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

принцип работы и характеристики лазерного излучения

Принципы работы и механизм излучения

Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.

Основные параметры и характеристики лазерного излучения

Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e²: это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.

Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.

Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический

Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.

Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода

Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.

Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).

Чувствительность / видность. Видность пятна лазерного излучения (глазом или другим приемником) зависит от соотношения сигнала к шуму. Отношение сигнал/шум рассчитывается как мощность сигнала лазера к фоновому излучению (шуму). Чем выше соотношение сигнал/шум, тем легче распознается пятно на матрице приемника. Пик чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны 550 нм, то есть чем ближе длина волны к этому значению, тем отчетливее и контрастнее будут восприниматься сигналы глазом – это важно для приложений, использующих преимущественно видимый диапазон. В случае, если в качестве приемника берется камера, целесообразно использовать специальные фильтры, увеличивающие соотношение сигнал/шум и объективы с ограничением поля зрения. Также важно правильно подбирать диапазон излучения источника к спектральной чувствительности приемника. На рис. 3 показана относительная спектральная чувствительность глаза к различным длинам волн.

Рисунок 3. Относительная спектральная чувствительность глаза

Время работы. Время работы лазера или срок службы зависит от срока работы источника питания. Обычно источник подбирается таким образом, чтобы при минимальном напряжении лазер проработал как можно дольше. Теплопоглощающие радиаторы рекомендуется использовать при подводимых напряжениях, близким к предельно допустимым. Снижение температуры источника питания позволяет продлить срок службы излучающего прибора, который обычно составляет от 10 до 20 тысяч часов.

Комплектующие к лазерным системам

Проекционные головки. Проекционные головки устанавливаются на внешней части лазера и предназначены для формирования различных испытательных сигналов: одиночных линий, пересекающихся линий, мультиплетов и растровых матриц.

Пространственные фильтры. Пространственные фильтры предназначены для минимизации пространственного шума, причины которого многочисленны – пылинки на линзах, микронеровности, неоднородность покрытий и т. д, особенно часто они наблюдается в пучках, прошедших через линзы или объективы. Для очистки пучка применяют диафрагмы (пинхолы). Размер отверстия диафрагмы подбирается таким образом, чтобы основной лазерный пучок проходил через отверстие, а рассеянный свет сдерживался. В таком случае из пространственного фильтра выходит чистый, однородный пучок.

Лазерная оптика. Мощности лазерного излучения могут достигать высочайших пределов, что накладывает не менее высокие требования к параметрам оптических компонентов, используемых в лазерных установках: безукоризненное качество рабочих поверхностей линз и зеркал, строгие допуски и высокий порог повреждения. Перед запуском установки рекомендуется проводить экспертизу компонентов на наличие повреждений.

Измерительное оборудование. Измерительное оборудование –  инструменты для проведения спецификации источников почти по любым параметрам. Наиболее часто применяются измерители мощности, визуализаторы, различные приемники излучения.

Устройства расширения пучка. В некоторых приложениях требуется произвести расширение параллельных пучков, существуют специальные приборы, которые легко справляются с этой задачей. Угол отклонения при этом останется минимальным, несмотря на увеличение диаметра.

Установка и юстировка лазерных источников

Варианты установки диода. Существует несколько способов установки и юстировки лазерных диодов: например, с помощью специализированных держателей. Благодаря установленным подвижкам, можно точно позиционировать прибор. Также существуют юстировочные платформы различных типов, которые наиболее широко применяются для юстировки диодов, применяемых для накачки He-Ne лазеров. Необходимо помнить, что диоды очень чувствительны к перепадам температур, поэтому рекомендуется использовать теплоизолирующие системы.

Юстировка и позиционирование. В паспорте любого прибора содержатся все необходимые сведения и интервалы, рекомендуемые к соблюдению при юстировке, так называемая «точность наведения». Точность наведения – это угловая разность между осью распространения (вдоль которой проходит лазерный пучок) и механической осью (определяется геометрией корпуса). Контроль этих допусков часто осуществляется специальными регулировочными винтами. Рисунок 4 демонстрирует влияние ошибки точности наведения в лазере.

Рисунок 4. Ошибка наведения в лазере

Замечание. Если используется V-образная платформа, то для численной оценки точности наведения лазерной установки достаточно просто вращать корпус. Пока ошибка не будет устранена, пятно на экране будет описывать траекторию окружности. Соотношение между радиусом окружности и расстоянием от выходного зрачка до экрана и является угловой мерой ошибки наведения (на рис. 4 проиллюстрирована ошибка наведения, D – расстояние от выходного зрачка до экрана, R – радиус окружности). Оценив угол, остается повернуть источник на этот угол и перейти к следующему этапу.

Лазерные диоды и He-Ne лазеры

Подбирая источник, многие сталкиваются с выбором между диодным источником и He-Ne лазером. Разумеется, выбирая тот или иной источник, необходимо следовать требованиям конкретного приложения, конкретной установки. Ниже приведена сравнительная таблица основных параметров He-Ne лазеров и лазерных диодных модулей.

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

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

Что такое лазер, принцип работы лазеров и их применение

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

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

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

Как расшифровывается?

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

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

Кто изобрел лазер?

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

Эйнштейн

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

Майман

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

Басов, Прохоров и Таунс

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

Наши дни

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

ПРинцип работы лазера

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

Как создается лазерный луч?

• 1-я стадия — выключенный лазер.

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

• 2-я стадия — момент после включения.

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

• 3-я стадия — возникновение луча.

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

Резкость фокусировки

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

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

Физическое обоснование

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

Активная среда

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

Энергетические уровни атомов

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

Инверсная заселенность

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

Фотоны и световой пучок

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

Классификация лазеров

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

Твердотельные лазеры

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

Газовые лазеры

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

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

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

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

Жидкостные лазеры

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

Полупроводниковые лазеры

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

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

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

Лазеры в природе

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

Свойства лазерного излучения

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

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

Применение лазеров

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

Технологические лазеры

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

Лазерная связь

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

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

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

Применение лазеров в медицине

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

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

Современные научные исследования

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

Военные лазеры

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

Лазеры в индустрии развлечений

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

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

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

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

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

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

Лазеры в сфере транспорта

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

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

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

Лазерные гаджеты

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

Применение лазеров в спорте

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

Выводы

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

Мир современных материалов — Принципы работы лазера

Лазер (от англ. «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор — это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения: монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). 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 компонент лазера.

 Спектр лазерного излучения. Монохроматичность.

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры (например, полупроводниковые с вращающейся дифракционной решеткой в качестве выходного зеркала) могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»). На рис. 1 для иллюстрации данного свойства приведены спектры излучения Солнца (на уровне внешних слоев атмосферы и на уровне моря) и полупроводникового лазера производства компании Thorlabs.

Рис. 1. Спектры излучения Солнца и полупроводникового лазера.

Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии (ширина может быть задана как отстройка по длине волны или частоте от максимума интенсивности). Обычно спектральная ширина задается по уровню 1/2 (FWHM), 1/e или 1/10 от максимума интенсивности. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра. Для специалистов отметим, что ширина лазерной линии может быть на порядки уже ширины линии спонтанного излучения, что также является одной из отличительных характеристик лазера (по сравнению, например, с люминесцентными и суперлюминесцентными источниками).

Когерентность лазерного излучения

Монохроматичность – важное, но не единственное свойство лазерного излучения. Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность. Обычно говорят о пространственной и временной когерентности.

Представим себе, что лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 2). После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Можно разделить лазерный пучок и по-другому: вместо полупрозрачного зеркала поставить полностью отражающую поверхность, но перекрыть ей не весь пучок, а только часть его (рис. 2). Тогда будет наблюдаться взаимодействие излучения, которое распространялось в разных частях пучка. Максимальное расстояние между точками пучка, излучение в которых будет интерферировать, называется длиной поперечной когерентности лазерного пучка. Конечно, для многих лазеров длина поперечной когерентности просто равна диаметру пучка лазерного излучения.

Рис. 2. К объяснению понятий временной и пространственной когерентности

Угловая расходимость лазерного излучения. Параметр M².

Как бы мы ни стремились сделать пучок лазерного излучения параллельным, он всегда будет иметь ненулевую угловую расходимость. Минимальный возможный угол расходимости лазерного излучения α_d («дифракционный предел») по порядку величины определяется выражением:

α_d ~ λ/D,         (1)

где λ — длина волны лазерного излучения, а D – ширина пучка, вышедшего из лазера. Легко подсчитать, что при длине волны 0.5 мкм (зеленое излучение) и ширине лазерного луча 5 мм угол расходимости составит ~10^-4 рад, или 1/200 градуса. Несмотря на столь  малое значение, угловая расходимость может оказаться критичным для некоторых приложений (например, для использования лазеров в боевых спутниковых системах), поскольку оно задает верхний предел достижимой плотности мощности лазерного излучения.

В целом качество лазерного пучка можно задать параметром M². Пусть минимально достижимая площадь пятна, создаваемого идеальной линзой при фокусировке гауссова пучка, равна S. Тогда если та же линза фокусирует пучок от данного лазера в пятно площади S₁ > S, параметр M² лазерного излучения равен:

M² = S₁/S         (2)

Для наиболее качественных лазерных систем параметр M² близок к единице (в частности, в продаже имеются лазеры с параметром M², равным 1.05). Надо, однако, иметь в виду, что далеко не для всех классов лазеров на сегодняшний день достижимо низкое значение этого параметра, что надо учитывать при выборе класса лазера для конкретной задачи.

Мы вкратце привели основные свойства лазерного излучения. Опишем теперь на основные компоненты лазера: среду с инверсной населенностью, лазерный резонатор, накачку лазера, а также схему лазерных уровней.

  Среда с инверсной населенностью. Схема лазерных уровней. Квантовый выход.

Основным элементом, преобразующим энергию внешнего источника (электрическую, энергию нелазерного излучения, энергию дополнительного лазера накачки) в световую, является среда, в которой создана инверсная населенность пары уровней. Термин «инверсная населенность» означает, что определенная доля структурных частиц среды (молекул, атомов или ионов) переведена в возбужденное состояние, причем для некоторой пары энергетических уровней этих частиц (верхний и нижний лазерный уровни) на верхнем по энергии уровне находится больше частиц, чем на нижнем.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 3), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 3. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней, однако, в классическом приближении невозможно[1]. Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень, с которого частицы за короткое время релаксируют к более низкому значению энергии — верхнему лазерному уровню. В лазерную генерацию вовлекается также один из нижележащих уровней — основное состояние атома в трехуровневой схеме или промежуточное — в четырехуровневой (рис. 4). Четырехуровневая схема оказывается более предпочтительной в силу того, что промежуточный уровень обычно населен гораздо меньшим количеством частиц, чем основное состояние, соответственно создать инверсную населенность (превышение числа возбужденных частиц над числом атомов на нижнем лазерном уровне) оказывается гораздо проще (для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии).

Рис. 4. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Особой структурой энергетических уровней обладают полупроводниковые лазеры. В процесс генерации излучения в полупроводниковых лазерах вовлечены электроны двух зон полупроводника, однако благодаря примесям, формирующим светоизлучающий p-n переход, границы этих зон в разных участках диода оказываются сдвинутыми друг относительно друга. Инверсная населенность в области p-n перехода в таких лазерах создается за счет перетекания электронов в область перехода из зоны проводимости n‑участка и дырок из валентной зоны p‑участка. Подробнее о полупроводниковых лазерах можно прочитать в специальной литературе.

В современных лазерах применяются различные методы создания инверсной населенности, или накачки лазера.

Накачка лазера. Способы накачки.

Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс называется накачкой лазера. Существует несколько основных методов накачки, применимость которых в конкретном лазере зависит от рода активной среды. Так, для эксимерных и некоторых газовых лазеров, работающих в импульсном режиме (например, CO₂ — лазера) возможно возбуждение молекул лазерной среды электрическим разрядом. В непрерывных газовых лазерах для накачки можно использовать тлеющий разряд. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется за счет приложения напряжения к p‑n переходу лазера. Для твердотельных лазеров можно использовать некогерентный источник излучения (лампу-вспышку, линейку или массив светоизлучающих диодов) или другой лазер, длина волны которого соответствует разности энергий основного и возбужденного состояний примесного атома (в твердотельных лазерах, как правило, лазерная генерация возникает на атомах или ионах примеси, растворенных в сетке матрицы — например, для рубинового лазера активной примесью являются ионы хрома).

Обобщая, можно сказать, что метод накачки лазера определяется его типом и особенностями активного центра генерирующей среды. Как правило, для каждого конкретного типа лазеров имеется наиболее эффективный метод накачки, который и определяет тип и конструкцию системы подвода энергии к активной среде.

Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации, хотя на их основе уже можно построить некоторые устройства (например, усилитель или суперлюминесцентный источник излучения). Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора. Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

exp(a×2L) = R₁×R₂×exp(g×2L)×X,        (3)

где L = длина активной среды, a — коэффициент усиления в активной среде, R₁ и R₂ — коэффициенты отражения зеркал резонатора и g — «серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды). Последний множитель «X» обозначает все прочие потери, присутствующие в лазере (например, в лазер может быть введен специальный поглощающий элемент, чтобы лазер генерировал импульсы малой длительности), при их отсутствии он равен 1. Чтобы получить условие развития лазерной генерации из спонтанно излученных фотонов, очевидно, равенство надо заменить знаком «>».

Из равенства (3) вытекает следующее правило для выбора выходного лазерного зеркала: если коэффициент усиления излучения активной средой с учетом серых потерь (a-g)×L мал, коэффициент отражения выходного зеркала R₁ должен быть выбран большим, чтобы лазерная генерация не затухала из-за выхода излучения из резонатора. Если же коэффициент усиления достаточно велик, обычно имеет смысл выбрать меньшее значение R₁, поскольку высокий коэффициент отражения будет приводить к повышению интенсивности излучения внутри резонатора, что может сказаться на времени жизни лазера.

Однако резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 5. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами; устойчивый резонатор и

стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.

Мы кратко описали минимальный необходимый набор элементов для создания лазера и основные особенности лазерного излучения.

Вас также может заинтересовать:

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.

как устроены, физика, виды, принцип действия и области использования

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

Что такое лазер

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

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

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

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

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

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

Принцип работы лазера

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

Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:

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

Как создается лазерный луч

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

Источник: light-fizika.ru

Свойства лазерного излучения

Основными свойствами являются:

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

Типы лазеров

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

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

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

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

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

Газовые лазеры подразделяются на:

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

Современные газовые лазеры бывают:

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

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

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

Области применения лазерных технологий

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

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

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

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

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

Источник: alternativa-mc.ru

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

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

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

Результаты изучения антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм в эксперименте

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время клиническая хирургия имеет в своем арсенале достаточно большой спектр средств физической антисептики, основывающихся на использовании источников «высоких энергий». Вместе с тем эффективность большинства из них сводится к созданию на раневой поверхности неблагоприятного для микроорганизмов высокого температурного режима, что параллельно негативно сказывается на жизнеспособности собственных тканей. Антисептические свойства отдельных видов физических агентов, в частности лазерного излучения, изучены сегодня недостаточно.

Повреждающее действие лазера на биологический объект зависит от длины волны, длительности импульсов, мощности излучения, а также свойств и структуры облучаемых объектов. В настоящее время влияние этого рода излучений на микроорганизмы еще мало изучено. Проведенные исследования показывают, что реакция на воздействие лазерного излучения у микроорганизмов может различаться значительно. В зависимости от природы спектра, мощности излучений и продолжительности облучения можно получить как стимулирующий, так и ингибирующий, и летальный эффекты. С нашей точки зрения, это направление использования лазерного излучения представляет теоретический и практический интерес.

ЦЕЛЬ

Изучение антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм в ИК-диапазоне, генерируемого медицинским аппаратом Mediola Compact.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Антимикробная активность лазерного излучения оценена в количественном суспензионном методе на деревянных тест-объектах в отношении тест-культуры E. сoli АТСС 11229, P. аeruginosa АТСС 9027, S. аureus АТСС 25923. Воздействие производилось излучением 1560 нм с использованием оптического фокусатора, позволяющего получать равномерное «пятно» лазерного излучения диаметром от 1 до 3 см. Выбран диапазон температурного режима прогрева облучаемой поверхности от 41 до 91 0С, контроль степени нагрева осуществлялся цифровым мультиметром М4583/2Ц.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты воздействия лазерного излучения на жизнеспособность тест-культур отражены в табл. 1–3.

Таблица 1. Испытания антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм в отношении тест-культуры E. сoli АТСС 11229

Таблица 2. Испытания антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм отношении тест-культуры S. аureus АТСС 25923

Таблица 3. Испытания антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм в отношении тест-культуры P. аeruginosa АТСС 9027

Наиболее интересны нам были данные, полученные в диапазоне прогрева инфицированной поверхности в промежутке от 41 до 51 0С, при этом наблюдался эффект деконтаминации с фактором редукции микробного роста от 0,6 до 2,14 в отношении изученных тест-культур при испытанном режиме работы прибора.

ВЫВОД

Полученный эффект угнетения роста микроорганизмов лазерным излучением 1560 нм в температурном интервале от 41 до 51 0С, где не происходит девитализация собственных тканей человеческого организма, дает основание для разработки и применения методик лазерной деконтаминации раневых инфицированных поверхностей в их комплексном лечении.

Результаты изучения антимикробной активности лазерного излучения 1560 нм в эксперименте2012-03-072018-03-14/wp-content/uploads/2018/10/mediola_logo-01.svgMediola/wp-content/uploads/2018/10/mediola_logo-01.svg200px200px

Свойства лазеров — Физика

Лаура Викунья. 15 мая 2015 года.

Я решил написать этот отчет на тему лазеров. На протяжении всего курса я узнал о свете, понимая его взаимодействие с материей и поведение на атомном уровне. Я хотел использовать этот подход, чтобы узнать о лазерах.

Я сузил свой вопрос до «Какие свойства лазеров отличают их от других источников света тем, что они могут использоваться в лазерной резке и литографии?»

Лазеры — это лучи света, которые сосредоточены в одной точке.Эта точность, а также сфокусированная энергия — вот что дает лазерам возможность прорезать материал.

Моя гипотеза основана на наблюдениях с помощью лазерных указателей или на том, что я видел по телевизору. Я хочу понять, что дает лазерам возможность прорезать материал в отличие от других источников света.

Лазер определяется как «устройство, которое излучает высококонцентрированный узкий луч света, который усиливается до большой яркости с помощью стимулированного излучения».

Солнечный свет состоит из различных длин волн или цветов.Однако лазерный свет имеет только одну длину волны. Это свойство делает лазеры одноцветными, то есть одноцветными. Еще одно свойство лазеров заключается в том, что все длины волн находятся в фазе, что означает, что они излучают вместе. Это свойство называется когерентностью. Лазерный свет распространяется в одном направлении, параллельно друг другу. Это то, что делает лазерные лучи очень узкими и сосредоточенными в одном месте, а не рассеянными, как в случае с другим светом. Это свойство делает лазеры коллимированными.

Стимулированное излучение

Когда электрон возбужден с более низкого энергетического уровня на более высокий, он в конечном итоге захочет вернуться в свое более низкое энергетическое состояние.Когда он это сделает, он испустит фотон. Этот процесс называется спонтанным излучением. Вынужденное излучение — это процесс, с помощью которого падающий фотон может взаимодействовать с возбужденным атомным электроном. Это взаимодействие создает новый фотон той же энергии с идентичной фазой, частотой, поляризацией и направлением.

Рисунок 1. Вынужденное излучение

Однако этот процесс превышает поглощение, при котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но противоположный атомный переход.Это происходит потому, что электронов с более низкими энергетическими состояниями больше, чем с более высокими. Когда присутствует инверсия населенностей, то есть в возбужденных состояниях больше электронов, чем в состояниях с более низкой энергией, скорость вынужденного излучения превышает скорость поглощения, и возможно оптическое усиление. Это предпосылка для усиления света в лазерах. Это то, что придает лазерам свойство когерентности и способность непрерывно излучать свет.

Рисунок 2.Когерентность света

Лазер заставляет множество атомов испускать триллионы фотонов одновременно, чтобы они могли выстроиться в линию, чтобы сформировать концентрированный световой луч. Когда фотон попадает в уже возбужденный атом, возбужденный атом испускает два фотона света. Это называется вынужденным излучением, которое усиливает фотон.

Коллимация

Свет от лазера испускается в виде тонкого луча, сосредоточенного в одной точке. Мы говорим, что луч сильно коллимирован. Это происходит потому, что резонатор лазера имеет два почти параллельных зеркала спереди и сзади, от которых атомы отскакивают назад и вперед.Заднее зеркало почти идеально отражается, в то время как переднее зеркало отражает около 99%, пропуская 1% луча. Этот 1% и есть луч, который мы видим. В то время как свет отражается между зеркалами, он усиливается за счет вынужденного излучения. Это показано на рисунке ниже.

Рис. 3. Отражение атомов в луче

Лазер — это устройство, которое излучает узкий высококонцентрированный луч света, который усиливается с помощью стимулированного излучения.Лазеры обладают тремя свойствами: когерентностью, коллимацией и монохроматическими свойствами. Эти три свойства лазера создают небольшую точку фокусировки высокой мощности. Эта сфокусированная мощность делает лазерный свет полезным для резки и сварки. Также можно очень точно управлять лазерным светом, поэтому он полезен при проведении хирургических операций на глазах.

По сравнению с другими источниками света, такими как фонарики, электрическая энергия преобразуется в видимый свет. Однако свет от лазеров создается за счет возбуждения электронов в более высокие состояния (усиление света).Фонарик излучает свет путем спонтанного излучения, то есть процесса, при котором электроны испускают фотоны при переходе из состояния более высокого уровня в состояние более низкого уровня. Лазеры излучают свет посредством стимулированного излучения, которое испускает фотоны, которые находятся в фазе друг с другом, что придает лазерам свойство когерентности. Свет, исходящий от фонарика, не является когерентным. Когерентное свойство лазера — это то, что позволяет ему преодолевать большие расстояния. Лазерный луч можно направить на Луну. Лазеры также не распространяются, как свет от фонарика, поэтому он концентрируется в одной точке.

Какие новые вопросы возникли в результате вашего поиска?

1. «Что такое лазер?» :: Космическое пространство НАСА. N.p., n.d. Интернет. 16 мая 2015 г.

2. «Лазеры». Как работают лазеры? N.p., n.d. Интернет. 16 мая 2015 г.
3. «Что такое лазер?» Что такое лазер? Интернет. 16 мая 2015 г.
4. «Вынужденное излучение». Википедия. Фонд Викимедиа, без даты. Интернет. 16 мая 2015 г.
5. «Квантовые свойства света». Квантовые свойства света. N.p., n.d. Интернет. 16 мая 2015 г.
6. «Мир лазеров». Свойства лазеров. N.p., n.d. Интернет. 16 мая 2015 г.

Войдите, чтобы комментировать.

Характеристики лазера

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

• Когерентность
• Направленность
• Монохромный
• 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 энергетического уровня называется электронным
переход.

В
обычные источники света (лампа, натриевая лампа и фонарик),
электронный переход происходит естественным образом. 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 другом
словами, 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
свет
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 лампу накаливания мощностью 100 Вт 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 больше
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).

[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 вернется в основное состояние, образуются два фотона одинаковой частоты и энергии, движущиеся в одном 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, 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.

Характеристики лазерного излучения

Пространственные и временные профили

Лучи, выходящие из лазерного резонатора, имеют распределение интенсивности, которое имеет как поперечный пространственный профиль, так и временной профиль.Пространственный профиль в основном определяется поперечной модой резонатора и может быть осесимметричным. Каждая поперечная мода имеет различное пространственное распределение; регулировки зеркал лазерного резонатора вместе с вставкой апертуры внутри резонатора могут использоваться для избирательного ослабления нежелательных мод. Поперечная мода низшего порядка (TEM ₀₀ ), которая движется вниз по центральной оси резонатора, часто является желательной модой, поскольку она распространяется с наименьшей расходимостью пучка и может быть сфокусирована в наиболее узкое пятно (см. Раздел ниже, посвященный коллимации. ).Лазер, который работает в основном режиме или режиме ТЕМ ₀₀ , будет излучать поперечный профиль луча, описываемый функцией Гаусса. Специфика этого профиля интенсивности, а также его эволюция с расстоянием будут описаны в разделе «Пространственные профили лазерного луча».

Некоторые лазеры работают в режиме непрерывной волны (или CW ), где временной профиль их выходной мощности постоянен во времени (см. Раздел ниже о выходной мощности). И наоборот, другие лазеры работают в импульсном режиме, так что их выходная мощность имеет нестационарный временной профиль.Эти лазеры часто характеризуются формой и шириной их временных профилей и, поскольку они обычно излучают серию импульсов, их частотой следования, которая выражается в Гц. Импульсные лазеры полезны для многих различных приложений, где свойств лазера CW недостаточно. Существует множество методов генерации импульсов (подробно описанных в разделе «Методы работы импульсного лазера»), которые позволяют использовать длительность импульса от микросекунд (мкс), наносекунд (нс), пикосекунд (пс) до фемтосекунд (фс) и ниже.

Коллимация

Из-за дифракции свет, излучаемый любым источником, будет расходиться. То есть его поперечный пространственный профиль будет увеличиваться по мере того, как он перемещается или распространяется на большее расстояние. Лазерные лучи обычно имеют гораздо меньшую расходимость, чем любой другой источник света, что является еще одним способом сказать, что лазерный луч сильно коллимирован. Коллимированный свет содержит очень направленные фотоны, распространяющиеся параллельно друг другу. Высокая степень коллимации лазерного луча возникает из-за параллельности зеркал резонатора, что заставляет луч быть перпендикулярным этим зеркалам.Мода ТЕМ ₀₀ обладает самой низкой расходимостью из всех поперечных мод. Распространение гауссова луча, связанного с этой модой, показано на рисунке 3. Из-за своей незначительной расходимости сильно коллимированный лазерный свет позволяет использовать широкий спектр приложений, включая зондирование атмосферы, адаптивную оптику для астрономических телескопов и даже лунный лазер для определения дальности, где Луч распространяется на Луну. Интересно, что высокая степень направленности лазера также может использоваться для фокусировки его до небольшого размера пятна (см. Рисунок 3).Посредством передачи коллимированной поперечной моды TEM ₀₀ через фокусирующий элемент, такой как линза или изогнутое зеркало, диаметр луча может быть уменьшен до диаметра, который приблизительно равен размеру длины волны лазера. Эта способность точно фокусировать лазерный свет на пятно небольшого размера с большой интенсивностью используется для приложений в микроскопии высокого разрешения, нелинейной оптике, фотолитографии и даже ядерном синтезе.

Основы лазера

Основы лазера
[индекс]

Лазер
Основы
Роберт Олдрич

ТАБЛИЦА
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И РАБОТА ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРА
ХАРАКТЕРИСТИКИ
МАТЕРИАЛЫ

ВВЕДЕНИЕ

Слово «лазер»
это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of
Радиация.Лазеры находят все больше военных
приложения — в основном для целеуказания, управления огнем,
и обучение. Эти лазеры называются дальномерами, целями.
обозначения и имитаторы стрельбы прямой наводкой. Лазеры также
используется в связи, лазерных радарах (LIDAR), системах посадки,
лазерные указатели, системы наведения, сканеры, металлообработка,
фотография, голография и медицина.

В этом документе слово «лазер» будет ограничено
устройства, испускающие электромагнитное излучение, использующие свет
усиление за счет вынужденного излучения излучения на длинах волн
от 180 нм до 1 миллиметра.Электромагнитный спектр
включает энергию от гамма-лучей до электричества. фигура 1
показывает полный электромагнитный спектр и длины волн
различные регионы.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Основные длины волн
лазерного излучения для современных военных и коммерческих
приложения включают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное
области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров
состоит из длин волн от 180 до 400 нм.Видимый
область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700
нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасный
область спектра состоит из излучения с длинами волн
от 700 нм до 1 мм. Лазерное излучение поглощается кожей
проникает всего в несколько слоев. В глазу видно и рядом
инфракрасное излучение проходит через роговицу и фокусируется на
и поглощается сетчаткой. Это длина волны света
который определяет видимое ощущение цвета: фиолетовый при 400 нм,
красный на 700 нм, а другие цвета видимого спектра в
между.Когда излучение поглощается, влияние на поглощающую
биологическая ткань бывает фотохимической, термической или
механический: в ультрафиолетовой области действие в первую очередь
фотохимический; в инфракрасной области действие в первую очередь
термический; а в видимой области присутствуют оба эффекта.
Когда интенсивность излучения достаточно высока, повреждение
к впитывающей ткани.

ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

Базовое понимание того, как работает лазер, помогает в
понимание опасностей при использовании лазерного устройства.фигура 2
показывает, что электромагнитное излучение испускается всякий раз, когда
заряженная частица, такая как электрон, отдает энергию. Этот
происходит каждый раз, когда электрон падает из более высокого энергетического состояния,
в более низкое энергетическое состояние, в атоме или ионе как
происходит в люминесцентном свете. Это также происходит из-за изменений в
колебательное или вращательное состояние молекул.

Цвет света определяется его частотой или
длина волны. Более короткие длины волн — это ультрафиолет и
более длинные волны — инфракрасные.Самая маленькая частица
энергия света описывается квантовой механикой как фотон. В
энергия фотона E определяется его частотой,
и постоянная Планка h.

Скорость света в вакууме c составляет 300 миллионов метров.
в секунду. Длина волны света связана с
из следующего уравнения:

Разница уровней энергии, на которой возбужденное
Электронные капли определяют длину волны излучаемого света.

Рис. 2. Излучение атома при переходе
электрон из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией

КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

Как показано на рисунке 3, три основных компонента лазера
являются:

• Материал генерации (кристалл, газ, полупроводник, краситель,
  и т.д …)
• Источник накачки (добавляет энергию к материалу генерации, например
  лампа-вспышка, электрический ток вызывает электрон
  столкновения, излучение лазера и т. д.)
• Оптический резонатор, состоящий из отражателей, служащих
  механизм обратной связи для усиления света

Рис. 3. Схема твердотельного лазера

Электроны в атомах материала генерации обычно находятся
в установившемся более низком энергетическом уровне. Когда световая энергия от
лампа-вспышка добавляется к атомам материала генерации,
большинство электронов возбуждены до более высокого энергетического уровня —
явление, известное как инверсия населения.Это нестабильный
условие для этих электронов. В этом состоянии они останутся
короткое время, а затем возвращаются в исходное энергетическое состояние.
Этот распад происходит двумя способами: спонтанный распад — электроны
просто падают в свое основное состояние при случайном излучении
направленные фотоны; и вынужденный распад — фотоны от
самопроизвольно распадающиеся электроны сталкиваются с другими возбужденными электронами
что заставляет их упасть в основное состояние. Это стимулировало
переход высвободит энергию в виде фотонов света
которые движутся синфазно на той же длине волны и в том же
направление как падающий фотон.Если направление параллельно
оптической оси, излучаемые фотоны перемещаются вперед и назад в
оптический резонатор через материал генерации между
полностью отражающее зеркало и частично отражающее зеркало.
Таким образом, световая энергия усиливается до тех пор, пока не станет достаточно
энергия накапливается для передачи лазерного излучения
через частично отражающее зеркало.

Как показано на рисунке 4, лазерная среда должна иметь по крайней мере один
возбужденное (метастабильное) состояние, в котором электроны могут задерживаться на длительное время
достаточно (микросекунд в миллисекунды) для инверсии населенности
происходить.Хотя лазерное воздействие возможно только с двумя энергиями
уровней, большинство лазеров имеют четыре или более уровней.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

Q-переключатель на оптическом пути — это метод обеспечения лазерного
импульсы очень короткой продолжительности. Вращающаяся призма как
полный отражатель на рисунке 3 был одним из первых методов обеспечения
Модуляция добротности. Только в точке вращения, когда есть четкое
оптический путь позволит пройти световой энергии.Обычно
непрозрачное электрооптическое устройство (например, ячейка Поккельса) в настоящее время часто
используется для устройства Q-переключения. Во время напряжения
приложение, устройство становится прозрачным, свет накапливается
в резонаторе возбужденные атомы могут тогда достичь зеркала, так что
Качество резонатора Q увеличивается до высокого уровня и излучает высокий
пиковая мощность лазерного импульса длительностью несколько наносекунд. Когда
фазы разных частотных режимов лазера синхронизированы
(заблокированы вместе), эти режимы будут мешать друг другу и
создать эффект удара.В результате получается лазерный выход с
регулярные пульсации, называемые «синхронизацией мод». Режим
синхронизированные лазеры обычно производят серию импульсов длительностью
от нескольких пикосекунд до наносекунд, что приводит к более высокой пиковой мощности
чем тот же лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Импульсный
лазеры часто предназначены для генерации повторяющихся импульсов. Пульс
частота повторения прф, а также ширина импульса крайне
важно при оценке биологических эффектов.

ВИДЫ
ЛАЗЕРОВ

Лазерный диод представляет собой светодиод с оптическим
резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны, которая
существует в полупроводниках, как показано на рисунке 5.Их можно настроить
изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.

Рис. 5. Схема полупроводникового лазера

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в лазер.
полость, как показано на рисунке 6. Напряжение (внешний источник накачки)
применяется к трубке, чтобы возбуждать атомы в газе до
инверсия населения. Свет, излучаемый этим типом лазера
обычно непрерывная волна (CW). Следует отметить, что если
к газоразрядной трубке прикреплены угловые окна заварного механизма,
некоторое лазерное излучение может отражаться сбоку от лазера
полость.В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, используется
камера сгорания и сверхзвуковое сопло для населения
инверсия.

Рисунок 6. Схема газового лазера

На рисунке 7 показана схема лазера на красителе. Лазеры на красителях используют
активный материал в жидкой суспензии. Ячейка красителя содержит
лазерная среда. Многие красители или жидкие суспензии токсичны.

Рис. 7. Общая схема лазера на красителях

Лазеры на свободных электронах, такие как на рисунке 8, обладают способностью
генерируют длины волн от микроволнового до рентгеновского диапазона.Они
работать, имея электронный луч в проходе оптического резонатора
через магнитное поле вигглера. Произошла смена направления
магнитным полем электронов заставляет их излучать
фотоны.

Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

Геометрия лазерного луча отображает поперечный электромагнитный (ТЕМ)
волновые структуры в луче, похожие на микроволны в волне
гид. На рисунке 9 показаны некоторые распространенные моды ПЭМ в поперечном сечении
лазерный луч.

Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

Можно рассматривать лазер, работающий в режиме
как два лазера, работающих бок о бок.Идеальный режим для большинства
лазерные приложения — это режим, и этот режим
обычно предполагается, что легко выполнить анализ опасностей, связанных с лазерным излучением. Свет
от обычного источника света чрезвычайно широкополосный
(содержащий длины волн в электромагнитном спектре). Если
нужно было установить фильтр, который позволял бы только очень узкий
полоса длин волн перед белым или широкополосным светом
источника, только один светлый цвет будет виден на выходе из
фильтр. Свет от лазера похож на свет, видимый из
фильтр.Однако вместо узкой полосы длин волн нет
из которых доминирует, как и в случае с фильтром, есть
гораздо более узкая ширина линии около излучаемой доминирующей центральной частоты
от лазера. Цвет или длина волны излучаемого света
зависит от типа используемого материала для генерации. Например,
если используется кристалл неодима: иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG)
в качестве материала для генерации будет использоваться свет с длиной волны 1064 нм.
быть испущенным. В таблице 1 показаны различные типы материалов.
в настоящее время используется для генерации, и длины волн, излучаемые
этот тип лазера.Обратите внимание, что некоторые материалы и газы
способен излучать более одной длины волны. Длина волны
излучаемый свет в этом случае зависит от оптического
конфигурация лазера.

Таблица 1. Общие лазеры и их
Длины волн

Свет от обычного источника света расходится или распространяется
быстро, как показано на рисунке 10.Интенсивность может быть большой
в источнике, но он быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя
из первоисточника.

Рис. 10. Расхождение обычного источника света

Напротив, выход лазера, показанный на рисунке 11, имеет
очень малая расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча более
большие расстояния. Таким образом, относительно маломощные лазеры могут
излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче
чем можно получить от гораздо более мощного обычного света
источники.

Рис. 11. Расходимость лазерного источника

Например, лазер, способный доставлять импульс 100 мДж в
20 нс имеет пиковую мощность 5 миллионов ватт. Лазер CW будет
обычно световая энергия выражается в ваттах, а импульсный
мощность лазера обычно выражается в джоулях. С
энергия не может быть создана или уничтожена, количество энергии
имеющееся в вакууме на выходе лазера будет таким же
количество энергии, содержащейся в луче в какой-то момент
вниз по диапазону (с некоторыми потерями в атмосфере).Рисунок 12.
иллюстрирует типичный лазерный луч. Количество доступной энергии
в пределах зоны отбора проб будет значительно меньше, чем
количество энергии, доступной в луче. Например, 100 мВт
выходная мощность лазера может иметь 40 мВт в пределах 1
площадь образца. Энергия излучения в этом примере составляет 40 мВт /.

Рис. 12. Иллюстрация освещенности

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Материалы могут отражать, поглощать и / или пропускать световые лучи.Отражение света лучше всего иллюстрирует зеркало. Если свет
лучи падают на зеркало, почти вся энергия падает на
зеркало будет отражено. На рисунке 13 показано, как пластик или
поверхность стекла будет воздействовать на падающий световой луч. Сумма
переданная, поглощенная и отраженная энергия будет равна количеству
энергии, падающей на поверхность.

Поверхность является зеркальной (зеркальной), если размер поверхности
несовершенства и вариации намного меньше длины волны
падающего оптического излучения.Когда неровности случайны
ориентированы и намного больше длины волны, то
поверхность считается диффузной. В промежуточной области это

иногда необходимо учитывать диффузную и зеркальную составляющие
в отдельности.

Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

Плоская зеркальная поверхность не изменит расхождения
падающий световой луч значительно. Однако изогнутые зеркальные
поверхности могут изменить расхождение. Сумма, которую
расхождение изменяется в зависимости от кривизны
поверхность.На рисунке 14 показаны эти два типа поверхностей и
как они будут отражать падающий лазерный луч. Расхождение и
кривизна отражателя была увеличена в лучшую сторону
проиллюстрировать эффекты. Обратите внимание, что значение освещенности
на определенном расстоянии от отражателя будет меньше
после отражения от изогнутой поверхности, чем при отражении от
плоская поверхность, если изогнутый отражатель не фокусирует луч
рядом или в этом диапазоне.

Диффузная поверхность — это поверхность, которая будет отражать падающий
лазерный луч во всех направлениях.Путь луча не выдерживается
когда лазерный луч попадает на диффузный отражатель. Будь
поверхность представляет собой диффузный отражатель или зеркальный отражатель будет
зависят от длины волны падающего лазерного луча. Поверхность
это был бы диффузный отражатель для видимого лазерного луча.
быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча (например,
). Как показано на рисунке 15, влияние различной кривизны
диффузных отражателей мало влияет на отраженный
луч.

Если свет падает на границу раздела двух
передающей средой (как интерфейс воздух-стекло), немного света будет
передаваться, в то время как некоторые будут отражаться от поверхности.Если
на границе раздела энергия не поглощается, T + R = 1, где T и R
— доли интенсивности падающего пучка, которые
передается и отражается. T и R называются трансмиссией.
и коэффициенты отражения соответственно. Эти коэффициенты
зависят не только от свойств материала и
длины волны излучения, но и от угла наклона
заболеваемость. Количество падающего светового луча, которое
отражается, а количество, передаваемое через материал,
в дальнейшем зависит от поляризации светового луча.

Угол, который образует падающий луч излучения с
нормали к поверхности определяют угол преломления и
угол отражения (угол отражения равен углу
заболеваемости). Связь между углом падения (
), а угол преломления (‘) составляет

где n и n ‘- показатели преломления сред,
падающий и прошедший лучи проходят соответственно (см.
рисунок 13).

Рис. 14. Зеркальные отражатели

Рисунок 15. Диффузные отражатели

ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.

Уникальные свойства лазеров в искусстве

Задумывались ли вы о свете, особенно о свете, усиленном вынужденным излучением? Наверное, нет, но вы можете подумать, что лазеры — это круто, и захотите узнать о них больше. Если это так, то на самом деле у вас есть , рассматриваемый L ight A , усиленный S с таймером E миссия R — это аббревиатура от лазера! Кто знал?!

С тех пор, как в 1960 году был продемонстрирован первый лазер, они произвели революцию в нашей жизни — от повышения точности и эффективности в таких отраслях, как здравоохранение, сельское хозяйство и производство, до улучшения впечатлений, таких как живые концерты и выступления.

В ARTECHOUSE мы используем лазеры как среду для создания произведений искусства. В нашей инсталляции Нематериальные формы художник Шохей Фудзимото манипулирует лазерами и световыми лучами, создавая завораживающие впечатления. Он считает, что яркость лазера очень велика, и использует его уникальные свойства для создания «визуальных экспериментов».

Так что же делает лазеры таким уникальным источником света? Мы сотрудничали с Laser Classroom и The Optical Society, чтобы помочь нам разобраться в том, что делает лазеры такими особенными.

Уникальное свойство лазеров №1: лазеры монохроматические

Лазеры уникальны, потому что они монохроматичны, что является причудливым способом сказать, что они состоят только из одной длины волны света. Это уникально, потому что большинство известных нам источников света, таких как солнце, лампочка и даже светодиодный экран, состоят из нескольких длин волн света.

Уникальное свойство лазеров # 2: лазеры когерентны

Лазеры уникальны, потому что они когерентны, что по существу означает, что все их волны находятся в фазе друг с другом, или, синхронизированы — пики и впадины волн все выравниваются и никогда не пересекаются.

Уникальное свойство лазеров # 3: лазеры коллимированы

Лазеры уникальны, потому что они коллимированы. То есть лазерный свет распространяется очень узким лучом. Это уникально, потому что большинство из того, что мы видим, рассредоточено и сильно расходится от своего источника.

Уникальное свойство лазеров №4: лазеры действительно яркие

Лазеры уникальны, потому что они безумно яркие, ярче яркого солнца! Вот почему так важно никогда не смотреть прямо на лазер.

Лазеры в искусстве

Очень специфическая природа лазеров открывает целый мир абстрактного визуального языка и уникальных иммерсивных сенсорных ощущений, которые такие художники, как Шохей Фудзимото, создают в своем искусстве.

Все эти особые качества лазеров приводят к получению очень яркого сплошного луча света.

Для Шохея Фудзимото эта интенсивность позволяет ему создавать визуальные формы с помощью света, которые одновременно нематериальны, но почти кажутся осязаемыми для глаза.

Лучше всего это видно при пустом количестве в один #, когда лазерный куб выглядит почти сплошной рамкой, постоянно плавающей перед проекцией.

Неосязаемые характеристики лазера # во многом зависят от яркости, прямой и одноцветности лазерного луча. Природа лазерного света позволяет Шохею Фудзимото создавать движения и формы, простые, но четкие. Используя прямые линии света, он может создавать движущиеся столбы, узоры и сетки, а также волнообразные волны, кривые и сферы.

Ярко-красные световые лучи, представленные в нематериальных формах , также позволяют Шохею Фудзимото играть с тем, что он называет полями, то есть с отсутствием света, когда он исчезает в темноте.

В результате общее оптическое восприятие является очень соблазнительным и гипнотическим. Посетителям предлагается погрузиться в движения и узоры, которые представляет лазер.

С помощью лазеров мы можем начать открывать целый мир абстракции, погружения и изменяющего жанры художественного дискурса — трех неотъемлемых элементов работы Шохея Фудзимото Нематериальные формы .

Нематериальные формы Шохеи Фудзимото будут доступны для просмотра до 14 октября 2020 г. Забронируйте сейчас.

Часто задаваемые вопросы о лазерах

Что такое лазер?

Laser означает L ight A mplification за счет S Timulated E миссии R .Один из основных типов лазеров состоит из герметичной трубки, содержащей пару зеркал, и лазерной среды, которая возбуждается некоторой формой энергии для получения видимого света или невидимого ультрафиолетового или инфракрасного излучения.

Есть много разных типов лазеров, и каждый использует свой тип лазерной среды. Обычные лазерные среды включают газы, такие как аргон или смесь гелия и неона, твердые кристаллы, такие как рубин, и жидкие красители или химические вещества. Когда энергия прикладывается к лазерной среде, она возбуждается и выделяет энергию в виде световых частиц (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметичной трубки либо отражает, либо пропускает свет (см. Иллюстрацию ниже) в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждый лазерный носитель излучает луч уникальной длины волны и цвета.

Лазер

Для чего используются лазеры?

Лазеры используются для различных целей, включая указание объектов во время презентации, выравнивание материалов на строительных площадках и в доме, а также врачами для косметических и хирургических процедур.Многие предметы, с которыми вы сталкиваетесь ежедневно, используют лазеры, включая проигрыватели компакт-дисков и DVD; сканеры штрих-кода; стоматологические сверла; инструменты с лазерным наведением, например нивелиры; и лазерные указки.

Почему лазеры однозначно опасны?

Две характеристики лазерного света способствуют возникновению опасности:

• Лазерный свет может испускаться узким лучом, который не увеличивается в размерах на расстоянии от лазера. Это означает, что одинаковая степень опасности может присутствовать как вблизи, так и вдали от лазера.
• Глаз может сфокусировать лазерный луч на очень маленькое интенсивное пятно на сетчатке, которое может привести к ожогу или слепому пятну.

Что вы подразумеваете под лазерным «излучением»? Проходит ли он через тело или вызывает рак?

Некоторые лазеры испускают излучение в виде света. Другие излучают невидимое для глаза излучение, например ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. В общем, лазерное излучение само по себе не вредно и во взаимодействии с телом ведет себя так же, как обычный свет.Не следует путать лазерное излучение с радиоволнами, микроволнами, ионизирующим рентгеновским излучением или излучением радиоактивных веществ, таких как радий.

Все ли лазеры разрешены для потребительского использования?

Нет. Некоторые лазеры предназначены исключительно для использования профессионалами в области медицины, промышленности или индустрии развлечений и должны использоваться только лицами, имеющими соответствующую подготовку и лицензии.

FDA требует наличия этикеток на большинстве лазерных продуктов, содержащих предупреждение о лазерном излучении и других опасностях, а также заявление, подтверждающее, что лазер соответствует правилам безопасности FDA.На этикетке также должна быть указана выходная мощность и класс опасности продукта. Бытовые лазерные изделия обычно относятся к классам I, II и IIIa, а лазеры для профессионального использования могут относиться к классам IIIb и IV.

Что означают разные классификации лазеров?

Классы лазерной опасности

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) признает четыре основных класса опасности (от I до IV) лазеров, включая три подкласса (IIa, IIIa и IIIb). Чем выше класс, тем мощнее лазер и потенциально может представлять серьезную опасность при неправильном использовании.Маркировка для классов II – IV должна включать предупреждающий символ, который указывает класс и выходную мощность продукта. Приблизительные эквивалентные классы МЭК включены для продуктов, маркированных в соответствии с системой классификации Международной электротехнической комиссии.

Что такое лазерные указки?

Лазерные указатели — это инструменты, используемые для указания объектов или местоположений, которые в соответствии с правилами FDA определены как «лазерные устройства для съемки, нивелирования и выравнивания». Их обычно используют во время лекций и презентаций по астрономии, также очень популярны лазерные указки, встроенные в спиртовые уровни и ручные инструменты.В последние годы лазерные указки стали легко доступны и обычно продаются в магазинах бытовой техники, домашних животных, хобби и канцелярских товаров.

Безопасны ли лазерные указки?

При правильном использовании лазерные указатели представляют минимальный риск, если соответствуют пределам мощности лазера. Лазерные указки используются неправильно, когда их направляют в глаза или рассматривают как игрушки. Световая энергия лазерной указки, направленная в глаз, может быть более опасной, чем прямой взгляд на солнце. Кроме того, поразительный эффект яркого луча света, направленного на человека, управляющего автомобилем или работающего с другими механизмами, может привести к серьезным авариям.

FDA обеспокоено увеличением доступности различных лазерных устройств, которые могут использоваться небезопасно. Особое беспокойство агентства вызывают зеленые, синие и фиолетовые лазерные указки. Хотя эти лазерные указки имеют законное применение, они могут быть изменены, чтобы стать более мощными и небезопасными, если не используются ответственно.

Является ли яркость лазерного излучения хорошим показателем его мощности и опасности для глаз?

№ Никогда не предполагайте, что яркость цвета лазерного луча указывает на его мощность.В условиях освещения (в помещении или на улице) луч мощного лазера может казаться такой же яркостью или более тусклым, чем луч менее мощного лазера. Например, на фото ниже зеленый лазерный луч кажется намного ярче красного и намного ярче синего. На самом деле это лазеры одинаковой мощности, и все три представляют одинаковую опасность для глаз при взгляде на луч. Если вы видите яркий синий или фиолетовый лазерный луч с яркостью, подобной зеленому лазеру, вы можете с уверенностью предположить, что синий / фиолетовый лазерный свет намного мощнее, и если смотреть прямо в луч, это приведет к серьезному и немедленному повреждению глаз.

Как правило, вы никогда не должны смотреть прямо на лазерный луч.

Как правильно использовать лазерную указку?

Помните, что лазерные указки — это не игрушки, и ими должны пользоваться только взрослые или под присмотром взрослых.

• Никогда не направляйте и не направляйте лазерную указку на кого-либо.
• Активируйте лазерную указку только тогда, когда вы используете ее для наведения на ближайший объект.
• Не покупайте детям лазерные указки. Лазеры — это не игрушки.
• Перед покупкой лазерной указки убедитесь, что на этикетке указана следующая информация:
  • заявление о том, что он соответствует главе 21 CFR (Свод федеральных правил)
  • наименование производителя или дистрибьютора и дата производства
  • предупреждение, чтобы избежать воздействия лазерного излучения
  • — обозначение класса от I до IIIa. Продукты класса IIIb и IV должны использоваться только лицами, прошедшими надлежащую подготовку, и в приложениях, где есть законная потребность в этих мощных продуктах.

Какова роль FDA в регулировании лазеров?

FDA регулирует как медицинские, так и немедицинские лазеры. FDA может проверять производителей лазерной продукции и требовать отзыва продукции, которая не соответствует федеральным стандартам или имеет дефекты радиационной безопасности. Агентство также может тестировать лазерные продукты и проверять дисплеи лазерных световых шоу, чтобы гарантировать защиту общественности. Производители лазерных световых шоу должны сообщить FDA, где они планируют шоу, чтобы агентство могло его осмотреть, если возможно, и принять меры, если необходимо.

FDA в настоящее время работает над выявлением производителей мощных зеленых лазерных указок и других незаконных лазеров и принимает меры для предотвращения продажи этих небезопасных продуктов в Соединенных Штатах.

Где я могу получить дополнительную информацию?

Если у вас есть вопросы о лазерном продукте, который вы собираетесь купить или предложить для продажи в Интернете, обратитесь в Центр устройств и радиологического здоровья FDA по телефону (301) 796-5710.

Чтобы сообщить о веб-сайтах, которые, как вы подозреваете, продают незаконную лазерную продукцию, следуйте инструкциям в разделе «Сообщение о незаконной продаже медицинских товаров в Интернете».

.