Лазер как работает: Как работают лазерные станки: основы| Trotec Laser FAQ

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания  «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца.

Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии,  и могут  только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию,  излучая ее  тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются  на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом  поглощением.   Инверсные системы атомов  и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах.

Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера.   Именно от активной среды зависят основные  характеристики лазеров —  мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация)  может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника.  Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

1. Активная рабочая среда;
2. Источник энергии или система накачки;
3. Устройство для усиления излучаемого света — система зеркал (оптический резонатор).

Газовые лазеры (СО2)

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность,  то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

Жидкостные лазеры.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии  и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов — в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

 Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

Твердотельные лазеры.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время ~ 10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации  в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат,  а активатором — ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок.  Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают  в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ : Nd  (лазер на иттриево-алюминиевом  гранате с неодимом) достигает 0,5 — 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

Что такое лазер, принцип работы лазеров и их применение

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

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

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

Как расшифровывается?

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

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

Кто изобрел лазер?

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

Эйнштейн

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

Майман

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

Басов, Прохоров и Таунс

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

Наши дни

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

ПРинцип работы лазера

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

Как создается лазерный луч?

• 1-я стадия — выключенный лазер.

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

• 2-я стадия — момент после включения.

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

• 3-я стадия — возникновение луча.

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

Резкость фокусировки

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

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

Физическое обоснование

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

Активная среда

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

Энергетические уровни атомов

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

Инверсная заселенность

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

Фотоны и световой пучок

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

Классификация лазеров

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

Твердотельные лазеры

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

Газовые лазеры

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

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

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

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

Жидкостные лазеры

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

Полупроводниковые лазеры

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

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

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

Лазеры в природе

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

Свойства лазерного излучения

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

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

Применение лазеров

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

Технологические лазеры

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

Лазерная связь

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

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

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

Применение лазеров в медицине

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

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

Современные научные исследования

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

Военные лазеры

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

Лазеры в индустрии развлечений

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

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

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

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

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

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

Лазеры в сфере транспорта

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

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

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

Лазерные гаджеты

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

Применение лазеров в спорте

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

Выводы

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

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

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

Что такое лазер

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

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

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

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

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

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

Принцип работы лазера

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

Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:

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

Как создается лазерный луч

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

Источник: light-fizika.ru

Свойства лазерного излучения

Основными свойствами являются:

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

Типы лазеров

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

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

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

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

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

Газовые лазеры подразделяются на:

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

Современные газовые лазеры бывают:

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

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

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

Области применения лазерных технологий

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

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

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

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

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

Источник: alternativa-mc.ru

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

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

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

Волоконные лазеры – принцип работы, применение и многое другое [Часть 1]

Лазеры существуют уже давно, но их использование в коммерческих целях началось совсем недавно. Инженерам потребовалось время, чтобы расширить возможности лазеров до такой степени, чтобы они могли конкурировать с традиционными методами по стоимости, времени и простоте использования.

Технология волоконного лазера, была впервые разработана еще в 60-х годах прошлого века. Тогда эта технология все еще находилась в стадии формирования. Только в 1990-х годах она стала пригодной для коммерческого использования. С тех пор технология прошла долгий путь в плане применения и повышения эффективности. В 60-е годы можно было генерировать только несколько десятков милливатт, а сегодня у нас есть волоконные лазеры, которые могут генерировать более 1000 ватт с надежными итоговыми характеристиками.

В этой статье мы обсудим, как работает волоконный лазер, где он используется и почему он часто является оптимальным выбором по сравнению с альтернативами. Но сначала давайте разберемся, что это такое.

Что такое волоконный лазер?

Волоконные лазеры – это тип твердотельных лазеров, в которых в качестве активной среды усиления используется оптическое волокно. В этих лазерах волокно из силикатного или фосфатного стекла поглощает исходящий свет от лазерных диодов накачки и преобразует его в лазерный луч с определенной длиной волны.

Чтобы добиться этого, оптическое волокно легируется. Под легированием понимается подмешивание в волокно редкоземельного элемента. Используя различные легирующие элементы, можно создавать лазерные лучи с широким диапазоном длин волн.

Некоторые распространенные легирующие элементы в порядке возрастания излучаемых длин волн: неодим (780-1100 нм), иттербий (1000-1100 нм), празеодим (1300 нм), эрбий (1460-1640 нм), тулий (1900-250 нм), гольмий (2025-2200 нм) и диспрозий (2600-3400 нм).

Благодаря такому широкому диапазону производимых длин волн, волоконные лазеры идеально подходят для различных применений, таких как лазерная резка, текстурирование, очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Это также позволяет использовать волоконные лазеры в различных отраслях, таких как медицина, оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.

Как работает волоконный лазер

Схема волоконного лазера

Волоконный лазер назван в честь его активной среды, которая представляет собой оптическое волокно. Любая волоконная лазерная установка, которая производит хорошо коллимированный мощный лазерный луч, делает это за пять основных этапов. Они следующие:

• Создание светового пучка накачки;
• Сбор и перемещение в оптическое волокно;
• Прохождение светового пучка накачки через оптическое волокно;
• Стимулированное излучение в резонаторе лазера;
• Усиление необработанного лазерного света в лазерный луч;

Создание света накачки

Именно здесь в систему поступает энергия для лазерного луча. В волоконных лазерах мы используем электричество в качестве источника энергии. Лазерные диоды накачки, преобразуют электрическую энергию в световую. В высококачественных диодах преобразование надежно и эффективно и производит световую энергию только с определенной длиной волны.

Кстати, низкокачественные лазерные диоды были одним из основных препятствий, которые мешали прогрессу лазерной технологии в течение примерно 3 десятилетий.

В большинстве случаев этот свет накачки или луч накачки производится по частям несколькими лазерными диодами и затем соединяется в оптоволоконном кабеле. Например, существуют 20-ваттные лазерные установки, которые объединяют свет накачки от 11 лазерных диодов в оптоволоконном кабеле.

Сбор и перемещение в оптическое волокно

Соединитель объединяет свет от нескольких лазерных диодов в один. Этот соединитель является частью оптического волокна. С одной стороны, он имеет несколько точек входа, каждая из которых подключается к волокну от отдельного лазерного диода.

На другой стороне есть одна точка выхода, которая соединяется с основным волокном. Когда весь свет собран, он направляется к лазерной среде или среде усиления.

Свет накачки проходит через оптическое волокно

На следующем этапе свет лазерного диода проходит через оптическое волокно к лазерной среде. Оптоволокно состоит из двух основных компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина изготовлена из кварцевого стекла и обеспечивает путь для света. Сердцевина покрыта оболочкой. Когда свет достигает оболочки, он весь отражается обратно в сердцевину.

Волоконные лазеры неизменно теряют часть мощности из-за нагрева, но превосходное соотношение площади поверхности и объема способствует эффективному рассеиванию тепла, что приводит к очень незначительному тепловому износу.

При дальнейшем движении по оптическому волокну свет в конце концов достигает легированной части волокна. Эта часть известна как лазерный резонатор.

Стимулированное излучение в лазерном резонаторе

Стимулированное излучение в лазерном резонаторе

Когда свет лазерного диода достигает легированного волокна, он ударяется об атомы редкоземельного элемента и возбуждает его электроны на более высокий энергетический уровень. Со временем это приводит к инверсной среде, которая необходима для создания стандартного лазера.

Инверсная среда в лазере относится к состоянию среды усиления, в которой большее количество электронов находится в возбужденном состоянии по сравнению с теми, которые не находятся в возбужденном состоянии. Оно называется инверсной средой, потому что это противоположно нормальному состоянию, в котором только несколько атомов имеют возбужденные электроны.

Когда некоторые из этих электронов естественным образом опускаются на более низкие энергетические уровни, они испускают фотоны только определенной длины волны. Эти фотоны взаимодействуют с другими возбужденными электронами, побуждая их испускать аналогичные фотоны и отступать на свои первоначальные более низкие энергетические уровни. Это физический процесс “стимулированного излучения”, который является частью аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Электроны, которые возвращаются в свое первоначальное спокойное состояние, вновь возбуждаются входящим светом от диодов накачки. В конце концов, процесс достигает равновесия между возбужденными и спокойными электронами, давая нам постоянный поток необработанного лазерного света. Этот свет необходимо очистить, чтобы использовать его в различных целях.

Усиление необработанного лазерного излучения в лазерный луч

Прежде чем использовать необработанное лазерное излучение из легированного волокна, его необходимо сначала усилить. В волоконных лазерах это делается с помощью волоконных брэгговских решеток (FBG). Эти решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала, действуя как зеркала с различной отражательной способностью.

Свет скачет туда-сюда между брэгговскими решетками. Часть лазерного света проходит в одном направлении, а оставшийся свет отражается в полость лазера. Та часть, которая проходит через решетку, становится лазерным лучом. Этот луч затем проходит через осциллятор (и иногда через комбинатор) для улучшения когерентности и затем подается на выход.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Что делает лазерное оборудование незаменимым при работе с металлом»‎ и «‎Как продлить срок службы оптоволоконного лазерного станка?»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Как работают лазеры в принтерах и не только? Разбор

Казалось бы, как связаны кассовые аппараты, бесконечная офисная макулатура, наведение боевых ракет и, например, концерты электронной музыки? Эти области так далеко друг от друга, что кажется, что у них совсем нет ничего общего.  Однако, это не совсем так. Во всех этих областях применяются лазеры!

Сканеры штрихкодов, лазерные принтеры, системы лазерного наведения и световые шоу на концертах! И это только малая часть того, где они нашли свое применение. Область их применения — огромная: от медицины и промышленности до детских игрушек и офисной техники!

Сегодня мы с вами посмотрим на то как работают лазеры, какая прекрасная физика за ними спрятана и как лазерные технологии стали незаменимыми в современном мире, а з аодно посмотрим каким образом лазерные принтеры способны печатать по 30-40 страниц в минуту и как квантовые эффекты помогают вам печатать документы!

История и принцип работы

Вообще, если говорить правильно, то лазер — это просто акроним, который плотно вошел в нашу жизнь.  Если разбить, то получается Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation или если перевести, то получится «усиление света посредством вынужденного излучения”.

И началом истории создания лазеров можно считать 1916 год, когда Альберт Эйнштейн в своей теоретической работе предсказал возможность некоторых атомов проявлять этот эффект вынужденного излучения. Явление является физическим фундаментом, на основе которого работают все лазеры и оно прекрасно по своей сути.

Сейчас будет чуть-чуть теории, но мы все объясним.

Эйнштейн предсказал, что могут существовать такие квантовые системы, как атомы, молекулы и ядра, которые могут переходить в особое возбужденное состояние под воздействием фотона света! Они его как бы поглощают!

Дальше этот возбужденный атом может пойти двумя разными путями.

Первый, это когда атом возвращается в спокойное состояние самостоятельно спустя какое-то время. Время это, кстати, обычно очень короткое — всего несколько десятков наносекунд. И при этом переходе атом испускает фотон, с определенной длиной волны.

Но есть и второй путь, который как раз самый интересный — это когда в этот возбужденный атом прилетает еще один фотон. При этом он как бы выбивает второй фотон из возбужденного атома и дальше они летят уже парой.

И самое интересное, что это не просто какие-то два разных фотона. Они абсолютно одинаковые, у них совпадают абсолютно все параметры!

Новый, созданный фотон имеет ту же энергию, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и исходных фотон, который при этом не поглощается. Называется это явление когерентностью.

В итоге эти фотоны летят дальше уже парочкой, пока не встречают новый возбужденный атом и так далее. Случается что-то наподобие лавинного эффекта.

Когда летит куча фотонов, которые продолжают создавать все больше и больше себе подобных братьев-близнецов и все они летят в одном и том же направлении!

Такой эффект возбуждения могут проявлять совсем не все материалы, но, в целом, их довольно много — это могут быть как кристаллы с полупроводниками, так и жидкости и даже некоторые газы.  Например, углекислый газ — отсюда и знаменитый углекислотный лазер!

И все эти материалы испускают фотоны с определенными параметрами — отсюда и такое большое разнообразие различных лазеров! Они могут отличаться по мощности, длине волны, то есть цвету, а так же быть постоянными или импульсными.

Но тут вы можете заметить, что фотоны получаются хоть и направленные, но все равно, изначально-то они могут лететь в любую сторону! Почему же тогда лазеры светят так сильно и луч почти не рассеивается, если изначально все светит во все стороны? Тут на помощь приходят зеркала.

Фактически нашу лавину из одинаковых фотонов заключают в бесконечный цикл отражений от одной стенки цилиндра, к другой. И работает это как усилитель излучения. Лавина фотонов летает от одного края цилиндра к другому генерируя все больше и больше таких же фотонов.

То есть все фотоны, которые летают от зеркала к зеркалу, создают просто бесконечное количество одинаковых собратьев, а вот те которые изначально летят наружу цилиндра — просто рассеиваются. При этом зеркала эти немного различаются. Одно — отражает падающий свет полностью, а второе может пропускать через себя небольшую часть этого света.

Это и позволяет на выходе из лазера получать узконаправленный, когерентный и монохромный свет!  Тут еще стоит сказать, что лазер не может начать работать сам по себе.

Для этого существуют разные варианты, чтобы дать этот первичный толчок лавине фотонов. Это называется первичной накачкой. Бывают очень разные источники — зачастую это электрический разряд.

Например, такой разряд применяется в полупроводниковых диодах, которые используются лазерных принтерах или головках для считывания компакт-дисков! Если конечно вы еще помните, что такое компакт-диски!

Также источником могут служить и определенные химические реакции или вообще другой менее мощный лазер! Все зависит от области применения и требований.

Применение лазеров

В целом, сегодня очень трудно найти область, где бы не применялись лазеры! Это универсальные инструменты, которые применяют для всего, начиная от медицины, строительства и детских игрушек и заканчивая передачей информации в космосе и сверхмощными лазерами, которые используются в лазерном термоядерном синтезе!

Лазер — это возможность очень точно контролировать интенсивность, длину волны, мощность и главное — распространение нужного света. Именно это и позволило лазерным технологиям так разрастись по всем областям.

Принтеры

Но давайте посмотрим на более приземленные варианты. Давайте взглянем на то, как квантовый эффект вынужденного излучения каждый день делает нашу жизнь чуть проще.

Давайте разберем как работает лазерный принтер и посмотрим мы это на примере принтера Pantum M7100DW.

Что же делает лазер в лазерном принтере? Он наносит рисунок путем удаления отрицательного заряда с барабана! Что спросите вы? С какого барабана? Сейчас объясним.

В лазерном принтере есть цилиндр, называемый OPC drum, на который наносится отрицательный заряд. Этот заряд наносится равномерно по всей поверхности этого барабана. Далее на его поверхность светит лазерный луч. Но как мы уже и сказали, лазерный луч можно практически идеально контролировать!

Этот луч светит только на определенные области, с которых этот отрицательный заряд удаляется. Именно таким образом и формируется картинка, только в самом начале эта картинка состоит только из заряженных и незаряженных областей на барабане.  Теперь же надо перенести ее на бумагу!

Здесь нам на помощь уже приходит картридж и тонер! Картридж содержит в себе специальный порошок, каждая частичка которого заряжена тоже отрицательно. За счет этого заряда он налипает очень тонким слоем именно на те участки барабана, которые за счет лазера потеряли свой заряд. И за качеством тонера и картриджа действительно очень важно следить, так как использование некачественных картриджей может быть даже вредно для здоровья.

В нашем принтере Pantum используется оригинальный картридж TL-410 и это очень важно, так как делает печать не только экологичнее, но и дешевле. Ведь они экономят тонер. Кроме того, используя оригинальный картридж можно рассчитывать на 2-3 года бесплатного сервисного обслуживания!

Ну а дальше дело за малым — так как наш желаемый рисунок уже на барабане, осталось только перенести на бумагу, которая просто прислоняется к нему.

Кстати, замечали когда-нибудь что бумага из принтеров выходит горячей? Это специальный нагреватель который как бы запекает тонер на бумаге, а его температура может достигать аж 350 градусов в некоторых моделях!

Наш лазерный принтер Pantum M7100DW позволяет печатать по Wi-Fi, в том числе и просто с телефона, а скорость печати составляет 33 страницы в минуту в высоком разрешении 1200 на 1200 и с максимальным объемом печати в 60 000 страниц в месяц! Он вообще умеет много всего и вот его спеки и фишки:

• Скорость печати 33ppm
• МФУ 3 в 1 Print/Copy/Scan
• Поддержка двусторонней печати
• Установка драйверов в один шаг
• USB кабель в комплекте
• Надежная конструкция с металлическим каркасом
• Автоподатчик документов для сканирования и копирования
• Сканирование на USB накопитель
• Ресурс картриджа 6000 страниц
• Печать по Wi-Fi и со смартфона
• Приложение PANTUM APP с поддержкой печати документов
• Быстрое подключение по NFC

В общем, он умеет все, что должен принтер сегодня!

Сканер штрихкодов

Давайте разберем еще одну область применения лазеров, с которой мы сталкиваемся каждый день! Зачем нужен лазер в сканере штрихкодов?

Вы ведь помните, что штрихкод это набор вертикальных линий при том разной толщины. Но вы никогда не задумывались, почему большинство штрихкодов именно черно-белые и почему линии разной толщины?

Черно-белые это просто единицы и нули двоичного кода! А линии на самом деле все одинаковой толщины, просто когда идут несколько одинаковых единиц или нулей подряд, то они сливаются в одну толстую либо белую, либо черную линию!

Но как же считать этот код и при чем тут лазер?

Помните, что они именно черно-белые, белый свет лучше отражает падающий свет, а черный, наоборот, отлично поглощает падающее излучение! В итоге, лазерный луч сканирует поверхность штрихкода, с одной стороны в другую, и там где белая полоса отраженный свет попадает обратно в сканер, где его фиксирует специальный датчик. Соответственно, когда лазерный луч попадает на черную полосу, то отражения не происходит и датчик ничего не фиксирует! Вот и весь секрет работы сканеров штрихкодов.

Выводы

Сегодня мы с вами посмотрели на то, как и почему работают лазеры! Поняли, как мы с вами практически ежедневно взаимодействуем с результатом более чем ста лет исследований в области квантов, физики, химии и материаловедения!

Лазеры стали нашим абсолютно неоценимым помощником во всех областях жизни и можно только ждать, что же еще человечество придумает делать с этими лазерами.  Лично я конечно же жду лазерный меч, ну или хотя бы бластеры!

Post Views: 1 999

Как работает диодный лазер для эпиляции

Эпиляция лазером: виды аппаратов, сравнение с другими методиками.

Лазерная эпиляция – процедура, которая принесёт клинике хорошую прибыль. Какой лазер для лазерной эпиляции лучше: диодный, александритовый или неодимовый? Почему гибридные модели и многофункциональные станции окупаются быстрее, чем стандартные аппараты? Насколько различаются цены на лазерные аппараты для удаления волос? Отвечаем на самые острые вопросы про лазеры для эпиляции.

Бесплатная рекламная поддержка. читать подробнее.

Диодный лазер для эпиляции: как работают?

В отличие от шугаринга, выщипывания, бритья, нанесения воска или химических средств эпиляция удаляет не стержень, а аппарат волоса. Анатомически волос состоит из стержня, фолликула и дермального сосочка, который питает ткани. Депиляция удаляет видимую часть. Во время эпиляции уничтожают луковицу, поэтому волос не отрастает.

В основе лазерной эпиляции лежит селективный фототермолиз – избирательное воздействие на пигментированные фолликулы. Меланин волосяного стержня «притягивает» свет в красном и близком к инфракрасному диапазонах. Тепло разрушает только стволовые клетки фолликула: волос теряет способность к регенерации.

Удаление волос лазером: показания и противопоказания

Процедура показана людям с гипертрихозом и гиперсутизмом. При гипертрихозе наблюдается избыточный рост волос в любой зоне тела, а при гиперсутизме волосы растут в андрогензависимых зонах. Например, у женщин из-за гормонального дисбаланса волосы вырастают на лице, груди, животе. Эпиляция лазером также проводится с чисто эстетической целью: для косметического удаления нежелательных волосков.

У лазерной эпиляции есть противопоказания. Перед началом сеанса специалист должен убедиться, что у клиента нет:

• Декомпенсированной формы сахарного диабета
• Истинного фотодерматита
• Злокачественных новообразований
• Эпилепсии
• Системных заболеваний крови
• Туберкулёза лёгких в активной форме
• Хронических болезней кожи
• Инфекционных заболеваний

Помимо абсолютных противопоказаний существуют также относительные, которые косметолог должен принять во внимание. Для пациентов с относительными противопоказаниями лазерная эпиляция проводится только после очной консультации с профильным врачом.

Лазеры для эпиляции: какие преимущества перед другими методами?

Покупка лазера для эпиляции начинается с оценки всех способов удаления волос, которые используют клиники. Самые популярные методы – фото, электро- и лазерная эпиляция. Удалить луковицу можно несколькими способами: нагреть лазером или высокоимпульсным светом, разрушить ткани электролизом. По сравнению с фотоэпиляцией и электролизом лазеры:

• Не причиняют боли и не доставляют неприятных ощущений
• Не повреждают кожу, что сводит риск инфицирования к минимуму
• Увеличивают скорость работы: за один сеанс врач обрабатывает большую площадь
• Удаляют волосы надолго

Решили купить лазер для удаления волос? Сравните лазеры с аппаратами для фотоэпиляции и электролиза.

	Лазерная эпиляция	Фотоэпиляция	Элетроэпиляция
Принцип действия	Световой луч «стреляет» в меланин и разрушает луковицу	Волосяной фолликул разрушается за счёт вспышек света	К каждому волосу с помощью иголочки подводится электрод: разряды разрушают луковицу
Плюсы	Высокая скорость работы, безболезненность, пролонгированный эффект	Подходит для очень чувствительных зон	Удаление волосков любого цвета на любой коже
Минусы	Сложно удалять светлые и рыжие волосы	Не эффективна для удаления светлых волос	Высокая болезненность, низкая скорость работы
Виды аппаратов	Александритовые, диодные, неодимовые	Широкополосный импульсный свет, флуоресцентный свет,	Гальваника, блэнд-метод

Лучший лазер для эпиляции: диод, александрит или неодим?

Преобразование электричества в световой луч в лазерах происходит в активной среде. Она же концентрирует энергию. В диодных лазерах для эпиляции роль рабочей среды играет двухслойный полупроводниковый материал. Александритовые концентрируют световые лучи на искусственном минерале – александрите. В неодимовых лазерах энергию собирает прочное неодимовое стекло. От того, какая активная среда используется, зависит длина световой волны: чем длиннее волна, тем глубже свет проходит в ткани.

Диодные лазеры – компактные, прочные и стоят недорого. Лазерная эпиляция диодным лазером проводится для I-V типов кожи. Из минусов – невысокая скорость процедуры, болезненность и не моментальный эффект. Приходится ждать в среднем 10-14 дней прежде, чем волосы выпадут.

Александритовые лазеры – это «золотой стандарт» эпиляции. Аппараты применяют только для I и II фототипов кожи, но именно эти фототипы чаще всего встречаются в России. Длина волны у александритового лазера выше, чем у неодимового, а значит и лучи проникают глубже и сильнее повреждают луковицу. Эффект заметен сразу после процедуры: лазер «выжигает» стержень волоска и клиент уходит с «чистой» кожей.

Неодимовый лазер – единственный, на котором проводят эпиляцию для любого фототипа кожи. Аппарат удаляет даже тёмные волоски на загорелой коже. Без ожогов эпиляция на смуглой коже невозможна ни на александритовом, ни на диодном лазерах. Неодимовые аппараты уничтожают тонкие, седые или слабопигментированные волосы. В насадку встроено стекло, которое рассеивает лучи, за счёт чего они равномерно покрывают весь обрабатываемый участок. Основные минусы – низкая скорость работы и болезненность.

Так какой лазер лучше для эпиляции? Всё зависит от целей клиники.

	Диодный	Александритовый	Неодимовый
Длина волны	800	755	1064
Эффект	Через 10-14 дней	Моментально	Моментально
Расходные материалы	Нет	Насадки	Насадки и стёкла
Типы кожи	Для I-V типов кожи	Для I и II типов кожи	Для всех типов кожи
Скорость процедуры	Средняя – небольшое световое пятно	Высокая – большое световое пятно	Низкая – сканер рассеивает лучи
Побочные эффекты	Возможны ожоги на смуглой коже	Низкая вероятность ожогов	Самый безопасный вид лазера
Болезненность	Высокая, контактная нерегулируемая система охлаждения	Низкая, бесконтактная система охлаждения	Средняя, контактная регулируемая система охлаждения
Очистка	Несъёмные насадки, дезинфекция салфеткой	Дезинфекция съёмных насадок	Дезинфекция съёмных насадок и стекол
Пример аппарата	Аппарат Magic ONE	Александритовый лазер 755 Triple	Cappello DUOS и Cappello VIVA

Отдельная категория аппаратов – гибридные лазеры для удаления волос. Чем они отличаются от диодных, александритовых и неодимовых? Гибридные лазеры вырабатывают волны разной длины, поэтому врач может подобрать нужный диапазон для каждого пациента отдельно.  Точная настройка экономит время и делает процедуру безболезненной. Дополнительно гибридные лазеры используют для эпиляции и для лифтинга, удаления сосудистой сетки и пигментных пятен. 

Лучший лазер для удаления волос: конкретные модели и характеристики 

Среди александритовых аппаратов можно выделить мощный лазер 755 Triple с понятным интерфейсом. Александритовый лазер не используют для эпиляции людей с III, IV и V типами кожи, но и стоят такие аппараты дешевле диодных и неодимовых. Чем александритовые лазеры лучше? 

• Световое пятно можно регулировать: от 1 до 12 мм
• Регулируемая мощность потока
• Стёкла из сапфира, который прослужат долго
• Высокая частота импульсов – от 1 до 5 Hz
• Интуитивное управление 

Для удаления волос диодным лазером можно использовать CAPELLO Luxe, аппарат VIKINI DET-C1 и лазер MAGIC ONE.   Устройства производят волны длиной 808 нм и воздействуют только на волосяную фолликулу. Диодный лазер VIKINI DET-C1 работает в четырёх разных режимах: «SHORT» (короткий), «LONG» (длинный), «BURST» (вспышка), «BLEND» (смешанный). Набор режимов значительно расширяет прайс клиники. Аппарат Magic ONE обладает большей мощностью, чем другие лазеры – 4 кВт. Оба диодных лазера имеют отличительные технологические преимущества: 

• Большая ресурсная база
• Равномерное распределение волн
• Эффективная система охлаждения
• Отсутствие побочных эффектов
• Экономия энергии 

Среди неодимовых лазеров можно выделить аппараты Capello, которые представлены в нескольких комплектациях. Например, Cappello DUOS состоит из твердотельного диодного аппарата и неодимового лазера ND:YAG Q-Switched. С помощью Cappello DUOS проводят эпиляцию и неабляционное омоложение, удаляют цветные татуировки и перманентный макияж. Другая модель – Cappello VIVA – cостоит из неодимового лазерного аппарата для эпиляции ND:YAG Q-Switched и фракционного модуля CO2 (10600 нм). Аппарат Cappello VIVA используют для эпиляции, абляционного омоложения, сведения татуировок, удаления новообразований, шлифовки стрий и растяжек, карбонового пилинга. 

Вы хотите купить аппарат для удаления волос премиум-класса: какой выбрать? 

Гибридные и многофункциональные лазеры для эпиляции относятся к сегменту премиум-класса. Устройства сочетают преимущества неодимовых, александритовых, диодных лазеров и аппаратов для выполнения других косметологических процедур. Например, в аппарате Appolo V+ совмещены несколько технологий: 

• IPL-технология
• RF-методика
• Технология E-light
• Длинноимпульсный неодимовый лазер (1064 нм)
• Неодимовый лазер (1064 нм и 532 нм)
• Эрбиевый абляционный лазер (2940 нм)
• Эрбиевый неабляционный лазер (1535 нм) 

Appolo V+ используют для удаления несовершенств кожи и выравнивания её рельефа (эрбиевый лазер), омоложения за счёт выработки собственного коллагена (RF-методика), проведения фотоэпиляции (IPL-технология). Одно устройство позволяет полностью подстроиться под запросы клиентов и изменения на рынке косметологических услуг. Многофункциональные аппараты гарантировано обеспечивают поток клиентов. Цена аппарат для удаления волос напрямую зависит от его возможностей. 

Другой пример универсального аппарата – лазер CAPELLO Luxe. В устройство встроен суперлюминисцентный диод, который вырабатывает интенсивный высокоимпульсный свет. Аппарат имеет меньшую плотность оптической мощности, поэтому эпиляция протекает безболезненно для клиента. С помощью CAPELLO Luxe можно удалять седые и светлые волосы, проводить эпиляцию в чувствительных зонах. 

Купите лазерный аппарат для удаления волос на нашем сайте, и получите скидку от 5% до 7% уже на первую покупку. Мы помогаем доставить оборудование и дарим гарантию от 1 до 2 лет. Постоянные клиенты получают специальные предложения и дополнительные скидки, а также приглашения на профильные семинары. 

Как работают лазеры? | Кто изобрел лазер?

org/Person”> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 20 декабря 2021 г.

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; первый 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 19 веке.64 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.

Содержание

1. Что такое лазер?
2. Как работают лазеры
3. Как лазеры излучают свет?
   • Спонтанное излучение
   • Вынужденное излучение
   • Чем отличается лазерный свет?
4. Типы лазеров
5. Для чего используются лазеры?
   • Инструменты
   • Связь
   • Защита
6. Кто изобрел лазеры?
7. Узнать больше

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Различия 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:

• Где фонарик излучает “белый” свет (смесь всех разных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется однотонный светлый (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 коллимированный ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

• Там, где световые волны в луче фонарика 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 равен когерентный . 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, то 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.

Спонтанное 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 позвонил вынужденное излучение . 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 ядро (серое). 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 квант . 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.

Как и ступеньки на лестнице, уровни энергии 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 — какими 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 много различных типов лазеров. На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердое тело, жидкость и газ — это три основных состояния материи, которые дают нам три различных 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 полупроводниковые лазеры 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, участвующие в этом, движимые главным образом любопытством, часто не имеют ни малейшего представления 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, 9 лет.0007 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 понять. 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 —использование 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.

Оборона

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. Используя твердотельные лазеры 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?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 20 декабря 2021 г.

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; первый 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 19 веке.64 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.

Содержание

1. Что такое лазер?
2. Как работают лазеры
3. Как лазеры излучают свет?
   • Спонтанное излучение
   • Вынужденное излучение
   • Чем отличается лазерный свет?
4. Типы лазеров
5. Для чего используются лазеры?
   • Инструменты
   • Связь
   • Защита
6. Кто изобрел лазеры?
7. Узнать больше

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Различия 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:

• Где фонарик излучает “белый” свет (смесь всех разных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется однотонный светлый (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 коллимированный ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

• Там, где световые волны в луче фонарика 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 равен когерентный . 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, то 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.

Спонтанное 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 позвонил вынужденное излучение . 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 ядро (серое). 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 квант . 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.

Как и ступеньки на лестнице, уровни энергии 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 — какими 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 много различных типов лазеров. На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердое тело, жидкость и газ — это три основных состояния материи, которые дают нам три различных 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 полупроводниковые лазеры 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, участвующие в этом, движимые главным образом любопытством, часто не имеют ни малейшего представления 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, 9 лет.0007 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 понять. 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 —использование 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.

Оборона

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. Используя твердотельные лазеры 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?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 20 декабря 2021 г.

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; первый 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 19 веке.64 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.

Содержание

1. Что такое лазер?
2. Как работают лазеры
3. Как лазеры излучают свет?
   • Спонтанное излучение
   • Вынужденное излучение
   • Чем отличается лазерный свет?
4. Типы лазеров
5. Для чего используются лазеры?
   • Инструменты
   • Связь
   • Защита
6. Кто изобрел лазеры?
7. Узнать больше

Что такое лазер?

Лазеры — это больше, чем просто мощные фонарики. Различия 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:

• Где фонарик излучает “белый” свет (смесь всех разных цвета, создаваемые световыми волнами всех частот), лазер делает то, что называется однотонный светлый (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 коллимированный ).

Есть третье важное отличие, которое вы не заметите:

• Там, где световые волны в луче фонарика 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 равен когерентный . 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, то 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.

Спонтанное 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 позвонил вынужденное излучение . 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 ядро (серое). 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 квант . 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.

Как и ступеньки на лестнице, уровни энергии 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 — какими 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 много различных типов лазеров. На практике существует лишь несколько распространенных видов, из которых пять наиболее известных: твердотельные, газообразные, жидкие красители, полупроводники и волокно.

Твердое тело, жидкость и газ — это три основных состояния материи, которые дают нам три различных 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 полупроводниковые лазеры 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, участвующие в этом, движимые главным образом любопытством, часто не имеют ни малейшего представления 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, 9 лет.0007 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 понять. 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 —использование 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.

Оборона

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. Используя твердотельные лазеры 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 работает лазер | Охрана окружающей среды и безопасность

---

Электромагнитный спектр и квантовая энергия

Электромагнитный спектр состоит из полного диапазона частот от радиоволн до гамма-лучей. Все электромагнитное излучение состоит из фотонов, которые представляют собой отдельные квантовые пакеты энергии. Например, бытовая лампочка излучает около 1 000 000 000 000 000 000 000 фотонов света в секунду! В этом курсе нас будет интересовать только та часть электромагнитного спектра, в которой работают лазеры, — инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение.

Имя Длина волны Ультрафиолет 100–400 нм Видимый 400–750 нм Ближний инфракрасный диапазон 750 нм – 3000 нм Дальний инфракрасный 3000 нм – 1 мм

Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за открытие и интерпретацию формулы – E=mc ² – верно? Неправильный.

Он получил Нобелевскую премию за объяснение явления, называемого фотоэлектрическим эффектом. Когда свет (электромагнитная энергия) падает на металлическую поверхность в вакууме, он может высвобождать электроны с этой поверхности. Эти электроны можно обнаружить как ток, протекающий в вакууме к электроду. Однако свет не всегда был достаточно сильным, чтобы вызвать этот эффект. Когда ученые сделали свет ярче, увеличения количества электронов не наблюдалось. Только когда они изменили цвет света (длину волны), они увидели изменение фотоэмиссии электронов. Это было объяснено Эйнштейном с помощью теории, согласно которой свет состоит из фотонов, каждый из которых имеет дискретный квант энергии, пропорциональный их длине волны. Чтобы электрон освободился от поверхности металла, ему нужен фотон с достаточной энергией, чтобы преодолеть энергию, связывающую его с атомом. Таким образом, если бы свет стал ярче, это дало бы больше фотонов, но ни у кого из них не хватило бы энергии, чтобы освободить электрон. Свет с более короткой длиной волны состоял из фотонов с более высокой энергией, которые могли обеспечить необходимую энергию для освобождения электрона. Теперь вы спросите: «Какое, черт возьми, представление о квантовой энергии имеет отношение к лазеру?». Что ж, с этим фоном за плечами мы продолжим.

---

Лазерные компоненты

Лазерная среда

Вещество, которое при возбуждении энергией излучает свет во всех направлениях. Вещество может быть газом, жидкостью или полупроводниковым материалом.

Механизм возбуждения или энергетический насос

Механизм возбуждения лазера — это источник энергии, используемый для возбуждения активной среды. Обычно используются следующие механизмы возбуждения: электричество от источника питания, лампы-вспышки, лампы или энергия другого лазера.

Оптическая полость

Оптический резонатор используется для отражения света от лазерной среды обратно в себя. Обычно он состоит из двух зеркал, по одному на каждом конце лазерной среды. Когда свет отражается между двумя зеркалами, его сила увеличивается, что приводит к усилению энергии от механизма возбуждения в виде света. Выходной ответвитель лазера обычно представляет собой частично прозрачное зеркало на одном конце лазерной среды, которое позволяет части света покинуть оптический резонатор и использовать его для создания лазерного луча.

---

Как это работает

Лазерная среда обычно излучает фотоны в определенных спектральных линиях при возбуждении источником энергии. Длина волны определяется различными квантовыми уровнями или энергетическими состояниями материала. Обычно большинство атомов в среде находятся в основном состоянии. Некоторый небольшой процент будет существовать и при более высоких энергиях. Обычно эти более высокие энергетические состояния нестабильны, и электроны почти сразу высвобождают эту избыточную энергию в виде фотонов и возвращаются в основное состояние. В некоторых материалах, особенно в тех, которые выбраны в качестве среды генерации, возможно метастабильное состояние, когда атом или молекула какое-то время остаются в возбужденном состоянии.

Энергия подается в лазерную среду системой накачки энергии. Эта энергия запасается в виде электронов, захваченных на метастабильных энергетических уровнях. Накачка должна вызвать инверсию населенностей (т. Е. Больше атомов в метастабильном состоянии, чем в основном состоянии), прежде чем может произойти лазерное воздействие.

Когда достигается инверсия населенностей, спонтанный распад нескольких электронов с метастабильного энергетического уровня на более низкий энергетический уровень запускает цепную реакцию. Спонтанно излучаемые фотоны будут сталкиваться (не поглощаясь) с другими атомами и стимулировать их электроны к переходу с метастабильного энергетического уровня на более низкие энергетические уровни, испуская фотоны точно такой же длины волны, фазы и направления.

Это действие происходит в оптическом резонаторе. Когда фотоны, которые распадаются в направлении зеркал (большинство из них теряется — лазеры не так эффективны, как можно было бы предположить), достигают конца лазерного материала, они отражаются обратно в материал, где продолжается цепная реакция, и количество фотоны увеличиваются. Когда фотоны достигают частично отражающего зеркала, только часть фотонов отражается обратно в резонатор, а остальная часть появляется в виде лазерного луча.

Теперь, когда мы знаем основы, давайте обсудим типы и классификации лазеров.

<<Предыдущий раздел            Следующий раздел>>                                                  

How Lasers Work | 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 стимулированного 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 для возбуждения электронов в атомах среды. Этим стимулятором может быть что-то вроде лампы-вспышки, ксеноновой лампы-вспышки или даже другого лазера. Наконец, вам понадобится набор из зеркал , которые будут отражать фотоны вперед и назад и, в конечном счете, 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 состоянии по умолчанию все электроны находятся на первой ступеньке этой лестницы, которая считается 9-й ступенью электрона. 0060 основное состояние . 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 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 возбуждает , но тоже неуравновешенно. Чтобы восстановить равновесие, 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.

При спонтанном излучении 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 во флуоресцентных 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, при котором один электрон вызывает цепную реакцию высвобождения фотонов в других электронах, называется вынужденным излучением .0061 .

Стимулированное излучение использует один фотон 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 сделает лампа-вспышка включается и выключается, 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 возбуждая другие электроны в повышенных состояниях. Это вызывает испускание большего количества фотонов в процессе вынужденного излучения . Вскоре у вас будет больше возбужденных, чем заземленных электронов, что создает инверсия населения .
4. Два зеркала заставляют фотоны отражаться взад и вперед 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	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 представляют опасность, 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 оружия представляет собой твердотельный лазер, который возбуждает электроны светодиодами и может точно уничтожать объекты на внушительном расстоянии.

Кто изобрел лазер?

Это спорный вопрос. Во-первых, мы должны отдать должное Альберту Эйнштейну, который разработал квантовую теорию света и фотонов в 1905 году. Позднее в 1917 году он теоретизировал механизм вынужденного излучения. Без этих двух открытий разработка лазеров никогда бы не было возможно.

Более 30 лет спустя у нас появился первый намек на лазер в виде мазера. Это устройство было изобретено американскими физиками Чарльзом Таунсом и Артуром Шавлоу. Хотя мазер использовал те же принципы, что и лазер, он излучал микроволны и радиоволны вместо видимого света. Эти два изобретателя в 1919 году получили Нобелевскую премию по физике за свою работу.64 и 1981.

Чарльз Таунс (слева) с первым мастером в 1955 году. (Источник изображения)

Сюжет сгущается. В 1957 году один из аспирантов Чарльза Таунса, Гордон Гулд, набросал в своем блокноте идею версии мазера для видимого света. К несчастью для Гулда, он так и не запатентовал свою идею и провел следующие 20 лет своей жизни, борясь за гонорары и патенты.

Так кто на самом деле изобрел лазер? Трудно сказать. Изобретение приписывают Таунсу и Шавлову, но первым, кто построил настоящий лазер, был Теодор Мейман, другой американский физик. Однако работа Маймана так и не получила полного признания, и две его номинации на Нобелевскую премию по физике остались непризнанными.

Теодор Мейман с первым работающим лазером видимого света.

Это своего рода внезапный конец истории; нам жаль говорить. Было много рук и умов, которые ушли на разработку лазерной технологии, которую мы используем сегодня. Некоторые говорят, что изобретение было просто коллективным усилием.

Лазер прочь

Как и любая другая форма электромагнитного излучения, лазеры используют как видимый, так и невидимый свет для резки металлов, проведения операций на глазах, сканирования продуктов, управляемых ракет и многого другого. Удивительно то, что в основе этой технологии лежит простой набор принципов. Независимо от того, используете ли вы газовый лазер для резки металла или полупроводниковый лазер в своей электронике, каждый из них использует возбуждающие электроны для получения необходимого света. С двумя простыми зеркалами вы можете направить фотоны в концентрированный луч, чтобы проделать удивительную работу. Итак, оглянитесь вокруг, можете ли вы обнаружить в своем окружении объекты, работающие от лазеров? Они обязательно где-то будут.

Хотите интегрировать лазеры в свой следующий проект в области электроники? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Поделиться

  

Как работают волоконные лазеры | Исследовательский центр оптоэлектроники

Свет из стекла

Волоконный лазер использует те же физические принципы, что и любой другой лазер, но есть несколько свойств, которые делают его особенным и очень полезным.

Лазерный луч – особая волна

Если вы когда-нибудь видели лазерную указку, проецирующую точку на экран, вы поймете, что лазерный луч ни на что не похож. Лазерные лучи обычно обладают следующими необычными свойствами:

• Сильно коллимированный — луч близок к прямому
• Одна частота или цвет
• Когерентный/синфазный – все волны идут вверх и вниз одновременно

Другими словами, весь луч движется в одном направлении, только с одним цветом света, и все фотоны идут в ногу! Для сравнения, свет от обычной лампочки представляет собой разноцветную смесь и распространяется во всех направлениях. Его можно сфокусировать до определенной степени, но есть много вещей, которые вы можете сделать с помощью лазерного света, чего вы не можете сделать с «обычным» светом.

Физика лазеров

Слово «лазер» означает усиление света за счет стимулированного излучения. Это может звучать не очень поучительно, так что давайте попробуем немного распаковать это. Усиление света просто означает «делать больше того же света», точно так же, как аудиоусилитель в вашей стереосистеме берет звук и делает тот же звук громче.

В этом контексте фраза «стимулированное излучение» имеет для ученых очень специфическое значение. Это связано с физическим процессом, посредством которого создается свет. Чтобы понять это, нам нужно знать несколько фактов об атомах.

Возможно, вы знаете, что атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра. Эти электроны обычно находятся на низкой орбите, называемой «основным состоянием». Если им дать больше энергии, они могут находиться на более высокой орбите, называемой «возбужденным состоянием».

По разным причинам, связанным с квантовой механикой, они могут располагаться только на очень специфических орбитах вокруг атома. Эти конкретные орбиты задаются свойствами используемых элементов, поэтому, вообще говоря, их нельзя изменить. Например, у золота один набор орбит, у кислорода — другой, а у натрия — еще больше. Все они очень разные, поэтому только некоторые из них полезны для того, что мы хотим делать.

Когда электрон находится на более высокой орбите, в возбужденном состоянии, он хочет вернуться в основное состояние — этот процесс называется «распад». Для этого ему нужно терять энергию, и это часто происходит при испускании фотона, другими словами, при излучении света.

Чтобы перевести электрон в более высокое состояние, тот же процесс происходит в обратном порядке. Электрон поглощает фотон, чтобы переместить его на более высокий уровень. Чтобы это произошло, энергия этого фотона должна соответствовать той, которая требуется для подъема электрона на эту орбиту. Если проходящий фотон имеет неправильное количество энергии, ничего не происходит. Как мы указывали ранее, необходимое количество зависит от типа используемого материала.

Когда электрон переходит в более высокое состояние, он остается там в течение определенного периода времени, а затем естественным образом возвращается в основное состояние. Это просто «излучение», а не «стимулированное излучение», так что это не совсем то, что нам нужно. Когда мимо проходит фотон той же частоты, он побуждает электрон распасться прямо в этой точке, производя другой фотон, который выглядит почти точно так же, как и первый: это стимулированное излучение.

Частота (или цвет) фотона зависит от того, сколько энергии ему передано, поэтому, если всем фотонам придать одинаковую энергию, они все будут одного цвета. Это означает, что для определенного материала всякий раз, когда это происходит с атомом, все они испускают свет одного и того же цвета.

Однако ‘возбуждение’ электронов до более высокого состояния и снижение коэффициента усиления не происходит естественным образом, по крайней мере, не так часто, чтобы это замечалось, поэтому нам нужно, чтобы это произошло.

На практике лазеры работают следующим образом:

Сначала мы выталкиваем электроны на более высокую орбиту (это называется накачкой). Это можно сделать несколькими способами, но наиболее распространенным является бомбардировка атомов светом, чтобы поднять электроны.

В большинстве случаев электрон находится в нестабильном состоянии, и он быстро перейдет в более низкое состояние. Для наших целей он нам нужен в метастабильном состоянии. Метастабильность означает, что электрон некоторое время зависает, прежде чем вернуться в основное состояние.

Лазерный материал должен иметь метастабильное состояние, соответствующее полезной энергии. В лазерном материале очень скоро после того, как мы «перекачаем» электрон в более высокое состояние, он соскальзывает в несколько более низкое метастабильное состояние. Теперь у нас есть много электронов с нужным количеством энергии, ожидающих стимуляции, чтобы отдать эту энергию в виде фотона.

Все, что нужно, это чтобы один из электронов упал вниз и испустил фотон. Это запустит каскад. Когда этот фотон проходит мимо другого электрона в метастабильном состоянии, это побуждает его упасть вниз и испустить еще один фотон. Теперь у нас есть два фотона, каждый из которых может стимулировать испускание еще двух электронов, так что у нас есть четыре фотона, и так далее, пока мы не получим очень большое количество фотонов. Это «стимулированное излучение», поскольку фотоны стимулируют электроны испускать больше фотонов.

Из-за того, что фотоны стимулируют друг друга к существованию, они все одного цвета и идут в ногу друг с другом. Теперь у нас есть армия фотонов, шагающих в ногу, чего вы не найдете в природе.

Если в этот момент все фотоны вырываются из материала, это не очень хорошо работает. Нам нужно продолжать «накачивать» электроны обратно, чтобы они были готовы излучать фотоны, и нам нужно поддерживать движение фотонов взад и вперед, чтобы стимулировать выход еще большего количества фотонов!

Мы делаем это путем размещения двух зеркал на каждом конце материала (называемого «лазерной средой»). Это создает так называемую «лазерную полость». Зеркала отражают свет вперед и назад, и при каждом движении туда и обратно генерируется все больше и больше фотонов.

Недавно созданный лазерный свет должен быть выпущен, чтобы быть полезным, поэтому одно из зеркал не отражает все. Вместо этого он пропускает крошечный процент света, и это наш лазерный луч.

Волоконный лазер

Одним из наиболее распространенных типов волоконных лазеров является волоконный лазер, легированный эрбием. Мы используем обычное оптическое волокно, изготовленное из кварцевого стекла. Мы добавляем к нему очень небольшое количество редкоземельного элемента эрбия. Мелкие частицы эрбия примешиваются к сердцевине волокна при его изготовлении. Этот процесс введения небольшого количества другого элемента называется легированием.

Причина, по которой мы используем эрбий, заключается в том, что атомы эрбия имеют очень полезные энергетические уровни. Существует энергетический уровень, способный поглощать фотоны с длиной волны 980 нм, а затем распадается до метастабильного состояния, эквивалентного 1550 нм.

Это означает, что мы можем использовать дешевый диодный лазерный «источник накачки» на 980 нм, и мы получим очень качественный и потенциально очень мощный луч на 1550 нм.

В легированном волокне находится наша «лазерная среда», которая представляет собой атомы эрбия. Испускаемые фотоны удерживаются внутри сердцевины волокна. Чтобы создать наш лазерный резонатор, мы добавляем решетки Брэгга.

Решетка Брэгга представляет собой секцию стекла с полосами, в которых был изменен показатель преломления. Каждый раз, когда свет пересекает границу между одним показателем преломления и другим, немного отражается обратно. Если у вас достаточно полос, решетка действует как очень эффективное зеркало.

Наш источник накачки – дешевый диодный лазер. Диодные лазеры производят беспорядочные лучи, поэтому они не очень полезны для многих вещей, которые мы хотим делать. Они также могут быть объединены друг с другом, так что вы получаете мощность от множества диодных лазеров, используемых для накачки одного волоконного лазера с большой мощностью.

Проблема в том, что сердцевина волокна слишком мала, чтобы мы могли сфокусировать в ней некачественный диодный лазер. Чтобы обойти это, мы фокусируем лазер накачки на гораздо большую оболочку вокруг ядра. Для локализации луча лазера накачки мы покрыли волокно внешней оболочкой. Таким образом, луч накачки колеблется внутри волокна. Каждый раз, когда он пересекает ядро, поглощается немного больше света накачки.

Теперь у нас есть все необходимое для изготовления лазера: среда для лазера, несколько зеркал для создания резонатора лазера и источник накачки для возбуждения электронов.

Чем полезны волоконные лазеры?

Первая причина, по которой волоконный лазер полезен, заключается в его стабильности. Когда мы хотим доставить лазерный луч, нам обычно требуется оптическое волокно для его безопасного перемещения. Альтернативой является отражение его между зеркалами, но они должны быть очень точно выровнены. Связать лазерный луч с крошечной сердцевиной волокна очень сложно, и его также необходимо точно отрегулировать. Таким образом, обычные лазеры очень чувствительны к ударам и ударам, и, как только оптика выходит из строя, требуется специалист, чтобы разобраться с ними.

Волоконный лазер, напротив, генерирует луч внутри волокна, поэтому для доставки луча не требуется сложной или чувствительной оптики. Это делает его очень стабильным и простым в использовании.

Вторая причина, по которой волоконный лазер полезен, заключается в высоком качестве луча. Луч генерируется и удерживается внутри небольшой сердцевины волокна. На практике это означает, что луч очень прямой и его можно сфокусировать на очень маленькой точке. Чем меньше точка, тем эффективнее будет лазер, например, для резки, но во многих случаях применения лазеров требуется это качество.

Третья причина заключается в том, что их можно довести до очень больших мощностей. Лазеры начинают доходить до точки, когда они могут нанести вред вашей коже при мощности около 1 Вт. Это не очень большая мощность по сравнению с чайником или тостером, но когда все это сосредоточено в одной точке, кажется, что это много! Это разница между мягким согревающим солнцем или большой линзой, фокусирующей солнце на вас, создавая мощный луч.