Свойства лазерного излучения: Урок 19. свойства лазерного излучения. использование лазеров — Естествознание — 11 класс

Урок 19. свойства лазерного излучения. использование лазеров — Естествознание — 11 класс

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной.

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу. На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. 9$ Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

Виды лазеров и свойства лазерного излучения

Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света.

Лазерный луч — это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, может излучаться на дальние расстояния, возвращаясь обратно. Также у лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит. Температура, до которой нагревается объект, определяется плотностью поглощенной мощности излучения, которая зависит от мощности излучения, ее распределения по облучаемой поверхности и поглощательной способности объекта.

Другим преимуществом лазеров является то, что лазеры – мощные источники света, превосходящие даже солнце (мощность излучения лазера 1017 Вт/см2, а солнца 7*103 Вт/см2)

Длину волны лазерного излучения выбирают так, чтобы обеспечить максимальное поглощение излучения веществом. Например, для обработки металлов используют излучение видимого и ближнего ИК–диапазона, а стекол — среднего ИК–диапазона.

При использовании импульсных лазеров длительность воздействия определяется длительностью импульса излучения.

Частота следования импульсов определяет производительность обработки.

Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности. Также к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения. Таким образом, чтобы понять принципы работы лазера, необходимо поговорить о характерных свойствах лазерного излучения и инверсно-населенной среды – одного из трех основных компонентов лазера.

Высокая интенсивность лазерного излучения

Благодаря другим свойствам лазерного излучения можно сфокусировать лазерное излучение до диаметра, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получать высокие интенсивности излучения в очень локализованной области пространства.

Все эти уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Подводя итоги, можно сказать, что безусловными и значительными достоинствами лазеров являются:

1. эффективная фокусировка, высокая направленность, малая расходимость лазерного излучения;
2. концентрация световой энергии в небольших объемах, громадная плотность энергии, малая зона энергетического (теплового) воздействия;
3. большая дальность действия, высокая точность и разрешающая способность лазерного луча;
4. формирование кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;
5. монохроматичность, высокая стабильность частоты лазерных колебаний;
6. малая длина волны, высокая частота лазерных колебаний, большая пропускная способность каналов оптической (лазерной) связи;
7. широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области), обеспеченный промышленными (серийными) источниками лазерного излучения;
8. эффективная гальваническая развязка (бесконтактное взаимодействие) источника лазерного излучения и объектов оптического воздействия;
9. повышенная помехоустойчивость и помехозащищенность («скрытность») лазерной связи.

Основные виды лазеров

Выбор лазера для осуществления поставленной задачи определяется спецификой воздействия лазерного излучения на данный материал и особенностями поставленной технологической задачи.

Видов лазерных устройств существует большое количество, однако все они берут свое начало от четырех основных типов:

• Газовые лазеры
• Жидкостные лазеры
• Твердотельные лазеры
• Полупроводниковые лазеры

В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры.

Газовые лазеры

В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов.

Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.

Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного), функционирующем в импульсном и в непрерывном режимах.

Жидкостный лазер

Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Они работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы

Твердотельные лазеры

Лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Разновидностями твердотельного лазера являются волоконный лазер и полупроводниковый лазер. К твердотельным относятся также лазеры, в которых в качестве активной среды используются различные стекла и кристаллы, активированные редкоземельными элементами. Самым первым твердотельным лазером был излучатель на рубине, накачка осуществлялась газоразрядной лампой.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов.

Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу. Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине.

Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Перейти к разделу: 3. Проверка монохромотичности и фокусировки лазера

Доказана способность сильно расходящегося лазерного излучения самофокусироваться в воде

В рамках гранта РНФ ученые с физического факультета МГУ под руководством Федора Потемкина исследуют новые подходы к использованию лазерного излучения в медицинских и научных целях. Лазерное излучение может оказывать силовое воздействие на кристаллы, полупроводники, комбинированные среды, а также на такие биологические объекты, как, например, человеческий глаз.

Ученые надеются найти решение проблем, связанных с деструкцией стекловидного тела глаза – гелеподобного вещества между хрусталиком и сетчаткой. При этой патологии образующие стекловидное тело коллагеновые волокна, слипаясь, формируют непрозрачные конгломераты, приводящие к ухудшению зрения. До сих пор основным методом борьбы с ней является витрэктомия – полное удаление стекловидного тела и использование вместо него специальных заменителей, что чревато их отторжением и потерей зрения.

Альтернатива – воздействие на эти образования наносекундными лазерами с длиной волны 1,06 мкм (примерно в 50 раз меньше толщины человеческого волоса), на которую колбочки глаза, отвечающие за цветовое восприятие, не реагируют. «Холодный» лазер фокусируется вглубь глаза, нагревая строго определенное место, и все вредные конгломераты в буквальном смысле испаряются, превращаясь в пузырек воздуха. Проблема в том, что наносекундный лазер из-за высокой энергии импульсов создает большую зону повреждения. Именно поэтому ученые пытаются освоить менее инвазивные фемтосекундные лазеры для этих целей, энергия импульса в которых на несколько порядков меньше, а также разрабатывают различные методы диагностики для слежения за процессом в режиме реального времени. Если в наносекундном лазере энергия импульса составляет несколько десятков миллиджоулей, то в фемтосекундном лазере для эффективной работы необходимо создать энергии в микроджоули. Это в тысячу раз меньше, что сделает зону повреждения глаза гораздо меньше.

В своей последней работе ученые решили исследовать феномен филаментации, самофокусировки, сильно расходящегося лазерного пучка в воде — как в наиболее подходящем прототипе стекловидного тела глаза.

«Грубо говоря, при явлении филаментации поперечный размер пучка начинает меняться по определенному закону, хотя никакой фокусирующей оптики может и не быть, – пояснил Потемкин. – Благодаря этому излучение может распространяться на очень большие дистанции, практически не расходясь».

Обычно процессы филаментации ученые наблюдают при больших энергиях импульсов — порядка миллиджоулей в слабофокусированных пучках. Потемкин же с коллегами задался целью изучить возможность филаментации в остросфокусированных лазерных пучках при энергиях в микроджоули, поскольку до недавнего времени считалось, что это невозможно.

«Мы разрушили сразу два представления: что создать филаментацию в среде нельзя, используя сильно расходящиеся пучки, и тем более нельзя, используя сверхмалые энергии», – рассказал автор работы.

В эксперименте ученые светили сфокусированным лазерным пучком в прозрачный плоский сосуд с дистиллированной водой. Перемещая сосуд, они заставляли лазерный луч фокусироваться либо в 0,5 мм над поверхностью воды, а дальше расходиться в ее глубине, либо в ее толще, в 0,5 мм от ее поверхности. При помощи спектральной аппаратуры в обоих случаях изучался процесс филаментации лазерного пучка при его распространении в воде. При этом о наличии филаментации можно было судить по уширению частотного спектра прошедшего через сосуд излучения.

«Суперконтинуум – это обогащение спектра фемтосекундного излучения в центральной части пучка дополнительными частотами в процессе филаментации, когда у возникающего излучения спектр шире, чем у входного, – пояснил Потемкин. – Мы показали, что процесс филаментации возможно получить, используя остросфокусированное излучение, а работа в режиме сильнорасходящегося пучка наиболее перспективна. В этом случае мы имеем возможность управления процессом филаментации и спектром выходного излучения». Эксперимент показал, что управлять филаментацией можно, просто изменяя расстояние от точки фокуса до поверхности воды.

В экспериментальной работе принимали участие студенты из МГУ, а с теоретическим описанием зарегистрированного явления помогали коллеги из Франции.

В будущем можно ожидать использование полученного эффекта при создании коммерческих лазеров ультракороткой длительности, перестраиваемых по длине волны от видимого до среднего ИК-диапазона. Управление филаментацией лазерного излучения может найти применение в лабораторной спектроскопии, когда ученым требуется исследовать колебательный спектр различных материалов, в том числе и белков, а подстраиваясь под резонансные частоты таких молекул, они могут исследовать их свойства во времени с фемтосекундной длительностью и пространстве с микронным разрешением. Наконец, возможность создавать локализованное воздействие на определенном расстоянии от границы среды с возможностью подбора оптимальных параметров излучения и диагностикой в режиме реального времени найдет применение в офтальмологии, для которой изначально и планировались эти исследования.

Фото: экспериментальная установка. Источник: Федор Потемкин.

Эффективность применения лазерных технологий в хирургической стоматологии и парадонтологии

Михайлова А.Б.

Термин «лазер» является аббревиатурой, составленной из начальных букв английских слов: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света вынужденным излучением», так как действующим фактором лазера является направленный световой поток. Усиление и генерация электромагнитных колебаний в лазерах осуществляется за счет вынужденного излучения квантовых систем, которые преобразуют проводимую извне энергию (энергию накачки) в энергию излучения (света). Лазеры подразделяются на непрерывные и импульсные. Возможна комбинация непрерывного и импульсного режимов.

К основным свойствам лазерного излучения относят интенсивность, на-равленность, монохроматичность, когерентность и поляризация. Именно эти свойства являются необходимыми, чтобы лазерное излучение оказывало избирательное воздействие на биологическую ткань и дозировало бы степень этого воздействия от коагуляции до испарения и разреза.

В основе использования хирургических лазеров лежат два основных принципа: альтернативное применение высокоинтенсивного лазерного излучения в качестве скальпеля, как многопрофильного хирургического инструмента, и физического фактора, обладающего широким спектром биологического действия. Лазерная хирургия основана на деструктивном воздействии на биоткани: тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты от лазерного излучения вызывают деструкцию ткани. В качестве деструктивного фактора чаще всего используют энергию тепла. Лазерный свет поглощается определенным структурным элементом, входящим в состав биоткани. Поглощающее вещество носит название «хромофор». Эффективность лазерной хирургии определяется эффективностью преобразования энергии лазерного пучка света в тепло на поверхности или в объеме биоткани. «Поглотителями» света в мягких биотканях являются природные эндохромофоры, а «рассеятелями» — клетки биоткани и морфологические особенности их структуры. Природным эндохромофорами являются вода, гемоглобин, меланин, редко протеин. Каждый из этих хромофоров имеет свою спектральную зависимость. Тот из хромофоров, который для данной длины волны поглощает лазерный луч сильнее, называется «доминирующим хромофором». Именно они определяют глубину проникновения света в биоткань. Например, такой хромофор как вода, имеет коэффициент поглощения, соответствующий длинам волн от 200 до 20000 нм. Это основной диапазон длин волн хирургических лазеров. Глубина проникновения лазерного света СО2 – лазера и Er:YSGG лазера составляет 0,05 мм; Er:YAG лазера – 0,005 мм; Nd:YAG лазера — 11,5 мм. Учитывая то, что морфофункциональные характеристики сказываются на эффекте лазерного воздействия, необходимо учитывать все возможные реакции локального и общего свойства [3, 4, 5].

Лазеры оказывают различные воздействия на биоткани в зависимости от параметров их воздействия, что требует особого внимания к выбору длины волны, дозировании лазерного излучения, выходной мощности лазера. Недооценка этих параметров может привести к серьезным осложнениям и врачебным ошибкам. Особое внимание должно уделяться охлаждающим системам на лазерах.

Для применения в хирургической стоматологии наиболее перспективными признаются установки с длинами волн лазерного излучения, которые обеспечивают оптимальное поглощение лучевой энергии жидкостью, влажными тканями и кровью. Процесс резки (абляции) биоткани лазерным лучом сопровождается термическими эффектами и механизмами деструкции биотканей. Следствием является взрывное испарение тканей воды и выброс из зоны нагрева водяных паров вместе с фрагментами клеточных и тканевых структур с образованием зон повреждения биоткани в области взаимодействия лазерного пучка и биоткани. С физической точки зрения следует говорить о двух характерных для лазерного воздействия зонах: зоне испарения (абляции) ткани с формированием абляционного кратера и зоне термонекроза. Лазерные раны характеризуются активной ранней пролиферацией клеточных элементов макрофагального и фибропластического ряда на границе тканей, подвергшихся лазерному воздействию и интактных тканей. В процессе заживления лазерных ран не отмечаются формирования демаркационной нейтрофильной инфильтрации на границе поврежденных и неизмененных тканей, столь характерной для хирургических «скальпельных ран».

Применение лазеров в хирургической практике имеет ряд преимуществ, обусловленными уникальными свойствами и спецификой воздействия лазерного излучения на биологические ткани. Отсутствие прямого контакта инструмента с биотканью при проведении хирургического вмешательства с помощью луча лазера резко снижает опасность инфицирования оперируемых органов. Излучение лазера убивает патологическую микрофлору в операционной зоне, чем уменьшается вероятность послеоперационных осложнений.

Привлекательность лазерных технологий объясняется рядом их преимуществ перед альтернативными методами. Прежде всего, рассекая ткани, лазерный луч одновременно коагулирует сосуды на стенках разреза [2]. Минимальным оказывается и послеоперационный отек. Уменьшаются операционные и послеоперационные боли, снижается психологическая травма, особенно у детей.

Важным качеством хирургического лазера является то, что обработка им тканей стимулирует процессы регенерации. Усиление репаративных процессов в области раневого дефекта происходит вследствии активации метаболических процессов и клеточных элементов системы мононуклеарных фагоцитов (макрофагов) и улучшении микроциркуляции. Излучение обладает широким спектром лечебного действия: вызывает выраженный противовоспалительный эффект, нормализует циркуляцию, понижает проницаемость сосудистых стенок, обладает фибрино-тромболитическим свойством, стимулирует обмен веществ, регенерацию тканей и повышает содержание в них кислорода, ускоряет заживление ран, предотвращает образование грубых послеоперационных рубцов и др.

Таким образом, луч лазера — это высокоточный бесконтактный, бескровный, стерильный и бактерицидный инструмент, позволяющий значительно сократить процесс послеоперационного заживления.

CО2–лазер нашел свое применение для диссекции тканей, фотокоагуляции, обеспечении надежного гемостаза.

В литературе указано на достаточно широкое применение лазера в имплантологии. Разрез для поднятия лоскута, вапоризация грануляционной ткани, наметка будущего местоположения имплантата (вместо пилотного сверла) и угол, под которым он будет установлен, раскрытие имплантата. Эрбиевый лазер способен удалять бляшки с поверхности имплантатов без каких-либо морфологических изменений их поверхности. Отмечено также бактерицидное действие лазера на поверхность имплантата даже при низкой мощности [3, 4, 5].

Хирургические методы лечения заболеваний пародонта имеют большое распространение во многих странах [1, 2, 4]. Наиболее эффективной по сравнению с кюретажем является лоскутная операция, при которой ликвидируются пародонтальные карманы. Один из этапов этой операции, определяющий ее исход — деэпителизация внутренней поверхности пародонтального кармана. Обычно это делают с помощью ножниц, кюрет и других механических способов. Такие манипуляции травмируют лоскут, и после его укладки нередко наблюдается его склерозирование, рубцевание, что приводит к значительной ретракции десны с обнажением зубов порой ниже первоначального уровня. При использовании лазерного способа абляции результаты намного лучше. Деэпителизацию внутренней поверхности пародонтального кармана проводят слегка расфокусированным лазерным лучом. При этом происходит полное послойное испарение остатков зубных отложений, микробных колоний, грануляций и эпителия [1, 5].

Одним из лазеров последнего поколения, перспективных в стоматологии и представленный в нашей поликлинике, является лазер «Opus Duo». Эта лазерная система разработана для обработки мягких и твердых тканей, сочетает в себе углекислотный и эрбиевый лазеры. Лазер на основе кристалла Er, Cr:YSGG (эрбий, хром, иттрий, скандий, галлий и гранат) на длине волны 2789 нм. Прибор также способен резать и коагулировать мягкие ткани. Поскольку энергия лазера интенсивно поглощается водой, которая составляет большую часть объема мягких тканей, резка получается эффективной и атравматичной. Выявлены существенные отличия, которые выражаются в том, что процесс заживления после применения лазера происходит под тканевым комплексом, состоящем из фибрина, тканевого детрита и нейтрофильных лейкоцитов. Этот комплекс защищает раневой дефект от бактериальной инфекции и препятствует врастанию эпителия в рану. Отсутствует нагрев и вибрация во время вмешательства и пациент практически не испытывает неприятных ощущений. Появляются огромные возможности в хирургии костной и мягкой тканей, лечение слизистых оболочек, удаление мягкотканых образований. Также использование лазера открывает обширные возможности: с помощью лазера можно изменить форму десны для создания красивой улыбки. Быстро, без кровотечения и наложения швов, можно уменьшить глубину зубодесневых карманов, провести френулопластику, пластику уздечки языка, вестибулопластику, удалить новообразования небольших размеров без наложения швов, проводит биопсию в стерильных условиях, осуществлять лечение заболеваний слизистой оболочки. Это только малый перечень процедур, проводимых с использованием этого типа лазера. Эффективность доказана клинически – с его помощью произведено множество вмешательств на костных тканях челюстно — лицевой области, включая синус – лифтинг. Подавляющее большинство врачей отмечают повышение комфортности пациентов во время лечебных процедур, отсутствие страха при повторном лазерном лечении.

Благодаря современной лазерной системе «Opus Duo» в нашем отделении проведено хирургическое лечение 135 пациентов с различной патологией и локализацией в челюстно-лицевой области в период с января 2010 года по март 2012 года. Возраст пациентов от 18 до 75 лет. Среди вмешательств наиболее часто проводилась френулопластика в области верхней и нижней губ, вестибулопластика, удаление доброкачественных новообразований как слизистой полости рта, так и образований, расположенных на коже лица, границе красной каймы губ. Результатом является практически полное отсутствие коллатерального отека, не наблюдается болевой синдром, ранние сроки эпителизации раны, формирование мягкого эластичного рубца на слизистой полости рта. Операция с использованием СО-2 лазера проходит с минимальным кровотечением, которое полностью прекращается после лазерной коагуляции.

Неоднократно проведены основные оперативные методы лечения воспалительных (радикулярных) кист челюстей — цистотомия и цистэктомия – с помощью эрбиевого лазера «Opus Duo». Что касается результатов, то выраженный послеоперационный болевой синдром, требующий приема обезболивающих препаратов, по сравнению с «традиционной» и «лазерной» цистэктомией больше определялся у пациентов без применения лазера. Причем боли регистрировали более длительное время после операции – до 4-5 дней, в то время как при использовании лазерных технологий отмечались менее интенсивные боли, не требующие приема обезболивающих препаратов, в течение 1-1,5 дней. Это может быть связано с тем, что при воздействии лазера не происходит стрессорного воздействия на нервные клетки, так как лазерная энергия поглощается клеточной жидкостью, а не нервными окончаниями. При использовании традиционного метода цистэктомии коллатеральный отек мягких тканей наблюдали от 3 до 7 дней. При использовании Er:YAG лазера коллатеральный отек был не выраженным и определялся в течение 2-3 дней. Этому может способствовать отсутствие давления, трения и вибрации тканей во время операции, что приводит к минимальной травме окружающих тканей. Процесс заживления лазерной раны сопровождается отсутствием нейтрофильной инфильтрацией тканей, столь характерной для «скальпельных ран» при традиционном методе. Эпителизацию при традиционном методе цистэктомии наблюдали на 7-8 сутки, в то время как при использовании хирургических лазеров эпителизация наступала на 5-6 сутки, что позволило снимать швы в более ранние сроки.

Таким образом, можно отметить как клинически, так и со слов пациентов, что применение Еr:YAG и СО-2 лазера в современной лазерной системе «Opus Duo» способствует снижению болевой реакции, уменьшению послеоперационного отека, сокращению сроков эпителизации послеоперационных ран. Учитывая физические свойства лазеров, во время манипуляций происходит стерилизация операционной области от микрофлоры, меньшая травматизация тканей во время операции, снижение риска возникновения инфицирования окружающих тканей. Одним из основных результатов, учитывая выше перечисленные данные, является сокращение сроков лечения пациентов.

Список литературы:

1. Иванов А.С. Руководство по лазеротерапии стоматологических заболеваний. СПб.: 2000 – 69 с.
2. Масычев В.И., Рисованный С.И., Рисованная О.Н. Лазеры и особенности их использования в стоматологии. Внедрение в лазерную стоматологию. – Краснодар, 2005. – с. 7-24.
3. С.В. Тарасенко, А.В. Толстых, В.Н. Царев и др. Применение хирургических лазерных технологий для лечения одонтогенных кист челюстей. / Кафедра. 2008. — т.7, No3, с. 38-41.
4. Тарасенко С.В., Тарасенко И.В., Лазарихина Н.М. Лазерная пародонтальная хирургия //Учебное пособие. – М.: ООО «Принт маркет». – 2009, 58 с. 5. Тарасенко С.В., Пахомова А.В., Царев В.Н. и др. Радикулярные кисты челюстей //Учебное пособие. – М.: ООО «Принт маркет». – 2011, 64 с.

Исследовательская работа по физике «Свойства лазерного излучения»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

Парфеньевская средняя общеобразовательная школа

ТЕМА: «ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, С ЦЕЛЬЮ РАССШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРА»

ВЫПОЛНИЛ: Нефёдов Игорь 9А класс ПСШ.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ : Моисеев

Валерий Георгиевич (учитель физики).

с. Парфеньево — 2014г.

ВВЕДЕНИЕ

Лазер много кто о нём слышал и даже может все видели , но ничего особенного если посмотреть на его не профессиональным взглядом ,однако лазер очень удивительная вещь . Лазер нашёл применение в медицине: с помощью лазерного излучения можно приваривать отслоившуюся от глазного дна сетчатку.

Лазер нашёл применение и в армии , Лазер широко используют для прицела на штурмовых винтовках нового поколения М-16,АК-72 и на снайперских винтовках например СВН-98 или ОСВ-96 .Ещё лазер используют для выведения ракет , спутников ,самолетов из строя .В армии лазер широко используется только мы об этом не знаем.

Ещё лазер используется в тяжелой промышленности для резки листов металла приварки мелких деталей, только лазер может за секунды разрезать алмаз и другие самые твердые вещества.

С помощью лазера можно передавать информацию и получать 3D изображения , измерять расстояние до спутников и даже планет. В будущем станет возможно передавать энергию с помощью лазерного излучения например: с атомных Э.С в отдаленные уголки нашей планеты и на космические станции и обратно. Именно это стало целью моей исследовательской работы.

ЦЕЛИ и ЗАДАЧИ:

Цель: Оценить реальные возможности передачи энергии с помощью лазерного луча.

Задачи :

1. Исследование возможности передачи и накопления энергии лазерного излучения.

2. Измерить коэффициент полезного действия лазеров.

3. Измерить длину световой волны лазерного

излучения.

4) Оценить действие лазерного луча на шарик

термометра.

5. Проверить монохроматичность и возможность

фокусировки лазерного луча.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ:

Лазер — квантовый усилитель или генератор когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона(света) .

1.Рубиновый лазер

Из кристалла рубина изготовляется стержень плоскопараллельными торцами . Газоразрядная лампа имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет .Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов ёмкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы .Спустя малое время энергетический уровень 2 становиться перенасыщенным.

БИБЛИОГРАФИЯ: В 1954 г советские учёные Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны 1,27 см.

ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ:

Для исследований свойств лазерного излучения использовались два лазера малой мощности 1мВт и 5мВт.

№1: Выяснение возможностей передачи и накопления энергии , переданной лазером . В качестве приёмника излучения лазера возьмём солнечную батарею –БСК-1 . Электрические характеристики батареи при температуре 25 градусов Цельсия под солнцем( в солнечный безоблачный день , средней широты Европейской части России) должны быть : холостой ход не менее 2 вольт, (при сопротивлении 12,5Ом) не менее 130 миллиампер , в темной комнате подключили солнечную батарею к миллиамперметру цифрового авометра .Миллиамперметр показывает ток 0,03 мА (Приложение №1). Это световой фон . Направим луч лазера на батарею , показания миллиамперметра увеличились до 0,08 мА. За счет излучения лазера ток через батарею увеличился на 0,05А.

Подключим солнечную батарею к аккумулятору Д-0,26Д , предварительно разряженному до напряжения 0,1В . Направим луч лазера на батарею . Расстояние до батареи 4м . Эксперимент проводиться в тёмной комнате . Через 3 часа измеряем напряжение на аккумуляторе . оно было 1,4В . Значит энергия излучения лазера пошло на заряд аккумулятора . Энергию лазерного излучения можно передавать , принимать и накапливать .

При передаче энергии с помощью лазера важным является вопрос о коэффициенте полезного действия лазера, то есть отношение полезной (переданной) энергии к затраченной .

№2:измерение коэффициента полезного действия лазеров .

Проблемы измерения КПД лазера заключается в трудности измерения тока потребления от источника питания лазера. Источник питания закрыт и находится внутри лазера а нужно последовательно подключить миллиамперметр и замкнуть ключ.

Мощность потребления у обоих лазеров оказалась одинаковой. а полезная выходная мощность разная. Поэтому коэффициент полезного действия одного лазера оказалась равной 2% а второго 6%.

Эксперимент третий Измерение длин световой волны лазерного излучения.

От длины волны зависит энергия фотонов лазерного излучения..Длину световой волны можно экспериментально измерить с помощью оптического прибора: дифракционной решётки. Период решётки был d= 0.02 мм. Измерив расстояние от решётки до экрана и от нулевого максимума до первого. Рассчитаем длину световой волны 7.2 х 10( минус седьмой степени) м. (приложение).

Эксперимент четвёртый Оценка действия лазерного луча на шарик термометра.

В учебнике физики написано что» с помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры».

Направим лазерный луч на шарик термометра. Секунд через двадцать столбик термометра приходит в движение. За три минуты столбик термометра сместиться на 9 градусов. Мощность моего лазера вероятно маловата для данного эксперимента.

Эксперимент пятый Проверить монохромотичность и возможность фокусировки лазерного луча.

В опыте с дифракционной решёткой нулевой и первый максимум были одноцветными точками то есть излучение является монохроматическим . Направим луч лазера на трёхгранную призму. На экране мы видим луч одного цвета. Излучение лазера монохроматическое.

В учебнике физики написано что « Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва».

Проверим это на опыте. Возьмём короткофокусную линзу и пропустим через неё лазерный луч. Перемещая линзу относительно экрана добиваемся уменьшения диаметра пятна с 3-4 мм. до 1-1.5 мм.. Лазерный луч можно фокусировать.

На опытах можно так же наблюдать прямолинейное распространение лазерного луча полное отражение при углах больше 43градусов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

В результате проведённых исследований проверена и подтверждена возможность передачи, приёма и накопления энергии излучения лазера .

Однако низкий кпд наших лазеров , исключена возможность применения их для передачи энергии .

Другие проверенные свойства лазерного излучения находят и будут находить более широкое применение для физических опытов , целеуказания , в лазерных прицелах и т.д.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Пример лазерного излучения (простейший)

Измерение расстояния от земли до лунохода . Это является ярким примером , что с помощью лазера можно измерить расстояние не только до лунохода , но и до других планет.

Схема ракеты Bolide . С помощью лазера можно дистанционно управлять ракетами . примером нам представлена ракета Bolide . Она следует за лазерным лучом .

Использование лазера на боевом оружии. Чаще всего лазер используют для прицела, но и не только , на одном из рисунков мы видим , что пистолет-пулемёт без лазерного прицела . Здесь используется своеобразная лазерная пуля для максимально точной настройки прицела . Лазерный луч светит в ту точку , куда попадает пуля после выстрела и по этой точке настраивают прицел.

23 реинкарнации лазера, которые нас окружают в повседневной жизни / Хабр

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

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

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

Что такое свет

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

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

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

Чем лазер отличается от обычной лампочки

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

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

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

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

Физика процесса

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

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

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

Как устроен лазер

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

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

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

Где применяется лазерное излучение

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

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

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

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

В нашей стране также разрабатываются подобные системы. Пару лет назад у нас было анонсировано лазерное оружие «Пересвет». Пока о нем известно только то, что оно размещается на мобильной платформе, на грузовике. В остальном, увы, — гостайна.

Отдельно надо сказать про использование лазеров в научных исследованиях. Например, ученые в Сарове используют лазер в процессе термоядерного синтеза: для облучения мишени излучение высокой мощности фокусируется в пятне минимальных размеров.

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

Лазерная установка УФЛ-2М в Сарове

Наряду с такими гигантами, сравнимыми по габаритам с футбольными стадионами, в последнее время набирают популярность миниатюрные лазеры на так называемых наноструктурах.

Лазеры активно используются в системах связи, в том числе спутниковых. Одно из самых полезных для связистов свойств — распространение излучения в оптическом волокне: оптоволоконные системы позволяют передавать до сотен гигабайт в секунду на огромные расстояния.

Как устроено оптоволокно

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

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

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

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

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

Лазерное излучение и биологические объекты

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

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

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

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

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

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

Диагностика, визуализация, лечение рака…

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

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

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

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

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

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

Почему нужно комбинировать методы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подведем итоги

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

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

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

***

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

Лазера свойства — Справочник химика 21

    Лазер. Рубиновый и гелий-неоновые лазеры. Условия возбуждения и свойства лазерного излучения. Комбинационное рассеяние.  [c.167]

    Отметим, что оксид алюминия при нагревании испаряется с разложением преимущественно на атомарные алюминий и кислород. Кроме того, в парах содержится небольшое количество молекул А10, АЬО, А Ог. Молекулы же АЬОз не обнаружены. Что толку, если учащийся научится составлять графическую формулу несуществующей молекулы оксида алюминия, но не сможет объяснить его тугоплавкость, химическую инертность, исключительную твердость, обнаруживать при наличии примесей свойства лазера. [c.81]

    Впервые предложен и реализован способ получения алмазных плёнок методом лазерного испарения УДА. Исследованы режимы испарения УДА в случае рубинового (Х=694 нм) и неодимового (Я=1060 нм) лазеров. Установлено, что испарение УДА происходит последовательностью лазерных импульсов длительностью -0.2 мкс, следующих с интервалом 1 мкс, интенсивностью излучения 2 МВт/см . В случае неодимового лазера наблюдалось испарение графита в условиях глубого вакуума и алмаза — на воздухе атмосферного давления. Был предложен метод уменьщения температуры испарения для сохранения алмазной фазы, основанный на введении в мишень тяжёлой органической жидкости. Впервые получены алмазные плёнки при испарении УДА неодимовым лазером. Исследованы их структура и свойства. [c.59]

    Для проведения строго направленных фотохимических реакций используют монохроматическое излучение (лазеры). Лазерное излучение обладает уникальными свойствами, которых нет у обычных источников света. Наиболее важным свойством лазерного излучения [c.124]

    Хорошо известно, что лазер как источник света характеризуется четырьмя замечательными свойствами. Лазерное излучение, во-первых, монохроматично, во-вторых, когерентно, в-третьих, обладает малой расходимостью и, в-четвертых, может быть сконцентрировано в очень коротком импульсе излучения, т. е. имеет высокую интенсивность. [c.5]

    В настоящее время лазеры широко используются в науке и промышленности. Они начинают решительно проникать и в повседневную жизнь, находя применение в сканерах чековых аппаратов супермаркетов, в воспроизведении с видео- и компакт-дисков. В связи с такими замечательными свойствами лазерного излучения, как монохроматичность, высокая интенсивность, короткая длительность импульса, применение их в фотохимических исследованиях в последнее время значительно возросло. Лазерные методы, используемые в экспериментальной фотохимии, обсуждаются в гл. 7. Само действие лазера основано на фотохимических процессах, обсуждаемых в этой и предыдущих главах. Поэтому стоит закончить данную главу кратким обзором некоторых важных классов лазеров на фотохимическом языке. [c.141]

    Важным свойством лазерного излучения является высокая монохроматичность, получающаяся вследствие многократного прохождения пучка света через резонатор лазера. В случае лазера с синхронизацией мод спектральная ширина может стремиться к предельному значению ширины, определяемому соотношением неопределенности (ср. со с. 51), вследствие конечной длительности импульса. Наибольшая монохроматичность излучения (порядка 1 к 10 ) обычно достигается у непрерывных лазеров. В некоторых лазерных средах может быть несколько переходов, как, например, в аргоновом ионном лазере, или действующий переход может давать широкую полосу флуоресценции, как в лазере на красителях. В этих случаях можно добиться селекции по длинам волн, заменяя пол- [c.183]

    Исследовательские работы с введением скандия в сплавы, чугуны и стали показали существенное улучшение их свойств, в частности, жаропрочности и твердости. Установлено, что скандий — хороший модификатор железа и алюминия [4]. Практическое применение в металлургии может получить и карбид скандия, резко повышающий твердость карбидов титана [51. Скандий рассматривается также как материал, который можно использовать в качестве добавок в квантовомеханических усилителях — лазерах. Проводятся работы по изысканию возможностей применения соединений скандия в полупроводниковой технике, радиотехнике, электронике и светотехнике (в качестве активаторов фосфоров), а также в стекольной промышленности для создания новых видов оптических стекол [61. Известны исследования о возможности применения скандия в ядерной технике для термоионных преобразователей, высокотемпературных нейтронных замедлителей, конструкционных материалов, специальных огнеупорных материалов и т. д. Возможно использование его в качестве активатора в портативных источниках жесткой радиации [7]. [c.15]

    Недавно еще могло показаться, что для химика вопросы химии гелия сравнительно маловажны. В последние годы, однако, химия гелия приобретает все большее значение даже с чисто практической точки зрения. В перспективе, когда техника ядерного горения протонов и дейтонов широко войдет в практику получения энергии, гелий будет накопляться в качестве отброса и, можно полагать, станет настолько легко доступным веществом. что как низкотемпературные возможности его применений (сверхпроводимость, криохимия), так и использование высокоэнергетических мета-стабильных его состояний, а также своеобразные свойства гелиевых катионов смогут иметь большое значение, например хотя бы в технике лазеров.  [c.168]

    Однако в недавние годы для описания флуктуаций в разнообразных физических системах использовали точно такие или аналогичные им уравнения, хотя источник шума в них был внутренним и физических оснований для разделения уравнения на механическую часть и случайный член с известными свойствами не было. В качестве примеров можно привести электронные устройства , процессы релаксации , гидродинамику , диффузию , электромагнитное поле в веществе , уравнение Больцмана , лазеры (см. 11.9), динамику вблизи критической точки и гравитационное поле во Вселенной .  [c.229]

    Ниже приведены наиболее важные свойства лазеров. [c.168]

    Длина волны флуоресценции обычно зависит от размера хромофора, причем с увеличением размера хромофора длина волны возрастает, т. е. возникает более красное излучение. Свойства конкретного лазера на красителе определяются спектральными и молекулярными характеристика- ми используемого красителя.  [c.173]

    Используют также термическую регенерацию поверхности электродов. После нагревания платиновых электродов до 600-1000 °С эти электроды восстанавливают свои свойства и становятся каталитически активными. Активирование стеклоуглерода осуществляют при температуре 3000 °С. Хорошие результаты достигнуты при активации поверхности стеклоуглеродных электродов с помощью лазера. При этом свойства электродов существенно улучшаются, что связывают с более тщательной очисткой их поверхности от загрязняющих веществ. [c.92]

    Наряду с обычными свойствами резист для глубокого УФ-света должен не только хорошо поглощать свет в области коротковолнового УФ-света (210—270 нм), но и не иметь поглощения в более длинноволновой области. Последнее избавляет от необходимости решать сложную задачу фильтрации актиничного длинноволнового света в спектре источника экспонирования. Одновременно для экспонирования в этой области разрабатываются специальные методы и источники света [4], применяются эксимерные лазеры [5]. Поскольку кванты света в коротковолновом УФ-свете несут примерно в 2 раза больше энергии, чем на грани видимой области спектра, то для сокращения энергозатрат и уменьшения нагревания слоев при экспонировании важно сильно повысить светочувствительность композиций по сравнению с обычными резистами. [c.177]

    Применение. Лантаноиды применяют как добавки к различным сплавам. Введение Се в сталь значительно улучшает ее свойства, так как Се связывает растворенную в стали серу и выводит ее в шлак. Из стали, содержащей 6% Се, изготовляют хирургические инструменты. Введение лантаноидов в магниевые сплавы повышает их прочность (из этих сплавов делают детали самолетов и ракет). Оксиды ЬпгОз, СеОз используют как катализаторы и промоторы для катализаторов. Лантаноиды входят в состав многих лазерных материалов, в частности широко применяют лазеры из стекла, содержащего N(1. Пропитка солями Ьп углей дуговых ламп для кг носъемок сильно увеличивает яркость света. [c.606]

    При исследовании некоторых органических жидкостей (дибу-тилфталат, бензотрон и т. п.) метод сдувания позволил установить различие в структуре граничных слоев и объемной жидкости. Переход от объемной жидкости к граничному слою иногда происходит скачкообразно, подобно фазовому переходу первого рода, нО при определенной толщине. В этом видна уникальность этого абсолютного метода исследования свойств граничных слоев, прецизионность которого значительно повысилась благодаря применению в эллипсометрии газового лазера [52]. [c.73]

    Теоретический анализ /25/ показывает, что распределение интев-сивности в спектре рассеянного света имеет сложный характер и зависит от кинетических свойств среды, в частности сяг наличкх в ней релаксационных процессов. Подробные исследования этих деталей спектральной картины рассеянного излучения потребовали разработки специальной методики, основным элементом которой является использование одночастотного лазера с предельно узкой линией собственного излучения. Необходимость в этом возникает в особенности при высоких температурах исследуемой жидкости (с ростом температуры компоненты триплета сближаются), при рассеянии под малыми углами и при изучении тонких деталей спектрал1 ой картины. Для этих исследований была создана специальная оптическая кювета, предназначенная для температур до 600° К под давлением до 50 МПа. Ра >-работанная система фотоэлектрической регистрации с синхронным детектированием обеспечивала высокую стабильность и чувствительность установки. [c.10]

    Разработанные к настоящему времени технологии получения высокочистых монокристаллов алмаза с заданными свойствами и алмазных пленок открывают новые перспективы их использования при изготовлении оптических окон для мощных лазеров и оптических приборов, теплоотводов, элементной базы для создания мощньпс транзисторов и различного рода датчиков, в частности, датчиков радиационного излучения. [c.4]

    Для технических и научных целей в настоящее время необходимы вещества особо высокой чистоты. Это промышленность полупроводников, атомная, производство люминофоров, некоторые жа(ропрочные и механически прочные материалы, производство материалов для квантовой энергетики (лазеры) и т. д. Достаточно указать, что в важнейшем полупроводниковом материале германии примеси меди и никеля не должны превышать 10- %. Это составляет один атом примеси на миллиард атомов германия или 1 мг на 1 т. С повышением чистоты физические и химические свойства веществ сильно меняются. Например, прочность на разрыв лучших сортов стали составляет 180 кг/мм . Прочность железных усов (тонких монокристаллических нитей из чистого железа) составляет 1200 кг/мм . До 1942 г. считали, что уран имеет температуру плавления, равную 1850 °С. После получения этого металла в чистом состоянии оказалось, что температура его плавления равна 1130°С. Эти примеры показывают практическое значение очистки веществ. Необходимо отметить, что глубокой очистке подвергают уже довольно чистые вещества. [c.65]

    Интересна попытка использования фторида скандия (ЗсРз) в квантовомеханических усилителях — лазерах. При добавлении его в искусственные рубины свойства последних значительно улучшаются. [c.70]

    Для проведения строго направленных фотохимических реакций используют монохроматическое излучение (лазеры). Лазерное излучение обладает уникальными свойствами, которых нет у обычных источников света. Наиболее важным свойством лазерного излучения с точки зрения применения его для фотохимического инициирования химических процессов является излучение мощных потоков световой энергии в узких спектральных интервалах. Используя излучение определенной длины волны, погло-щаемое реагентом, но не поглощаемое примесями, можно осуществлять только один вполне определенный процесс. Так, при лазерном облучении смеси СН3ОН, СОзОО (О — дейтерий) и Вг2 происходит бромирование только СН3ОН вследствие избирательного возбуждения молекул. Если данное вещество способно, например, к распаду и к изомеризации, то можно, используя лазерное излучение, осуществить направленно только один процесс. [c. 120]

    Кристаллизация из газовой фазы дает возможность (подвергая, например, исходное твердое вещество сублимации с последующим осаждением) получать материал высокой степени чистоты, заданной структуры и с заданными свойствами. Метод кристаллизации из газовой фазы используют для получения тонкодисперсных порошков — пигментов и усиливающих наполнителей, в частности для получения оксидов (AI2O3, TiOa и др.) путем гидролиза газообразных хлоридов или путем их высокотемпературного окисления. Осаждение из газовой фазы применяют для покрытия подложек тугоплавкими соединениями или оксидными пленками либо для металлизации. Этот метод, заключающийся в эпитаксиальном росте кристаллов, т. е. в наращивании одного вещества на другое, базируется на сходстве строения срастающихся граней. Кристаллизацией из газовой фазы получают монокристаллы и монокристаллические пленки, в частности для лазеров и приборов микроэлектротехники. Возможно прямое осаждение из газов готовых твердых изделий, например, деталей полупроводников и других деталей сложной формы. Возможно также получение гранулятов физическим или химическим осаждением вещества из газа в кипящем слое. Свойства получаемых твердых фаз зависят от условий пересыщения газовой фазы, от температуры подложки и др. [c.262]

    В последние годы возрастающее применение находят и сложные соединения этих элементов. Если раньше они использовались ограниченно, теперь они находят применение для создания новых материалов с ценными свойствами. Так, твердые растворы ортованадатов иттрия и европия Еиз д.У04, обладающие люминофорными свойствами, применяют при изготовлении цветных кинескопов. Ванадаты оказались перспективными материалами и для лазерной техники. В частности, ванадат кальция, активированный неодимом, и соответствующие производные ниобия и тантала уже применяют в качестве активных элементов твердотельных лазеров. [c.311]

    Природу, структуру и электронное состояние промежуточного продукта. Для абсорбционной спектроскопии можно использовать источник белого света в сочетании со спектрографом для получения фотографически зарегистрированного обзорного спектра поглощающих соединений в реакционной системе. В других случаях для сканирования спектрального диапазона может применяться монохроматор с фотоэлектрическим приемником. Многие исследуемые короткоживущие интермедиаты обладают достаточно большим оптическим поглощением из-за наличия разрешенного электронного дипольного перехода на более высокий уровень энергии, В этом случае, например, триплетные возбужденные состояния могут наблюдаться по их триплет-триплетному поглощению. В общем случае индивидуальные полосы поглощения имеют тем большую амплитуду, чем они уже. Вследствие этого эффекта атомы имеют разрешенные линии поглощения с особенно большими амплитудами. При количественных измерениях поглощения обычно выбирается длина волны, при которой наблюдается сильная полоса поглощения и на нее не накладываются полосы поглощения других соединений, В экспериментах по оптическому поглощению в качестве источника света можно применять лазеры. Очень эффективны в лазерных абсорбционных исследованиях перестраиваемые лазеры на красителях, особенно для веществ с узкими полосами поглощения (таких, как атомы и малые радикалы), поскольку лазерное излучение отличается высокой монохроматичностью и узкой спектральной полосой. Повышения поглощения можно достигнуть, заставив световой пучок многократно пересекать образец с помощью соответствующего расположения зеркал в многопроходовом абсорбционном эксперименте. Вновь для этой цели превосходно подходят лазеры благодаря малой расходимости лазерного пучка. В ряде случаев можно создать источник света, который спектрально адекватен абсорбционным свойствам именно исследуемых соединений. Например, можно сконструировать электрические разрядные лампы, содержащие подходящие газы и испускающие резонансные спектральные линии (при переходе из первого возбужденного состояния в основное) многих атомов и простых свободных радикалов. Очевидно, что резонансные спектральные линии точно соответствуют длинам волн поглощения этих же веществ, соответствующим переходу из основного электронного состояния. Если эти атомы или простые радикалы присутствуют в реакционной смеси, то будет наблюдаться резонансное поглощение. Если спектральные ширины полосы испускания источника и полосы поглощения объекта исследования совпадают, то чувствительность абсорбционных измерений может быть высокой при различающейся избирательности, так [c. 195]

    Лазеры могут также использоваться для возбуждения в исследованиях комбинационного рассеяния света. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) нашла ряд приложений в исследовании промежуточных продуктов фотохимических реакций. Высокая интенсивность и монохроматичность лазерного излучения обеспечивает методу КР чувствительность, которая недоступна с традиционными световыми источниками. Кроме того, появляется возможность изучения промежуточных соединений с временным разрешением. С перестраиваемыми лазерами становится возможной резонансная лазерная спектроскопия (РЛС). Когда длина волны излучения, возбуждающего комбинационное рассеяние, подходит к сильной полосе поглощения исследуемого образца, интенсивность КР увеличивается на шесть порядков по сравнению с обычным, нерезонансным возбуждением. Одним особенно важным вариантом лазерной спектроскопии КР является когерентная антистоксова спектроскопия комбинационного рассеяния (КАСКР), которая зависит от нелинейных свойств системы в присутствии интенсивного излучения и включает смешение нескольких волн. Высокая чувствительность получается вследствие того, что регистрация проводится скорее по люминесцентной, чем по абсорбционной методике. Паразитное рассеяние возбуждающего света ограничивает чувствительность традиционных исследований КР, но в экспериментах по КАСКР вблизи длины волны испускаемого излучения нет возбуждающего излучения, поэтому рассеянное возбуждающее лазерное излучение может быть отфильтровано. [c.197]

    В конце 1970-х годов появился метод фотодинамической терапии (ФДТ) раковых опухолей. В его основе заложено свойство раковой клетки концентрировать некоторые красители-сенсибилизаторы, которые при кратковременном облучении низкоэнергетическим лазером переходят в возбужденное состояние и реагируют с клеточными субстратами (например, холестерином, ненасыщенными липидами, гетероароматическими аминокислотами), образуя из них свободные радикалы. Их последующее окисление кислородом в опухолевых тканях (чере5 образование пероксидных радикалов, гидропероксидов и их расщепление до токсических производных) приводит к гибели раковой клетки без затрагивания здоровых клеток организма.  [c.100]

    Продолжают открывать новые, причем, как правило, неожиданные свойства фуллеренов. Большой интерес вызывает сообщение химиков из Манчестера. Они помешали бакиболы Сбо в поры цеолита, имеющего параллельные цилиндрические каналы, а затем освещали их синим светом аргонового лазера. Экспериментаторы ожидали, что на выходе будет слабое инфракрасное излучение — чистые кристаллы бакиболов интенсивно переизлучают именно в этом диапазоне. Но оказалось, что в цеолитах углеродные шары переизлучают в видимой части спекфа — свечение видно невооруженным глазом. А так как тепло не вьщеляется, то на эту часть спектра приходится основная часть излучения. Почему это происходит пока не ясно. Предполагают, что элекфоны, заключенные в область размером 1,25 нм [c.155]

    Оказалось, что в этом ряду можно поставить во взаимно-однозначное соответствие ряд углеродных кластеров С о, С28, С ), Сто, Ст так, что число фаней (О) в Сфуктуре нз бора равно числу вершин (V) в фуллерене, а число фаней в фуллерене равно числу вершин в бораие. Из формулы Эйлера следует, что количество ребер (К) у каждой пары полиэдров одинаково. Ученые считают, что бороводородные аналоги бакиболов тоже будут обладать полезными свойствами и следует попытаться их синтезировать, испаряя лазером соединения бора с металлами в присутствии водорода. [c.167]

    Аналитические применения лазеров основаны по крайней мере на одном из следующих свойств монохроматичность, когерентность, высокая плотность мощности (или поток). Примером использования монохроматичности служит резонансная ионизационная масс-спектрометрия (РИМС, см. разд. 8.5) и спектроскопия комбинационного рассеяния (см. разд. 9.2 и 10.5). Высокий поток используют для лазерной абляции (см. разд. 8.1 и 8.5). [c.688]

    Ванадаты элементов I—III групп используются для получения люминофоров с белым свечением и со свечением в любом диапазоне видимого света, для применения в ртутных лампах высокого и низкого давления, для цветных и обычных кинескопов. Описаны лазеры на основе орто-ванадатов V, Ьа, Оё, Ьи. В сельском хозяйстве растворимые соли мышьяковистованадиевой кислоты используют в качестве фунгисидов и инсектисидов. Текстильная промышленность применяет ванадаты в качестве протрав при крашении хлопчатобумажных тканей. В медицине применение ванадия основано на окислительных и антисептических свойствах его соединений. Соединения ванадия широко используются в стекольной и керамической промышленности благодаря их разнообразной окраске, а также в фотографии и кинематографии в качестве проявителей, сенсибилизаторов и красителей фильмов и отпечатков. [c.17]

    Автоматический капиллярный реометр МРТ постоянной скорости фирмы Монсанто предназначен для оценки качества, реологических свойств и технологичности резиновых смесей путем измерения значений вязкости и релаксации напряжения при различных скоростях сдвига и температурах. Реометр МРТ рекомендуется и для оценки шприцуемости резиновых смесей, которая характеризуется усадкой и разбуханием экструдированного потока при выходе из пшриц- машины, измеряемым с помощью лазера.  [c.449]

    В настоящее время уровень развития теории химии твердых тел позволяет целенаправленно синтезировать новые материалы, а также прогнозировать их физико-химические свойства. Например, важнейшая часть рубинового лазера — кристалл рубина, который преобразует полихроматическое излучение в монохроматическое— когерентный луч. Химический состав и структура рубина соответствуют -корунду. Характерной окраске и специфическим свойствам такой кристалл обязан примесным ионам Сг + (примесь 0,05% СгзОз), которые замещают часть ионов АР+. Облучение инициирует колебание ионов Сг +, которые генерируют вторичное уже когерентное излучение. Остальная масса кристалла играет пассивную роль — является проводящей прозрачной средой. Поэтому при создании ла.черов материаловедческая задача выглядела так рабочий кристалл должен быть прозрачен для света и [c.49]

    Быстрое развитие голографии в начале 60-х гг., тесно связанное с применением лазеров, привело к идее создания голографических запоминающих устройств. До сих пор еще не найден идеальный оптический регистрирующий материал, который удовлетворял бы всем техническим требованиям, таким, как чувствительность, быстродействие, сохранение информации и др. Пока приоритет сохраняется за несколько необычным классом материалов так называемых электрооптических кристаллов. Здесь особо следует выделить нецентросимметричные кристаллы, обладающие сег-нетоэлектрическими свойствами, например ниобат лития ЫЫЬОз. Голографическую запись первоначально осуществляли на чистых кристаллах ниобата лития. Однако такой материал обладает очень низкой чувствительностью к записи. Качество записи удалось резко повысить при легировании кристаллов ниобата лития ионами переходных элементов, например ионами железа. Голограммы, записанные на монокристаллах сегнетоэлектриков, обладают различной стабильностью — от нескольких секунд, например материал на основе Ва2ЫаЫЬ5015, до многих недель (иМЬОз, легированный ионами железа). [c.159]

    Среди материалов, обладающих электрическими свойствами, обычно рассматр йвают проводники, полупроводники и диэлектрики. Различия между ними определяются характером химической связи и структурой энергетических зон, возникающих в результате взаимодействия атомов или ионов, составляющих кристаллическую решетку. Энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла в отличие от диэлектрика характеризуется более узкой полосой запрещенных энергий. Некоторые важнейшие полупроводниковые материалы для электронной техники уже были рассмотрены (германий, кремний, арсенид галлия). В то же время существует много перспективных соединений типа А В (А —Оа, 1п В -8Ь, Аз, Р) и А В1 (А11-2п, Сс1, Hg В -5, 8е, Те). Первые из них обладают исключительно высокой подвижностью носителей заряда, а вторые позволяют в широком интервале изменять ширину запрещенной зоны. Среди диэлектриков со специальными свойствами в первую очередь следует выделить сегнето- и пьезоэлектрические материалы для квантовой электроники, включая активные среды лазеров и мазеров. Первые из них склонны к поляризации только пол влиянием внешних механических воз- [c. 164]

    Глаиа 17. Оптические свойства. Люминесценция и лазеры [c.331]

Свойства лазерного излучения — Chemistry LibreTexts

Свойства лазерного излучения I

• Лазерное излучение почти монохроматично. Монохроматический относится к одной длине волны или «одному цвету» света. Лазерное излучение имеет узкую полосу длин волн и может быть получено ближе к монохроматическому, чем свет из других источников.
• Лазерное излучение сильно направлено. Излучение представляет собой пучок, который является пространственно узким и имеет низкую расходимость по сравнению с другими источниками света.
• Лазерное излучение имеет высокую степень когерентности , что означает, что излучаемые световые волны имеют постоянную относительную фазу. Волны света в лазерном луче считаются синфазными в каждой точке. Степень когерентности пропорциональна диапазону длин волн светового луча или монохроматичности луча. Лазерное излучение имеет как пространственную , так и временную когерентность, характеризуемую длиной когерентности и временем когерентности .

Когерентность

\ [\ tau_ {cor} = \ dfrac {1} {2 \ pi Δν} \]

Свойства лазерного излучения II

• Лазерное излучение имеет высокую яркость , величина определяется как мощность, излучаемая на единицу площади поверхности на единицу телесного угла. Поскольку лазерный свет излучается в виде узкого луча с небольшой расходимостью, яркость лазерной указки мощностью 1 мВт, например, на> 1000 раз больше, чем у солнца, которое излучает более 10 ²⁵ Вт мощности излучения. ^а .
• Лазерный выход может быть непрерывным или импульсным. Лазеры непрерывной волны (CW) характеризуются своей средней мощностью , , тогда как пиковая мощность , энергия на импульс и частота повторения импульсов являются показателями качества, которые применимы к импульсным лазерам. Ширина импульса в диапазоне нс-пс используется более регулярно, чем импульсы в фс, и могут генерироваться аттосекундные импульсы. Импульс длительностью 10 фс с энергией всего 10 мДж имеет пиковую мощность 10 ¹² Вт, или 1 ТВт!

Свойства лазерного излучения III

• Узкий диапазон излучаемых частот или длин волн называется полосой пропускания лазера . Этот выходной сигнал определяется спектрально-эмиссионными свойствами усиливающей среды и модами, поддерживаемыми резонатором.
• Когда полоса пропускания усиливающей среды больше, чем расстояние между модами резонатора, выходной сигнал лазера состоит из серии узких спектральных полос (см. Следующий рисунок и «Свойства лазерного излучения IV» ниже).

• Моды резонатора развиваются как следствие свойств отражения света и интерференции.В простейшем случае резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, допустимые осевые моды имеют длину волны λ = 2L / q, где L — длина резонатора, а q — целое число. {2}} {c} \ right) \ Delta v \]

  , где λ _o — это центральная длина волны полосы, а c — скорость света.HeNe-лазер, работающий на длине волны 632,8 нм, имеет полосу усиления 1,5 ГГц или 0,002 нм. Когда полоса пропускания усиливающей среды на меньше на , чем интервал мод резонатора, выходной сигнал лазера состоит из одномодового излучения и работает как одночастотный лазер ^c .

  • HeNe-лазер с длиной резонатора 20 см имеет межмодовый интервал Δν = 750 МГц или Δλ = 0,001 нм. HeNe-лазеры часто оснащены и используют одночастотный режим ^{c, d} .
  • Синхронизация мод ^e обеспечивает фиксированное фазовое соотношение между модами лазерного резонатора и приводит к импульсному выходу. См. [2,7,8,9] для получения более подробной информации о синхронизации мод и методах получения ультракоротких лазерных импульсов и других аспектах работы одночастотного лазера.

  Какие свойства у лазера?

  Введение

  LASER означает «Усиление света за счет вынужденного излучения».Свойства Laser объясняются ниже.

  Свойства лазера

  Лазерный свет проявляет некоторые специфические свойства по сравнению с обычным светом, которые делают его уникальным. Давайте изучим факторы, которые выделяют лазерный свет. Это

  • Монохроматический
  • Когерентность
  • Направленность
  • Высокая интенсивность или яркость

  1. Монохроматический

  Монохроматический свет — это свет, содержащий один цвет или длину волны.Свет, излучаемый обычными источниками света, имеет разную энергию, частоту, длину волны или цвет. Но лазерный свет имеет одну длину волны или цвет.

  Лазерный свет охватывает очень узкий диапазон частот или длин волн. Это может быть связано со стимулированными характеристиками лазерного света. Ширина полосы обычного монохроматического источника света составляет 1000 Å. Но ширина полосы пропускания обычного источника света составляет 10 Å. Для высокочувствительного лазерного источника это 10 ^-8 Å.

  2. Согласованность

  Предсказуемая корреляция амплитуды и фазы в любой точке с другой точкой называется когерентностью. Это означает, что если две или более волн одной и той же частоты находятся в одной фазе или имеют постоянную разность фаз, то эти волны называются когерентными по своей природе. .

  В случае обычного света свойство когерентности проявляется между источником и его виртуальным источником, тогда как в случае лазера свойство когерентности существует между любыми двумя или более световыми волнами.Есть два типа согласованности. Временная согласованность и пространственная согласованность.

  Рисунок: Несогласованность и согласованность

  3. Направленность

  Световой луч, исходящий от обычного источника света, распространяется во всех направлениях, но лазерный свет распространяется в одном направлении. Например, свет, излучаемый фонариком, распространяется на 1 км и распространяется на 1 км. Но лазерный свет распространяется на несколько сантиметров, даже если он проходит не километры.

  Направленность лазерного луча выражается в расходимости

  Где r ₁ и r ₂ — радиусы пятен лазерного луча на расстояниях D ₁ и D ₂ соответственно от лазерного источника.

  4. Высокая интенсивность или яркость

  Лазерный свет более интенсивен, чем обычный свет. Мы знаем, что интенсивность волны — это энергия в единицу времени, протекающая через определенную область.He-Ne-лазер мощностью 1 милливатт более интенсивен, чем интенсивность солнечного излучения. Это связано с когерентностью и направленностью лазера.

  Предположим, что, когда два фотона амплитуды a каждый находятся в фазе с другим, тогда действует принцип суперпозиции Юнга, результирующая амплитуда двух фотонов равна 2a, а интенсивность равна 4a ² . Поскольку в лазере большое количество фотонов находится в фазе друг с другом, амплитуда результирующей волны становится na и, следовательно, интенсивность лазера пропорциональна n ² a ² .Таким образом, He-Ne-лазер мощностью 1 мВт более интенсивен, чем солнце.

  Заинтересованы в изучении схожих тем? Вот несколько специально отобранных для вас блогов!

  Характеристики лазера

  Лазер
  свет имеет четыре уникальные характеристики, которые отличают его
  от обычного света: это

  • Согласованность
  • Направленность
  • Монохроматический
  • Высокая
    интенсивность

  Когерентность

  ср
  знать, что видимый свет излучается, когда возбужденные электроны
  (электроны на более высоком уровне энергии) прыгнули в более низкий
  уровень энергии (основное состояние). Процесс движения электронов
  с более высокого уровня энергии на более низкий уровень энергии или ниже
  уровень энергии до более высокого уровня энергии называется электронным
  переход.

  В
  обычные источники света (лампа, натриевая лампа и фонарик),
  электронный переход происходит естественно. Другими словами,
  электронный переход в обычных источниках света является случайным в
  время.Фотоны, испускаемые обычными источниками света, имеют
  разные энергии, частоты, длины волн или цвета.
  Следовательно, световые волны обычных источников света имеют много
  длины волн. Следовательно, фотоны, испускаемые обычным светом
  источник не в фазе.

  В
  В лазере электронный переход происходит искусственно. В других
  Словом, в лазере переход электрона происходит в специфических
  время.Все фотоны, испускаемые в лазере, имеют одинаковую энергию,
  частота или длина волны. Следовательно, световые волны лазера
  свет имеет одну длину волны или цвет. Следовательно
  длины волн лазерного света синфазны в пространстве и
  время. В лазере используется метод, называемый вынужденным излучением.
  используется для получения света.

  Таким образом,
  свет, генерируемый лазером, очень когерентен.Из-за этого
  согласованности, большое количество энергии может быть сконцентрировано в
  узкое пространство.

  Направленность

  В
  общепринятый
  источники света (лампа, натриевая лампа и фонарик), фотоны
  будет двигаться в случайном направлении. Поэтому эти световые
  источники излучают свет во всех направлениях.

  Вкл.
  с другой стороны, в лазере все фотоны будут перемещаться в одном направлении.
  направление.Таким образом, лазер излучает свет только в одном
  направление. Это называется направленностью лазерного света. В
  ширина лазерного луча чрезвычайно мала. Следовательно, лазер
  Луч может перемещаться на большие расстояния без распространения.

  Если
  обычный свет проходит расстояние 2 км, распространяется на
  около 2 км в диаметре. С другой стороны, если лазер
  свет проходит расстояние 2 км, распространяется на
  диаметр менее 2 см.

  Монохромный

  Монохроматический
  светлый
  означает свет, содержащий один цвет или длину волны. В
  фотоны, испускаемые обычными источниками света, имеют разные
  энергии, частоты, длины волн или цвета. Следовательно
  световые волны обычных источников света имеют много длин волн
  или цвета. Следовательно, обычный свет представляет собой смесь волн.
  имеющие разные частоты или длины волн.

  Вкл.
  с другой стороны, в лазере все испускаемые фотоны имеют
  та же энергия, частота или длина волны. Следовательно, свет
  Волны лазера имеют одну длину волны или цвет. Следовательно,
  лазерный свет охватывает очень узкий диапазон частот или
  длины волн.

  Высокая
  Интенсивность

  Вы
  знать, что интенсивность волны — это энергия на единицу
  время, протекающее через единицу нормальной площади. В обычном
  источник света, свет распространяется равномерно по всей
  направления.

  Если
  вы смотрите на 100-ваттную лампу накаливания с расстояния 30
  см, мощность, попадающая в ваш глаз, составляет менее 1/1000 от
  ватт.

  В
  лазер, свет распространяется в небольшой области пространства и в
  малый диапазон длин волн.Следовательно, лазерный свет имеет большую
  интенсивность по сравнению с обычным светом.

  Если
  вы смотрите прямо на луч лазера (осторожно:
  не делайте этого), тогда вся мощность лазера будет входить
  твой глаз. Таким образом,
  даже лазер мощностью 1 Вт выглядел бы во много тысяч раз больше
  интенсивная, чем обычная лампа мощностью 100 Вт.

  Таким образом,
  эти четыре свойства лазерного луча позволяют нам резать огромные
  блок из стали плавлением. Они также используются для записи
  и воспроизведение большой информации на компакт-диске (CD).

  Раздел 2.2: Свойства лазерных лучей

  Раздел 2.2: Свойства лазерных лучей

  Раздел 2.2: Свойства лазерных лучей

  Монохроматичность:

  Это свойство связано со следующими двумя факторами. Первый,
  только ЭМ волна частоты n
  ₀ = (E2-E1) / ч может быть усилен, n
  ₀ имеет определенный диапазон, который называется шириной линии, эта ширина линии равна
  определяется однородными факторами уширения и неоднородными факторами уширения,
  в результате ширина линии будет
  очень маленький по сравнению с обычными фарами.Во-вторых, резонатор лазера образует резонансный
  системы колебания могут происходить только на резонансных частотах этой полости.
  Это приводит к дальнейшему сужению ширины лазерной линии, сужение может
  быть на 10 порядков! Таким образом, лазерный свет обычно очень чистый в
  длины волны, мы говорим, что она обладает свойством монохроматичности.

  Когерентность:

  Для любой электромагнитной волны существует два вида когерентности:
  а именно пространственная и временная согласованность.

  Рассмотрим две точки, которые в момент времени t = 0 лежат
  на одном и том же волновом фронте некоторой данной ЭМ волны разность фаз ЭМ
  волна в двух точках в момент времени t = 0 равна k0. Если для любого времени t> 0 фаза
  разница электромагнитной волны в двух точках остается k0, мы говорим, что электромагнитная волна
  имеет идеальную согласованность между двумя точками. Если это верно для любых двух
  точками фронта волны, мы говорим, что волна имеет идеальную пространственную когерентность.
  На практике пространственная когерентность возникает только в ограниченной области, мы говорим
  это частичная пространственная когерентность.

  Теперь рассмотрим неподвижную точку на фронте электромагнитной волны.
  Если в любой момент разность фаз между временем t и временем t + dt остается
  то же самое, где «dt» — период задержки времени, мы говорим, что ЭМ волна
  имеет временную когерентность в течение времени dt. Если dt может быть любым значением, мы говорим
  ЭМ волна имеет идеальную временную когерентность. Если это происходит только в диапазоне
  0

  Здесь мы подчеркиваем, что пространственная и временная когерентность
  независимый.Частичная временная когерентная волна может быть идеально пространственно когерентной.
  Лазерный свет обладает высокой когерентностью, и это свойство широко используется в измерениях,
  голография и др.

  Рисунок 2.1: частичная временная когерентность

  Дивергенция
  и направленность:

  Лазерный луч сильно направлен, что подразумевает лазерный свет
  имеет очень небольшое расхождение. Это прямое следствие того, что лазер
  луч идет из резонатора, и только волны, распространяющиеся вдоль оптического
  ось может поддерживаться в полости.Направленность описывается
  угол расходимости светового пучка. Пожалуйста, попробуйте рисунок ниже, чтобы увидеть взаимосвязь
  между дивергенцией и оптическими системами.

  Для идеального пространственного когерентного света луч с диаметром апертуры
  D будет иметь неизбежное расхождение из-за дифракции. От дифракции
  теория, угол расхождения q _d
  является:

  q _d =
  б л
  / D

  Где l
  и D — длина волны и диаметр пучка соответственно, b
  — коэффициент, значение которого около единицы и зависит от типа света.
  распределение амплитуд и определение диаметра пучка.q _d
  называется дифракционной расходимостью.

  G2.1: факторы влияют на расхождение

  Если луч частично пространственно когерентный, его расходимость
  больше, чем расходимость, ограниченная дифракцией. В этом случае расхождение
  становится:

  д = б
  л / (сбн) ^1/2

  где Sc — площадь когерентности.

  Пример:
  Для лазерного излучения с длиной волны l
  = 1. 06 * 10 ^-3 мм, D = 3 мм, б
  = 1,1, тогда

  г
  _г = б
  л
  /D=1.1*1.06*10 ^-3 /3=0,3887*10 ^-3 рад = 0,022269 °
  . Сравните это значение с обычным фонариком, расхождение около 25 °.
  , прожектор имеет угол расхождения 10 °
  , очевидна высокая направленность лазерного излучения.

  Яркость:

  Яркость источника света определяется как
  мощность, излучаемая на единицу площади поверхности на единицу телесного угла.Лазерный луч
  мощности P, с круглым поперечным сечением пучка диаметром D и расходимостью
  угол q и результат
  телесный угол выброса p
  q ² , то
  яркость лазерного луча составляет:

  В = 4П / (п
  Dq) ²

  Максимальная яркость достигается при идеальном луче
  пространственно-когерентный.

  Bmax = 4P / (p
  фунт
  ) ²

  В случае ограниченной дифракции (q
  _d = l b
  / D, D = l b
  / д _д , д
  _г = q)

  Вы знаете, почему лазерный источник света намного ярче обычного? Нажмите
  послушать ответ.

  G2.2:
  Почему лазерный источник света намного ярче обычного источника света?

  Примечание. Для прослушивания необходимо выбрать «Открыть файл».
  к аудио сразу

  [Характеристики лазерного излучения] — PubMed

  Лазер — одно из величайших технических открытий 20 века. Это важно в фундаментальных науках, но особенно в диагностике и терапии различных патологических состояний человеческого организма.Это электромагнитное излучение, а не рентгеновское излучение, и поэтому не ожидается, что оно вызовет новое поколение ятрогенных злокачественных новообразований. Лазер находится между инфракрасным и ультрафиолетовым в спектре, в основном в видимом спектре света. Свойства лазерного света: монохромность (один и тот же цвет), когерентность (все световые волны находятся в фазе как в пространстве, так и во времени), коллимация (все лучи параллельны друг другу и существенно не расходятся даже на больших расстояниях). Лазеры были впервые изобретены Эйнштейном в 1917 году, когда он написал свою «Zur Quantum Theorie der Strahlung» (квантовую теорию излучения), в которой перечислялись концепции стимулированного и спонтанного излучения и поглощения.Доктора Артур Шавлов и Чарльз Таунс в 1956 году распространили лазеры на оптический диапазон частот, а Майман в 1960 году применил первый лазер, в котором в качестве активной среды использовался рубин (рубиновый лазер). Лазер — это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Чтобы понять аббревиатуру, необходимо понять основы физики атома. Однако, если атом, который находится в возбужденном состоянии, сталкивается с другим фотоном энергии, прежде чем он возвращается в основное состояние, образуются два фотона с одинаковой частотой и энергией, движущиеся в том же направлении и в идеальной пространственной и временной гармонии.Это явление называется вынужденным излучением. Внешний источник энергии вызывает чрезмерное возбуждение атомов в лазерной среде, так что количество атомов, обладающих верхними энергетическими уровнями, превышает количество атомов на энергетическом уровне мощности, состояние, называемое инверсией населенности. Эта «система накачки», передающая атомам дополнительную энергию, может быть оптической, механической или химической. Эти атомы в гипервозбужденном состоянии спонтанно испускают фотоны света. Лазерная камера или оптический резонатор содержит активную лазерную среду, которая обычно определяет название каждого лазера.Обычно используются четыре типа материалов для генерации. В твердотельных лазерах используется твердый матричный материал, например кристалл рубина. В газовых лазерах используется газ или смесь газов, таких как гелий, аргон и CO2. В лазерах на красителях используется сложный органический краситель в жидком растворе или суспензии, такой как родамин. Полупроводниковые лазеры используют два слоя полупроводниковых веществ, таких как арсенид галлия.

  Документ без названия

  Документ без названия

  Основные свойства лазера
  Свет

  Из-за самой природы стимулированного излучения и
  Конфигурация лазерного резонатора, лазеры обладают четырьмя фундаментальными свойствами. Лазерный свет: 1) монохроматический ; 2) коллимированный ; 3) когерентный ;
  и 4) поляризованный .

  1. МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ

  Лазерный свет состоит только из одной длины волны. Этот
  свойство связано со следующими двумя обстоятельствами: (1) только электромагнитная волна
  частота n может быть усилена. (2) Поскольку двухзеркальное устройство образует резонансный
  полости, колебания могут происходить только на резонансных частотах этой полости.(Svelto)

  2. ОБЪЕДИНЕННЫЕ

  Лазерный свет обычно содержит только параллельные лучи.
  Это свойство является прямым следствием того, что активная среда
  помещен в резонаторную полость. Только волна, распространяющаяся в направлении, ортогональном
  к зеркалам может усиливаться (и, следовательно, поддерживаться) в резонаторе.

  3. COHERENT

  Световые волны лазера движутся синхронно друг с другом.

  1) Пространственная когерентность : Пространственная когерентность означает
  что существует фиксированное фазовое соотношение между разделенными частями света
  поперек, а не вдоль балки. Это означает, что волновые фронты, которые
  не более чем линии, соединяющие одну и ту же фазу волны поперек луча,
  гладкие и предсказуемые для пространственно когерентного света и случайно неровные
  и непредсказуемо для некогерентного света.

  2) Temporal Coherence : Временная когерентность означает
  что существует фиксированное фазовое соотношение между частями излучаемого света
  в разное время, что определяется только временным интервалом. Это
  то же самое, что сказать, что цуги волн, излучаемые когерентным во времени
  источник очень длинный и непрерывный. Тогда можно быть уверенным, что, рассчитывая вперед
  или назад на целое число длин волн, можно найти волну в том же
  этап в качестве отправной точки. У временно некогерентного света есть коротковолновые шлейфы.
  со случайными интервалами между ними, так что перемещение целого числа длин волн
  вдоль волны помещает один в фазу волны, которую нельзя предсказать.
  (Вальдман)

  4. ПОЛЯРИЗАЦИЯ

  Мы уже обсуждали понятие поляризации
  более подробно в модуле I. Из-за
  характер вынужденного излучения направление колебаний электрического
  поле генерируемого света находится в одной плоскости.Таким образом, лазерный свет обычно
  линейно поляризован.

  Чем лазерный свет отличается от обычного света

  Солнце, звезды и огонь — естественные источники обычного света. Мы распознаем свет, воспринимаемый человеческим глазом, как белый, будь то свет лампы или солнца. Однако мы не замечаем спектра цветов, составляющих белый, кроме как через призму, с помощью которой свет может быть разложен на различные составляющие.

  Давайте узнаем, чем отличается обычный свет от лазерного.

  Фонарь обыкновенный

  Обычные источники света в основном излучают полихроматический свет, и их излучение является пространственным. Источник обычного света случайным образом испускает множество лучей во всех направлениях. Обычный свет состоит из смеси лучей с разными длинами волн, где каждая длина волны соответствует одному цвету, который регистрируют ваши глаза.

  Тогда почему лазерный свет отличается от обычного света?

  Потому что лазерный луч:

  • Монохроматический — он содержит только одну определенную длину волны и, следовательно, один цвет.
  • Когерентный — движение всех фотонов скоординировано.
  • Направленный — лазерный луч очень узкий, концентрированный и поэтому является источником высокой интенсивности.

  Лазер (усиление света за счет вынужденного испускания излучения) — это искусственный источник светового излучения, излучающий когерентный пучок фотонов, так как источник стабилен по частоте, длине волны и мощности. В отличие от света, излучаемого обычными источниками, такими как лампочки, лазерный свет в основном монохроматический, т.е.е. только одна конкретная длина волны (цвет).

  Когда мы говорим о высокомонохроматических лазерах, мы считаем, что ширина линии пучка очень мала. Вы можете использовать эти лазеры, в частности, для таких приложений, как лазерная спектроскопия или связь с оптическими волокнами в волоконной связи.

  Обратите внимание на другие типы источников света: источники некогерентного света (лампочки, светодиоды, звезды). Эти источники производят излучение путем спонтанного излучения во всех направлениях, с разбросом длин волн и без взаимосвязи между отдельными фотонами.Спонтанное излучение — случайный процесс. С другой стороны, лазеры используют стимулированное излучение, производя фотоны с идентичными свойствами (все фотоны движутся с одинаковой длиной волны и направлением).

  Вы можете быть удивлены тем фактом, что измеренная ширина линии реальных твердотельных лазеров, таких как YAG-лазеры с диодной накачкой, составляет <1 кГц. Это не главное. Фактически, ширина линии менее 1 Гц также достижима за счет подавления влияния внешнего шума. Лазеры с узкой шириной линии используются в голографии, частотной метрологии, а также в области обнаружения и определения дальности (LIDAR).

  Лазерный луч обладает высокой когерентностью, что означает, что электромагнитные волны находятся в одной фазе друг с другом и распространяются в одном направлении. Вы можете получить лазерный луч высокой интенсивности и направленности путем суперпозиции электромагнитных волн, которые находятся в фазе. Такой высоконаправленный луч можно сфокусировать на очень острой точке, что невозможно при обычном свете.

  Однако настоящий лазерный свет не является чисто направленным, потому что некоторые эффекты распространения могут исказить лазерный луч, особенно если он взаимодействует с нелинейной средой.Когда вы распространяете лазерный луч, он расширяется с расстоянием. Чтобы достичь адекватного размера и направленности луча, вам необходимо дополнительно точно контролировать, измерять и направлять лазерный луч с помощью линз и зеркал.

  Свойства лазерного излучения используются повсюду вокруг нас

  Особые свойства искусственного света, получаемого с помощью лазеров, позволяют передавать данные на сотни миль со скоростью до терабит в секунду с помощью удобного когерентного источника с одной длиной волны. В настоящее время вы можете передавать данные с помощью лазерных лучей с помощью технологии оптики в свободном пространстве на умеренные расстояния со скоростью передачи данных многих Гбит / с.

  Лазер также стал важным исследовательским инструментом и нашел свое применение во многих областях, таких как коррекция зрения, повышение резкости астрономических изображений из космоса, тестирование молекулы ДНК и получение чистой энергии с помощью лазерного синтеза атомов.

  С момента открытия лазера было присуждено более 30 Нобелевских премий в области естественных наук за научные открытия, непосредственно связанные с лазерами. В 2018 году Донна Стрикленд стала второй женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике за свою работу над ультракороткими и высокоинтенсивными лазерными импульсами. Точное и точное измерение свойств лазера является ключом к таким исследованиям, поэтому Gentec-EO разрабатывает и производит высокоточные измерители мощности лазера и измерители энергии лазера.

  Gentec-EO

  Gentec Electro-Optics специализируется на измерении и анализе лазерных лучей и терагерцовых источников. Обладая выдающимся 50-летним опытом инноваций, разработки и предоставления новейших технологий на лазерный рынок, Gentec-EO стала экспертом в области измерения лазерного луча.Gentec-EO предлагает широчайший спектр готовых и нестандартных решений для всех видов лазерных приложений, от фабрики до больницы, лаборатории и исследовательского центра, и готов служить вам сейчас и в будущем.

  Больше от этого автора

  .