Как пишется лазерный луч

Лазер — полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

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?

• 1-я стадия — выключенный лазер.

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

• 2-я стадия — момент после включения.

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

• 3-я стадия — возникновение луча.

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

Для лазерного излучения необходима так называемая «активная среда». Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда. Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

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.

• Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
• В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
• Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

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.

• Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
• Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
• Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
• По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (1015 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

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

• Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
• Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
• Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную «линейку» в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

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.

• Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
• В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
• Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
• В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Современные научные исследования

• Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
• Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
• Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10–9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
• Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

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!

лазерный луч

• До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
• 8-11 класс: Умскул, Годограф, Знанио.
• Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.
• Взрослым: Skillbox, Нетология, Geekbrains, Яндекс, Otus, SkillFactory.

Как пишется: «лазер» или «лазар»?

Правило

Существительное «лазер» образовано от английского слова «laser». Этим определяется его написание. Следует слово запомнить либо проверять в словаре.

Значение

Лазер – это:

• источник оптического излучения;
• вымышленное оружие, выпускающее световые импульсы.

Примеры

• Красный луч лазера чертил рисунок на специальном покрытии.
• Мощный лазер поможет нам расчистить дорогу.
• Мрак освещался только вспышками стационарного лазера.

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:

1. Активная среда. Важнейший компонент для обеспечения лазерного излучения. Активной средой является специальное вещество, в качестве которого могут быть использованы твердые кристаллы, газы или жидкости, сформированные в стержень (цилиндр).
2. Источник энергии. В этом качестве, как правило, выступает импульсная лампа, которая устанавливается рядом с активной зоной — цилиндром или стержнем.
3. Резонатор (кроме тех случаев, когда лазер используют как усилитель). Это устройство представляет собой два параллельных друг другу зеркала. Переднее наполовину прозрачное, заднее не пропускает свет.

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:

1. Монохроматичность. Так как длина волны света в лазере одинаковая, весь пучок также будет одного цвета.
2. Когерентность. Пучок света считается когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между напряженностью электромагнитного поля в разных точках пространства или в разное время.
3. Сфокусированность. В сравнении с естественным светом, который обладает рассеиванием и ослаблением в зависимости от расстояния, лазерное излучение четко сфокусировано в одном интенсивном пучке света и не слабеет при передаче на большие расстояния. 
4. Высокая температура. Это происходит из-за монохроматичности излучения и большой плотности энергии. Так, температура излучения импульсного лазера мощностью 1015 Вт составляет более 100 миллионов градусов.

Типы лазеров

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

1. Твердотельные.
2. Газовые.
3. Жидкостные.
4. Полупроводниковые.

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:

• рубиновыми;
• титан-сапфировыми;
• александритовыми;
• оптоволоконными;
• на алюмоиттриевом гранате;
• на неодимовом стекле;
• на фториде кальция и др.

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:

1. Газодинамические. Принцип работы этого вида генератора похож на работу реактивного двигателя. В нем происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе горения, а затем охлаждения молекулы отдают энергию, создавая мощное излучение. 
2. Химические. Импульс появляется в результате реакции. Самый мощный лазер этого типа работает на атомарном фторе в реакции с водородом.
3. Эксимерные. Действие обеспечивают молекулы благородных газов, способных существовать лишь в возбужденном состоянии.

Современные газовые лазеры бывают:

• гелий-неоновыми;
• криптоновыми;
• ксеноновыми;
• азотными;
• кислородно-йодными;
• углекислотными и др.

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:

• в промышленности;
• в военных разработках;
• в медицине;
• в развлекательной индустрии;
• в быту.

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 военных целях при помощи технологии разрабатываются новые виды оружия. Лучи газовых лазеров наземного или орбитального базирования способны вывести из строя как спутники, так и самолеты вражеской стороны. Также их можно использовать в разведке. Во многих странах активно ведутся разработки лазерных пистолетов.

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.

Устройство, излучающее свет с помощью оптического усиления

Лазерный луч, инструмент для сварки Красный (660 и 635 нм), зеленый (532 и 520 нм) и сине-фиолетовый (445 и 405 нм) лазеры

A лазер — это устройство, которое излучает свет посредством процесса оптического усиления на основе стимулированного излучения электромагнитного излучения. Термин «лазер» возник как аббревиатура от «усиление света за счет вынужденного излучения ». Первый лазер был построен в 1960 году Теодором Х. Мейманом в Исследовательские лаборатории Хьюза на основе теоретических работ Чарльза Хард Таунса и Артура Леонарда Шавлоу..

Лазер отличается от других источников света тем, что излучает свет, который является когерентным. Пространственная когерентность позволяет использовать лазерную резку в узком месте, как лазерная резка и литография. Пространственная когерентность также позволяет лазерному лучу оставаться узким на больших расстояниях (коллимация ), что позволяет использовать такие приложения, как лазерные указатели и лидар. Лазеры также могут иметь высокую временную когерентность, что позволяет им излучать свет очень узким спектром, то есть они могут излучать свет одного цвета. В качестве альтернативы, временная когерентность может инстанция для использования вспышек света с широким спектром, но длительностью не более фемтосекды («ультракоротких импульсов »).

Лазеры использовались в приводах оптических дисков, лазерных принтеров, сканеров штрих-кода, приборов для секвенирования ДНК, оптоволокно, производство полупроводниковых кристаллов (фотолитография ) и оптическая связь в свободном пространстве, лазерная хирургия и обработка кожи, резка и сварочные материалы, военные и правоохранительные органы устройства для маркировки целей и дальность измерения и скорость, а в лазерные осветительные дисплеи для развлечения. Они использовались для автомобильных фар на автомобилях класса люкс, с использованием синего лазера и люминофора для получения направленного белого света.

Содержание

• 1 Основы
  • 1.1 Терминология
• 2 Конструкция
• 3 Физика лазера
  • 3.1 Вынужденное излучение
  • 3.2 Среда усиления и резонатор
  • 3.3 Излучаемый свет
  • 3.4 Сравнение квантовых и классических процессов излучения
• 4 Непрерывный и импульсный режимы работы
  • 4.1 Непрерывный режим
  • 4.2 Импульсный режим
    • 4.2.1 Q-переключение
    • 4.2.2 Режим синхронизации
    • 4.2.3 Импульсная накачка
• 5 История
  • 5.1 Основы
  • 5.2 Мазер
  • 5.3 Лазер
  • 5.4 Последние инновации
• 6 Типы и принципы работы
  • 6.1 Газовые лазеры
    • 6.1.1 Химические лазеры
    • 6.1.2 Эксимерные лазеры
  • 6.2 Твердотельные лазеры
  • 6.3 Волоконные лазеры
  • 6.4 Лазеры на фотонных кристаллах
  • 6.5 Полупроводниковые лазеры
  • 6.6 Лазеры на красителях
  • 6.7 Лазеры на свободных электронах
  • 6.8 Экзотические среды
• 7 Использование
  • 7,1 дюйма медицина
  • 7.2 В качестве оружия
  • 7.3 Хобби
  • 7.4 Примеры от власти
• 8 Безопасность
• 9 См. также
• 10 Ссылки
• 11 Дополнительная литература
  • 11.1 Книги
  • 11.2 Периодические издания
• 12 Внешние ссылки

Основы

В современных телескопах используется лазерная технология компенсации размывающего эффекта атмосферы Земли.

Лазеры отличаются от других источников света когерентностью. Пространственная когерентность обычно выражается через выходной сигнал, представляющий собой узкий луч, который ограничен дифракцией. Лазерные лучи могут быть сфокусированы в очень крошечные точки, достигая очень высокой освещенности , или они могут иметь очень низкую расходимость, чтобы сконцентрировать свою мощность на большом расстоянии. Временная (или продольная) когерентность подразумевает поляризованную волну на одной частоте, чья фаза коррелирована на относительно большом расстоянии (длина когерентности ) вдоль луча. Луч, создаваемый тепловым или другим некогерентным образом света, имеет мгновенную амплитуду и фазу, которые изменяются случайным образом во времени и положении, таким образом, имея короткую длину когерентности.

Лазеры характеризуются их длиной волны в вакууме. Лазеров с одной длиной волны на самом деле показывает в нескольких режимах с немного разными длинами волн. Хотя временная когерентность подразумевает монохроматичность, существуют лазеры, которые излучают широкий спектр света или одновременно излучают свет с разными длинами волн. Некоторые лазеры не являются одиночными пространственными модами и имеют световые лучи, которые расходуются на больше, чем требуется дифракционным пределом. Все такие устройства классифицируются как «лазеры» в их методе получения света, то есть вынужденного излучения. Лазеры используются там, где свет с требуемой пространственной временной когерентностью не может быть получен с помощью более простых технологий.

Терминология

Лазерные лучи в тумане, отраженные от лобового стекла автомобиля

Слово «лазер» началось с аббревиатуры для «усиления света за счет вынужденного излучения излучения». В этом контексте термин «свет» включает электромагнитное излучение любой частоты, а не только видимый свет, отсюда термины инфракрасный лазер, ультрафиолетовый лазер, рентгеновский лазер и гамма-лазер. Микроволновый предшественник лазера, мазер, разработан первый, устройства такого типа, работающие на микроволновых и радиочастотах, называются «мазерами», а не «микроволновыми лазерами». или «радиолазеры». В ранней технической литературе, особенно в Bell Telephone Laboratories, лазер назывался оптическим мазером ; этот термин сейчас устарел.

Лазер, который излучает свет сам по себе, технически является оптическим генератором, а не оптическим усилителем, как предполагает аббревиатура. Было замечено с юмором, что более правильным было бы сокращение LOSER, означающее «световые колебания за счет вынужденного излучения». С повсеместным использованием оригинальной аббревиры в качестве имени нарицательного, оптические усилители называть «лазерными усилителями», несмотря на очевидную избыточность в этом обозначении.

Обратно сформированный глагол to lase часто используется в этой области, что означает «повторный лазерный свет», особенно в отношении усиливающей среды среды лазера; когда работает лазер, говорят, что он «излучает». Дальнейшее использование слов лазер и мазер в расширенном смысле, не относящееся к таким технологиям или устройствам, можно увидеть в таких употреблениях, как астрофизический мазер и атомный лазер.

Дизайн

Компоненты типичного лазера:

1. Среда усиления
2. Энергия накачки лазера
3. Высокий отражатель
4. Выходной элемент связи
5. Лазерный луч

Лазер из среды усиления, механизм для его возбуждения и нечто, обеспечивающее оптическую обратную связь. Усиливающая среда представляет собой материал со способностями, которые позволяют ему усиливать свет посредством вынужденного излучения. Свет длины волны, проходящий через усиливающую среду, усиливается (увеличивается по мощности).

Чтобы усиливающая среда усиливала свет, она должна получать энергию в процессе, называемом накачкой. Энергия обычно подается в виде электрического тока или света с другой длиной волны. Свет накачки может быть обеспечен лампой-вспышкой или другим лазером.

Самый распространенный тип лазера использует обратную связь от оптического резонатора — пары зеркал на обоих концах усиливающей среды. Свет отражается между зеркалами, проходя через усиливающую среду и каждый раз усиливаясь. Обычно одно из двух зеркал, выходной элемент , является частично прозрачным. Часть света ускользает через это зеркало. В зависимости от конструкции резонатора (являются ли зеркала плоскими или изогнутыми ) свет, выходящий из лазера, может распространяться или образовывать узкий луч. По аналогии с электронными генераторами это устройство иногда называют лазерным генератором.

Большинство практичных лазеров содержат дополнительные элементы, которые влияют на свойства излуча света, такие поляризация, длина волны и форма луча.

Лазерная физика

Электроны и то, как они взаимодействуют с электромагнитными полями, важны в нашем понимании химии и физики.

Стимулируемые эмиссия

Воспроизведение медиа Анимация, стимулирующая стимулирование излучения и принцип работы лазера

В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбитов, более удаленных от ядра атома . Однако квантово-механические эффекты вынуждают электроны занимать дискретные позиции на орбиталях. Таким образом, электроны находятся на определенных энергетических уровнях атома, два из которых представлены ниже:

Электрон в атоме может поглощать энергию света (фотоны ) или тепла (фононы ), только если существует переход между уровнями энергии, который соответствует энергии, переносимой фотоном или фононом. Для света это означает, что любой переход будет только поглощать одну конкретную длину волны света. Фотоны с правильной длиной волны могут вызвать прыжок электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий. В этом процессе расходуется фотон.

Когда электрон возбужден до более высокого энергетического уровня, он не останется таким навсегда. В конце концов, электрон распадается на более низкий энергетический уровень, который не занят, с переходами на разные уровни с разными постоянными времени. Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, он излучает фотон. Этот процесс называется «спонтанное излучение ». Излучаемый фотон имеет случайную фазу и направление, но его длина волны соответствует длине волны перехода. Это механизм флуоресценции и теплового излучения.

. Фотон с правильной длиной волны, которая должна быть поглощена переходом, также может вызвать падение электрона с более высокого уровня на более низкий, испуская новый фотон. Излученный фотон точно соответствует исходному фотону по длине волны, фазе и направление. Этот процесс называется стимулированием излучения .

Демонстрация усиления среды и резонатора

A гелий-неонового лазера. Свечение, проходящее через центр трубки, представляет собой электрический разряд. Эта светящаяся плазма является усиливающей средой для лазера. Лазер крошечное яркое пятно на экране справа. Центр пятна кажется белым, потому что изображение там переэкспонировано. Спектр гелий-неонового лазера. Фактическая полоса пропускания намного уже, чем показано; спектр ограничен измерительным прибором.

Усиливающая среда переводится в возбужденное состояние источник энергии. В большинстве случаев возбуждаются возбудители лазеров, которые возбуждаются с помощью внешнего источника света или электрического поля.

Усиливающая среда лазера обычно представляет собой материал контролируемой чистоты, размера, который усиливает луч посредством процесса вынужденного излучения, описанного выше. Этот материал может быть в любом состоянии : газе, жидкость, твердом теле или плазме. Усиливающая среда поглощает энергию накачки, которая поднимает некоторые электроны в более высокоэнергетические («возбужденные ») квантовые. Частицы могут использовать со светом, поглощая или испуская фотоны. Эмиссия может быть спонтанной или стимулированной. В последнем случае фотон испускается в том же направлении, что и свет, проходящий мимо. Когда количество частиц в одном возбужденном состоянии достигает больших количеств частиц в каком-либо состоянии с более низкой энергией, достигается инверсия населенности. В этом состоянии скорость стимулированного света больше, чем скорость вызывает в среде, и свет усиливается. Система с этим своим управлением называется оптическим усилителем. Когда оптический усилитель помещается в резонансный оптический резонатор, получается лазер.

В некоторых ситуациях можно получить генерацию только за один проход электромагнитного излучения через усиливающую среду, и это дает лазерный луч без необходимости в резонансной или отражающей полости (см., Например, азотный лазер ). Таким образом, отражение в резонаторе обычно требуется для лазера, но не является абсолютно необходимым.

Оптический резонатор иногда называют «оптическим резонатором», но это неправильное название: в лазерах используются открытые резонаторы, а не реальный резонатор, который может быть на микроволновых частотах в мазер. Резонатор обычно состоит из двух зеркал, между двумя когерентным лучом света движется в обоих направлениях, отражаясь обратно на себя, так что средний фотон будет многократно проходить через усиливающую среду, прежде чем он выйдет из выходной апертуры или потеряется из-за дифракции или усиления. Если усиление (усиление) в среде больше, чем резонатора, то мощность рециркулирующего света может возрасти экспоненциально. Но каждое возбуждающее излучение возвращает атом из возбужденного состояния в основном состояние, уменьшая усиление среды. При увеличении мощности луча чистое усиление (усиление минус потери) уменьшается до единицы, и усиливающая среда считается насыщенной. В лазере непрерывного действия (CW) баланс мощности накачки с насыщением усиления и потерями в резонаторе дает равновесное значение мощности лазера внутри резонатора; это равновесие рабочую точку лазера. Если приложенная мощность накачки слишком мала, усиление никогда не будет достаточным для преодоления потерь в резонаторе, и лазерный свет не будет генерироваться. Минимальная мощность накачки, необходимая для начала действия лазера, называется порогом генерации. Усиливающая среда будет усиливать любые фотоны, проходящие через нее, независимо от направления; но только фотоны в пространственной моде , поддерживаемым резонатором, пройдут более одного раза через среду и получат существенное усиление.

Излучаемый свет

В большинстве лазеров генерация начинается со спонтанного излучения в режиме генерации. Затем этот первоначальный свет усиливается за стимулированное излучение в усиливающей среде. Стимулированное излучение дает свет, который соответствует входному сигналу по направлению, длине волны и поляризации, тогда как фаза излучаемого света находится на 90 градусов впереди стимулирующего света. Это в сочетании с эффектом фильтрации оптического резонатора придает лазерному свету характерную когерентность и может придавать ему однородную поляризацию и монохроматичность, в зависимости от конструкции резонатора. Основная ширина лазерной линии света, излучаемого из лазерного резонатора, может быть на несколько порядков уже, чем ширина линии света, излучаемого из пассивного резонатора. В некоторых лазерах используется отдельная инжекционная сеялка , чтобы начать процесс с помощью луча, который уже является высокогерентным. Это может создать лучи с более узким спектром.

Многие Лазеры Лазеры луч, который можно аппроксимировать как гауссов луч ; такие лучи имеют минимально возможное расхождение для данного диаметра луча. Некоторые лазеры, особенно мощные, генерируют многомодовые лучи, при этом поперечные моды часто аппроксимируют с использованием Эрмита — Гаусса или Лагерра — Гауссовы функции. В некоторых мощных лазерах используется профиль с плоской вершиной, известный как «луч-цилиндр ». Нестабильные лазерные резонаторы (не используемые в большинстве лазеров) лучи фрактальной формы. Специализированные оптические системы могут создавать лучи более сложной формы, такие как лучи Бесселя и оптические вихри.

около «талии» (или фокальной области ) лазерного луча, он сильно коллимирован : волновые фронты плоские, перпендикулярны распространения, без расходимости луча в точке. Однако из-за дифракции это может оставаться верным только в пределах диапазона Рэлея. Лазера с одной поперечной модой (гауссовский луч) в конечном итоге расходится под углом, который изменяется пропорционально диаметру луча, как того требует теория дифракции. Таким образом, «карандашный луч», непосредственно генерируемый обычным гелий-неоновым лазером, при освещении Луны (с расстояния от Земли) распространялся бы до размера примерно 500 километров. С другой стороны, свет от полупроводникового лазера обычно выходит из крошечного кристалла с большой расходимостью: до 50 °. Однако даже такой расходящийся луч может быть преобразован в подобным образом коллимированный луч с помощью системы линз , которая всегда включена, например, в лазерную указку , свет которой исходит от лазерный диод. Это возможно благодаря тому, что свет имеет одну пространственную моду. Это уникальное свойство лазерного света, пространственная когерентность, не может быть воспроизведено с использованием стандартных источников света (за исключением отбрасывания большей части света), что можно оценить, сравнив луч от фонарика (факела) или прожектора с этим. практически любого лазера.

A устройство для формирования профиля лазерного луча используется для измерения профиля интенсивности, ширины и расходимости лазерных лучей.

Диффузное отражение лазерного луча от матовой поверхности создает спекл-узор с интересными свойствами.

Квантовые и классические процессы излучения

Механизм генерации излучения в лазере основан на стимулированном излучении, где энергия извлекается из перехода в атоме или молекуле. Это квантовое явление было обнаружено Альбертом Эйнштейном, который вывел соотношение между коэффициентом A, описывающим спонтанное излучение, и коэффициентом B, который применяется к поглощению и стимулированному излучению. Однако в случае лазера на свободных электронах уровни энергии атомов не задействованы; похоже, что работу этого довольно экзотического устройства можно объяснить без ссылки на квантовую механику.

Непрерывный и импульсный режимы работы

Лидар измерения лунной топографии, сделанные Клементиной Laserlink точка-точка оптическая беспроводная сеть Меркурийный лазерный альтиметр (MLA) космического корабля MESSENGER

Лазер можно классифицировать как работающий в непрерывном или импульсный режим, в зависимости от того, является ли выходная мощность практически непрерывной во времени или ее выходная мощность принимает форму световых импульсов в той или иной временной шкале. Конечно, даже лазер, выходящий сигнал которого обычно является непрерывным, можно намеренно включать и выключать с определенной частотой, чтобы создавать световые импульсы. Когда частота модуляции по шкале времени намного меньше, чем время жизни резонатора и период времени, в течение которого энергия может накапливаться в среде излучения или в механизме накачки, тогда она все равно классифицируется как «модулированная» или » импульсный «лазер непрерывного действия». К этой категории относится большинство лазерных диодов, используемых в системах связи.

Непрерывный режим работы волны

Некоторые применения лазеров зависят от луча, выходная мощность которого постоянна во времени. Такой лазер известен как непрерывная волна (CW). Многие типы лазеров могут работать в режиме непрерывной волны, чтобы удовлетворить такое применение. Многие из этих лазеров на самом деле генерируют несколько продольных мод одновременно, и биения между немного разными оптическими частотами этих колебаний фактически вызывают изменения амплитуды на временных масштабах, меньших, чем время обхода (обратная величина частотный интервал между режимами), обычно несколько наносекунд или меньше. В большинстве случаев эти лазеры по-прежнему называются «непрерывными волнами», поскольку их выходная мощность остается постоянной при усреднении за более длительные периоды времени, при этом очень высокочастотные колебания мощности практически не влияют на предполагаемое применение. (Однако этот термин не применяется к лазерам с синхронизацией мод, где целью является создание очень коротких импульсов со скоростью, равной времени обхода.)

Для работы в непрерывном режиме., необходимо, чтобы инверсная населенность усиливающей среды постоянно пополнялась постоянным источником накачки. В некоторых лазерных средах это невозможно. В некоторых других лазерах это потребовало бы накачки лазера на очень высоком непрерывном уровне мощности, что было бы непрактично или привело бы к разрушению лазера из-за чрезмерного нагрева. Такие лазеры не могут работать в непрерывном режиме.

Импульсный режим

Импульсный режим лазеров относится к любому лазеру, не классифицированному как непрерывный, так что оптическая мощность проявляется в импульсах некоторой длительности с определенной частотой повторения. Это включает в себя широкий спектр технологий, направленных на разные мотивы. Некоторые лазеры являются импульсными просто потому, что они не могут работать в непрерывном режиме.

В других случаях приложение требует генерации импульсов с максимально возможной энергией. Поскольку энергия импульса равна средней мощности, деленной на частоту повторения, эта цель иногда может быть достигнута за счет снижения частоты импульсов, чтобы можно было накопить больше энергии между импульсами. В лазерной абляции, например, небольшой объем материала на поверхности заготовки может быть испарен, если его нагреть за очень короткое время, в то время как постепенная подача энергии позволит теплу отводиться. поглощается основной частью изделия, никогда не достигая достаточно высокой температуры в определенной точке.

Другие приложения полагаются на пиковую мощность импульса (а не энергию в импульсе), особенно для получения нелинейно-оптических эффектов. Для данной энергии импульса это требует создания импульсов минимально возможной длительности с использованием таких методов, как Q-переключение.

. Ширина оптической полосы импульса не может быть меньше, чем величина, обратная ширине импульса. В случае очень коротких импульсов это означает генерацию в значительной ширине полосы, что совершенно противоположно очень узкой полосе пропускания, типичной для непрерывных лазеров. Лазерная среда в некоторых лазерах на красителях и вибронных твердотельных лазерах дает оптическое усиление в широкой полосе частот, что делает возможным лазер, который, таким образом, может генерировать световые импульсы длительностью до нескольких фемтосекунд (10 с).

Q-переключение

В лазере с модуляцией добротности инверсия населенности может нарастать за счет внесения потерь внутри резонатора, которые превышают усиление среды; это также можно описать как снижение добротности или «добротности» резонатора. Затем, после того, как энергия накачки, запасенная в лазерной среде, приближается к максимально возможному уровню, внесенный механизм потерь (часто электро- или акустооптический элемент) быстро удаляется (или который возникает сам по себе в пассивном устройстве), позволяя генерацию чтобы быстро получить накопленную энергию в усиливающей среде. В результате получается короткий импульс, включающий эту энергию, и, следовательно, высокую пиковую мощность.

Режим синхронизации

Лазер с синхронизацией мод способен испускать чрезвычайно короткие импульсы от десятков пикосекунд до менее 10 фемтосекунд. Эти импульсы будут повторяться в течение времени прохождения туда и обратно, то есть времени, которое требуется свету, чтобы совершить один круговой обход между зеркалами, составляющими резонатор. Из-за предела Фурье (также известного как энергия-время неопределенность ) импульс такой короткой временной длины имеет спектр, разбросанный по значительной ширине полосы. Таким образом, такая усиливающая среда должна иметь достаточно широкую полосу усиления для усиления этих частот. Примером подходящего материала является легированный титаном, искусственно выращенный сапфир (Ti: сапфир ), который имеет очень широкую полосу усиления и, таким образом, может генерировать импульсы всего несколько фемтосекунд.

Такие лазеры с синхронизацией мод являются наиболее универсальным инструментом для исследования процессов, происходящих в чрезвычайно коротких временных масштабах (известных как фемтосекундная физика, фемтосекундная химия и сверхбыстрая наука ), для максимального увеличения эффекта нелинейности в оптических материалах (например, в генерации второй гармоники, параметрическом понижающем преобразовании, параметрических генераторах света и как). Из-за большой пиковой мощности и способности генерировать фазостабилизированные серии сверхбыстрых лазерных импульсов сверхбыстрые лазеры с синхронизацией мод лежат в основе прецизионных метрологических и спектроскопических приложений.

Импульсная накачка

Другой метод достижения Работа импульсного лазера заключается в накачке лазерного материала источником, который сам является импульсным, либо посредством электронной зарядки в случае импульсных ламп, либо с помощью другого лазера, который уже является импульсным. Импульсная накачка исторически использовалась с лазерами на красителях, где время жизни инвертированной населенности молекулы красителя было настолько коротким, что требовалась высокая энергия и быстрая накачка. Чтобы решить эту проблему, необходимо зарядить большие конденсаторы , которые затем переключаются на разряд с помощью импульсных ламп, вызывая интенсивную вспышку. Импульсная накачка также требуется для трехуровневых лазеров, в которых нижний энергетический уровень быстро становится густонаселенным, предотвращая дальнейшую генерацию до тех пор, пока эти атомы не релаксируют в основное состояние. Эти лазеры, такие как эксимерный лазер и лазер на парах меди, никогда не могут работать в непрерывном режиме.

История

Основы

В 1917 году Альберт Эйнштейн заложил теоретические основы для лазера и мазера в своей статье. Zur Quantentheorie der Strahlung (О квантовой теории излучения) посредством повторного вывода закона излучения Макса Планка, концептуально основанного на вероятностных коэффициентах (коэффициентов Эйнштейна ) для поглощения, спонтанное излучение и вынужденное излучение электромагнитного излучения. В 1928 г. Рудольф В. Ладенбург подтвердил существование явлений вынужденного излучения и отрицательного поглощения. В 1939 году Валентин А. Фабрикант предсказал использование стимулированного излучения для усиления «коротких» волн. В 1947 году Уиллис Э. Лэмб и Р.К. Ретерфорд обнаружил явное стимулированное излучение в спектрах водорода и впервые продемонстрировал стимулированное излучение. В 1950 году Альфред Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предложил метод оптической накачки, экспериментально подтвержденный двумя годами позже Бросселом, Кастлером и Винтером.

Мазер

Александр Прохоров

В 1951 году Джозеф Вебер представил доклад об использовании стимулированных излучений для создания микроволнового усилителя на июньской конференции по исследованию вакуумных трубок Института радиоинженеров в 1952 году по адресу Оттава, Онтарио, Канада. После этой презентации RCA попросил Вебера провести семинар по этой идее, а Чарльз Хард Таунс попросил у него копию статьи.

В 1953 году Чарльз Хард Таунс и аспиранты Джеймс П. Гордон и Герберт Дж. Зейгер создали первый микроволновый усилитель, устройство, работающее на тех же принципах, что и лазер, но усиливающее микроволновое излучение, а не инфракрасное или видимое излучение. Мазер Таунса не мог работать непрерывно. Тем временем в Советском Союзе Николай Басов и Александр Прохоров независимо друг от друга работали над квантовым генератором и решили проблему систем с непрерывным выходом, используя более два энергетических уровня. Эти усиливающие среды могут выделять стимулированные излучения между возбужденным состоянием и нижним возбужденным состоянием, но не основным состоянием, облегчая поддержание инверсии населенности. В 1955 году Прохоров и Басов предложили оптическую накачку многоуровневой системы как метод получения инверсной населенности, позже ставший основным методом лазерной накачки.

Таунс сообщает, что несколько выдающихся физиков — среди них Нильс Бор, Джон фон Нейман и Ллевеллин Томас — утверждали, что мазер нарушил принцип Гейзенберга принцип неопределенности и, следовательно, не может работать. Другие, такие как Исидор Раби и Поликарп Куш, ожидали, что это будет непрактично и не стоит затраченных усилий. В 1964 году Чарльз Х. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров разделили Нобелевскую премию по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на основе мазер – лазерный принцип ».

Лазер

Внешнее аудио
«Человек, миф, лазер», подкаст Distillations, Институт истории науки

В 1957 году Чарльз Хард Таунс и Артур Леонард Шавлоу, затем в Bell Labs, начали серьезное исследование инфракрасного лазера. По мере развития идей они отказались от инфракрасного излучения, чтобы вместо этого сосредоточиться на видимом свете. Первоначально концепт назывался «оптический мазер». В 1958 году Bell Labs подала заявку на патент на предложенный им оптический мазер; и Шавлов и Таунс представили рукопись своих теоретических расчетов в Physical Review, опубликованную в том же году в томе 112, выпуск № 6.

ЛАЗЕРНАЯ записная книжка: Первая страница записной книжки, в которой Гордон Гулд придумал аббревиатуру ЛАЗЕР и описал элементы для создания устройства.

Одновременно в Колумбийском университете аспирант Гордон Гулд работал над докторская диссертация об энергетических уровнях возбужденного таллия. Когда Гулд и Таунс встретились, они говорили об излучении излучении как об общем предмете; впоследствии, в ноябре 1957 г., Гулд отметил свои идеи относительно «лазера», включая использование открытого резонатора (позже важный компонент лазерного устройства). Более того, в 1958 году Прохоров независимо предложил использовать открытый резонатор, что является первым опубликованным (в СССР) проявлением этой идеи. В другом месте, в США, Шавлов и Таунс согласились на конструкцию лазера с открытым резонатором, очевидно не зная о публикациях Прохорова и неопубликованных работах Гулда.

На конференции в 1959 году Гордон Гулд опубликовал термин «ЛАЗЕР» в статье «ЛАЗЕР, усиление света с помощью вынужденного излучения излучения». Лингвистическое намерение Гулда заключалось в использовании слова «-азерная» частица в качестве суффикса — чтобы точно обозначить спектр света, излучаемого ЛАЗЕРНЫМ устройством; таким образом, рентгеновские лучи: рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи: увазер и так далее; ни один не утвердился в качестве отдельного термина, хотя термин «raser» был кратко популярен для обозначения устройств, излучающих радиочастоты.

В примечаниях Гулда были указаны возможные применения лазера, такие как спектрометрия, интерферометрия, радар и ядерный синтез. Он продолжил развивать идею и в апреле 1959 г. подал патентную заявку. Patent Office denied his application, and awarded a patent to Bell Labs, in 1960. That provoked a twenty-eight-year lawsuit, featuring scientific prestige and money as the stakes. Gould won his first minor patent in 1977, yet it was not until 1987 that he won the first significant patent lawsuit victory, when a Federal judge ordered the U.S. Patent Office to issue patents to Gould for the optically pumped and the gas discharge laser devices. The question of just how to assign credit for inventing the laser remains unresolved by historians.

On May 16, 1960, Theodore H. Maiman operated the first functioning laser at Hughes Research Laboratories, Malibu, California, ahead of several research teams, including those of Townes, at Columbia University, Arthur Schawlow, at Bell Labs, and Gould, at the TRG (Technical Research Group) company. Maiman’s functional laser used a flashlamp -pumped synthetic ruby crystal to produce red laser light at 694 nanometers wavelength. The device was only capable of pulsed operation, due to its three-level pumping design scheme. Later that year, the Iranian physicist Ali Javan, and William R. Bennett, and Donald Herriott, constructed the first gas laser, using helium and neon that was capable of continuous operation in the infrared (U.S. Patent 3,149,290); later, Javan received the Albert Einstein Award in 1993. Basov and Javan proposed the semiconductor laser diode concept. In 1962, Robert N. Hall demonstrated the first laser diode device, which was made of gallium arsenide and emitted in the near-infrared band of the spectrum at 850 nm. Later that year, Nick Holonyak, Jr. dem был создан первый полупроводниковый лазер с видимым излучением. Этот первый полупроводниковый лазер можно было использовать только в режиме импульсного луча и при охлаждении до температуры жидкого азота (77 К). В 1970 году Жорес Алферов, в СССР, и Изуо Хаяши и Мортон Паниш из Bell Telephone Laboratories также независимо разработали непрерывно работающие при комнатной температуре диодные лазеры с использованием структура гетероперехода.

Последние инновации

График, показывающий историю максимальной интенсивности лазерного импульса за последние 40 лет.

С самого начала истории лазеров в результате исследований лазеров было создано множество усовершенствованных и специализированных типов лазеров, оптимизированы для различных целей производительности, в том числе:

• новые диапазоны длин волн
• максимальная средняя выходная мощность
• максимальная пиковая мощность импульса энергия
• максимальная пиковая мощность импульса мощность
• минимальная длительность выходного импульса
• минимальная ширина линии
• максимальная энергоэффективность
• минимальная стоимость

, и эти исследования продолжаются по сей день.

В 2015 году исследователи создали белый лазер, свет которого модулируется синтетическим нанолистом из цинка, кадмия, серы и селена, который может излучать красный, зеленый и синий свет в разных пропорциях, причем каждый длина волны 191 нм.

В 2017 году исследователи из TU Delft продемонстрировали микроволновый лазер AC на джозефсоновском переходе. Поскольку лазер работает в сверхпроводящем режиме, он более стабилен, чем другие лазеры на основе полупроводников. Устройство имеет потенциал для применения в квантовых вычислениях. В 2017 году исследователи из Мюнхенского технического университета продемонстрировали самый маленький лазер с синхронизацией мод, способный испускать пары пикосекундных лазерных импульсов с синхронизацией по фазе с частотой повторения до 200 ГГц.

В 2017 году исследователи из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) вместе с американскими исследователями из JILA, объединенного института Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университет Колорадо в Боулдере установил новый мировой рекорд, разработав волоконный лазер, легированный эрбием, с шириной линии всего 10 милгерц.

Типы и принципы работы

Длины волнуют друг друга в продажа лазеров. Типы лазеров с четкими лазерными линиями показаны над полосой длин волн, а ниже лазеры, которые могут излучать в диапазоне длин волн. Цвет кодирует тип материала лазера (см. Описание рисунка для более подробной информации).

Газовые лазеры

После изобретения газового гелий-неонового лазера было обнаружено, что многие другие газовые разряды когерентно усиливают свет. Газовые лазеры, использующие множество различных газов, были использованы и используются для многих целей. гелий-неоновый лазер (HeNe) может работать на нескольких длинах волн, однако подавляющее большинство из них спроектировано для генерации на длине волны 633 нм; эти относительно недорогие, но высококогерентные лазеры распространены в оптических исследовательских и образовательных лабораториях. Коммерческие лазеры на диоксиде углерода (CO 2) могут излучать сотни ватт в одном пространственном режиме, который может быть сконцентрирован в крошечном пятне. Это излучение находится в тепловом инфракрасном диапазоне при 10,6 мкм; такие лазеры часто используются в промышленности для резки и сварки. Эффективность CO 2 лазера необычайно высока: более 30%. аргон-ионные лазеры могут работать на нескольких переходах генерации между 351 и 528,7 нм. В зависимости от оптической конструкции один или несколько из этих переходов могут генерироваться одновременно; наиболее часто используемые линии — это 458 нм, 488 нм и 514,5 нм. Азотный поперечный электрический разряд в газе при атмосферном давлении (TEA) — это недорогой газовый лазер, который часто изготавливают сами любители, который излучает некогерентный УФ-свет на длине волны 337,1 нм. Лазеры на ионах металлов — это газовые лазеры, которые генерируют волны глубокого ультрафиолета. Гелий -серебро (HeAg) 224 нм и неон -медь (NeCu) 248 нм являются двумя примерами. Как и все газовые лазеры низкого давления, усиливающая среда этих лазеров имеет довольно узкие колебания шириной линии, менее 3 ГГц (0,5 пикометров ), что делает их кандидатами для использования в флуоресценции подавленной Рамановской спектроскопии.

Химические лазеры

Химические лазеры питаются за счет генерации реакции, позволяющей быстро высвобождать большое количество энергии. Однако разработаны химические лазеры непрерывного действия с очень высокими уровнями мощности, питаемые потоками газов, и они имеют некоторые промышленные применения. Например, в лазере на фтористом водороде (2700–2900 нм) и в лазере на фториде дейтерия (3800 нм) реакция представляет собой комбинацию газообразного водорода или дейтерия с продуктами сгорания в трифторид азота.

Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры — это особый вид газовых лазеров, работающих от электрического разряда, в котором лазерной средой является эксимер, или, точнее, эксиплекс в существующих конструкциях. Это молекулы, которые могут существовать только с одним атомом в возбужденном электронном состоянии. Как только молекула передает свою возбуждение фотону, ее атомы больше не связаны друг с другом, и молекула распадается. Это снижает населенность нижнего энергетического состояния, что значительно облегчает инверсию населенностей. В настоящее время используются все эксимеры соединения благородных газов ; благородные газы, химически инертны и могут образовывать соединения только в возбужденном состоянии. Эксимерные лазеры обычно работают на длинах волн ультрафиолета в основных областях применения, включая полупроводниковую фотолитографию и LASIK глазную хирургию. Обычно используемые эксимерные молекулы включают ArF (излучение при 193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм) и XeF (351 нм). Лазер на молекулярном фторе, излучающий на длине волны 157 нм в вакуумном ультрафиолете, иногда называют эксимерным лазером, однако это, по-видимому, неправильное название, поскольку F 2 является стабильным соединением.

Твердотельные лазеры

A 50 Вт FASOR на основе Nd: YAG-лазера, используемый в Starfire Optical Range

Твердотельные лазеры викорировали кристаллический или стеклянный стержень, который «легирован» ионами, которые требуются энергетические состояния. Например, работающим лазером был рубиновый лазер, первый из рубина (легированный хромом корунд ). инверсия заселенности фактически сохраняется в легирующей примеси. Эти материалы накачиваются оптически с использованием более короткой длины волны, чем длина волны генерации, часто от лампы-вспышки или от другого лазера. Термин «твердое тело» используется в лазерной физике уже, чем обычно. Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) обычно не называют твердотельными лазерами.

Неодим является обычной примесью в различных кристаллах твердотельных лазеров, включая ортованадат иттрия (Nd: YVO 4 ), фторид иттрия-лития (Nd: YLF ) и иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG ). Все эти лазеры могут большие мощности в инфракрасном спектре на длине волны 1064 нм. Они используются для резки, сварки и маркировки металлов и других материалов, а также в спектроскопии и для накачки лазеров на красителях. Эти лазеры также обычно имеют удвоение частоты, утро или учетверение для получения пучков 532 нм (зеленый, видимый), 355 нм и 266 нм (УФ ) соответственно.. Для изготовления ярко-зеленых лазерных указателей используются твердотельные (ДПСС) лазеры с удвоенной характеристикой с диодной накачкой.

Иттербий, гольмий, тулий и эрбий — другие распространенные «легирующие примеси» в твердотельных лазерах. Иттербий используется в таких кристаллах, как Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF 2, обычно работающих в диапазоне 1020–1050 нм. Они очень эффективны и имеют мощность из-за небольшого квантового дефекта. Чрезвычайно высокая мощность в ультракоротких импульсах может быть достигнута с помощью Yb: YAG. Кристаллы YAG, легированные гольмием, излучают на длине волны 2097 нм и создают эффективный лазер, работающий в инфракрасных длинах волн, сильно поглощаемых водоносными тканями. Ho-YAG обычно работает в импульсном режиме и пропускается через оптоволоконные хирургические устройства для восстановления поверхности суставов, удаления гнили с зубов, испарения раковых образований и измельчения камней в почках и желчном пузыре.

Титановый легированный сапфир (Ti: сапфир ) производит настраиваемый инфракрасный лазер, обычно использование для спектроскопия. Он также известен тем, что используется в качестве лазера с синхронизацией мод, производящего ультракороткие импульсы максимальной пиковой мощности.

Тепловые ограничения в твердотельных лазерах возникают из-за непреобразованной мощности накачки, которая нагревает среду. Это тепло в сочетании с высоким термооптическим коэффициентом (dn / dT) может вызвать тепловое линзирование и снизить квантовую эффективность. Тонкие дисковые лазеры с диодной накачкой преодолевают эти проблемы благодаря наличию усиливающей среды, которая намного тоньше диаметра луча накачки. Это обеспечивает более равномерную температуру материала. Было показано, что тонкие дисковые лазеры генерируют лучи мощностью до одного киловатта.

Волоконные лазеры

Твердотельные лазеры или лазерные усилители, в которых свет направляется за счет полного внутреннего отражения в одномодовом оптическом волокне вместо этого называется волоконными лазерами. Направление позволяет получить очень длинные области усиления, света хорошие условия охлаждения; Волокна имеют высокое отношение площади поверхности к объему, что эффективное эффективное охлаждение. Кроме того, волноводные свойства волокна снижают тепловые искажения луча. Ионы эрбия и иттербия являются обычными активными частями в таких лазерах.

Довольно часто волоконный лазер выполнен в виде волокна с двойной оболочкой. Этот тип волокна из сердцевины, внутренней оболочки и внешней оболочки. Показатель трех концентрических слоев выбирается таким, чтобы сердцевина волокна действовала как одномодовое волокно для лазерного излучения, внешняя оболочка, как многомодовая сердцевина для лазера накачки. Это позволяет накачке передать большое количество энергии в активную внутреннюю область сердечника и через нее, сохраняя при этом высокую числовую апертуру (NA) для облегчения запуска.

Свет накачки можно использовать более эффективно, создав дисковый лазер или набор таких лазеров.

Волоконные лазеры имеют фундаментальный предел в том, что интенсивность света в волокне не может быть высокой, чтобы оптические нелинейности, индуцированные локальной напряженностью электрического поля, могли стать доминирующими и помешать работу лазера и / или привести к повреждению материала. разрушение волокна. Этот эффект называется фототемнением. В объемных лазерных материалах охлаждение не эффективно, и трудно отделить эффекты фотопотемнения от тепловых эффектов, но эксперименты с волокнами показывают, что фотопотемнение может быть связано с образованием долгоживущего цвета . центры.

Лазеры на фотонных кристаллах

Лазеры на фотонных кристаллах — это лазеры на основе наноструктур, которые ограничивают мод и изменяют плотность оптических состояний (DOS), специально для обратной связи. место. Они имеют типичный микрометровый размер и настраиваются по полосам фотонных кристаллов.

Полупроводниковые лазеры

Коммерческий лазерный диод в закрытом корпусе диаметром 5,6 мм, например, используемый в CD или DVD-проигрыватель

Полупроводниковые лазеры — это диоды с электрической накачкой. Рекомбинация электронов и дырок, созданная приложенным током, приводит к оптическому усилению. Отражение от кристалла образует оптический резонатор, хотя в некоторых конструкциях резонатор может быть по отношению к полупроводнику.

Коммерческие лазерные диоды излучают на длинах волн от 375 нм до 3500 нм. Лазерные диоды малой и средней мощности используются в лазерных указателях, лазерных принтерх и проигрывателя CD / DVD. Лазерные диоды также часто используются для оптической накачки других лазеров с высокой эффективностью. Промышленные лазерные диоды наивысшей мощности, мощностью до 20 кВт, используются в промышленности для резки и сварки. Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором имеют полупроводниковую активную среду в большом резонаторе. Эти устройства могут генерировать выходную мощность высокой мощности с хорошим качеством луча, перестраиваемым по длине волны излучением с узкой шириной линии или ультракороткими лазерными импульсами.

В 2012 году Nichia и OSRAM разработали и изготовили промышленные мощные зеленые лазерные диоды (515/520 нм), которые конкурируют с традиционными твердотельными диодами с диодной накачкой. государственные лазеры.

Лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL ) — это полупроводниковые лазеры, направление которых перпендикулярно поверхности пластины. Устройства VCSEL обычно имеют более круглый выходной луч, чем обычные лазерные диоды. По состоянию на 2005 год широко доступны только 850 нм VCSEL, 1300 нм VCSEL начинают коммерциализироваться, а устройства 1550 нм являются областью исследований. VECSEL — это VCSEL с внешним резонатором. Квантовые каскадные лазеры предоставляют полупроводниковые лазеры, которые имеют активный переход между энергетическими подзонами электрона в структуре, содержащем несколько квантовых ям.

Разработка кремниевого лазера важен в области оптических вычислений. Кремний является предпочтительным материалом для интегральных схем, поэтому электронные и кремниевые фотонные компоненты (такие как оптические межсоединения ) могут быть изготовлены на одном кристалле. К сожалению, с кремнием трудно работать, поскольку он обладает определенными свойствами, блокирующими генеральными средствами. Однако в последнее время группы производили кремниевые лазеры с помощью таких методов, как изготовление материалов для генерации из кремния и других полупроводниковых материалов, таких как фосфид индия (III) или арсенид галлия (III), материалы которые позволяют получать когерентный свет из кремния. Они называются гибридными кремниевыми лазерами. Недавние разработки также показали использование монолитно интегрированных нанопроволочных лазеров непосредственно на кремнии для оптических межсоединений, открывая путь для приложений на уровне кристалла. Эти гетероструктурные нанопроволочные лазеры, способные создавать оптические межсоединения в кремнии, также способны излучать пары пикосекундных импульсов с фазовой синхронизацией с повторением до 200 ГГц, что позволяет обрабатывать оптические сигналы на кристалле. Другой тип — это Рамановский лазер, в котором используется преимущество Рамановского рассеяния для создания лазера из таких материалов, как кремний.

Лазерная генерация без поддержания среды, возбужденной до инверсии населенностей, была установлена ​​в 1992 г. на газе натрий и снова в 1995 г. на газе рубидий различными группами. Это было достигнуто с помощью внешнего мазера, чтобы вызвать «оптическую прозрачность» в среде путем введения и деструктивного вмешательства в основные электронные переходы между двумя путями, так что вероятность, что основные электроны поглотят любую энергию, была сведена на нет.

Лазеры на красителях

Крупный план настольного лазера на красителях на основе родамина 6G

в качестве лазерах на красителях в качестве среды усиления органического красителя. Широкий спектр доступных красителей или смесей красителей позволяет этим лазерам легко настраиваться или генерировать импульсы очень короткой длительности (порядка нескольких фемтосекунд ). Хотя эти перестраиваемые лазеры известны в основном в жидкой форме, исследователи также применяют перестраиваемое излучение с узкой шириной линии в конфигурации диспергирующих генераторов, включающих твердотельные усиливающие среды на красителях. В качестве наиболее распространенной формы в этих твердотельных лазерах на красителях в качестве лазерной среды используются полимеры, легированными красителями.

Лазеры на свободных электронах

Лазеры на свободных электронах FELIX в институте физики плазмы FOM Rijnhuizen, Nieuwegein

Лазеры на свободных электронах, или FELs, генерируют когерентные, высокое мощное излучение, широко настраивается, в настоящее время в диапазоне длин волн от микроволн до терагерцового излучения и от инфракрасного до видимого излучения и мягкого рентгеновского излучения. У них самый широкий частотный диапазон среди всех типов лазеров. Хотя лучи ЛСЭ обладают теми же оптическими характеристиками, что и другие лазеры, такие как когерентное излучение, действие ЛСЭ совершенно нечистот. В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, используемых в качестве используемых атомных или молекулярных состояний, в качестве среды генерации используется релятивистский электронный пучок, отсюда и термин «свободный электрон».

Экзотические среды

Поиск лазера с высокой квантовой энергией, использующий переходы между изомерными состояниями атомного ядра, был предметом широкомасштабные академические исследования с начала 1970-х гг. Большая часть этого резюмируется в трех обзорных статьях. Это исследование было международным по своему охвату, но в основном проводилось в бывшем Советском Союзе и США. Хотя многие ученые по-прежнему с оптимизмом считают, что прорыв близок, рабочий гамма-лазер еще предстоит реализовать.

Некоторые из ранних исследований были направлены на изучение коротких импульсов нейтронов, возбуждающих верхние слои состояние изомера в твердом теле, поэтому гамма-переход может выиграть от сужения линии эффекта Мессбауэра. Вместе с тем, от двухступенчатой ​​откачки трехуровневой системы ожидалось несколько преимуществ. Было высказано предположение, что ядро ​​атома, заключенное в ближнем поле управляемого лазером когерентно колеблющегося электронного облака, будет испытывать большее дипольное поле, чем поле управляющего лазера. Кроме того, нелинейность колеблющегося облака будет производить как пространственные, так и временные гармоники, поэтому ядерные переходы с более высокой многополярностью также могут происходить при кратной частоте лазера.

В сентябре 2007 года BBC News сообщил, что было предположение о возможности использования позитрония аннигиляции для управления очень мощным гамма-лазером. Доктор Дэвид Кэссиди из Калифорнийского университета в Риверсайде предположил, что один такой лазер может быть использован для зажигания реакции ядерного синтеза, заменив несколько сотен лазеров, используемых в настоящее время в термоядерный синтез с инерционным удержанием.

Космические рентгеновские лазеры, накачиваемые ядерным взрывом, также предлагались в качестве противоракетного оружия. Такие устройства были бы однозарядным оружием.

Живые клетки использовались для получения лазерного света. Клетки были генетически сконструированы для получения зеленого флуоресцентного белка (GFP). GFP используется как «усиливающая среда» лазера, в которой происходит усиление света. Затем клетки помещали между двумя крошечными зеркалами размером всего 20 миллионных метра, которые действовали как «лазерный резонатор», в котором свет мог многократно отражаться от клетки. После того как ячейка залила синим светом, можно было увидеть, что она испускает направленный и интенсивный зеленый лазерный свет.

Использует

Размеры лазеров варьируются от микроскопических диодных лазеров (вверху) с многочисленными применениями до неодимовых стеклянных лазеров размером с футбольное поле (внизу), используемых для термоядерный синтез с инерционным удержанием, ядерное оружие исследования и другие эксперименты по физике высокой плотности энергии.

Когда в 1960 году были изобретены лазеры, их называли «решением, ищущим проблему». С тех пор они стали повсеместными и нашли применение в тысячах самых разнообразных приложений во всех сферах современного общества, включая бытовую электронику, информационные технологии, науку, медицину, промышленность, правоохранительные органы, развлечения и военное дело. Волоконно-оптическая связь с использованием лазеров — ключевая технология в современных коммуникациях, позволяющая предоставлять такие услуги, как Интернет.

Первым широко заметным применением лазеров стал супермаркет сканер штрих-кода, представленный в 1974 году. Плеер laserdisc, представленный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом, включающим лазер, но проигрыватель компакт-дисков был первым устройством, оснащенным лазером, которое стало широко распространенным, начиная с 1982 года. от лазерных принтеров.

Некоторые другие применения:

• Связь: помимо волоконно-оптической связи, лазеры используются для оптической связи в свободном пространстве, включая лазерная связь в космосе.
• Медицина: см. ниже.
• Промышленность: резка, включая преобразование тонких материалов, сварка, материал термическая обработка, маркировка деталей (гравировка и склеивание ), процессы аддитивного производства или 3D-печати такие как селективное лазерное спекание и селективное лазерное плавление, бесконтактное измерение деталей и 3D-сканирование и.
• Военные: маркировка целей, наведение боеприпасы, противоракетная оборона, электрооптические средства противодействия (EOCM), лидар, ослепление войск. См. ниже
• Правоприменение : Контроль трафика LIDAR. Лазеры используются для обнаружения скрытых отпечатков пальцев в поле судебной идентификации
• Исследования: спектроскопия, лазерная абляция, лазер отжиг, лазерное рассеяние, лазерная интерферометрия, лидар, микродиссекция лазерного захвата, флуоресцентная микроскопия, метрология, лазерное охлаждение.
• Коммерческая продукция: лазерные принтеры, сканеры штрих-кода, термометры, лазерные указки, голограммы, пузырьграммы.
• Развлечения: оптические диски, лазерные световые дисплеи, лазерные поворотные столы

В 2004 году, не считая диодных лазеров, было продано около 131 000 лазеров на сумму 2,19 миллиарда долларов США. В том же году было продано около 733 миллионов диодных лазеров на сумму 3,20 миллиарда долларов.

В медицине

Лазеры нашли множество применений в медицине, включая лазерную хирургию ( в частности хирургия глаза ), лазерное лечение, лечение камней в почках, офтальмоскопия и косметические процедуры для кожи, такие как лечение акне, уменьшение целлюлита и стрий и удаление волос.

Лазеры используются для лечения рака путем уменьшения или уничтожения опухолей или предраковых новообразований. Чаще всего они используются для лечения поверхностных раковых образований на поверхности тела или слизистой оболочки внутренних органов. Они используются для лечения базально-клеточного рака кожи и других очень ранних стадий, таких как шейный, половой член, вагинальный, вульва и немелкоклеточный рак легкого. Лазерная терапия часто сочетается с другими видами лечения, такими как хирургия, химиотерапия или лучевая терапия. Лазерная интерстициальная термотерапия (LITT) или интерстициальная лазерная фотокоагуляция использует лазеры для лечения некоторых видов рака с помощью гипертермии, которая использует тепло для уменьшения опухолей путем повреждения или уничтожения раковых клеток. Лазеры более точны, чем традиционные методы хирургии, и вызывают меньше повреждений, боли, кровотечений, отеков и рубцов. Недостатком является то, что хирурги должны иметь специальную подготовку. Это может быть дороже, чем другие методы лечения.

В качестве оружия

A лазерное оружие — это лазер, который используется в качестве оружия направленной энергии.

Американо-израильское Тактическое высокоэнергетическое оружие использовалось для сбивания ракет и артиллерийских снарядов.

Хобби

В последние годы некоторые любители проявили интерес к лазерам. Лазеры, используемые любителями, обычно относятся к классу IIIa или IIIb (см. Безопасность), хотя некоторые из них создали свои собственные типы класса IV. Однако, по сравнению с другими любителями, любители лазеров встречаются гораздо реже из-за стоимости и потенциальных опасностей. Из-за стоимости лазеров некоторые любители используют недорогие средства для получения лазеров, такие как спасательные лазерные диоды из сломанных DVD-плееров (красный), Blu-ray плееров (фиолетовый) или даже лазерные диоды большей мощности из Записывающие устройства для компакт-дисков или DVD.

Любители также брали излишки импульсных лазеров из бывших в употреблении военных приложений и модифицировали их для импульсной голографии. Использовались импульсный рубиновый и импульсный YAG-лазеры.

Примеры по мощности

Применение лазера в астрономической адаптивной оптике формирование изображений

Разным приложениям требуются лазеры с разной выходной мощностью. Лазеры, излучающие непрерывный луч или серию коротких импульсов, можно сравнивать на основе их средней мощности. Лазеры, генерирующие импульсы, также можно охарактеризовать на основе пиковой мощности каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков превышает его среднюю мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше потребляемой мощности.

Длительная или средняя мощность, необходимая для некоторых применений:

Мощность	Используйте
1–5 мВт	Лазерные указатели
5 мВт	CD-ROM привод
5–10 мВт	DVD-проигрыватель или DVD-привод
100 мВт	Высокоскоростной CD-RW записывающий привод
250 мВт	Потребительский пишущий привод 16 × DVD-R
400 мВт	Прожигание драгоценного футляра, включая диск, в течение 4 секунд
DVD 24 × двухслойная запись
1 Вт	Зеленый лазер на голографическом универсальном диске разработка прототипа
1–20 Вт	Выход большинство имеющихся в продаже твердотельных лазеров, используемых для микрообработки
30–100 Вт	Типичные герметичные CO 2 хирургические лазеры
100–3000 Вт	Типичные герметичные CO 2 лазеры, используемые в промышленной лазерной резке

Примеры импульсных систем с высокой пиковой мощно стью:

• 700 TW (700 × 10 Вт) — National Ignition Facility, 192-лучевая лазерная система мощностью 1,8 мегаджоулей, примыкающая к мишени диаметром 10 метров. er
• 1,3 PW (1,3 × 10 Вт) — самый мощный в мире лазер по состоянию на 1998 год, расположенный в Ливерморской лаборатории

Безопасность

Слева: европейский лазер предупреждающий символ требуется для лазеров класса 2 и выше. Справа: этикетка с предупреждением о лазерном излучении в США, в данном случае для лазера класса 3B

Даже первый лазер был признан потенциально опасным. Теодор Мейман охарактеризовал первый лазер как имеющий мощность в один «Gillette», поскольку он мог прожечь одно лезвие Gillette бритвы. Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с выходной мощностью всего несколько милливатт могут быть опасны для зрения человека, когда луч попадает в глаз непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, на которых роговица и линза могут хорошо фокусироваться, когерентность и низкая расходимость лазерного света означают, что он может быть сфокусирован глазом в очень маленькое пятно на сетчатка, что приводит к локальному ожогу и необратимому повреждению за секунды или даже быстрее.

Лазеры обычно маркируются номером класса безопасности, который указывает, насколько опасен лазер:

• Класс 1 по своей природе безопасен, обычно потому, что свет содержится в корпусе, например, в проигрывателях компакт-дисков.
• Класс 2 безопасен при нормальном использовании; мигательный рефлекс глаза предотвратит повреждение. Обычно мощность до 1 мВт, например, лазерные указки.
• Лазеры класса 3R (ранее IIIa) обычно имеют мощность до 5 мВт и имеют небольшой риск повреждения глаз во время рефлекса моргания. Взгляд на такой луч в течение нескольких секунд может вызвать повреждение пятна на сетчатке.
• Класс 3B может вызвать немедленное повреждение глаз при воздействии.
• Лазеры класса 4 могут вызвать ожог кожи и в некоторых случаях даже рассеянный свет может вызвать повреждение глаз и / или кожи. Многие промышленные и научные лазеры относятся к этому классу.

Указанные мощности относятся к лазерам непрерывного излучения видимого света. Для импульсных лазеров и невидимых длин волн применяются другие ограничения мощности. Люди, работающие с лазерами класса 3B и 4, могут защитить свои глаза с помощью защитных очков, которые предназначены для поглощения света определенной длины волны.

Инфракрасные лазеры с длинами волн более 1,4 микрометра часто называют «безопасными для глаз», поскольку роговица имеет тенденцию поглощать свет на этих длинах волн, защищая сетчатку от повреждений. Однако ярлык «безопасный для глаз» может вводить в заблуждение, поскольку он применяется только к пучкам непрерывных волн относительно малой мощности; лазер высокой мощности или с модуляцией добротности на этих длинах волн может обжечь роговицу, вызывая серьезное повреждение глаза, и даже лазеры средней мощности могут повредить глаз.

Лазеры могут представлять опасность как для гражданской, так и для военной авиации, поскольку могут временно отвлекать или ослеплять пилотов. См. Лазеры и безопасность авиации для получения дополнительной информации по этой теме.

Камеры, основанные на устройствах с зарядовой связью, на самом деле могут быть более чувствительны к лазерным повреждениям, чем биологические глаза.

См. Также

• Anti-laser
• Coherent perfect поглотитель
• Однородное уширение
• Ширина лазерной линии
• Список статей о лазерах
• Список источников света
• Нанолазер
• Усиление звука вынужденным излучением
• Спазер
• Интерферометр Фабри – Перо

Ссылки

Дополнительная литература

Книги

• Бертолотти, Марио (1999, пер. 2004). История лазера. Институт физики. ISBN 0-7503-0911-3.
• Бромберг, Джоан Лиза (1991). Лазер в Америке, 1950–1970. MIT Press. ISBN 978-0-262-02318-4.
• Челе, Марк (2004). Основы источников света и лазеров. Вайли. ISBN 0-471-47660-9.
• Кечнер, Уолтер (1992). Твердотельная лазерная техника. 3-е изд. Springer-Verlag. ISBN 0-387-53756-2.
• Siegman, Anthony E. (1986). Лазеры. Книги университетских наук. ISBN 0-935702-11-3.
• Сильфваст, Уильям Т. (1996). Основы лазера. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-55617-1.
• Свелто, Орацио (1998). Принципы лазеров. 4-е изд. Пер. Дэвид Ханна. Springer. ISBN 0-306-45748-2.
• Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война. Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 978-0-684-83515-0.
• Wilson, J. Hawkes, J.F.B. (1987). Лазеры: принципы и применение. Международная серия Prentice Hall по оптоэлектронике, Prentice Hall. ISBN 0-13-523697-5.
• Ярив, Амнон (1989). Квантовая электроника. 3-е изд. Вайли. ISBN 0-471-60997-8.

Периодические издания

• Прикладная физика B: Лазеры и оптика (ISSN 0946-2171 )
• (ISSN 0733-8724 )
• IEEE Journal of Quantum Electronics (ISSN 0018-9197 )
• IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (ISSN 1077-260X )
• (ISSN 1041-1135 )
• (ISSN 0740-3224 )
• Laser Focus World (ISSN 0740-2511 )
• Optics Letters (ISSN 0146-9592 )
• Photonics Spectra (ISSN 0731-1230 )

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Лазеры.

• Энциклопедия лазерной физики и технологии доктора Рюдигера Пашотта
• Практическое руководство по лазерам для экспериментаторов и любителей Сэмюэля М. Голдвассера
• Домашние лазеры Страница профессора Марка Челе
• Мощный лазер — это «самый яркий свет во Вселенной» — Самый мощный лазер в мире по состоянию на 2008 год мог создавать ударные волны, подобные сверхновым, и, возможно, даже антивещество (New Scientist, A 9 апреля 2008 г.)
• «Основы лазера «онлайн-курс профессора Ф. Балембуа и доктора С. Форгета. Instrumentation for Optics, 2008, (доступ 17 января 2014 г.)
• Пресс-релиз Northrop Grumman о тактическом лазерном продукте Firest rike 15 кВт.
• Веб-сайт, посвященный 50-летию Lasers, APS, OSA, SPIE
• Advancing the Laser Anniversary сайт SPIE: Видеоинтервью, статьи в открытом доступе, постеры, DVD
• Яркая идея: Первые лазеры история изобретения, с аудио-интервью.
• Бесплатное программное обеспечение для моделирования случайной динамики лазеров
• Видео демонстрации в лазерах и оптике Подготовлено Массачусетским технологическим институтом (MIT). Эффекты в реальном времени демонстрируются так, что их было бы трудно увидеть в классе.
• Видеолекция MIT: Понимание лазеров и волоконной оптики
• Виртуальный музей истории лазеров, из туристической выставки веб-сайта SPIE
• с анимацией, приложениями и исследованиями о лазерных и других квантовых явлениях Universite Paris Sud

Лазерный луч – это поток сфокусированного света на одной длине волны. Существует большое количество лазеров. В зависимости от типа, они используются в разных сферах деятельности человека: от медицины до строительных и сварочных работ.

Что такое лазерный луч?

Что такое лазерный луч простыми словами? Это пучок света, в котором длина входящих в него световых волн фиксирована, а частота постоянна.

Лазерный луч создает специальное устройство под названием лазер. Принцип работы установки заключается в том, что она обеспечивает узконаправленное действие световых волн.

Для сравнения: обычный свет рассеивается от источника по разным направлениям, а луч в лазерной установке – это собранные в пучок световые волны. Они обеспечивают воздействие невероятной силы в одной точке приложения.

Лазерная конструкция: принципы работы

Принцип работы лазера кратко и понятно заключается в следующем: под влиянием внешнего электромагнитного поля происходит вынужденное излучение фотонов (мельчайших частичек света). Именно оно лежит в основе работы лазерной конструкции любого типа.

Лазерная генерация возникает только тогда, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Благоприятную среду с такими свойствами можно создать, специально накачав ее энергией из внешнего источника. Процесс наполнения дополнительной энергией в этом случае так и называется – накачка. Способ накачки определяет тип лазера.

Любая лазерная установка имеет три основные части:

1. Источник энергии. Может быть любым – электрическим, тепловым, химическим и др. Задача этого элемента конструкции – наполнить энергией рабочее тело лазерной установки, чтобы вызвать в нем генерацию светового лазерного потока.
2. Активная рабочая среда. Твердое, жидкое, газообразное или плазменное вещество, в котором и формируется лазерный луч.
3. Система зеркал – устройство для усиления излучаемого света. Простейший резонатор состоит из двух зеркал, расположенных параллельно. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным, чтобы часть света отражалась от его поверхности, а другая проходила сквозь него.

От чего зависит мощность лазера в такой установке? Ее определяют тип активной среды и ее агрегатное состояние. В зависимости от того, лазер с какими характеристиками нужно получить, выбирается и вид активной среды.

Лазерный луч: виды, классы, характеристики

Без лазеров трудно представить жизнь современного человека – их использование ускоряет и упрощает многие процессы. Основные виды используемых на сегодня лазеров:

• газовые;
• полупроводниковые;
• жидкостные;
• твердотельные.

Еще одна важная характеристика лазеров – их класс. Этот параметр отображает степень безопасности работы с той или иной установкой. Работа с лазером всегда предполагает использование защиты для глаз в виде очков. Приступая к работе, важно учитывать, что класс лазера – это характеристика, напрямую связанная с мощностью излучаемого потока энергии. Существует всего 4 класса лазеров по степени опасности генерируемого излучения:

• I – полностью безопасные для глаз и кожи;
• II – опасность при облучении коллимированным пучком;
• III – опасность диффузно отраженного излучения на расстоянии менее 10 см от кожи и глаз;
• IV – опасность диффузно отраженного излучения на расстоянии 10 см от глаз.

Основные характеристики лазеров любого типа – мощность и диапазон. Мощность определяет толщину лазерного луча, направленного из установки.

Как увидеть лазерный луч глазами? В чистом воздухе сбоку невозможно увидеть ни один луч, ни на свету, ни в темноте. Лазеры видимого излучения по причине своей дороговизны не применяются в технике. Однако для определения направления такого луча, устройства, работающие с лазерами, оснащаются еще одним видимым лучом. Он служит лазерной указкой или своеобразным прицелом.