Лазер как работает: КАК РАБОТАЕТ ЛАЗЕР | Наука и жизнь

Содержание

КАК РАБОТАЕТ ЛАЗЕР | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста (1). Активная среда – вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), – имеет форму цилиндра или стержня. Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал – полупрозрачного переднего и “глухого”, непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки – импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).

Активная среда “сконструирована” таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня (2). В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией

Е0. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е2, откуда они незамедлительно опускаются на уровень Е1. На этом – возбужденном – уровне атомы могут находиться достаточно долго (по квантовым масштабам, разумеется). Наличие такого уровня (он называется метастабильным) – необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго (опять-таки по квантовым масштабам), и атомы среды за это время успевают много раз “сбросить” энергию. Поэтому лазерная вспышка при внимательном рассмотрении выглядит как “гребенка” из десятков и сотен очень коротких импульсов, а сам такой режим называется “пичковым” (3).

Если же в резонатор поместить затвор, перекрывающий путь фотонам, его добротность упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждение атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнут максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия “выплеснется” в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или “гигантского импульса” (4).


Принцип лазерной генерации

Слово «лазер» является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Лазерная сварка – это процесс сварки, который использует лазерный луч, чтобы расплавить материал. Принцип действия лазерной сварки заключается в формировании лазерного луча, которое происходит в генераторе, после чего он проходит через систему фокусирования и попадает на свариваемое изделие.

Проникнув в материал, луч нагревает его и расплавляет.

Существует два типа Nd:YAG лазерного сварочного оборудования. Первая категория работает на непрерывном CW лазерном луче, вторая – на импульсном. Как следует из названия CW луч работает непрерывно, в то время как импульсные лазеры создают сварные швы с помощью отдельных импульсов. Импульсный лазер использует высокую пиковую мощность для создания сварного шва, а CW лазер использует среднюю мощность. Это позволяет импульсному лазеру использовать меньше энергии, чтобы создать сварной шов с меньшей околошовной зоной. Таким образом, импульсный лазер создает точечную сварку с непревзойденной производительностью.

Принцип лазерной генерации

Генерация лазерного луча, по существу, представляет собой трехэтапный процесс, который происходит практически мгновенно.

  1. Источником обеспечения энергии являются электроны, удерживаемые в атомах и временно поднятые на высокоэнергетический уровень. Электроны, удерживаемые в этом возбужденном состоянии, не могут оставаться там бесконечно долго, и опускаются вниз на более низкий энергетический уровень.
    В этом процессе электрон теряет избыток энергии, получаемой от энергии «подкачки», испуская фотон. Это называется спонтанным излучением, а фотоны, полученные этим методом, являются источником для лазерной генерации.
  2. Фотоны, испускаемые источником спонтанного излучения, в конечном счете, ударяют по другим электронам, находящимся в более высоком энергетическом состоянии. «В конечном счете» – это очень короткое время из-за скорости света и плотности возбужденных атомов. Входящий фотон «выбивает» электрон из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень, создавая еще один фотон. Эти два фотона когерентны, то есть они находятся в фазе с одной и той же длиной волны и движутся в одном направлении. Это называется индуцированное излучение.
  3. Фотоны излучаются во всех направлениях, однако некоторые «путешествуют» по лазерной среде и натыкаются на зеркала резонатора, которые отражают их обратно через среду. Зеркала резонатора определяют преимущественное направление усиления вынужденного излучения, фокусируя луч.

После того как лазерный луч прошел через металл, материал разрушается, образуя сварной шов. Таким методом можно производить одиночные швы с меньшими затратами по сравнению с такими традиционными методами сварки, как контактная сварка.

Лазерная резка. Принцип работы. Вопросы и ответы

Современная техника и оборудование, которое используется при работе с металлом – это высокоэффективные и мощные устройства, позволяющие обрабатывать материал быстро и с высокой точностью. Одним из наиболее эффективных способов считается лазерная обработка металла, при которой необходимы оборудование и специальные навыки.

Известно много особенностей работы с лазерным оборудованием. А чтобы понять суть этого метода обработки, стоит разобраться в принципах работы лазерной установки для резки заготовок из металла.


Резка металла лазером: особенности метода

На производствах и в мастерских применяют различные способы раскроя из листового металла заготовок с определенными параметрами.

Наиболее точный и предпочтительный способ – это применение лазерной установки.

Сам по себе метод резки – это, по сути, раскрой из листового металла заготовки необходимой формы и в определенном количестве. Известны различные методы, которые позволяют получить определенные заготовки из листов металла. Но многие из них (например, ручные станки или ножницы по металлу) не гарантируют достаточной точности.

Если есть потребность обработать листовой металл, а при этом важна точность, то может помочь только лазерная установка. Лазерная резка – это способ раскроя металлического листа определенной толщины при использовании лазера высокой мощности.

Процесс разделения происходит за счет сфокусированного лазерного пучка на конкретную область металла. В месте контакта температура материала повышается до температуры плавления. Области вокруг не меняют свой температурный показатель, что позволяет не деформироваться краю заготовки. Линия разреза получается точной и достаточно тонкой, что позволяет сэкономить на расходном материале.

Основной принцип работы лазера для резки – это прожиг металлического листа высокотемпературным и точно сконцентрированным лучом. Расплавленный металл с обработанного участка удаляется направленным потоком воздуха или произвольно стекает.


В чем основные преимущества метода?

Лазерная обработка материалов имеет ряд преимуществ, которые выражены в следующем:

  • нет прямого механического контакта с обрабатываемым материалом, а значит это дает возможность работать с хрупкими материалами;
  • под действием направленного луча происходит плавление даже очень твердых металлов;
  • высокая скорость обработки металла;
  • возможность организации скоростной и непрерывной резки, что увеличивает производительность;
  • процесс полностью автоматизированный, что практически полностью исключает вероятность воздействия человеческого фактора.

Существенные минусы в работе

Если есть преимущества, то, соответственно, есть и недостатки. Технология лазерной резки металла – не исключение, и в этом аспекте можно отметить следующие минусы:

  1. Достаточно большое потребление электроэнергии.
  2. Высокая стоимость самой лазерной установки.
  3. При ошибке в настройках есть вероятность порчи обрабатываемого материала.
  4. Высокотемпературный лазер опасен для человека.

Использование лазерного оборудования – это высокая производительность. Но по карману такое устройство только крупным производствам. Поэтому сегодня очень популярна услуга осуществления изготовления конкретных заготовок под заказ в специализированных мастерских.


Ваши вопросы – наши ответы

У простого обывателя или того, кто впервые сталкивается с таким видом обработки металла, может возникнуть масса вопросов. Мы сформулировали наиболее актуальные вопросы об особенностях применения и возможностях лазерной резки и ответили на них:

1. Что такое лазер, которым режут металл?

Лазер – это сфокусированный пучок огромной оптической энергии. За счет концентрирования высокой тепловой энергии материал, на который направляется лазер, просто испаряется или стекает по направлению, противоположному к самому лучу.


2. Какие бывают виды лазерных установок?

Есть некоторая градация типов лазерных установок, которые применяются на производствах:

  • газовые;
  • твердотельные;
  • волоконные;
  • полупроводниковые.

Но такие установки для резки – это основные аппараты. Существуют и другие устройства, которые используют иные принципы воздействия на обрабатываемый металл лазером. В основном такое оборудование изготавливается на специальных производствах. Но некоторые установки можно изготовить дома (например, газовую лазерную установку). Также все аппараты отличаются по стоимости использования и сложности управления.


3. Что можно резать лазером?

При помощи резки лазером в принципе можно разрезать любой материал. Однако все зависит от типа установки, параметров настройки и свойств самого обрабатываемого материала. Граничный показатель (за основу берется листовая сталь) – листовой материал толщиной до 35 мм. Поэтому разумно предположить, что единственным существенным ограничением для лазера является толщина обрабатываемого материала.

Здесь в основном рассматривается резка лазером металла. Но стоит сказать, что металлическими листами все не ограничивается, лазеру под силу резать дерево, пластик, акрил и многое другое. При этом резка получается точной и быстрой, без необходимости дополнительной обработки.


4. Что не под силу разрезать лазеру?

Сфокусированный высокотемпературный лазер – это мощный инструмент. Однако и для такого оборудования есть свои «крепкие орешки» – это любые материалы с оптическим эффектом. Ярким примером является медь (к сплавам на основе этого металла это свойство не относится).

Медные, даже очень тонкие листы, лазер не в состоянии разрезать, потому что луч отражается от поверхности. При отражении тепловая энергия направляется на линзу аппарата, что становится причиной ее поломки.

Есть некоторые трудности и с резкой стекла – луч лазера проходит сквозь прозрачную поверхность. Это не относится к резке оргстекла, которое лазером режется очень просто.


5. Какой ширины разрез образовывается от лазера?

Ширина разреза лазером – это минимальное значение разреза, который можно сделать в материале. Этот показатель составляет 250 микрометров. Это и считается основной причиной экономного размещения отдельных элементов на одном листе.


6. Что из себя представляет лазерная установка?

Оборудование для лазерной резки металла по факту является столом, который служит рабочей площадкой, с движимой определенным образом лазерной головкой. На столе размещается лист обрабатываемого материала. Сама лазерная головка движется по двум осям – абсцисс и ординат. Характер движения загружается в специальный программный продукт, а также устанавливаются определенные настройки самого лазера.


7. Как справляется лазер с необходимостью резки нестандартных форм и заготовок?

Лазеру, при правильном обращении с программой, под силу изготовить заготовку любой сложности. От геометрически ровного разреза до сложных узоров – все это можно сделать при помощи лазера.

Этот факт стал главной причиной популярности такого оборудования. Лазерные установки широко используются в разных сферах, так как позволяют проделать необходимую работу эффективнее, точнее и быстрее, чем альтернативные способы обработки.


8. Остаются ли следы на заготовке, если ее резали лазером?

Резка лазером – это высокотехнологичный процесс, при котором воздействие на конкретную область среза – минимальное. За счет того, что обработка лазером происходит очень быстро, материал по обе стороны среза не успевает накалиться. Это позволяет не оставлять видимых следов по кромке изделия.

Однако лазер используется и при гравировке металла (и прочих материалов). В этом случае видимые следы, которые выполняют декоративную или функциональную задачу, являются частью технологии.

Это наиболее распространенные вопросы, которые возникают относительно лазерной обработки металлов и прочих материалов. Они позволят человеку, который не сталкивался с подобным оборудованием, понять принцип его работы и узнать некоторые его особенности. Относительно самого процесса работы, особенностей управления и так далее – это компетенция исключительно профессионалов. Но вы всегда можете обратиться в специализированный сервис, где обязательно получите подробную консультацию относительно данного вопроса, а также заказать изготовление вашего индивидуального заказа.


Как работает лазер? | DoctorVisus.ru

Чтобы понять суть лазерной коррекции, очень кратко и схематично вспомним анатомическую физику глаза. Оптическая система глаза состоит из двух структур: светопреломляющая часть — роговица и хрусталик и световоспринимающая часть — сетчатка, расположенная на определенном (фокусном) расстоянии. Для того, чтобы изображение было резким и четким, сетчатка должна находится в фокусе оптической силы шара.

В случае, если сетчатка будет находится впереди фокуса, что бывает при дальнозоркости или позади фокуса при близорукости, изображение предметов будет размытым и нечетким. При этом с момента рождения и до 18 лет оптика глаза меняется ввиду физиологического роста глазного яблока и под действием факторов, нередко приводящих к формированию тех или иных аномалий рефракции. Поэтому пациентом рефракционного хирурга чаще становится человек, достигший 18 лет, а при дальнозоркости — даже с 14 лет.

В основе эксимер-лазерной коррекции зрения лежит программа «компьютерного перепрофилирования» поверхности основной оптической линзы глаза человека — роговицы. По индивидуальной программе коррекции холодный луч «выглаживает» роговицу, устраняя все имеющиеся дефекты. При этом формируются нормальные условия для оптимального преломления света и получения неискаженного образа в глазу, как у людей с хорошим зрением.

Процесс «перепрофилирования» не сопровождается губительным повышением температуры тканей роговицы, и, как многие ошибочно считают, никакого «выжигания» не происходит. Самое главное, эксимер-лазерные технологии позволяют получить настолько «идеальный новый заданный профиль» роговицы, что дало возможность исправлять ими практически все виды и степени аномалий рефракции.

Говоря научным языком, эксимерные лазеры — высокоточные системы, обеспечивающие необходимую «фотохимическую абляцию» (испарение) слоев роговицы. Если ткань удаляется в центральной зоне, то роговица становится более плоской, что исправляет близорукость. Если же испарить периферическую часть роговицы, то ее центр станет более «крутым», что позволяет корригировать дальнозоркость. Дозированное удаление в разных меридианах роговицы позволяет исправлять астигматизм. Современные лазеры, используемые в рефракционной хирургии, надежно гарантируют высокое качество «аблируемой» поверхности.

Чем отличается эрбиевый лазер от СО2-лазера.

Блог Sciton Russia

Ольга Златопольская:
В своей работе мы очень часто сталкиваемся с просьбами клиентов подобрать хороший СО 2 лазер. Я бы сказала, что рынок косметологических услуг переполнен углекислотными лазерами, и тем не менее эта, довольно старая технология до сих пор пользуется спросом. Давайте вместе разберёмся – почему?
– Во-первых, СО2 лазер, это первый лазерный аппарат, который начал применяться для лазерных шлифовок и удаления новообразований;

– Во-вторых, это достаточно недорогая технология, произвести углекислотный лазер дешевле и проще, чем твердотельный эрбиевый или неодимовый;

– В третьих, в общественном сознании укрепилась мысль о том, что агрессивный СО2 лазер единственный, дающий видимые результаты омоложения;

Однако есть альтернативная точка зрения. Давайте рассмотрим именно ее.
За разъяснениями мы обратились к признанному эксперту, пластическому хирургу Джею Бернсу, долгие годы сочетающему лазерные шлифовки и хирургическую подтяжку кожи и вот его интервью:

Джей Бернс:

Я начал работать с эрбиевым лазером в начале 2000-х годов. В то время многие специалисты пересмотрели свои взгляды на омоложение кожи с использованием СО2 — эта технология часто вызывала осложнения у пациентов. Эрбиевый лазер, в отличие от него, действовал поверхностно, поэтому считался безопасным.
Поэтому я заказал эрбий. Его технология позволяла экспериментировать — он мог воздействовать и на поверхностном, и на глубоком слоях. Вскоре я продал все свои СО2-лазеры и больше никогда ими не пользовался.

Преимущество эрбия проще всего показать на примере.

В 1995 году компания «Coherent» выпустила СО2-лазер «UltraPulse». Производитель позиционировал его как оборудование, которое способно осуществить шлифовку с выделением малого количества тепла. Порог абляции лазера составлял 5 Дж/см² — то есть, он «варил» ткань с первого раза. У эрбия порог абляции всего 1 Дж/см². Только представьте: лазер в 11-13 раз лучше поглощается водой, не прогревая ткани!
В середине 90-ых Бойд Бурдтхард и Дик Фитцпатрик параллельно друг другу проводили два независимых исследования. Оба исследователя изучали, насколько глубоко можно воздействовать на кожу СО2-лазером. И Дик, и Бойд делали по 10 проходов лазером, для чистоты эксперимента удаляя струпы после каждого прохода. Результаты оказались одинаковыми. После четвертого прохода формировался струп, после которого пройти дальше было невозможно. Чтобы работать глубже на СО2, нужно проводить повторные вспышки (стеки) в одну и ту же точку, которые приводят к накоплению тепла и гипопигментации.
Когда я работал на СО2 с постакне и глубокими морщинами, я получал тот же результат — перегрев и гипопигментацию.
Эрбий работает по-другому. При воздействии 1дж/см² выпаривается от 5 до 20 мкм — во время процедуры я могу контролировать процесс и видеть, что происходит. СО2 лазер выпаривает от 70 до 100 мкм, поэтому он удаляет все подряд. Сама технология не позволяет так тонко контролировать работу.
Для меня эрбиевый лазер — идеальный инструмент для дермабразии. Он не подразумевает контакт фрезы с тканями и позволяет видеть, что происходит в тканях во время процедуры. Это просто феноменально! А если вы используете фрезу, то не можете видеть ткань — из-за этого результат получается куда хуже.
Когда я работаю с глубокими морщинами вокруг рта, и мне нужно воздействовать на ткани на глубине до 300 мкм, я делаю проходы по 30 мкм. После каждого прохода я четко вижу, насколько уменьшились морщины. Поэтому в нужный момент я всегда могу остановиться и закончить процедуру.
У химических пилингов и процедур на СО2-лазере, в отличие от эрбия, есть большой недостаток — результат работы виден только по изменению цвета кожи. Вы просто не видите, насколько глубоко вы воздействовали. Нет четких критериев оценки, только косвенные.
С эрбиевым лазером все гораздо понятнее. Вы сразу видите, когда находитесь в середине ретикулярного слоя, видите, когда морщина исчезает. Поэтому, на мой взгляд, эрбий лучше СО2. С ним я могу сделать глубокую процедуру или несколько поверхностных процедур по 10 мкм, могу пойти еще глубже на отдельных участках с глубокими морщинами. В этом плане эрбиевый лазер незаменим.

Как я провожу процедуры

При работе с эрбиевым лазером Sciton в ткань попадает меньше тепла. Его легко настраивать — я могу выставить нужные параметры и начать процедуру. Обычно я не добавляю много тепла или работаю без коагуляции, особенно, когда делаю подтяжку, потому что работаю с кожными лоскутами в местах слабого кровоснабжения. Чем дальше вы от центра кровоснабжения, тем хуже оно становится. Если в центре лица оно хорошее, то ближе к ушам ощутимо слабеет.
Вот как я работаю: В местах хорошего кровоснабжения я делаю серьезный SMAS (superficial muscular aponeurotic system — поверхностная мышечно-апоневротическая система) лифтинг.
На центральной части лица, там, где заканчиваются латеральные каналы, я делаю процедуру как обычно. А именно: 300 мкм на периоральной области с лазерной дермабразией плюс по 30 мкм насадкой единичного импульса.
На латеральной части делаю проход шириной 2 см на 150 мкм. Дальше — на 100 мкм.
Возле ушей оставляю нетронутым 1 см кожи.
Суть техники проста: двигаясь от центра лица к его боковым частям, нужно уменьшать глубину воздействия. Так вы сможете избежать проблем. Однако в этом случае могут быть некоторые сложности со вторичным заживлением. То есть, заживать может немного дольше.
Я советую не трогать сантиметр перед ушами, затем последовательно увеличивать глубину до 100 мкм и 150 мкм, двигаясь к центральной части лица до латеральной границы, где вы можете работать более агрессивно. Здесь, кстати, и образуется большинство морщин.
Эта отработанная техника. Не советую ее нарушать. Однажды я решил отойти от протокола и рискнуть, когда ко мне пришел пациент с ужасными морщинами. Самыми ужасными, которые я когда-либо видел. Я настроил оборудование на более агрессивное воздействие и сделал проход на щеке сразу в 300 мкм. Пациент в тот раз потерял кожу. Это было уроком для меня.
Если не нарушать протокол, эрбий может быть очень эффективным. Кроме того, пациенты не хотят проходить процедуру дважды. Но главное — моя техника работает. У меня никогда не было случаев, когда у пациентов оставались постоперационные рубцы.

О результатах и довольных пациентах

В 2005 году мы проводили процедуры на 25 случайно отобранных пациентах. Каждый получил улучшение на 90-95% в состоянии периоральной области. Это были лучшие результаты, которые я видел на тот момент.

С тех пор мы ушли далеко вперед. Сейчас мы разрабатываем комбинированную процедуру. Она уже дает поразительные результаты. Лучшие из тех, которые я видел за свой 14-летний опыт.
Не скрою, существуют и другие виды пилинга. Например, Грег Хедер и ряд других специалистов в области химического пилинга тоже показывают отличные результаты. Но Грег рассказывал мне, что у этих результатов есть и своя цена — у пациентов часто приходится наблюдать гипопигментацию.
Если сравнить мои результаты с результатами фенолового или другого глубокого пилинга, то в случае с химическим пилингом вероятность гипопигментации приближается к 100%. У меня же эта вероятность составляет меньше 5%. И даже в этих 5% случаев она более мягкая. Мне нравятся мои результаты, и пациенты от них в восторге.
Но пластические хирурги часто забывают один важный момент. Если к нам приходит 65-летний пациент, и мы можем вернуть ему 45-50-летний овал лица, то кожа все равно будет выглядеть на 65-70 лет. Пусть даже подтяжка получится отличной. Если лицо подтянуто на 45, а коже — 70 лет, оно выглядит неестественно. Поэтому в таких случаях нужно воздействовать на все компоненты: кожу, объем, птоз и мимику в комплексе. Не только на гравитационные и динамические морщины. Чем шире комплекс процедур, тем естественнее выглядят пациенты.

Приводит ли лазерная эпиляция к раку?

Люди, предпочитающие удалять волосы ради собственного комфорта, сталкиваются со многими неудачами: воск переносится с трудом, кремы работают неэффективно, а бритва дает результат на пару дней.

Над всеми этими методами преобладает лазер, который обещает избавить от волос раз и навсегда. Так ли это и стоит ли дорогостоящая процедура своих денег?

Как это работает?

Во время лазерной эпиляции свет от прибора поглощается меланином — пигментом волос. Пигмент нагревается и начинает разрушать соседние клетки, отвечающие за рост, или прилегающие сосуды, доставляющие в фолликул питательные вещества. Корень разрушается, и сам волос выпадает через несколько недель.

Такое воздействие эффективно только на волосы, содержащие меланин (то есть светло-русые и темнее), а также в период активности волосяного фолликула. Поэтому волосы не пропадают сразу — понадобится несколько сеансов с промежутками в пару недель.

Какие бывают лазеры?

Сабина Исмаилова, врач-дерматолог, косметолог, основательница косметологической клиники Doctor Sabrina Ismailova:

Рубиновый лазер

Этот вид лазерной эпиляции применяли в 90-е года. Именно с него началось развитие лазерных технологий в борьбе с нежелательным ростом волос. Рубиновый лазер удаляет только черный волос на белой коже. Луч не настроен на пигмент волоса, что вызывает ожог и пигментацию, поэтому во время процедуры человек испытывает сильную боль.

Александритовый лазер

Cледующий шаг в лазерных технологиях — лазер уже настроен на пигмент волоса, но не предусматривает встроенную систему охлаждения. Он удаляет темный волос на светлой коже. Однако для удаления светлого волоса еще не хватает мощности, что требует большего количества процедур, чем на диодном лазере. При этом в 65% случаев александритовый лазер провоцирует ожог и пигментацию на смуглой и загорелой коже.

Диодный лазер

Современный аппарат для удаления волос навсегда. Различает степень загара и автоматически выстраивает необходимые параметры. При этом луч воздействует исключительно на пигмент волоса или просто рассеивается. Длина волны диодного лазера 800–900 нм., поэтому жар от луча доходит до основания волоса, разрушая только фолликул и волосяной сосочек. Специальная длительность импульса защищает кожу от повреждений.

Неодимовый лазер

Неодимовый лазер в корне отличается от предыдущих аналогов, действующих на меланин, и не удаляет фолликул. Он удаляет кровяные сосуды, питающие волосы и кожу. При этом тепловому воздействию поддаются все органы кожи на обрабатываемом участке. Благодаря длине волны от 1064 нм. луч проникает вплоть до костной ткани.

Это больно?

Все виды лазерной эпиляции практически безболезненны и могут сопровождаться только небольшими болезненными ощущениями. Менее ощутимым считается воздействие на руки, ноги или область над верхней губой. Эпиляция бикини или подмышечных впадин может вызывать дискомфорт. В зависимости от индивидуального болевого порога, пациент может подготовиться к эпиляции сам. Распаривать или скрабировать кожу не имеет смысла — лазеру это не поможет. Но вы можете нанести подходящую обезболивающую мазь за час до процедуры.

От этого может быть рак?

Суханова Дарья Михайловна, врач дерматовенеролог-косметолог, клиника ЦИДК: «С точки зрения риска развития онкологических заболеваний, наиболее опасным является высокочастотное ионизирующее излучение — рентгеновские и гамма-лучи. Когда ионизирующее излучение проходит через тело, это может привести к прямому повреждению клеточной ДНК и спровоцировать развитие злокачественных опухолей.

Лазерное излучение, используемое в процедурах удаления волос, не является ионизирующим. Импульсы световой энергии, используемой в лазерной косметологии, предназначены только для нагрева и уничтожения волосяных фолликулов. На сегодняшний день ни одно исследование не показало, что лазерное излучение может вызывать рак».

Что-то может пойти не так?

Некоторые косметические риски все же остаются: ожоги, образование рубцов и пигментация в обработанной области. Часть из них — индивидуальная реакция организма, с последствиями которой можно бороться. Например, с раздражением кожи после процедуры можно справиться с помощью холодного компресса, а отек и воспаление уменьшит таблетка аспирина.

Другие риски — следствие низкой квалификации специалиста, проводящего процедуру. Перед походом в салон изучите отзывы, проверьте сертификаты и лицензии. Если специалист задает вам много вопросов о здоровье — это хороший знак.

А что может помешать?

При сахарном диабете лазерная эпиляция может не принести никаких результатов, кроме того, болевые ощущения будут очень сильными. Лазерное излучение может ухудшить картину болезни, если вы подвержены кожным заболеваниям или находитесь в стадии обострения. Перед эпиляцией стоит вылечить ожоги, раны, царапины и любые другие кожные повреждения. Поскольку излучение лазера нагревает кожу и волоски, оно может повредить слабые сосуды — не стоит рисковать людям с варикозным расширением вен. Беременным и кормящим также лучше подождать.

Это навсегда?

Сабина Исмаилова, врач-дерматолог, косметолог, основательница косметологической клиники Doctor Sabrina Ismailova: «Лазерная эпиляция не решит проблему нежелательной растительности раз и навсегда. Лазерный луч поглощает лишь «зрелые» волосяные фолликулы, а таковых на теле одновременно всего 5–20 процентов. Разрушенные фолликулы не растут, но новые волосы прорастают. Поэтому за один сеанс удалить все лишние волоски не получится. Полный курс занимает от восьми месяцев до двух лет (это период смены волос).

Никто не даст вам 100%-ную гарантию, что через какой-либо промежуток времени волосы не начнут вновь активно расти. На избыточный рост волос влияет множество факторов, таких как эндокринные нарушения, гормональный дисбаланс, поэтому никто не сможет гарантировать, что через несколько лет волосы не начнут активно расти.

Обычно после четырех процедур спустя четыре года прорастает менее 40% волос. На подобный эффект и нужно рассчитывать».

Лазеры – Класс!ная физика

Лазеры

Подробности
Просмотров: 642

«Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч.
При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством.
Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние.
Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.
С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции.
Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки» – академик Н. Г. Басов.

Слово лазер образовано сочетанием первых букв слов английского выражения «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.
Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.
Характерной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией; таким образом, падающая и излученная волны являются когерентными.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольный, как при обычном излучении, а переход под влиянием внешнего воздействия.

Лазеры

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.
В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см.
За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в 1959 г. была присуждена Ленинская премия.
В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в США был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Свойства лазерного излучения

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

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад).
На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью.
В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.
Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света.
В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7 • 103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру.
На узкий же интервал Δλ = 10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего 0,2 Вт/см2.
Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров

В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии.
Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается.
За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в более высокое энергетическое состояние.
При этом у светового пучка отнимается энергия, равная разности энергий между уровнями 2 и 1:

hν = Е2 – Е1.

На рисунке (a) схематически представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды.
Электрон находится на нижнем уровне.

На рисунке (б) изображен возбужденный атом, поглотивший энергию.
Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон.

Если возбудить бо́льшую часть атомов среды, тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения.
Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.
На рисунке (а) изображены возбужденный атом и волна, а на рисунке (б) схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

Трехуровневая система

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов.
В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа.
Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно.
Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных.
Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает в них индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях).
На рисунке изображены три энергетических уровня.
Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково.
На уровне 3 система «живет» очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристаллической решетке.)
«Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с.
Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением.
Это используется в лазерах.
После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором «живет» сравнительно долго.
Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина.
Рубин — это красный кристалл оксида алюминия Аl2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%).
Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

Устройство рубинового лазера

Из кристалла рубина изготовляют стержень с плоскопараллельными торцами.
Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет.

Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы.
Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».
В результате самопроизвольных переходов 2 —> 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений.
Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли.
Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов.
Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным.
Через полупрозрачный торец выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа.

Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Другие типы лазеров

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме.
Существуют также лазеры непрерывного действия.
В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ.
Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия.
Они созданы впервые в нашей стране.
В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт.
В этих лазерах «перенаселенность» верхних энергетических уровней возникает при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвинов.

Применение лазеров

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.
Лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски).
Огромная мощность лазерного луча используется для испарения различных материалов в вакууме, для сварки и т. д.
С помощью луча лазера проводят хирургические операции: например, «приваривают» отслоившуюся от глазного дна сетчатку; помогают человеку получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча.

Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояния до предметов измеряются с точностью до нескольких миллиметров.
Такая точность недоступна для радиолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективным может быть использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

В настоящее время лазеры настолько широко используются, что перечислить все области их применения не представляется возможным.

Создание лазеров — пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда — Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика — Лазеры — Краткие итоги главы

Как работают лазеры | HowStuffWorks

Лазерный свет сильно отличается от обычного и обладает следующими свойствами:

  • Испускаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну определенную длину волны света (один определенный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.
  • Испускаемый свет когерентный . Он «организован» — каждый фотон движется вместе с другими.Это означает, что все фотоны имеют волновые фронты, которые запускаются в унисон.
  • Свет очень направленный . Лазерный свет имеет очень плотный луч, очень сильный и концентрированный. Фонарик, с другой стороны, испускает свет во многих направлениях, и свет очень слабый и рассеянный.

Для реализации этих трех свойств требуется так называемое стимулированное излучение . В обычном фонарике этого не происходит — в фонарике все атомы случайным образом испускают свои фотоны.При вынужденном излучении организовано испускание фотонов.

Фотон, испускаемый любым атомом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным состоянием и основным состоянием. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) встретится с другим атомом, имеющим электрон в том же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение. Первый фотон может стимулировать или индуцировать атомную эмиссию, так что следующий излучаемый фотон (от второго атома) колеблется с той же частотой и направлением, что и входящий фотон.

Другим ключом к лазеру является пара зеркал , по одному на каждом конце лазерной среды. Фотоны с очень специфической длиной волны и фазой отражаются от зеркал, путешествуя туда и обратно через излучающую среду. При этом они стимулируют другие электроны к скачку энергии вниз и могут вызвать испускание большего количества фотонов с той же длиной волны и с той же фазой. Возникает каскадный эффект, и вскоре мы распространяем много-много фотонов с одной и той же длиной волны и с одной и той же фазой.Зеркало на одном конце лазера «наполовину посеребренное», что означает, что оно отражает часть света и пропускает часть света. Свет, который проходит сквозь него, — это лазерный свет.

Вы можете увидеть все эти компоненты на рисунках на следующей странице, которые иллюстрируют принцип работы простого рубинового лазера .

Как работают лазеры? | Кто изобрел лазер?

Лазеры — это удивительные мощные световые лучи. достаточно, чтобы подняться в небо на несколько миль или прорезать куски металла.Хотя они кажутся довольно недавними изобретениями, на самом деле они с нами более полувека: теория была разработана в 1958 году; первое практический лазер был построен в 1960 году. В то время лазеры были захватывающие примеры передовой науки: секретный агент 007, Джеймс Бонд был чуть не разрублен пополам лазерным лучом в 1964 году. фильм Голдфингер . Но, кроме злодеев Бонда, никто еще имел представление, что делать с лазерами; как известно, они были описаны как «решение, ищущее проблему. ” Сегодня у всех нас есть лазеры дома (в CD- и DVD-проигрывателях), в наших офисах (в лазерные принтеры), так и в магазинах, где мы покупаем (в сканеры штрих-кода). Наша одежда вырезается лазером, мы лечим зрение их, и мы отправляем и получаем электронные письма через Интернет с сигналами что лазеры прожигают оптоволоконные кабели. Понимаем ли мы это или нет, все мы целыми днями пользуемся лазерами, но сколько из нас на самом деле понять, что они из себя представляют или как они работают?

Основная идея лазера проста.Это трубка, которая концентрирует свет снова и снова, пока не появляется в действительно мощном луче. Но как именно это происходит? Что происходит внутри лазера? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Научный эксперимент по проверке юстировки оптического оборудования с использованием лазерных лучей, проведенных в Центре надводных боевых действий ВМС США (NSWC). Фото Грега Войтко предоставлено ВМС США и Викисклад.

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Разница между обычным светом и лазерным светом подобна разнице между рябь в ванной и огромные волны на море. Вы, наверное, замечали, что если двигать руками вперед-назад в в ванне можно сделать довольно сильные волны. Если вы продолжаете двигать руками в такт волнам, которые вы создаете, волны становятся все больше и больше. Представьте, что вы делаете это несколько миллионов раз в открытом океане. Вскоре над вашей головой будут возвышаться горные волны! Лазер делает нечто подобное со световыми волнами.Он начинается со слабого света и продолжает добавлять все больше и больше энергии, так что световые волны становятся все более концентрированными.

Фото: гораздо проще заставить лазерные лучи двигаться точно по траектории, чем обычные световые лучи. как в этом эксперименте по разработке лучших солнечных батарей. Изображение Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Департамент энергетики/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Если вы хоть раз видели лазер в научной лаборатории, вы наверняка заметили сразу два очень важных отличия:

  • Если фонарик излучает «белый» свет (смесь всех различных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется монохромным светом (из одного, очень точную частоту и цвет — часто ярко-красный, зеленый или невидимый «цвет», такой как инфракрасный или ультрафиолетовый).
  • Где луч фонарика проходит через линзу в короткий и довольно нечеткий конус, лазер стреляет более плотным и узким лучом по гораздо большее расстояние (мы говорим, что это сильно коллимировано ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

  • Где световые волны в луче фонарика все перемешаны (с гребнями одних лучей смешиваются с впадинами других), волны в лазерном света идут точно в ногу: гребень каждой волны совпадает с гребень каждой второй волны.Мы говорим, что лазерный свет имеет когерентных . Думайте о луче фонарика как о толпе пассажиров, толкающихся и толкающихся, толкающихся вниз по перрон вокзала; для сравнения, лазерный луч подобен парад солдат, все маршируют точно в ногу.

Эти три вещи делают лазеры точными, мощными и удивительно полезными лучами энергии.

Как лазеры излучают свет?

Если вы хотите узнать о лазерах столько подробностей, сколько вам нужно, можете не читать. или пропустите страницу ниже к типам лазеров.В этом разделе те же пункты из поля выше рассматриваются более подробно, и еще немного “теоретически”.

Вы часто читаете в книгах, что “лазер” означает для усиления света за счет стимулированного излучения. Это сложный и запутанный глоток, но если вы медленно разберете его, это на самом деле очень четкое объяснение того, как лазеры делают свои сверхмощные лучи света.

Самопроизвольное излучение

Начнем с «R» лазера: излучение.Излучение лазеров не имеет ничего общего с опасным радиоактивность , вещество, которое заставляет счетчики Гейгера щелкать, что атомы извергаются, когда они разбиваются вместе или развалиться. Лазеры производят электромагнитное излучение, как обычный свет, радиоволны, рентгеновские лучи и инфракрасное излучение. Несмотря на то что он по-прежнему производится атомами, они производят («излучают») его совершенно по-другому, когда электроны прыгают вверх и вниз внутри них. Мы можем подумайте об электронах в атомах, сидящих на энергетических уровнях, которые немного как ступеньки на лестнице.В норме электроны располагаются на самом нижнем возможный уровень, который называется основным состоянием атома. Если вы стреляете затрачивая нужное количество энергии, вы можете сдвинуть электрон вверх уровне, на следующую ступеньку «лестницы». Это называется поглощение и в новом состоянии мы говорим атома возбуждает — но он также нестабилен. Он очень быстро возвращается в основное состояние испуская энергию, которую он поглотил в виде фотона (частица света). Мы называем этот процесс спонтанным излучением излучение: атом испускает свет (излучает излучение) всеми сам (спонтанно).

Фото: Самопроизвольное излучение — при свечах.

От свечей до лампочек, от светлячков до карманных фонариков, все обычные формы света работают в процессе спонтанного излучения. В свече горение (химическая реакция между кислородом и горючим, в данном случае воском) возбуждает атомы и делает их нестабильными. Они излучают свет, когда возвращаются в исходное (основное) состояние. Каждый фотон, произведенный спонтанным излучением внутри пламени этой свечи, отличается от любого другого фотона, поэтому существует смесь различных длин волн (и цветов), создающая «белый» свет.Фотоны возникают в случайных направлениях, с волнами, которые не идут в ногу друг с другом («не в фазе»), поэтому свет свечи намного слабее, чем лазерный свет.

Вынужденное излучение

Обычно типичный пучок атомов имеет больше электроны в основном состоянии, чем в возбужденном, это одна из причин, по которой атомы не излучают свет спонтанно. Но что, если мы возбудим эти атомы — накачаем их энергией — так их электроны находились в возбужденном состоянии. В этом случае «население» возбужденных электронов было бы больше, чем “население” в их основных состояниях, так что было бы много электроны, готовые и желающие производить фотоны света.Мы называем это ситуация инверсия населения , потому что обычное состояние дела в атомах меняются местами (инвертируются). Теперь предположим а также то, что мы могли поддерживать наши атомы в этом состоянии некоторое время. в то время как они не автоматически прыгали обратно на землю состояние (временно возбужденное состояние, известное как метастабильное состояние ). состояние ). Тогда мы найдем что-то действительно интересное. Если бы мы стреляли фотон с нужной энергией через нашу кучу атомов, мы заставили бы один из возбужденных электронов прыгнуть обратно на свое основное состояние, испуская как фотон, который мы выпустили, так и фотон вызвано изменением состояния электрона.Потому что мы стимулируя атомы получать из них излучение, этот процесс называется вынужденным излучением . Мы получаем два фотона после вставляя один фотон, эффективно удваивая наш свет и усиливая это (увеличение). Эти два фотона могут стимулировать другие атомы к испускать больше фотонов, так что довольно скоро мы получаем каскад фотонов — цепная реакция — выбрасывание блестящего луча чистого, когерентного свет лазера. Здесь мы усилили свет с помощью стимулированного испускание излучения — отсюда и название лазера.

Рисунок: Как лазеры работают в теории: Слева: Поглощение: энергия огня (зеленый) в атом, и вы можете перевести электрон (синий) из его основного состояния в возбужденное состояние, что обычно означает отталкивание его дальше от ядра (серый ). Середина: спонтанное излучение: возбужденный электрон естественным образом возвращается в свое основное состояние, испуская квант (пакет энергии) в виде фотона (зеленое покачивание). Справа: Стимулированное излучение: запустив фотон рядом с группой возбужденных атомов, вы можете вызвать каскад идентичных фотонов. Один фотон света запускает многие, так что здесь мы имеем усиление света (создание большего количества света) за счет стимулированного излучения (электромагнитного) излучения — ЛАЗЕР!

Чем отличается лазерный свет?

Если так лазеры излучают свет, то почему они делают единый цвет и когерентный луч? Это сводится к представление о том, что энергия может существовать только в виде фиксированных пакетов, каждый из которых называется квантом . Это немного похоже на деньги. Вы можете иметь только деньги, кратные самой базовой единице вашей валюты, которая может быть цент, пенни, рупия или что-то еще.Вы не можете иметь десятую часть цент или двадцатая часть рупии, но вы можете иметь 10 центов или 20 рупий. То же самое относится и к энергии, и это особенно заметно внутри атомов.

Подобно ступеням лестницы, энергетические уровни в атомах находятся в фиксированных местах с промежутками между ними. Ты на лестницу нельзя ставить ногу, только на ступеньки; И в точно так же вы можете только перемещать электроны в атомах между фиксированные энергетические уровни. Чтобы совершить прыжок электрона с нижнего на более высокий уровень, вы должны ввести точное количество (количество) энергия, равная разнице между двумя энергетическими уровнями.Когда электроны возвращаются из своего возбужденного состояния в основное, они выделяют такое же, точное количество энергии, которое форма фотона света определенного цвета. Вынужденное излучение в лазерах заставляет электроны производить каскад идентичных фотонов — идентичных по энергии, частоте, длине волны — и это почему лазерный свет монохроматичен. Произведенные фотоны эквивалентны световым волнам, гребни и впадины которых совпадают (другими словами, они «в фазе») — и это то, что делает лазерный свет когерентным.

Типы лазеров

Фото: Лазеры — как мы их знаем: это лазер и линза, которые сканируют диски внутри проигрывателя компакт-дисков или DVD-дисков. Маленький круг в правом нижнем углу — это полупроводниковый лазерный диод, а большой синий круг — это линза, которая считывает свет от лазера после того, как он отражается от блестящей поверхности диска.

Так как мы можем возбудить много разных атомов разными способами, мы можем (теоретически) создать множество различных типов лазеров.На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердые тела, жидкости и газы — это три основных состояния материи, которые дают нам три разных типа лазеров. Твердотельные лазеры как те, что я проиллюстрировал выше. Среда представляет собой что-то вроде рубиновый стержень или другой твердый кристаллический материал и импульсная лампа, обернутая вокруг него перекачивают свои атомы, полные энергии. Для эффективной работы необходимо твердое тело должно быть легировано , процесс, который заменяет некоторые из атомы твердого тела с ионами примесей, придавая ему в самый раз уровни энергии для создания лазерного излучения определенной, точной частота.Твердотельные лазеры производят мощные лучи, обычно очень короткими импульсами. Газовые лазеры , напротив, производят непрерывные яркие лучи с использованием соединений благородных газов (в так называемые эксимерные лазеры) или углекислый газ (CO2) в качестве среды, накачивается электричеством. СО2 лазеры мощные, эффективные и обычно используются в промышленная резка и сварка. Лазеры с жидким красителем используют раствор молекул органических красителей как среда, накачиваемая чем-то как дуговая лампа, лампа-вспышка или другой лазер.Их большое преимущество заключается в том, что их можно использовать для получения более широкой полосы световых частот, чем твердотельные и газовые лазеры, и они могут даже быть «настроенным» для воспроизведения различных частот.

Несмотря на то, что твердотельные, жидкостные и газовые лазеры большие, мощные и дорогие полупроводниковых лазеров дешевые, крошечные, похожие на чипы устройства, используемые в таких вещах, как проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, и сканеры штрих-кода. Они работают как нечто среднее между обычным Светодиод (LED) и традиционный лазер. Подобно светодиоду, они излучают свет, когда электроны и «дырки» (по сути, «недостающие» электроны”) прыгают и соединяются; как лазер, они генерируют когерентный монохроматический свет. Вот почему они иногда называются лазерными диодами (или диодными лазерами). Вы можете прочитать больше о них в нашей отдельной статье о полупроводниках лазерные диоды.

Наконец, волоконных лазеров творят чудеса внутри оптических волокон; по сути, легированный оптоволоконный кабель становится усиливающая среда.Они мощные, эффективные, надежные и упростите передачу лазерного излучения туда, где это необходимо.

Для чего используются лазеры?

… никто из нас, кто работал над первыми лазерами, не представлял себе, сколько применений может быть в конечном итоге… Люди, вовлеченные в процесс, движимые главным образом любопытством, часто имеют мало представлений о том, к чему приведут их исследования.

Чарльз Таунс, Как появился лазер, 1999.

Когда Теодор Мейман разработал первый практический лазер, мало кто осознавал, насколько важными будут эти машины в итоге стать. Goldfinger , фильм о Джеймсе Бонде 1964 года, предложил дразнящий взгляд на будущее, в котором промышленные лазеры могли прорезать как по волшебству все на своем пути — даже секретных агентов! Позже в том же году, сообщая о награде Нобелевской премии по физике пионеру лазеров Чарльзу Таунсу, Нью-Йорк Times предположил, что «лазерный луч может, например, нести все радио- и телепрограммы мира плюс несколько сто тысяч телефонных звонков одновременно.Это используется широко используется для определения дальности и слежения за ракетами». столетие спустя, подобные приложения — точные инструменты, цифровые связь и оборона — остаются одними из наиболее важных применений лазеры.

Фото: каждый раз, когда он печатает документ, лазерный принтер на вашем столе занят стимулируя миллионы атомов! Лазер внутри него используется для рисования очень точного изображения страницы, которую вы хотите напечатать, на большом барабане, который собирает активные чернила (тонер) и переносит их на бумагу.

Инструменты

Режущие инструменты на основе CO2-лазеров широко используются в промышленности: они точны, легко автоматизируются и, в отличие от ножей, никогда не нуждаются в заточке. Там, где когда-то вручную вырезали куски ткани, делать вещи, как джинсы из денима, теперь ткани рубятся на лазеры с роботизированным наведением. Они быстрее и точнее, чем люди и может разрезать несколько толщин ткани одновременно, что улучшает эффективность и производительность. Одинаковая точность одинаково важна в медицине: врачи регулярно воздействуют на тела своих пациентов лазерами.для всего, от взрыва раковых опухолей и прижигания кровеносных сосудов до устранение проблем со зрением у людей (лазерная хирургия глаза, исправление отслоение сетчатки и лечение катаракты включают лазеры).

Фото: Хирург-офтальмолог проводит операцию LASIK. Фото Ларри А. Симмонса предоставлено ВВС США.

Связь

Лазеры составляют основу всех видов Цифровые технологии 21 века. Каждый раз, когда вы проводите покупки через сканер штрих-кода продуктового магазина, вы используете лазер для преобразования напечатанного штрих-кода в число, которое может использовать кассовый компьютер понимать.Когда вы смотрите DVD или слушаете CD, полупроводниковый лазерный луч отражается от вращающегося диска, чтобы преобразовать его напечатанный преобразование данных в числа; компьютерный чип преобразует эти числа в кино, музыку и звук. Наряду с волоконно-оптическими кабелями лазеры широко используются в технологии под названием фотоника — с использованием фотонов света для связи, например, для отправки огромных потоков данные туда и обратно через Интернет. В настоящее время Facebook экспериментирует с использованием лазеров (вместо радиоволн), чтобы улучшить связь с космосом. спутников, что может привести к более высокой скорости передачи данных и значительно улучшенный доступ в Интернет в развивающихся странах.

Фото: Будущее за лазерным оружием? Это система лазерного оружия ВМС США (LaWS), которая была испытана на борту USS Ponce в 2014 году. Нет дорогих пуль или ракет с такой лазерной пушкой, только бесконечный запас яростно направленной энергии. Фото Джона Ф. Уильямса предоставлено ВМС США и Викисклад.

Защита

Военные долгое время были одним из крупнейших пользователей этой технологии, главным образом, в оружии и ракетах с лазерным наведением.Несмотря на свою популяризацию в кино и на телевидении, научно-фантастическая идея лазерное оружие, способное разрезать, убить или ослепить врага, оставалось фантастическим до середины 1980-х гг. В 1981 году The New York Times зашла так далеко, что процитировала одну «военный эксперт по лазерам», говоря: «Это просто глупо. больше энергии, чтобы убить одного человека лазером, чем уничтожить ракеты.” Двумя годами позже лазерное оружие большой дальности официально стал краеугольным камнем президента США Рональда Рейгана. спорная Стратегическая оборонная инициатива (СОИ), более известная как «Программа Звездных войн».Первоначальная идея заключалась в использовании космических, Рентгеновские лазеры (среди прочих технологий) для уничтожения наступающего противника ракет до того, как они успели нанести урон, хотя по плану постепенно прекратила свое существование после распада Советского Союза и конца холодная война.

Тем не менее, военные ученые продолжают трансформировать лазерные ракеты из научной фантастики в реальность. ВМС США впервые начали испытания LaWS (Laser Weapon System) на борту корабля USS Ponce в Персидском заливе в 2014 году.Использование твердотельных лазеров с накачкой светодиоды, он был предназначен для повреждения или уничтожения техники противника более дешевле и точнее, чем обычные ракеты. Испытания оказались успешными, и флот объявила о заключении контрактов на создание дополнительных систем LaWS в 2018 году. Тем временем продолжается разработка космических лазеров, хотя ни один из них еще не развернут.


Фото: ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии разработали самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для ядерных исследований.Размещенный в 10-этажном здании, занимающем площадь размером с три футбольных поля, он использует 192 отдельных лазерных луча для обеспечения мощности до 500 триллионов ватт. (в 100 раз больше энергии, чем любой другой лазер), генерирующий температуры до 100 миллионов градусов. NIF стоит в общей сложности 3,5 миллиарда долларов и, как ожидается, будет способствовать проведению передовых ядерных исследований в течение следующих 30 лет. Слева: один из двойных лазерных отсеков в Национальном центре зажигания. Справа: как это работает: лучи лазера концентрируются на небольшой топливной таблетке в камере, создавая высокие температуры (как в глубинах звезд).Идея состоит в том, чтобы произвести ядерный синтез (заставить атомы соединяться вместе) и высвободить огромное количество энергии. Фото: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.

Как работают лазеры? | Кто изобрел лазер?

Лазеры — это удивительные мощные световые лучи. достаточно, чтобы подняться в небо на несколько миль или прорезать куски металла. Хотя они кажутся довольно недавними изобретениями, на самом деле они с нами более полувека: теория была разработана в 1958 году; первое практический лазер был построен в 1960 году.В то время лазеры были захватывающие примеры передовой науки: секретный агент 007, Джеймс Бонд был чуть не разрублен пополам лазерным лучом в 1964 году. фильм Голдфингер . Но, кроме злодеев Бонда, никто еще имел представление, что делать с лазерами; как известно, они были описаны как «решение, ищущее проблему». Сегодня у всех нас есть лазеры дома (в CD- и DVD-проигрывателях), в наших офисах (в лазерные принтеры), так и в магазинах, где мы покупаем (в сканеры штрих-кода). Наша одежда вырезается лазером, мы лечим зрение их, и мы отправляем и получаем электронные письма через Интернет с сигналами что лазеры прожигают оптоволоконные кабели.Понимаем ли мы это или нет, все мы целыми днями пользуемся лазерами, но сколько из нас на самом деле понять, что они из себя представляют или как они работают?

Основная идея лазера проста. Это трубка, которая концентрирует свет снова и снова, пока не появляется в действительно мощном луче. Но как именно это происходит? Что происходит внутри лазера? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Научный эксперимент по проверке юстировки оптического оборудования с использованием лазерных лучей, проведенных в Центре надводных боевых действий ВМС США (NSWC).Фото Грега Войтко предоставлено ВМС США и Викисклад.

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Разница между обычным светом и лазерным светом подобна разнице между рябь в ванной и огромные волны на море. Вы, наверное, замечали, что если двигать руками вперед-назад в в ванне можно сделать довольно сильные волны. Если вы продолжаете двигать руками в такт волнам, которые вы создаете, волны становятся все больше и больше.Представьте, что вы делаете это несколько миллионов раз в открытом океане. Вскоре над вашей головой будут возвышаться горные волны! Лазер делает нечто подобное со световыми волнами. Он начинается со слабого света и продолжает добавлять все больше и больше энергии, так что световые волны становятся все более концентрированными.

Фото: гораздо проще заставить лазерные лучи двигаться точно по траектории, чем обычные световые лучи. как в этом эксперименте по разработке лучших солнечных батарей. Изображение Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Департамент энергетики/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Если вы хоть раз видели лазер в научной лаборатории, вы наверняка заметили сразу два очень важных отличия:

  • Если фонарик излучает «белый» свет (смесь всех различных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется монохромным светом (из одного, очень точную частоту и цвет — часто ярко-красный, зеленый или невидимый «цвет», такой как инфракрасный или ультрафиолетовый).
  • Где луч фонарика проходит через линзу в короткий и довольно нечеткий конус, лазер стреляет более плотным и узким лучом по гораздо большее расстояние (мы говорим, что это сильно коллимировано ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

  • Где световые волны в луче фонарика все перемешаны (с гребнями одних лучей смешиваются с впадинами других), волны в лазерном света идут точно в ногу: гребень каждой волны совпадает с гребень каждой второй волны. Мы говорим, что лазерный свет имеет когерентных . Думайте о луче фонарика как о толпе пассажиров, толкающихся и толкающихся, толкающихся вниз по перрон вокзала; для сравнения, лазерный луч подобен парад солдат, все маршируют точно в ногу.

Эти три вещи делают лазеры точными, мощными и удивительно полезными лучами энергии.

Как лазеры излучают свет?

Если вы хотите узнать о лазерах столько подробностей, сколько вам нужно, можете не читать. или пропустите страницу ниже к типам лазеров. В этом разделе те же пункты из поля выше рассматриваются более подробно, и еще немного “теоретически”.

Вы часто читаете в книгах, что “лазер” означает для усиления света за счет стимулированного излучения. Это сложный и запутанный глоток, но если вы медленно разберете его, это на самом деле очень четкое объяснение того, как лазеры делают свои сверхмощные лучи света.

Самопроизвольное излучение

Начнем с «R» лазера: излучение. Излучение лазеров не имеет ничего общего с опасным радиоактивность , вещество, которое заставляет счетчики Гейгера щелкать, что атомы извергаются, когда они разбиваются вместе или развалиться. Лазеры производят электромагнитное излучение, как обычный свет, радиоволны, рентгеновские лучи и инфракрасное излучение.Несмотря на то что он по-прежнему производится атомами, они производят («излучают») его совершенно по-другому, когда электроны прыгают вверх и вниз внутри них. Мы можем подумайте об электронах в атомах, сидящих на энергетических уровнях, которые немного как ступеньки на лестнице. В норме электроны располагаются на самом нижнем возможный уровень, который называется основным состоянием атома. Если вы стреляете затрачивая нужное количество энергии, вы можете сдвинуть электрон вверх уровне, на следующую ступеньку «лестницы». Это называется поглощение и в новом состоянии мы говорим атома возбуждает — но он также нестабилен.Он очень быстро возвращается в основное состояние испуская энергию, которую он поглотил в виде фотона (частица света). Мы называем этот процесс спонтанным излучением излучение: атом испускает свет (излучает излучение) всеми сам (спонтанно).

Фото: Самопроизвольное излучение — при свечах.

От свечей до лампочек, от светлячков до карманных фонариков, все обычные формы света работают в процессе спонтанного излучения. В свече горение (химическая реакция между кислородом и горючим, в данном случае воском) возбуждает атомы и делает их нестабильными.Они излучают свет, когда возвращаются в исходное (основное) состояние. Каждый фотон, произведенный спонтанным излучением внутри пламени этой свечи, отличается от любого другого фотона, поэтому существует смесь различных длин волн (и цветов), создающая «белый» свет. Фотоны возникают в случайных направлениях, с волнами, которые не идут в ногу друг с другом («не в фазе»), поэтому свет свечи намного слабее, чем лазерный свет.

Вынужденное излучение

Обычно типичный пучок атомов имеет больше электроны в основном состоянии, чем в возбужденном, это одна из причин, по которой атомы не излучают свет спонтанно.Но что, если мы возбудим эти атомы — накачаем их энергией — так их электроны находились в возбужденном состоянии. В этом случае «население» возбужденных электронов было бы больше, чем “население” в их основных состояниях, так что было бы много электроны, готовые и желающие производить фотоны света. Мы называем это ситуация инверсия населения , потому что обычное состояние дела в атомах меняются местами (инвертируются). Теперь предположим а также то, что мы могли поддерживать наши атомы в этом состоянии некоторое время. в то время как они не автоматически прыгали обратно на землю состояние (временно возбужденное состояние, известное как метастабильное состояние ). состояние ).Тогда мы найдем что-то действительно интересное. Если бы мы стреляли фотон с нужной энергией через нашу кучу атомов, мы заставили бы один из возбужденных электронов прыгнуть обратно на свое основное состояние, испуская как фотон, который мы выпустили, так и фотон вызвано изменением состояния электрона. Потому что мы стимулируя атомы получать из них излучение, этот процесс называется вынужденным излучением . Мы получаем два фотона после вставляя один фотон, эффективно удваивая наш свет и усиливая это (увеличение).Эти два фотона могут стимулировать другие атомы к испускать больше фотонов, так что довольно скоро мы получаем каскад фотонов — цепная реакция — выбрасывание блестящего луча чистого, когерентного свет лазера. Здесь мы усилили свет с помощью стимулированного испускание излучения — отсюда и название лазера.

Рисунок: Как лазеры работают в теории: Слева: Поглощение: энергия огня (зеленый) в атом, и вы можете перевести электрон (синий) из его основного состояния в возбужденное состояние, что обычно означает отталкивание его дальше от ядра (серый ).Середина: спонтанное излучение: возбужденный электрон естественным образом возвращается в свое основное состояние, испуская квант (пакет энергии) в виде фотона (зеленое покачивание). Справа: Стимулированное излучение: запустив фотон рядом с группой возбужденных атомов, вы можете вызвать каскад идентичных фотонов. Один фотон света запускает многие, так что здесь мы имеем усиление света (создание большего количества света) за счет стимулированного излучения (электромагнитного) излучения — ЛАЗЕР!

Чем отличается лазерный свет?

Если так лазеры излучают свет, то почему они делают единый цвет и когерентный луч? Это сводится к представление о том, что энергия может существовать только в виде фиксированных пакетов, каждый из которых называется квантом .Это немного похоже на деньги. Вы можете иметь только деньги, кратные самой базовой единице вашей валюты, которая может быть цент, пенни, рупия или что-то еще. Вы не можете иметь десятую часть цент или двадцатая часть рупии, но вы можете иметь 10 центов или 20 рупий. То же самое относится и к энергии, и это особенно заметно внутри атомов.

Подобно ступеням лестницы, энергетические уровни в атомах находятся в фиксированных местах с промежутками между ними. Ты на лестницу нельзя ставить ногу, только на ступеньки; И в точно так же вы можете только перемещать электроны в атомах между фиксированные энергетические уровни. Чтобы совершить прыжок электрона с нижнего на более высокий уровень, вы должны ввести точное количество (количество) энергия, равная разнице между двумя энергетическими уровнями. Когда электроны возвращаются из своего возбужденного состояния в основное, они выделяют такое же, точное количество энергии, которое форма фотона света определенного цвета. Вынужденное излучение в лазерах заставляет электроны производить каскад идентичных фотонов — идентичных по энергии, частоте, длине волны — и это почему лазерный свет монохроматичен.Произведенные фотоны эквивалентны световым волнам, гребни и впадины которых совпадают (другими словами, они «в фазе») — и это то, что делает лазерный свет когерентным.

Типы лазеров

Фото: Лазеры — как мы их знаем: это лазер и линза, которые сканируют диски внутри проигрывателя компакт-дисков или DVD-дисков. Маленький круг в правом нижнем углу — это полупроводниковый лазерный диод, а большой синий круг — это линза, которая считывает свет от лазера после того, как он отражается от блестящей поверхности диска.

Так как мы можем возбудить много разных атомов разными способами, мы можем (теоретически) создать множество различных типов лазеров. На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердые тела, жидкости и газы — это три основных состояния материи, которые дают нам три разных типа лазеров. Твердотельные лазеры как те, что я проиллюстрировал выше. Среда представляет собой что-то вроде рубиновый стержень или другой твердый кристаллический материал и импульсная лампа, обернутая вокруг него перекачивают свои атомы, полные энергии.Для эффективной работы необходимо твердое тело должно быть легировано , процесс, который заменяет некоторые из атомы твердого тела с ионами примесей, придавая ему в самый раз уровни энергии для создания лазерного излучения определенной, точной частота. Твердотельные лазеры производят мощные лучи, обычно очень короткими импульсами. Газовые лазеры , напротив, производят непрерывные яркие лучи с использованием соединений благородных газов (в так называемые эксимерные лазеры) или углекислый газ (CO2) в качестве среды, накачивается электричеством.СО2 лазеры мощные, эффективные и обычно используются в промышленная резка и сварка. Лазеры с жидким красителем используют раствор молекул органических красителей как среда, накачиваемая чем-то как дуговая лампа, лампа-вспышка или другой лазер. Их большое преимущество заключается в том, что их можно использовать для получения более широкой полосы световых частот, чем твердотельные и газовые лазеры, и они могут даже быть «настроенным» для воспроизведения различных частот.

Несмотря на то, что твердотельные, жидкостные и газовые лазеры большие, мощные и дорогие полупроводниковых лазеров дешевые, крошечные, похожие на чипы устройства, используемые в таких вещах, как проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, и сканеры штрих-кода.Они работают как нечто среднее между обычным Светодиод (LED) и традиционный лазер. Подобно светодиоду, они излучают свет, когда электроны и «дырки» (по сути, «недостающие» электроны”) прыгают и соединяются; как лазер, они генерируют когерентный монохроматический свет. Вот почему они иногда называются лазерными диодами (или диодными лазерами). Вы можете прочитать больше о них в нашей отдельной статье о полупроводниках лазерные диоды.

Наконец, волоконных лазеров творят чудеса внутри оптических волокон; по сути, легированный оптоволоконный кабель становится усиливающая среда.Они мощные, эффективные, надежные и упростите передачу лазерного излучения туда, где это необходимо.

Для чего используются лазеры?

… никто из нас, кто работал над первыми лазерами, не представлял себе, сколько применений может быть в конечном итоге… Люди, вовлеченные в процесс, движимые главным образом любопытством, часто имеют мало представлений о том, к чему приведут их исследования.

Чарльз Таунс, Как появился лазер, 1999.

Когда Теодор Мейман разработал первый практический лазер, мало кто осознавал, насколько важными будут эти машины в итоге стать. Goldfinger , фильм о Джеймсе Бонде 1964 года, предложил дразнящий взгляд на будущее, в котором промышленные лазеры могли прорезать как по волшебству все на своем пути — даже секретных агентов! Позже в том же году, сообщая о награде Нобелевской премии по физике пионеру лазеров Чарльзу Таунсу, Нью-Йорк Times предположил, что «лазерный луч может, например, нести все радио- и телепрограммы мира плюс несколько сто тысяч телефонных звонков одновременно.Это используется широко используется для определения дальности и слежения за ракетами». столетие спустя, подобные приложения — точные инструменты, цифровые связь и оборона — остаются одними из наиболее важных применений лазеры.

Фото: каждый раз, когда он печатает документ, лазерный принтер на вашем столе занят стимулируя миллионы атомов! Лазер внутри него используется для рисования очень точного изображения страницы, которую вы хотите напечатать, на большом барабане, который собирает активные чернила (тонер) и переносит их на бумагу.

Инструменты

Режущие инструменты на основе CO2-лазеров широко используются в промышленности: они точны, легко автоматизируются и, в отличие от ножей, никогда не нуждаются в заточке. Там, где когда-то вручную вырезали куски ткани, делать вещи, как джинсы из денима, теперь ткани рубятся на лазеры с роботизированным наведением. Они быстрее и точнее, чем люди и может разрезать несколько толщин ткани одновременно, что улучшает эффективность и производительность. Одинаковая точность одинаково важна в медицине: врачи регулярно воздействуют на тела своих пациентов лазерами.для всего, от взрыва раковых опухолей и прижигания кровеносных сосудов до устранение проблем со зрением у людей (лазерная хирургия глаза, исправление отслоение сетчатки и лечение катаракты включают лазеры).

Фото: Хирург-офтальмолог проводит операцию LASIK. Фото Ларри А. Симмонса предоставлено ВВС США.

Связь

Лазеры составляют основу всех видов Цифровые технологии 21 века. Каждый раз, когда вы проводите покупки через сканер штрих-кода продуктового магазина, вы используете лазер для преобразования напечатанного штрих-кода в число, которое может использовать кассовый компьютер понимать.Когда вы смотрите DVD или слушаете CD, полупроводниковый лазерный луч отражается от вращающегося диска, чтобы преобразовать его напечатанный преобразование данных в числа; компьютерный чип преобразует эти числа в кино, музыку и звук. Наряду с волоконно-оптическими кабелями лазеры широко используются в технологии под названием фотоника — с использованием фотонов света для связи, например, для отправки огромных потоков данные туда и обратно через Интернет. В настоящее время Facebook экспериментирует с использованием лазеров (вместо радиоволн), чтобы улучшить связь с космосом. спутников, что может привести к более высокой скорости передачи данных и значительно улучшенный доступ в Интернет в развивающихся странах.

Фото: Будущее за лазерным оружием? Это система лазерного оружия ВМС США (LaWS), которая была испытана на борту USS Ponce в 2014 году. Нет дорогих пуль или ракет с такой лазерной пушкой, только бесконечный запас яростно направленной энергии. Фото Джона Ф. Уильямса предоставлено ВМС США и Викисклад.

Защита

Военные долгое время были одним из крупнейших пользователей этой технологии, главным образом, в оружии и ракетах с лазерным наведением.Несмотря на свою популяризацию в кино и на телевидении, научно-фантастическая идея лазерное оружие, способное разрезать, убить или ослепить врага, оставалось фантастическим до середины 1980-х гг. В 1981 году The New York Times зашла так далеко, что процитировала одну «военный эксперт по лазерам», говоря: «Это просто глупо. больше энергии, чтобы убить одного человека лазером, чем уничтожить ракеты.” Двумя годами позже лазерное оружие большой дальности официально стал краеугольным камнем президента США Рональда Рейгана. спорная Стратегическая оборонная инициатива (СОИ), более известная как «Программа Звездных войн».Первоначальная идея заключалась в использовании космических, Рентгеновские лазеры (среди прочих технологий) для уничтожения наступающего противника ракет до того, как они успели нанести урон, хотя по плану постепенно прекратила свое существование после распада Советского Союза и конца холодная война.

Тем не менее, военные ученые продолжают трансформировать лазерные ракеты из научной фантастики в реальность. ВМС США впервые начали испытания LaWS (Laser Weapon System) на борту корабля USS Ponce в Персидском заливе в 2014 году.Использование твердотельных лазеров с накачкой светодиоды, он был предназначен для повреждения или уничтожения техники противника более дешевле и точнее, чем обычные ракеты. Испытания оказались успешными, и флот объявила о заключении контрактов на создание дополнительных систем LaWS в 2018 году. Тем временем продолжается разработка космических лазеров, хотя ни один из них еще не развернут.


Фото: ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии разработали самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для ядерных исследований.Размещенный в 10-этажном здании, занимающем площадь размером с три футбольных поля, он использует 192 отдельных лазерных луча для обеспечения мощности до 500 триллионов ватт. (в 100 раз больше энергии, чем любой другой лазер), генерирующий температуры до 100 миллионов градусов. NIF стоит в общей сложности 3,5 миллиарда долларов и, как ожидается, будет способствовать проведению передовых ядерных исследований в течение следующих 30 лет. Слева: один из двойных лазерных отсеков в Национальном центре зажигания. Справа: как это работает: лучи лазера концентрируются на небольшой топливной таблетке в камере, создавая высокие температуры (как в глубинах звезд).Идея состоит в том, чтобы произвести ядерный синтез (заставить атомы соединяться вместе) и высвободить огромное количество энергии. Фото: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.

Как работают лазеры? | Кто изобрел лазер?

Лазеры — это удивительные мощные световые лучи. достаточно, чтобы подняться в небо на несколько миль или прорезать куски металла. Хотя они кажутся довольно недавними изобретениями, на самом деле они с нами более полувека: теория была разработана в 1958 году; первое практический лазер был построен в 1960 году.В то время лазеры были захватывающие примеры передовой науки: секретный агент 007, Джеймс Бонд был чуть не разрублен пополам лазерным лучом в 1964 году. фильм Голдфингер . Но, кроме злодеев Бонда, никто еще имел представление, что делать с лазерами; как известно, они были описаны как «решение, ищущее проблему». Сегодня у всех нас есть лазеры дома (в CD- и DVD-проигрывателях), в наших офисах (в лазерные принтеры), так и в магазинах, где мы покупаем (в сканеры штрих-кода). Наша одежда вырезается лазером, мы лечим зрение их, и мы отправляем и получаем электронные письма через Интернет с сигналами что лазеры прожигают оптоволоконные кабели.Понимаем ли мы это или нет, все мы целыми днями пользуемся лазерами, но сколько из нас на самом деле понять, что они из себя представляют или как они работают?

Основная идея лазера проста. Это трубка, которая концентрирует свет снова и снова, пока не появляется в действительно мощном луче. Но как именно это происходит? Что происходит внутри лазера? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Научный эксперимент по проверке юстировки оптического оборудования с использованием лазерных лучей, проведенных в Центре надводных боевых действий ВМС США (NSWC).Фото Грега Войтко предоставлено ВМС США и Викисклад.

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Разница между обычным светом и лазерным светом подобна разнице между рябь в ванной и огромные волны на море. Вы, наверное, замечали, что если двигать руками вперед-назад в в ванне можно сделать довольно сильные волны. Если вы продолжаете двигать руками в такт волнам, которые вы создаете, волны становятся все больше и больше.Представьте, что вы делаете это несколько миллионов раз в открытом океане. Вскоре над вашей головой будут возвышаться горные волны! Лазер делает нечто подобное со световыми волнами. Он начинается со слабого света и продолжает добавлять все больше и больше энергии, так что световые волны становятся все более концентрированными.

Фото: гораздо проще заставить лазерные лучи двигаться точно по траектории, чем обычные световые лучи. как в этом эксперименте по разработке лучших солнечных батарей. Изображение Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Департамент энергетики/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Если вы хоть раз видели лазер в научной лаборатории, вы наверняка заметили сразу два очень важных отличия:

  • Если фонарик излучает «белый» свет (смесь всех различных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется монохромным светом (из одного, очень точную частоту и цвет — часто ярко-красный, зеленый или невидимый «цвет», такой как инфракрасный или ультрафиолетовый).
  • Где луч фонарика проходит через линзу в короткий и довольно нечеткий конус, лазер стреляет более плотным и узким лучом по гораздо большее расстояние (мы говорим, что это сильно коллимировано ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

  • Где световые волны в луче фонарика все перемешаны (с гребнями одних лучей смешиваются с впадинами других), волны в лазерном света идут точно в ногу: гребень каждой волны совпадает с гребень каждой второй волны. Мы говорим, что лазерный свет имеет когерентных . Думайте о луче фонарика как о толпе пассажиров, толкающихся и толкающихся, толкающихся вниз по перрон вокзала; для сравнения, лазерный луч подобен парад солдат, все маршируют точно в ногу.

Эти три вещи делают лазеры точными, мощными и удивительно полезными лучами энергии.

Как лазеры излучают свет?

Если вы хотите узнать о лазерах столько подробностей, сколько вам нужно, можете не читать. или пропустите страницу ниже к типам лазеров. В этом разделе те же пункты из поля выше рассматриваются более подробно, и еще немного “теоретически”.

Вы часто читаете в книгах, что “лазер” означает для усиления света за счет стимулированного излучения. Это сложный и запутанный глоток, но если вы медленно разберете его, это на самом деле очень четкое объяснение того, как лазеры делают свои сверхмощные лучи света.

Самопроизвольное излучение

Начнем с «R» лазера: излучение. Излучение лазеров не имеет ничего общего с опасным радиоактивность , вещество, которое заставляет счетчики Гейгера щелкать, что атомы извергаются, когда они разбиваются вместе или развалиться. Лазеры производят электромагнитное излучение, как обычный свет, радиоволны, рентгеновские лучи и инфракрасное излучение.Несмотря на то что он по-прежнему производится атомами, они производят («излучают») его совершенно по-другому, когда электроны прыгают вверх и вниз внутри них. Мы можем подумайте об электронах в атомах, сидящих на энергетических уровнях, которые немного как ступеньки на лестнице. В норме электроны располагаются на самом нижнем возможный уровень, который называется основным состоянием атома. Если вы стреляете затрачивая нужное количество энергии, вы можете сдвинуть электрон вверх уровне, на следующую ступеньку «лестницы». Это называется поглощение и в новом состоянии мы говорим атома возбуждает — но он также нестабилен.Он очень быстро возвращается в основное состояние испуская энергию, которую он поглотил в виде фотона (частица света). Мы называем этот процесс спонтанным излучением излучение: атом испускает свет (излучает излучение) всеми сам (спонтанно).

Фото: Самопроизвольное излучение — при свечах.

От свечей до лампочек, от светлячков до карманных фонариков, все обычные формы света работают в процессе спонтанного излучения. В свече горение (химическая реакция между кислородом и горючим, в данном случае воском) возбуждает атомы и делает их нестабильными.Они излучают свет, когда возвращаются в исходное (основное) состояние. Каждый фотон, произведенный спонтанным излучением внутри пламени этой свечи, отличается от любого другого фотона, поэтому существует смесь различных длин волн (и цветов), создающая «белый» свет. Фотоны возникают в случайных направлениях, с волнами, которые не идут в ногу друг с другом («не в фазе»), поэтому свет свечи намного слабее, чем лазерный свет.

Вынужденное излучение

Обычно типичный пучок атомов имеет больше электроны в основном состоянии, чем в возбужденном, это одна из причин, по которой атомы не излучают свет спонтанно.Но что, если мы возбудим эти атомы — накачаем их энергией — так их электроны находились в возбужденном состоянии. В этом случае «население» возбужденных электронов было бы больше, чем “население” в их основных состояниях, так что было бы много электроны, готовые и желающие производить фотоны света. Мы называем это ситуация инверсия населения , потому что обычное состояние дела в атомах меняются местами (инвертируются). Теперь предположим а также то, что мы могли поддерживать наши атомы в этом состоянии некоторое время. в то время как они не автоматически прыгали обратно на землю состояние (временно возбужденное состояние, известное как метастабильное состояние ). состояние ).Тогда мы найдем что-то действительно интересное. Если бы мы стреляли фотон с нужной энергией через нашу кучу атомов, мы заставили бы один из возбужденных электронов прыгнуть обратно на свое основное состояние, испуская как фотон, который мы выпустили, так и фотон вызвано изменением состояния электрона. Потому что мы стимулируя атомы получать из них излучение, этот процесс называется вынужденным излучением . Мы получаем два фотона после вставляя один фотон, эффективно удваивая наш свет и усиливая это (увеличение).Эти два фотона могут стимулировать другие атомы к испускать больше фотонов, так что довольно скоро мы получаем каскад фотонов — цепная реакция — выбрасывание блестящего луча чистого, когерентного свет лазера. Здесь мы усилили свет с помощью стимулированного испускание излучения — отсюда и название лазера.

Рисунок: Как лазеры работают в теории: Слева: Поглощение: энергия огня (зеленый) в атом, и вы можете перевести электрон (синий) из его основного состояния в возбужденное состояние, что обычно означает отталкивание его дальше от ядра (серый ).Середина: спонтанное излучение: возбужденный электрон естественным образом возвращается в свое основное состояние, испуская квант (пакет энергии) в виде фотона (зеленое покачивание). Справа: Стимулированное излучение: запустив фотон рядом с группой возбужденных атомов, вы можете вызвать каскад идентичных фотонов. Один фотон света запускает многие, так что здесь мы имеем усиление света (создание большего количества света) за счет стимулированного излучения (электромагнитного) излучения — ЛАЗЕР!

Чем отличается лазерный свет?

Если так лазеры излучают свет, то почему они делают единый цвет и когерентный луч? Это сводится к представление о том, что энергия может существовать только в виде фиксированных пакетов, каждый из которых называется квантом .Это немного похоже на деньги. Вы можете иметь только деньги, кратные самой базовой единице вашей валюты, которая может быть цент, пенни, рупия или что-то еще. Вы не можете иметь десятую часть цент или двадцатая часть рупии, но вы можете иметь 10 центов или 20 рупий. То же самое относится и к энергии, и это особенно заметно внутри атомов.

Подобно ступеням лестницы, энергетические уровни в атомах находятся в фиксированных местах с промежутками между ними. Ты на лестницу нельзя ставить ногу, только на ступеньки; И в точно так же вы можете только перемещать электроны в атомах между фиксированные энергетические уровни. Чтобы совершить прыжок электрона с нижнего на более высокий уровень, вы должны ввести точное количество (количество) энергия, равная разнице между двумя энергетическими уровнями. Когда электроны возвращаются из своего возбужденного состояния в основное, они выделяют такое же, точное количество энергии, которое форма фотона света определенного цвета. Вынужденное излучение в лазерах заставляет электроны производить каскад идентичных фотонов — идентичных по энергии, частоте, длине волны — и это почему лазерный свет монохроматичен.Произведенные фотоны эквивалентны световым волнам, гребни и впадины которых совпадают (другими словами, они «в фазе») — и это то, что делает лазерный свет когерентным.

Типы лазеров

Фото: Лазеры — как мы их знаем: это лазер и линза, которые сканируют диски внутри проигрывателя компакт-дисков или DVD-дисков. Маленький круг в правом нижнем углу — это полупроводниковый лазерный диод, а большой синий круг — это линза, которая считывает свет от лазера после того, как он отражается от блестящей поверхности диска.

Так как мы можем возбудить много разных атомов разными способами, мы можем (теоретически) создать множество различных типов лазеров. На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердые тела, жидкости и газы — это три основных состояния материи, которые дают нам три разных типа лазеров. Твердотельные лазеры как те, что я проиллюстрировал выше. Среда представляет собой что-то вроде рубиновый стержень или другой твердый кристаллический материал и импульсная лампа, обернутая вокруг него перекачивают свои атомы, полные энергии.Для эффективной работы необходимо твердое тело должно быть легировано , процесс, который заменяет некоторые из атомы твердого тела с ионами примесей, придавая ему в самый раз уровни энергии для создания лазерного излучения определенной, точной частота. Твердотельные лазеры производят мощные лучи, обычно очень короткими импульсами. Газовые лазеры , напротив, производят непрерывные яркие лучи с использованием соединений благородных газов (в так называемые эксимерные лазеры) или углекислый газ (CO2) в качестве среды, накачивается электричеством.СО2 лазеры мощные, эффективные и обычно используются в промышленная резка и сварка. Лазеры с жидким красителем используют раствор молекул органических красителей как среда, накачиваемая чем-то как дуговая лампа, лампа-вспышка или другой лазер. Их большое преимущество заключается в том, что их можно использовать для получения более широкой полосы световых частот, чем твердотельные и газовые лазеры, и они могут даже быть «настроенным» для воспроизведения различных частот.

Несмотря на то, что твердотельные, жидкостные и газовые лазеры большие, мощные и дорогие полупроводниковых лазеров дешевые, крошечные, похожие на чипы устройства, используемые в таких вещах, как проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, и сканеры штрих-кода.Они работают как нечто среднее между обычным Светодиод (LED) и традиционный лазер. Подобно светодиоду, они излучают свет, когда электроны и «дырки» (по сути, «недостающие» электроны”) прыгают и соединяются; как лазер, они генерируют когерентный монохроматический свет. Вот почему они иногда называются лазерными диодами (или диодными лазерами). Вы можете прочитать больше о них в нашей отдельной статье о полупроводниках лазерные диоды.

Наконец, волоконных лазеров творят чудеса внутри оптических волокон; по сути, легированный оптоволоконный кабель становится усиливающая среда.Они мощные, эффективные, надежные и упростите передачу лазерного излучения туда, где это необходимо.

Для чего используются лазеры?

… никто из нас, кто работал над первыми лазерами, не представлял себе, сколько применений может быть в конечном итоге… Люди, вовлеченные в процесс, движимые главным образом любопытством, часто имеют мало представлений о том, к чему приведут их исследования.

Чарльз Таунс, Как появился лазер, 1999.

Когда Теодор Мейман разработал первый практический лазер, мало кто осознавал, насколько важными будут эти машины в итоге стать. Goldfinger , фильм о Джеймсе Бонде 1964 года, предложил дразнящий взгляд на будущее, в котором промышленные лазеры могли прорезать как по волшебству все на своем пути — даже секретных агентов! Позже в том же году, сообщая о награде Нобелевской премии по физике пионеру лазеров Чарльзу Таунсу, Нью-Йорк Times предположил, что «лазерный луч может, например, нести все радио- и телепрограммы мира плюс несколько сто тысяч телефонных звонков одновременно.Это используется широко используется для определения дальности и слежения за ракетами». столетие спустя, подобные приложения — точные инструменты, цифровые связь и оборона — остаются одними из наиболее важных применений лазеры.

Фото: каждый раз, когда он печатает документ, лазерный принтер на вашем столе занят стимулируя миллионы атомов! Лазер внутри него используется для рисования очень точного изображения страницы, которую вы хотите напечатать, на большом барабане, который собирает активные чернила (тонер) и переносит их на бумагу.

Инструменты

Режущие инструменты на основе CO2-лазеров широко используются в промышленности: они точны, легко автоматизируются и, в отличие от ножей, никогда не нуждаются в заточке. Там, где когда-то вручную вырезали куски ткани, делать вещи, как джинсы из денима, теперь ткани рубятся на лазеры с роботизированным наведением. Они быстрее и точнее, чем люди и может разрезать несколько толщин ткани одновременно, что улучшает эффективность и производительность. Одинаковая точность одинаково важна в медицине: врачи регулярно воздействуют на тела своих пациентов лазерами.для всего, от взрыва раковых опухолей и прижигания кровеносных сосудов до устранение проблем со зрением у людей (лазерная хирургия глаза, исправление отслоение сетчатки и лечение катаракты включают лазеры).

Фото: Хирург-офтальмолог проводит операцию LASIK. Фото Ларри А. Симмонса предоставлено ВВС США.

Связь

Лазеры составляют основу всех видов Цифровые технологии 21 века. Каждый раз, когда вы проводите покупки через сканер штрих-кода продуктового магазина, вы используете лазер для преобразования напечатанного штрих-кода в число, которое может использовать кассовый компьютер понимать.Когда вы смотрите DVD или слушаете CD, полупроводниковый лазерный луч отражается от вращающегося диска, чтобы преобразовать его напечатанный преобразование данных в числа; компьютерный чип преобразует эти числа в кино, музыку и звук. Наряду с волоконно-оптическими кабелями лазеры широко используются в технологии под названием фотоника — с использованием фотонов света для связи, например, для отправки огромных потоков данные туда и обратно через Интернет. В настоящее время Facebook экспериментирует с использованием лазеров (вместо радиоволн), чтобы улучшить связь с космосом. спутников, что может привести к более высокой скорости передачи данных и значительно улучшенный доступ в Интернет в развивающихся странах.

Фото: Будущее за лазерным оружием? Это система лазерного оружия ВМС США (LaWS), которая была испытана на борту USS Ponce в 2014 году. Нет дорогих пуль или ракет с такой лазерной пушкой, только бесконечный запас яростно направленной энергии. Фото Джона Ф. Уильямса предоставлено ВМС США и Викисклад.

Защита

Военные долгое время были одним из крупнейших пользователей этой технологии, главным образом, в оружии и ракетах с лазерным наведением.Несмотря на свою популяризацию в кино и на телевидении, научно-фантастическая идея лазерное оружие, способное разрезать, убить или ослепить врага, оставалось фантастическим до середины 1980-х гг. В 1981 году The New York Times зашла так далеко, что процитировала одну «военный эксперт по лазерам», говоря: «Это просто глупо. больше энергии, чтобы убить одного человека лазером, чем уничтожить ракеты.” Двумя годами позже лазерное оружие большой дальности официально стал краеугольным камнем президента США Рональда Рейгана. спорная Стратегическая оборонная инициатива (СОИ), более известная как «Программа Звездных войн».Первоначальная идея заключалась в использовании космических, Рентгеновские лазеры (среди прочих технологий) для уничтожения наступающего противника ракет до того, как они успели нанести урон, хотя по плану постепенно прекратила свое существование после распада Советского Союза и конца холодная война.

Тем не менее, военные ученые продолжают трансформировать лазерные ракеты из научной фантастики в реальность. ВМС США впервые начали испытания LaWS (Laser Weapon System) на борту корабля USS Ponce в Персидском заливе в 2014 году.Использование твердотельных лазеров с накачкой светодиоды, он был предназначен для повреждения или уничтожения техники противника более дешевле и точнее, чем обычные ракеты. Испытания оказались успешными, и флот объявила о заключении контрактов на создание дополнительных систем LaWS в 2018 году. Тем временем продолжается разработка космических лазеров, хотя ни один из них еще не развернут.


Фото: ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии разработали самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для ядерных исследований.Размещенный в 10-этажном здании, занимающем площадь размером с три футбольных поля, он использует 192 отдельных лазерных луча для обеспечения мощности до 500 триллионов ватт. (в 100 раз больше энергии, чем любой другой лазер), генерирующий температуры до 100 миллионов градусов. NIF стоит в общей сложности 3,5 миллиарда долларов и, как ожидается, будет способствовать проведению передовых ядерных исследований в течение следующих 30 лет. Слева: один из двойных лазерных отсеков в Национальном центре зажигания. Справа: как это работает: лучи лазера концентрируются на небольшой топливной таблетке в камере, создавая высокие температуры (как в глубинах звезд).Идея состоит в том, чтобы произвести ядерный синтез (заставить атомы соединяться вместе) и высвободить огромное количество энергии. Фото: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.

Как работают лазеры | ОРЕЛ

Магия лазеров окружает нас повсюду: от высокоскоростных станков для резки до удаления татуировок, хирургии глаза, сканеров штрих-кода, список можно продолжить. Если бы это зависело от Доктора Зла, у нас были бы даже акулы с лазерами. Эта иногда невидимая технология часто воспринимается как загадка даже в нашей самой заветной научной фантастике, где что-то вроде Звезды Смерти использует супер-лазер для уничтожения целых планет. Но что такое лазер, как он работает и как мы используем его, чтобы делать удивительные вещи каждый день? Как и любая другая электронная технология, вы можете быть просто удивлены тем, насколько все это может быть просто.

Лазеры определены

Вы можете думать о лазере как о машине, которая испускает триллионы световых частиц, называемых фотонами, в точный луч света. Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет вынужденного излучения . Двумя ключевыми словами здесь являются усиление света, вызванное процессом стимулированного излучения светового излучения.Мы рассмотрим это более подробно позже.

(Источник изображения)

По своей сути лазеры мало чем отличаются от других технологий, использующих свет электромагнитного спектра. Говорите ли вы о радиоволнах, рентгеновских лучах, инфракрасных лучах или лазерах, все они используют части как видимого, так и невидимого светового спектра для выполнения своей работы. Однако, в отличие от других световых технологий, у лазеров есть некоторые уникальные характеристики, в том числе:

  • Однотонный. Свет, излучаемый лазером, представляет собой свет с одной длиной волны, поэтому вы часто видите лазеры как красные или зеленые. Эта длина волны и получаемый в результате цвет, который мы воспринимаем, вызваны количеством энергии, высвобождаемой, когда электрон теряет энергию.
  • Когерентный. Световой узор от лазера также когерентный или организованный. Возьмем, к примеру, фонарик, который излучает конус фотонов с разными длинами волн во всех направлениях. В лазере все длины волн в каждом фотоне идеально совпадают друг с другом, как солдаты, марширующие по прямой линии.
  • Направленный. Свет от лазера направленный. По сравнению с фонариком, который испускает свет в разных направлениях, лазеры вместо этого предлагают точный и концентрированный луч электромагнитного излучения.

Три основных компонента обеспечивают работу каждого лазера, будь то массивный газовый лазер или миниатюрный полупроводниковый лазер. Сначала вам нужно большое количество атомов в какой-то среде , будь то твердое тело, жидкость или газ. Затем вам понадобится стимулятор , чтобы возбудить электроны в атомах среды.Этим стимулятором может быть что-то вроде лампы-вспышки, ксеноновой лампы-вспышки или даже другого лазера. Наконец, вам нужен набор из зеркал , которые будут отражать фотоны вперед и назад и, в конечном итоге, через отверстие в одном из зеркал, чтобы создать характерный для нас лазерный свет.

Компоненты лазера, в том числе среда (рубиновый стержень), стимулятор (вспышка) и отражающие зеркала. (Источник изображения)

Как работает лазер

Чтобы понять, как работает лазер, вам сначала нужно знать, что электроны сидят на различных орбитах с энергетическими зонами внутри атома.Вы можете думать об этих полосах как об отдельных ступенях лестницы; может быть, у вас есть один в вашем доме.

В своем состоянии по умолчанию все электроны находятся на первой ступеньке этой лестницы, которая считается основным состоянием электрона . Если вы затем направите нужное количество энергии в электрон, вы сможете заставить его продвинуться на шаг вверх. Этот процесс называется поглощением , когда электрон поглощает направленную в него энергию, и в процессе этого его энергетический уровень повышается до следующей ступени или полосы.

Здесь мы видим две запрещенные зоны внутри атома, между которыми могут перемещаться электроны. (Источник изображения)

В этом более высоком энергетическом состоянии электрон считается возбужденным , но также и неуравновешенным. Чтобы восстановить баланс, электрон высвобождает первоначальный бит энергии, который он поглотил в виде фотона или частицы света. Это высвобождение энергии называется спонтанным излучением . Здесь электрон теряет первоначально полученную энергию и возвращается на первую ступеньку нашего лестничного пролета.

В результате самопроизвольного излучения электрон теряет энергию и испускает фотон. (Источник изображения)

Мы можем видеть, как атомы совершают этот спонтанный эмиссионный танец повсюду вокруг нас, переходя из состояния земли в состояние возбуждения и обратно в состояние земли в различных приложениях. Возьмем, к примеру, ваш тостер. Катушки горят ярко-красным, потому что атомы возбуждаются теплом и при этом испускают красные фотоны. Тот же самый процесс происходит в люминесцентных лампах, экранах компьютеров и т. д.

За пределами атомной

Теперь, когда мы понимаем, что происходит на атомном уровне, давайте объединим это в практическое применение лазера. Во-первых, какая-то среда, будь то твердое тело, жидкость или газ, на которую воздействует интенсивная вспышка света или электрический разряд. Этот процесс создает массивное скопление возбужденных электронов в среде. Когда в лазере больше возбужденных электронов, чем заземленных электронов, это состояние называется инверсией населенностей .

Все эти возбужденные электроны в возбужденном состоянии теперь начинают выделять энергию, которую они поглотили. Во время этого процесса электрон будет двигаться на несколько шагов вниз к своему исходному положению на земле, испуская фотоны определенной длины волны. Эти возбужденные электроны также стимулируют другие электроны к одновременному высвобождению накопленных ими фотонов. Этот процесс, когда один электрон вызывает цепную реакцию высвобождения фотонов в других электронах, называется вынужденным излучением .

Стимулированное излучение использует входной сигнал одного фотона для получения двухфотонного выхода. (Источник изображения)

Теперь представьте, что у нас есть огромное количество электронов, чередующихся из состояний низкой энергии в состояния высокой и низкой энергии, и в процессе высвобождения фотонов. Если теперь вы поместите набор зеркал между одной стороной лазерного носителя и другой, вы сможете использовать и направлять эти фотоны для создания нашего характерного лазерного света.

Хитрость здесь с зеркалами заключается в том, что одно из зеркал должно отражать немного меньше, чем другое.Когда фотоны отражаются от одного зеркала, они затем попадают в слегка прозрачное зеркало, а через маленькое «отверстие» в зеркале проходит точный луч света. Наш лазерный свет рождается.

Вы можете взять нечто, называемое рубиновым лазером, и увидеть его в действии. Посмотрите на изображение ниже; это устройство содержит все компоненты, необходимые для работы лазера. У него есть среда в виде кристалла рубина, стимулятор импульсной лампы и набор зеркал на обоих концах, одно из которых более прозрачно, чем другое.Вот как этот процесс будет работать здесь:

Рубиновый лазер в действии с набором простых компонентов. (Источник изображения)

  1. Во-первых, электрический ток заставит лампу-вспышку включаться и выключаться, что возбуждает электроны в кристалле рубина.
  2. Эти возбужденные электроны в своем повышенном состоянии затем возвращаются в свое основное состояние и испускают фотон света в процессе спонтанного излучения .
  3. Эти фотоны проносятся по всей среде, отражаясь от зеркал и приводя другие электроны в повышенные состояния.Это вызывает испускание большего количества фотонов в процессе стимулированного излучения . Вскоре у вас будет больше возбужденных, чем заземленных электронов, что создаст инверсию населенности .
  4. Два зеркала удерживают фотоны, отскакивающие туда-сюда в кристаллической среде , но одно из зеркал немного менее отражающее и пропускает часть фотонов.
  5. Вылетевшие фотоны попадают в мир в виде концентрированного и мощного луча лазерного света.

Типы лазеров

Существует множество лазеров, все из которых можно разделить на категории в зависимости от типа среды, в которой они используются. Это может быть твердое тело, газ, жидкость или полупроводник. Вот что нужно знать о каждом типе:

Твердотельные лазеры

Эти лазеры сделаны из твердой среды, такой как рубин или кристалл, с обернутой вокруг него лампой-вспышкой для возбуждения электронов. Как и полупроводники, твердотельные лазерные среды должны быть легированы примесями, которые излучают свет определенной частоты и длины волны.Обычно вы обнаружите, что эти лазеры используются для систем целеуказания в военных приложениях или для сверления отверстий в металлах.

Газовые лазеры

Эти лазеры обычно изготавливаются из гелия или гелий-неона и излучают характерный для нас красный лазерный свет. Существуют также CO2-лазеры, излучающие энергию в инфракрасном диапазоне. Эти мощные и эффективные лазеры обычно используются для промышленной резки и сварки.

(Источник изображения)

Лазеры на жидких красителях

В этих лазерах в качестве среды используются жидкие красители, такие как родамин в жидком растворе.Электроны возбуждаются дуговой лампой, лампой-вспышкой или другим лазером. В отличие от твердотельных или газовых лазеров, лазеры на жидких красителях могут создавать более широкую полосу световых частот и, как следствие, могут использоваться в различных приложениях.

(Источник изображения)

Полупроводниковые лазеры

Эти лазеры дешевы в производстве и используются в различных электронных устройствах, от лазерных принтеров до сканеров штрих-кода. Вы можете слышать, что эти лазеры называются диодными лазерами, поскольку они используют преимущества светодиода для генерации света в монохроматической схеме.

(Источник изображения)

Лазеры также могут быть классифицированы вне их общих категорий на основе конкретных длин волн, которые создает их среда. Наиболее распространенные лазеры и связанные с ними длины волн включают:

 

Лазерный тип Длина волны (нм)
Фторид аргона (УФ) 193
Криптонфторид (УФ) 248
Хлорид ксенона (УФ) 308
Азот (УФ) 337
Аргон (синий) 488
Аргон (зеленый) 514
Гелий-неон (зеленый) 543
Гелий-неон (красный) 633
Краситель родамин 6G (перестраиваемый) 570-650
Рубин (CrAlO3) (красный) 694
Nd:Yag (NIR) 1064
Двуокись углерода (FIR) 10600

Существует также другая система классификации, основанная на возможном биологическом повреждении. Вы найдете эту классовую систему напечатанной на упаковке лазера, и это будет либо:

  • Класс I. Это лазеры, которые, как известно, не причиняют биологических повреждений. Лазеры класса I далее подразделяются на класс I.A, которые не предназначены для просмотра и включают в себя такие приложения, как сканер штрих-кода в вашем продуктовом магазине.
  • Класс II. Эти лазеры мощнее класса I, но их мощность излучения не превышает 1 мВт. Эта классификация делает их безопасными для использования людьми, поскольку наше естественное отвращение к яркому свету ограничивает воздействие.
  • Класс III. Эти лазеры работают в диапазоне 1-5 мВт и опасны, если смотреть на луч прямо. Лазеры класса III делятся на класс III A, которые представляют собой лазеры средней мощности, и класс III B, которые представляют собой лазеры средней мощности.
  • Класс IV. Это мощные лазеры мощностью более 500 мВт; их также опасно просматривать при любых условиях. При прямом наблюдении лазеры класса IV представляют значительную опасность для кожи, а также могут вызвать пожар, если не обращаться с ними в контролируемом помещении.

Лазеры и их применение

Лазеры имеют множество применений, которые влияют на нашу повседневную жизнь. Некоторые из них видны, например, использование лазеров для удаления татуировок, в то время как другие лазеры работают за кулисами во всех наших электронных устройствах. Некоторые из наиболее распространенных применений лазеров включают:

Резка и заживление

Роботы с лазерным наведением используются для резки тканей и металлов, которые когда-то вырезались вручную. Возьмем, к примеру, джинсы, где роботы, управляемые лазером, могут разрезать ткань разной толщины одновременно.Вы также увидите, как лазеры используются в медицине для уничтожения раковых опухолей, прижигания сосудов и восстановления зрения путем восстановления отслоившейся сетчатки.

Общение

Лазеры составляют основу всех наших подключенных устройств и интернет-технологий. Лазерный сканер штрих-кода в вашем местном магазине делает покупку продуктов простой и эффективной. Кроме того, есть оптоволоконные кабели, которые используют фотоны для передачи огромных потоков данных через Интернет.

Защита

Военные вкладывают огромные средства в лазерные технологии и используют их для своего оружия и ракетных систем.Еще в 1980-х годах вы, возможно, слышали о «программе «Звездных войн», в которой американские военные планировали использовать рентгеновские лучи для уничтожения вражеских ракет. Сегодня ВМС разработали успешную систему лазерного оружия (LaWS) для использования на своих линкорах. Эта система вооружения представляет собой твердотельный лазер, который возбуждает электроны светодиодами и может точно уничтожать объекты на внушительном расстоянии.