разного диапазона. Мазер – это усиление микроволн, а лазер – усиление света, то есть волн видимого диапазона.

Среди всех этих умных слов для понимания принципа работы лазера нужно выделить два – «вынужденного излучения». Это именно то, что лежит в основе работы лазера.

Именно явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера. В чем суть?

Вынужденное излучение

Мы знаем, что атом может находиться в разных энергетических состояниях. В самом простом случае состояний всего два – основное и возбужденное. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам, которые соответствуют определенным энергиям. При определенных условиях электрон может как бы перескакивать с одной орбиты на другую и обратно. Т.е. электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут переходить с одного энергетического уровня на другой. Причем если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на нижний, выделяется энергия. Для перехода с нижнего уровня на верхний или наоборот, энергию электрону нужно сообщить.

А теперь представим, что у нас есть атом в возбужденном состоянии, и на него налетает фотон с энергией, равной разности энергий уровней атома. В таком случае наш атом испустит точно такой же фотон, а электрон с высшего уровня энергии перейдет на более низкий. Это и есть вынужденное излучение. Различают также спонтанное излучение, когда возбужденный атом самопроизвольно испускает фотон.

Как это явление работает в лазерах?

Рабочим телом лазера могут быть как твердые тела, так и жидкости с газами. Физическая суть работы всех этих приборов остается одной и той же. Кстати, первый в мире лазер был рубиновым, т.е. имел в качестве рабочего тела кристалл рубина.

Когда инверсия населенностей достигнута, возбужденные атомы рабочей среды начинают излучать фотоны (спонтанное излучение). Чтобы процесс не «угас», необходимо обеспечить обратную связь. В простейшем случае роль оптического резонатора играют два зеркала, одно из которых пропускает часть фотонов (полупрозрачно), а второе – отражает. Таким образом, определенная часть испущенных фотонов остается в рабочем пространстве, индуцируя излучение все новых и новых атомов, от чего процесс начинает развиваться лавинообразно и лазер светит.

Надеемся, Вы стали чуточку эрудированнее после прочтения этой статьи. Если у Вас есть более глубинные и фундаментальные вопросы по теме «лазеры», помните – среди наших авторов есть люди, готовые в любой момент ответить на них.

Удачи, и да прибудет с Вами сила!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях – и областях применения – физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Рис. 1. Схематическое изображение идеальной волны

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение – это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово “лазер” относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер – это аббревиатура, которая расшифровывается как “Усиление света посредством вынужденного излучения”.

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенная схема рубинового лазера

Его основная часть – рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева – зеркало, которое полностью отражает свет, справа – зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу – это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии – энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента – рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор – являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни – это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень – это основное состояние, а все остальные – возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка – это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение – это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E₂ – E₁. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин “длина когерентности”. Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе – от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово “лазер”. Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры – это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Источник

Все о Лазерах

Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего. А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру

А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.

Почему лазеры опасны

Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась. Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения. И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё. Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог.

Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения. Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер.

Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров.

Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера. Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» — смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение.

Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны.

PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил 😉

650нм – красный

Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше). На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше). Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» — но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус. Шарики, картон, серая бумага…

Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» — настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус — то что нужно для роботов, автоматики.

И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат — я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»).

Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод.

В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.

Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (

10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.

И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) — любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.

А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко

532нм – зеленый

Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги. Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны — от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.

Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый). Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.

Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется — и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт.

Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.

405нм – фиолетовый

Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е. пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение. Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело. Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться 😉

780нм – инфракрасный

Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого. Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.

Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки — 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.

10мкм – инфракрасный, CO2

Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W — рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания. Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).

Применения лазеров

В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно. Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на YouTube – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.

Из более серьёзного — целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен

Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый 🙂 (ну и 200мВт красный, если хочется жечь)

Источник

Лазерный мир

Что такое лазер? И зачем он нужен?

Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Сегодня лазеры получили такое широкое распространение в нашей жизни, что тяжело представить, что с момента их изобретения прошло всего 50 лет!

А если быть точнее, то первый лазер был создан 16 мая 1960 года физиком из Калифорнии Теодором Мейнманом (Theodore H. Maiman). Этот лазер работал на кристалле рубина с резонатором Фабри-Перо, а в качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. Лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм.

В основу этого изобретения легла теория вынужденного излучения, выдвинутая Эйнштейном в 1917 г. Согласно теории, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно.

Так что же такое лазер?

Ла́зер (от англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

То есть, это луч света, испускаемый синхронными источниками, в узком направленном диапазоне. Такой чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Как работает лазер?

Принцип работы лазера основан на 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»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Типы лазеров:

Лазеры могут определяться на основе множества признаков, но чаще всего используется классификация

по принципу агрегатного состояния лазерного вещества:

По способу возбуждения лазерного вещества:

Применение лазеров.

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту.

Источник

Что такое лазер в физике простыми словами

Обновлено: 02 Апреля 2022

Еще 30-40 лет назад слово «лазер» ассоциировалось с фантастическими фильмами и голливудскими спецэффектами. Сейчас эта технология прочно вошла в повседневную жизнь людей. Рассказываем, как и где она применяется.

Что такое лазер

Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, которое предназначено для преобразования электрической, тепловой и других видов энергии в узконаправленное излучение, характеризующееся когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью.

Названа эта технология по первым буквам англоязычного выражения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) и переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Изобретение лазера — это не одномоментное открытие, над ним работали многие ученые с начала XX века. Самые известные из них — Эйнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.

Альберт Эйнштейн в 1917 году презентовал научную работу, в которой предсказал основной принцип работы оптического квантового генератора — вынужденное излучение. Гений был уверен в возможности заставить электроны излучать свет необходимой человеку длины волны.

Теодору Майману, калифорнийскому физику, в мае 1960 года удалось претворить эту идею в жизнь. Лазер, в работе которого использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо работал импульсно, длина волны составляла 694,3 нм.

В СССР также активно велись исследования на эту тему. В 1952 году два советских академика Александр Прохоров и Николай Басов выяснили, что возможно создание лазера, который будет работать на аммиаке. В 1954 году американец Чарлз Таунс создал такой генератор и показал принцип его работы.

Принцип работы лазера

Заключается в создании интенсивного светового луча, который имеет одинаковую длину волны в одно и то же время. Чтобы понять, как этот процесс происходит, рассмотрим конструкцию устройства.

Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:

Как создается лазерный луч

Лазерный луч создается внутри корпуса генератора. Так называется трубка, закрытая с одной стороны обычным зеркалом, с другой — не полностью прозрачным зеркалом. Внутри корпуса находится твердый кристалл (чаще всего используют рубин). Под воздействием электрообмотки атомы кристалла создают световые волны. Эти волны двигаются внутри корпуса от одного зеркала к другому до тех пор, пока не наберут такую интенсивность, которой будет достаточно, чтобы пройти через не полностью прозрачное зеркало.

Свойства лазерного излучения

Основными свойствами являются:

Типы лазеров

Существует классификация оптических квантовых генераторов по агрегатному состоянию лазерного вещества и способу его возбуждения. Так, лазеры делятся на:

Твердотельные появились самыми первыми. В них активная среда состояла из кристаллов, а источником энергии служила импульсная лампа. В настоящее время твердотельные оптические квантовые генераторы бывают:

Газовыми называют генераторы, в которых активная среда формируется из газов или их смесей с очень низким давлением. Источником энергии выступает разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Газовый генератор характеризуется непрерывностью излучения. В таких лазерах используется длинный стержень активной среды, это связано с невысокой плотностью газов. Интенсивность излучения обеспечивает масса активного вещества.

Газовые лазеры подразделяются на:

Современные газовые лазеры бывают:

В жидкостных генераторах для создания активной среды применяют растворы органических соединений. Их плотность выше, чем плотность газа, и ниже, чем плотность твердых тел. Такие лазеры могут создавать излучение до 20 Вт, при этом объем активного вещества остается сравнительно небольшим. Лазеры данного типа работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве источника энергии используют импульсные лампы или другие лазеры.

Для полупроводниковых лазеров в качестве активной среды используют кристалл со свойствами полупроводника (чаще всего, арсенид галлия GaAs). От твердотельных они отличаются тем, что излучательные переходы здесь происходят не на уровне атомов, а между зонами кристалла. Источником энергии таких генераторов является постоянный электрический ток. Кристалл-полупроводник выполняет роль резонатора.

Области применения лазерных технологий

Открытие лазерного излучения имеет огромное значение для человечества. Благодаря уникальным свойствам, использовать лазеры можно в разных сферах жизни:

Технологические лазеры непрерывного действия активно используют в промышленности, чтобы разрезать или спаивать детали. Благодаря применению технологии стало возможным сваривание металла и керамики, в результате чего получился новый материал — металлокерамика. Также лазерный луч активно используют в изготовлении микросхем.

В медицине технология уже много лет применяется в офтальмологии, при проблемах пациентов с сетчаткой глаза и коррекции зрения. В хирургии доктора используют лазерные скальпели, которые наносят минимальные повреждения живым тканям. Освоила технологию косметология.

Лазерные шоу — неотъемлемая часть концерта, выступления звезды и других праздничных мероприятий. Эти технологии давно и активно используют в сфере развлечений.

Сами того не осознавая, мы каждый день пользуемся лазерами, которые вывели на новый уровень технику записи информации. Именно при помощи луча записываются и воспроизводятся файлы на компакт-дисках с музыкой, фото и фильмами.

Строение и назначение лазеров — сложная тема. Поэтому важно, чтобы в любой момент можно было обратиться за помощью к надежному источнику. Как раз такими качествами и обладает сервис Феникс.Хелп.

Источник

Что такое лазер?

статьи | Jun 11, 2019 | Наука и Образование | 61878

Лазеры вызывают восторг и неизменно ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства кажутся сверхъестественными, что умело использовали создатели таких популярных блокбастеров, как «Люди X» или «Звездные войны», где джедаи эффектно сражаются на лазерных мечах.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

Современные научные исследования

Военные лазеры

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные. Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч « высвечивает » себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Будьте первым, кто оставит комментарий

Пожалуйста, авторизируйтесь для возможности комментировать

Источник

ЛАЗЕР

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды. Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее.

Основы теории излучения.

Из законов квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E₀, E₁, E₂. E_n. которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E₀, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E₁, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = h n равна разности начального и конечного уровней:

где h = 6,626176·10 –34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10 –8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):

Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.

Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:

где I₀ – исходная интенсивность, I_l – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k. Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.

Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне E_n называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E₂ > E₁ – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n 21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E₂ ® E₁ (которых значительно больше, чем актов поглощения E₁ ® E₂) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k:

На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).

Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E₀ на самый верхний E₃. Оттуда они спускаются на уровень E₂, где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E₀, испуская вынужденное излучение частотой n = (E₂ – E₀)/h, когерентное исходной волне.

Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона ( l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.

Устройство лазера.

Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда – вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см. ОПТИКА), в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.

Типы лазеров.

Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.

К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).

Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.

В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом:

Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.

Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.

В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией E_э спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию E_д, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = E_э – E_д. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.

Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.

Свойства лазерного излучения.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Применение лазеров.

Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

2. Лазерная связь. Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10 –9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10 –9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.

Источник

Лазеры

История создания лазеров

Работы над созданием лазеров велись с начала 20 столетия. И только во второй половине прошлого века ученым удалось создать сначала экспериментальные, а затем и серийные модели лазерных установок. Это дало толчок к развитию многих областей науки и техники.

Существует большое количество видов лазеров:

Такое разнообразие характеристик позволяет использовать лазеры в военной технике, медицине, производственной сфере. Сейчас лазеры используются в оптических системах навигации, локации и связи, в химии, в хирургии и косметологии, в технологических процессах обработки материалов, в исследовательской работе (прецизионных интерференционных экспериментах), да и просто в быту.

Первый экспериментальный лазерный генератор был построен всего 60 лет назад, а современную жизнь уже нельзя представить без лазера.

Принцип действия лазера

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является монохроматичность. Добиться такой высокой степени монохроматичности при использовании нелазерных источников света невозможно. Достигается это и другие свойства лазерного излучения путем согласованного испускания квантов света большим количеством атомов рабочего вещества.

В стабильном состоянии атом может находиться бесконечно долго при условии, что на него не оказывается никаких внешних воздействий. Стабильному состоянию соответствует наименьший уровень энергии. Стабильное состояние в научной литературе также может обозначаться как основное.

Частоту кванта света можно определить с использованием второго постулата Бора.

Переход атома в возбужденное состояние может происходить по целому ряду причин:

Если переходы между энергетическими уровнями связаны с поглощением или испусканием фотонов, то мы имеем дело с излучательными переходами. Возбуждение или возвращение в спокойное состояние при взаимодействии с другими атомами и электронами относятся к числу безизлучательных переходов.

Самопроизвольное и индуцированное излучение

В ряде случаев возможен самопроизвольный переход атома из одного состояния в другое. В этом случае говорят о спонтанном переходе.

Альберт Эйнштейн еще в начале 20 века предположил, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может произойти под воздействием внешнего электромагнитного поля, при условии, что частота поля равна собственной частоте перехода. Излучение, которое возникает в этом случае, будет вынужденным или индуцированным.

Индуцированное излучение по своим свойствам отличается от спонтанного. Взаимодействие возбужденного атома с фотоном приводит к тому, то атом испускает еще один фотон той же самой частоты, который распространяется в том же направлении. Фактически, это означает, что в ответ на воздействие первоначальной волны атом излучает электромагнитную волну той же частоты, фазы, поляризации и направления распространения.

Согласно квантовой теории, результатом взаимодействия возбужденного атома с фотоном является появление двух одинаковых фотонов. Вынужденное испускание фотонов приводит к возрастанию амплитуды волны.

На рисунке схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Индуцированное излучение является физической основой работы оптических квантовых генераторов.

Использование термодинамически неравновесных сред

Распространение резонансного излучения в среде будет вызывать процессы поглощения, спонтанного и индуцированного испускания фотонов. Вероятности поглощения невозбужденным атомом и индуцированного испускания возбужденным атомом согласно теории Эйнштейна имеют одинаковые вероятности. Так как n 2 n 1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание.

Все это будет приводить к тому, что излучение, которое проходит через слой вещества, будет ослабляться. Излучение, которое возникает за счет спонтанных переходов, является некогерентным и распространяется во всех возможных направлениях. Оно не дает вклада в проходящую волну.

Активная среда и накачка

Активная среда – это такая среда, в которой создана инверсная населенность уровней.

Такая среда может быть использована в качестве резонансного усилителя светового сигнала.

Генерация света предполагает использование обратной связи. Для этого активная среда должна находиться между двумя высококачественными зеркалами, которые отражают свет строго назад таким образом, чтобы пучок многократно прошел через слой вещества. В таких условиях формируется лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. Физики дл описания этого процесса часто используют термин «накачка». Все время в активной среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней.

Для того, чтобы запустить лавинообразный процесс, необходим случайный спонтанный акт, который вызывает распространение излучения вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации.

Лазерное излучение выводится наружу в работающем оптическом квантовом генераторе через одно или оба зеркала, которые обладают частичной прозрачностью.

На рисунке схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рубиновый лазер

Особенностью рубинового лазера является использование оптической накачки, имеющей три уровня. Атомы среды переходят в возбужденное состояние за счет поглощения света. При использовании двух стандартных уровней накачки света лампы будет недостаточно для того, чтобы количество возбужденных атомов превысило количество атомов, находящихся в основном состоянии. В связи с этим накачка в рубиновом лазере проводится через третий уровень.

Схема накачки, используемой в рубиновом лазере, схематически представлена на рисунке.

Лазер на рубине стал первым работающим оптическим квантовым генератором. Он был сконструирован американским физиком Т. Майманом в 1960 году.

Принцип работы газового лазера

Широкое распространение газовых лазеров обусловлено исключительной монохроматичностью. По этому параметру газовым лазерам не могут составить конкуренцию никакие другие виды оптических квантовых генераторов.

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Источник

23 реинкарнации лазера, которые нас окружают в повседневной жизни

Под катом — научно-популярная лекция о современном применении лазеров и принципах работы лазерных устройств, тех самых, которые помогают победить рак и идентифицировать коронавирус, определять строение тканей, передавать данные и строить города, сводить татуировки и делать мышей счастливыми.

Ну и, надеюсь, вы уже видели самую большую в мире лазерную установку длиной 130 метров, установленную в Сарове в ВНИИЭФ. Она предназначена в том числе для изучения термоядерного(!) синтеза.

Эта статья — расшифровка лекции Дмитрия Артемьева, старшего преподавателя кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета и м.н.с. научно-исследовательской лаборатории «Фотоника». Дмитрий прочитал эту лекцию в нашей самарской Точке кипения прямо перед введением режима всеобщей самоизоляции.

Что такое свет

Для полноты картины начнем с азов. Из курса физики известно, что свет — это электромагнитная волна или поток фотонов. Поскольку одна из характеристик электромагнитных волн — длина волны, под светом (излучением) мы будем подразумевать электромагнитную волну длиной от 1 нанометра до нескольких сантиметров. Таким образом, наше определение покрывает диапазон от рентгеновского до инфракрасного излучения.

Видимый для нашего глаза диапазон занимает очень маленький интервал, порядка 300 нанометров.

Если говорить про диковинные диапазоны, такие, как рентгеновские, то, например, в прошлом году создание лазера на свободных электронах, который работает в рентгеновском диапазоне, стало одной из главных тем и было номинировано на Нобелевскую премию по физике. Интересно, что победитель в этой номинации тоже был связан с лазерной техникой: премию присудили за создание сверхкоротких и сверхмощных импульсов. Кстати, часть исследований проводили в России, в Нижегородском институте общей физики.

Чем лазер отличается от обычной лампочки

На картинке — сравнение основных характеристик. Особо отметим, что максимальная мощность лазера многократно выше мощности источников, которые применяются в лампах. Но не каждому лазеру это нужно: часто для применения достаточно долей ватта, милливатта или микроватта, чтобы получить просто какое-то определенное излучение.

Вспомним, что ширина видимого диапазона излучения — порядка 400 нанометров. Примерно такой же по ширине спектр имеет лампа накаливания, поэтому при перемешивании цветов мы видим белый свет. В свою очередь, ширина диапазона лазера может составлять 0,1 нанометра. Это уникальное свойство лазера используется при проведении некоторых спектральных исследований и точных прецизионных измерений.

Если посветить лазерной указкой из одной стороны комнаты в другую, мы увидим на противоположной стене лишь небольшое пятно, демонстрирующее узкую направленность излучения и малую расходимость пучка лазера. А у лампы дневного света или накаливания излучение практически изотропно, т.е. направлено во все стороны.

У естественного света отсутствует определенная направленность вектора электрического поля, это означает, что свет не поляризован. То есть у света обычной лампочки вектор E (напряженность) направлен в различные стороны. В случае лазерного излучения вектор E имеет определенное направление, колебания происходят в одной плоскости. Такая поляризация тоже делает лазерное излучение в какой-то степени уникальным.

Физика процесса

Лазер изобрели в конце 50-х прошлого столетия. В 1964 году за открытие лазерного излучения американец Чарльз Таунс и советские ученые Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов получили Нобелевскую премию. Причем Прохоров и Басов открыли не лазер, не усиление света, а усиление излучения микроволнового диапазона, так называемый мазер.

Лазер — аббревиатура из пяти латинских букв: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation. В переводе с английского это означает «усиление света под действием вынужденного излучения». Ниже представлены три диаграммы. Сначала, чтобы произошло излучение, необходимо, чтобы электрон или частица перешли в возбужденное состояние. Для этого частица должна получить энергию. После этого она перейдет на более высокий энергетический уровень.

Дальше возможны два сценария. Если частица случайным образом перейдет на более низкие энергетические уровни, то мы получим спонтанное излучение. Однако если на частицу, находящуюся на верхнем энергетическом уровне, воздействовать определенным фотоном, то есть направить на нее свет определенной длины волны, то произойдет уже вынужденное излучение. И фотон, рожденный в результате такого внешнего воздействия, будет тождествен тому фотону, с которым он провзаимодействовал. Так получается когерентное излучение, при котором волны равны друг другу.

Как устроен лазер

Перед вами — схема первого лазера. Это классический рубиновый лазер, созданный в 1960 году американским ученым Теодором Мейманом. Для работы прибора нужна активная среда, в данном случае — кристалл рубина, и два зеркала. Одно зеркало — глухое, с коэффициентом отражения, близким к единице. Второе — полупрозрачное, в зависимости от типа лазеров коэффициент отражения у него может отличаться как на доли процента, так и на десятки процентов относительно глухого зеркала.

В качестве оптической накачки для твердотельных лазеров, как правило, используется другое оптическое излучение. В первом лазере на кристалле рубина применялись лампы белого света, которые содержали синий и зеленый спектры — именно их кристалл рубина поглощает лучше всего.

Итак, классическая схема лазера: это активное вещество (рубин), резонатор (два зеркала) и система накачки. В других схемах накачка может происходить не только от оптического излучения, но и, например, при помощи электрического разряда (в газовых лазерах). Но в первую очередь лазеры отличаются по типу активной среды: твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на парах металлов. Выше мы упоминали лазер на свободных электронах, сейчас он активно разрабатывается и модернизируется. Также сейчас популярны диодные (полупроводниковые) лазеры и волоконные, где в качестве активной среды используется оптическое волокно.

Где применяется лазерное излучение

Лазерное излучение можно использовать в медицине, промышленности, связи, военном деле и науке. На картинке ниже — примеры медицинских инструментов. Так, сейчас очень популярны лазерные скальпели для коррекции зрения. Они помогают скорректировать геометрию хрусталика, чтобы избавить от близорукости или дальнозоркости, исправить астигматизм и так далее. Лазер идеален для операций на глазе не только из-за очень маленьких размеров пучка — важно и то, что время воздействия таким скальпелем можно сократить до фемтосекунд. Различные типы излучений используются для косметических операций. А в стоматологии ультрафиолетовое излучение применяют для затвердевания зубного клея, который очень хорошо его поглощает.

В промышленности с помощью лазеров производится точнейшая обработка стали: гравировка, вырезание отверстий с очень тонкой и чистой кромкой. Свойства лазерного излучения используют для закаливания некоторых металлов. Чаще всего в современной промышленности применяется волоконный лазер.

В строительной сфере лазеры применяют, чтобы определять расстояния или выстраивать геометрию. Сейчас лазерные уровни продаются во всех строительных магазинах, причем стоят недорого.

Военные и охотники уже давно используют лазерные прицелы. При этом лазер редко используют для прямого нанесения ущерба: пока такие аппараты слишком громоздки. Например, в американских вооруженных силах проводился эксперимент, в ходе которого лазерная установка устанавливалась на самолете. Для чего понадобился целый самолет? Несмотря на небольшой по размерам излучатель, система накачки потребляла огромное количество электроэнергии, а активная среда сильно нагревалась. Так что почти все пространство самолета занимали системы питания и охлаждения лазера.

Такие лазеры могут занимать большие пространства: для термоядерной реакции нужен серьезный источник излучения, размеры которого могут достигать сотен метров.

Лазерная установка УФЛ-2М в Сарове

Наряду с такими гигантами, сравнимыми по габаритам с футбольными стадионами, в последнее время набирают популярность миниатюрные лазеры на так называемых наноструктурах.
Лазеры активно используются в системах связи, в том числе спутниковых. Одно из самых полезных для связистов свойств — распространение излучения в оптическом волокне: оптоволоконные системы позволяют передавать до сотен гигабайт в секунду на огромные расстояния.

Как устроено оптоволокно

Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Посмотрите на картинку ниже: у нас есть струя воды, и если на вход подать излучение, то при изгибе струи оно не выходит наружу, а распространяется внутри.

Именно так и распространяется излучение по среде с более высоким показателем преломления относительно его оболочки. Этот принцип позволяет передавать данные на десятки, сотни и тысячи километров с минимальными потерями.

В качестве источника оптического излучения используются либо светодиоды, либо лазерные диоды. У лазерного диода более высокие характеристики, но и стоит он дороже.

В телекоммуникационной технике, как правило, применяют полупроводниковые лазеры с длиной волны 1,3 или 1,55 микрометра. Эти длины волн не попадает в полосу поглощения различных гидроксильных групп, которые есть в составе волокна. Таким образом, сигнал не поглощается и не затухает на протяжении многих километров.

В качестве детекторов можно использовать фотодиоды, PIN-диод и лавинный фотодиод. Они отличаются по чувствительности. Если нужно зарегистрировать очень слабый сигнал, берут лавинный фотодиод. Если сигнал на десятки–сотни ватт, то можно применить любые другие типы фотодиодов.

Лазерное излучение и биологические объекты

При падении лазерного пучка на биоткань может произойти поглощение этого излучения, а также пропускание, рассеяние или флуоресценция. Еще один из возможных вариантов — абляция, сгорание верхних слоев ткани. При этом внутренние слои не повреждаются.

При поглощении имеет место коагуляция различных частиц, то есть их слипание. Этот эффект применяется при использовании лазера в хирургии — в качестве лазерного скальпеля. В отличие от механического скальпеля, разрез сосуда или ткани происходит практически бескровно. К тому же лазерный луч может быть значительно тоньше, чем острие металлического скальпеля.

На графике ниже — элементы, которые могут находиться в сосудах, в крови, в тканях кожи. Как мы знаем, человек более чем на 70% состоит из воды. Вода также присутствует в каждой биологической ткани. Есть меланин, который окрашивает нашу ткань. Если мы загорели летом, то меланина в тканях кожи становится существенно больше. А имеющийся у всех нас гемоглобин может быть в двух состояниях — насыщенный кислородом (оксигемоглобин) и без кислорода (дезоксигемоглобин).

График показывает, насколько активно различные элементы поглощают излучение с разными длинами волн. Таким образом, при использовании лазера с определенной длиной волны мы можем добиться селективного поглощения.

Или, к примеру, возьмем два источника излучения с разными длинами волн: один попадает в максимум поглощения, другой — в минимум. При дифференциальном контрасте можно получить концентрацию определенных веществ. Мы видим, что максимумы спектров окси- и дезоксигемоглобина разнесены между собой. Таким образом мы можем определить концентрацию, например, оксигемоглобина.

Это очень важно при проведении хирургических операций. Сейчас в любом хирургическом отделении стоит прибор, который отслеживает насыщенность крови кислородом. Этот датчик позволяет в режиме реального времени определять, что происходит с тканью пациента в нужном месте.

Диагностика, визуализация, лечение рака.

В некоторых диагностических системах используют несколько лазеров с разными длинами волн. Они помогают проводить исследования по различным клеточным структурам: как они себя ведут, какую дают реакцию на препараты.

Выше упоминалось, что лазер может счищать верхние слои кожи. Это используется, в частности, для удаления татуировок. Косметологические салоны сводят «наколки» твердотельным лазером с длиной волны 1064 нанометра.

Еще одно распространенное применение лазеров — фотодинамическая терапия, которая часто применяется при лечении онкологических заболеваний. Вначале в ткань человека вводится фотосенсибилизатор — вещество, которое накапливается в агрессивных раковых клетках. После этого на опухоль — она, как правило, окружена здоровой тканью — воздействует лазер с длиной волны, попадающей в максимум поглощения данного фотосенсибилизатора. В результате излучение поглощается только раковыми клетками. Таким образом, мы выжигаем раковую опухоль, не задевая здоровую ткань.

Лазер применяется в медицине для визуализации. Например, в оптической томографии он служит источником света (см. схему). В качестве источника света также можно использовать суперлюминесцентный диод: он также излучает за счет вынужденного рассеивания, но не имеет такой степени когерентности.

Источник света направлен на светоделитель. Часть излучения отражается на зеркало, а другая направляется на объект, отражаясь от которого обе волны могут взаимодействовать между собой. Если две когерентные длины волны взаимодействуют между собой, происходит интерференция. И на детекторе мы регистрируем набор интерференционных полос, после обработки которых можно получить картинку среза ткани.

Оптический когерентный томограф, принцип действия которого показан на схеме, есть во всех крупных городах. Данная технология позволяет построить трехмерную картину объекта, в данном случае — глаза. И пространственное разрешение, где мы можем отделить один пиксель от другого, может составлять единицы микрон. Аналог данной технологии — ультразвуковое исследование. Только для УЗИ используется не оптическое излучение, а ультразвуковая волна. У ультразвука глубина проникновения выше, чего не скажешь о точности: пространственное разрешение измеряется в миллиметрах, а не в микронах.

Почему нужно комбинировать методы

В Самарском университете данный подход использовали для исследования тканей кожи и легкого с онкологическими образованиями. На фото слева — восстановленное 3D-изображение тканей легкого. А справа — фотография участка, с которого происходила регистрация сигнала.

На картинке слева заметно различие структур между собой. Черное — это воздух, оттуда сигнал не приходил. Пористая структура, похожая на губку, — это здоровая ткань легкого. При переходе вправо можно наблюдать, как возникают слои. Они более плотные и имеют определенную структуру, которая характерна для онкологических новообразований в тканях легкого. Это пример плоскоклеточного рака, удаленного в результате операции в Самарском онкологическом центре.

Такой же подход применялся для исследования тканей кожи. С его помощью легко определить базально-клеточную карциному, однако другие типы рака часто бывают похожи между собой, и диагностировать конкретный тип заболевания становится невозможно. Поэтому оптические методы исследования необходимо дополнять спектральными.

На следующей иллюстрации представлена диаграмма комбинационного (неупругого) рассеяния света, так называемое рамановское рассеяние. Здесь мы снова наблюдаем энергетические уровни, с которыми познакомились при рассмотрении вынужденного рассеяния.

На картинке показано, как лазерное излучение возбуждает колебания в молекуле. При этом 99,999% этого излучения не изменяет длины волны. Но некоторая часть излучения после взаимодействия с молекулой может измениться. Эта доля изменения энергии соответствует колебанию связей, на которые было направлено лазерное излучение.

В результате комбинационного рассеяния света мы получаем набор полос, положение которых привязано к конкретному колебанию нашего объекта. С помощью этих данных мы можем определить, какие колебания у нас есть. В свою очередь, по интенсивности колебаний определяется количественный состав этих компонент.

На фото — момент исследования в Самарском онкологическом центре. Так происходит визуализация образца ткани при помощи дерматоскопа, разработанного там же.

На следующем слайде — характерные графики спектров комбинационного рассеяния для кожи и новообразований. В определенных полосах спектра интенсивность может увеличиваться либо уменьшаться. Так, в полосе №2 интенсивность для злокачественной меланомы увеличивается на 100%. И за увеличение этой интенсивности отвечает изменение компонентного состава в этой области. В частности, если речь идет о биохимических изменениях в ткани, то меняется соотношение ДНК и РНК в клетке. Также может меняться соотношение белков и липидов в ткани.

Подобное исследование проводилось и для тканей легкого. Мы видим, что можно отличить злокачественные образования от доброкачественных. Также для анализа данных могут применяться различные математические подходы — например, регрессионные модели, которые позволяют быстро находить спектральные отличия в большом массиве данных.

Итак, исследование биологического объекта при помощи лазеров и спектральной техники позволяет получить огромный набор данных. Для их обработки приходится прибегать к математическим методам, которые, в свою очередь, надо реализовать на компьютере с использованием специального ПО.

Подведем итоги

Биофотоника дает широкие возможности для диагностики состояния тканей в режиме реального времени, позволяет осуществлять лазерную абляцию — очищение верхних слоев кожи. Лазерный скальпель широко применяется в хирургии. Также при облучении лазером в организме могут ускоряться какие-то процессы, например выработка кислорода в сосудах или каких-то тканях. Либо замедляться, если это необходимо.

Все оптические технологии используются для неинвазивных исследований — без непосредственного контакта инструмента с тканью. Для более точного исследования в различных диапазонах можно использовать сразу несколько лазеров. Но это далеко не все возможности. Мы не упомянули такое интересное направление, как оптогенетика — воздействие лазерного или оптического излучения на когнитивные функции. Исследователи воздействуют на нейроны в определенных областях мозга, пытаясь улучшать настроение, стимулировать выработку гормонов и так далее. Пока такие опыты проводятся на животных. На фото — мышь, в череп которой вживлено оптическое волокно для соответствующих исследований.

В связи с текущей пандемией стоит отметить, что упомянутая выше рамановская спектроскопия — технология, которая может использоваться для исследования вирусов. Здесь снова междисциплинарный подход: вирусы — частицы размером 20–200 нанометров, нужно их как-то уловить. Вирусы содержатся в крови, которая движется по некоему капилляру. Следовательно, в капилляр устанавливаются специальные наноловушки — наноструктуры, способные поймать и захватить частицы определенного размера. После захвата частиц проводим их облучение лазером и регистрацию рамановского рассеяния — вот теперь мы можем точно сказать, что это. Преимущество оптических технологий в данном случае в том, что вирусы обнаруживаются даже при минимальной их концентрации.

На наш взгляд, мы перечислили большинство наиболее интересных областей применения лазеров. Хотя наверняка могли что-то забыть. Так что, если кто-то подкинет интересных фактов в комментариях, с удовольствием поплюсуем.

Источник