Из чего состоит лазер: как устроены, физика, виды, принцип действия и области использования

Содержание

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.

Устройство лазера – это… Что такое Устройство лазера?

Ла́зер – квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов:

  • Источник энергии (механизм «накачки»)
  • Рабочее тело
  • Система зеркал («оптический резонатор»)

Источник энергии

Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

Рабочее тело

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

  • Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
  • Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
  • Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекла. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
  • Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Как правило, в твердотельных лазерах зеркала формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях – на торцах колбы с рабочим телом.

Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Дополнительные устройства

Также в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

См. также

Что такое лазер?

Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. В работе лазера используется свойство электронов атома занимать только определенные орбиты вокруг своего ядра. Когда атом получает квант энергии, он может перейти в возбужденное состояние, которое характеризуется перемещением электронов с самой низкой энергетической орбиты (так называемый основной уровень) на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Однако электроны не могут долго оставаться на орбите с высокой энергией и самопроизвольно возвращаются на основной уровень, при этом каждый такой электрон испускает фотон (световую волну). Процесс, начавшийся в одном атоме, запускает цепную реакцию перехода электронов других атомов на более низкие энергетические орбиты, в результате чего образуется лавина одинаковых световых волн, согласованно изменяющихся во времени. Эти волны формируют световой луч, который у некоторых лазеров имеет столь высокую мощность, что может резать камни и металлы. Изобретенные в 1960 году, лазеры имеют сейчас очень широкую сферу применения, начиная от медицины (для удаления опухолей) и заканчивая музыкой (для записи и считывания сигналов на компакт-дисках).

Твердотельный лазер

Типичный лазер состоит из трубки с твердым кристаллом, например, рубином (рисунок сверху), закрытой с торцов непрозрачным и частично прозрачным зеркалами. Электрическая обмотка возбуждает атомы кристалла для генерации световых волн, которые перемещаются между зеркалами до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Создание лазерного луча

1. Электроны каждого атома {на рисунке справа черные точки на внутренних окружностях) в выключенном лазере находятся на основном энергетическом уровне.

2. Сразу же после включения лазера энергия из разрядной трубки переводит электроны на более высокие энергетические орбиты {внешние окружности).

3. Когда электроны начинают возвращаться на основной уровень, они испускают свет, побуждая другие электроны делать то же самое. Результирующий световой пучок имеет одну длину волны и, по мере возвращения новых электронов на низкие орбиты, становится все более мощным.

Более резкий фокус

1. Лазерное излучение (один цвет) 2. Естественный свет (много цветов)

Лазерный пучок содержит свет только одной длины волны и может быть сфокусирован линзой практически в точку (рисунок справа). Естественный свет, состоящий из лучей с различными длинами волн, так резко не фокусируется (дальний рисунок справа). Способность концентрировать огромную энергию в узком луче и передавать этот луч на большие расстояния практически без рассеяния и ослабления, характерных для многоцветного света, делает лазер важнейшим инструментом в руках человека.

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Первый источник электромагнитного излучения, работающий на переходах молекулы аммиака, испускал волну света длиной 1,25 сантиметра. Устройство назвали “мазер”, сократив фразу “усиление микроволн с помощью вынужденного излучения” (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Предшественник лазера создали одновременно и независимо две научные группы — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством Николая Басова и Михаила Прохорова и в Колумбийском Университете в США под руководством Чарльза Таунса. 

“Обе группы предложили и создали аммиачный мазер в самом деле одновременно, о чем и свидетельствует Нобелевская премия. Поразительно, что при огромной разнице стартовых условий — мирная жизнь в США и военные и послевоенные годы в СССР — научные группы все же “сравняли счет” и одновременно сделали открытие, вознагражденное согласно его значимости”, — делится воспоминаниями доктор физико-математических наук Иосиф Зубарев, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, работавший вместе с Николаем Басовым. 

Собственно, лазер (сокращение от фразы light amplification by stimulated emission of radiation, что по-русски означает “усиление света посредством вынужденного излучения”) появился на свет лишь спустя шесть лет после создания мазера. Это время было потрачено на поиск материалов и технологий, которые позволили достичь диапазона волн лазерного излучения — от 0,1 до 1000 микрометров. 

“Шестнадцатого мая 1960 года в Лаборатории Хьюза (Калвер-Сити, Калифорния, США) физик Теодор Мейман реализовал условия для возникновения вынужденного излучения. Ученый использовал импульсную газоразрядную лампу, окружающую кристалл рубина длиной 1,5 сантиметра и около одного сантиметра в поперечнике. Спектр излучения рубина немного сузился, что свидетельствовало о вынужденном излучении света. Это было днем рождения лазера”, — комментирует Андрей Кузнецов, исполняющий обязанности директора Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.

Николай Басов, выпускник МИФИ, известного раньше как Московский механический институт, организовал и возглавил там в 1978 году кафедру квантовой электроники. С 2016 года работу, начатую нобелиатом, продолжают в Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ, объединившем несколько кафедр. 

Группа теоретиков ЛаПлаз и университета Бордо в 2015-2017 годах предсказала возможность создания сверхмощными лазерными импульсами магнитных полей с напряженностью до сотен миллионов Гаусс и выше, “вмороженных” в плазму. Такие поля на порядки превышают достижимые в настоящее время другими методами. Способ генерации основан на взаимодействии с мишенями особенной геометрии, устроенной таким образом, что токи ускоренных лазерным излучением частиц образуют мощнейший соленоид.

Лазер — все статьи и новости

Лазер (от англ. laser, акроним light amplification by stimulated emission of radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») — устройство, преобразующее энергию накачки — световую, электрическую, химическую и др. — в энергию когерентного монохроматического и узконаправленного потока электромагнитного, в оригинале светового, потока излучения.

Принцип действия лазера в самом его элементарном исполнении основан на работе так называемого резонатора, то есть системы двух параллельных зеркал (одно из них полупрозрачно), между которыми множество раз пробегают излученные туда фотоны, индуцируя в среде между зеркалами все новые и новые кванты света. Часть их выходит через полупрозрачное зеркало в виде мощного потока света с одной (или несколькими, дискретно распределенными) частотой, определяемой исключительно характеристиками резонатора. Суть явления состоит в том, что возбужденный фотоном атом при некоторых условиях может излучить свой фотон, не поглощая тот, который на него воздействовал.

Квантовомеханический принцип действия лазера был заложен еще в работе Альберта Эйнштейна 1916 года, где он предсказал явление так называемого вынужденного излучения. Но первый лазер, основанный на этой идее, был создан лишь во второй половине прошлого века. В 1952 году советские академики Николай Басов и Александр Прохоров заявили о возможности создать оптический квантовый генератор (точнее микроволновый, а не оптический) на аммиаке. Эту же идею, независимо от советских трудов, развивал американский физик Чарльз Таунс, и в 1954 году он продемонстрировал работу подобного лазера. Спустя 10 лет, в 1964 году, все трое были удостоены за это достижение Нобелевской премии по физике.

Сегодня лазеры настолько прочно вошли в нашу жизнь, что трудно даже перечислить все области их применения: от голографии и медицины до лазерной локации и экспериментов по термоядерному синтезу. Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента их изобретения чуть ли не каждый год появляются все новые их разновидности — это химические, эксимерные, полупроводниковые лазеры (в 2000 году академик Жорес Алфёров и его германский коллега Герберт Кремер получили Нобелевскую премию за разработку теории полупроводниковых гетероструктур, которая легла в основу разработки таких лазеров), лазеры на свободных электронах и многие другие.

Рубиновый лазер

Уровни энергии

Как известно химические и оптические свойства элементов главным образом определяются электронами на незаполненных атомных оболочках. Электронная конфигурация иона имеет следующую структуру: . Имеется одна незаполненная внешняя оболочка с тремя эквивалентными d электронами. Данные эквивалентные электроны в силу нецентральной симметрии внутриатомного электрического поля, действующего на каждый электрон, формируют следующие термы (состояния с разной энергией) : шесть дублетных (2 терма), и два квартетных по спину терма. Дублетные термы имеют суммарный электронный спин S, равный 1/2, квартетные 3/2. Согласно эмпирическому правилу Хунда самым нижним термом является терм с максимальной мультиплетностью, то есть с максимальным суммарным спином электронов, и при данной мультиплетности, с максимальным значением полного орбитального момента. Таким образом нижним термом является терм , у которого S = 3/2, L = 3. Ближайшим к нему термом с большей энергией является терм , у которого S = 1/2 и L = 4. Это установлено расчетами и экспериментом. Именно эти два терма принимают активное участие в осуществлении лазерной генерации. Они вырождены по всем возможным ориентациям векторов и . Кратность вырождения, то есть количество подуровней с одинаковой энергией, определяется формулой

и составляет 28 для терма , и 18 для .

В кристаллической решетке рубина ионы хрома имеют отличную структуру уровней энергии, от той, которой обладают свободные ионы. Каждый ион хрома окружен шестью ионами , находящимися в вершинах октаэдра, и создающими в месте расположения иона хрома сильное электрическое поле октаэдрической симметрии (рис. 6, 7). На самом деле октаэдр несколько искажен вдоль оси третьего порядка, в силу чего реальное поле имеет более низкую симметрию .

Рис. 6. Окружающие ион хрома шесть ионов кислорода расположены в вершинах октаэдра.

Рис 7. Структура кристалла корунда. Напомним, что в кристалле рубина часть ионов алюминия замещена ионами хрома.

В результате эффекта Штарка, вызванного электрическим полем близлежащих ионов, вырождение термов частично снимается и они расщепляются на группы уровней (рис. 8). Обозначения уровней отвечают классификации, принятой для ионов, связанных в кристаллической матрице. Каждый набор уровней маркируется своим символом, как это принято для обозначения неприводимых представлений в теории групп, – основном математическом аппарате, исследующим влияние симметрии на физические системы.

Рис. 8. Энергетическая структура иона в кристалле рубина и схема переходов в лазере.

В сильном поле октаэдрической симметрии терм расщепляется на три подуровня – один орбитальный синглет и два орбитальных триплета и (часто при описании рубинового лазера они обозначаются как и ). подуровень является самым нижним, то есть основным. Вследствие того, что поле в рубине не чисто октаэдрическое, этот уровень дополнительно расщепляется на два подуровня, расстояние между которыми составляет около . Уровни и также расщепляются на ряд перекрывающихся дублетов, образуя широкие полосы энергетических состояний. В свою очередь терм в кристаллическом поле расщепляется на 4 группы уровней. Самый нижний уровень, обозначаемый как , вовлечен в процесс лазерной генерации в роли верхнего уровня лазерного перехода. Он состоит из двух подуровней, обозначаемых и , которые разнесены по энергии на .



Лазер, видящий сквозь упаковку


Уникальный прибор, позволяющий выявлять наркотики, взрывчатку и контрафактную продукцию сквозь упаковку, разработали российские ученые. Устройство уже поступило в продажу

Лазерный прибор представила российская компания-резидент кластера ядерных технологий “Сколково” “РамМикс”. На основе одновременного анализа разных спектров рассеяния света устройство мгновенно может определить, из чего состоит вещество. При этом субстанция может быть любой – хоть жидкой, хоть твердой, хоть порошкообразной, прибор не работает разве что с металлами. Вскрывать упаковку и брать образцы не требуется.

Теперь для исследований абсолютной точности не нужны лабораторные условия, уверен директор по маркетингу компании “РамМикс” Алексей Стеблёв:

“Не мы изобрели этот прибор как явление в мире приборостроения. Однако мы наделили его некоторыми уникальными свойствами. Мы сделали его гораздо более точным, чем выпускают другие производители. Мы снабдили его несколькими полезными свойствами, как то: замена лазера без необходимости калибровать и юстировать этот прибор. А также мы сделали так, что он анализирует состав вещества не только по рамановским спектрам, но и по люминесцентному спектру. Этого не делает больше ни один прибор в мире”.

Российский анализатор также выгодно отличается от зарубежных ценой и размерами, рассказал один из создателей прибора, член-корреспондент РАН Игорь Кукушкин:

“Это прямоугольная коробочка черного цвета размером примерно 10 на 5 сантиметров. У нее есть выход на ноутбук, iPad или смартфон. Весит 900 граммов без экрана, поэтому его легко держать в одной руке. Работает прибор, можно сказать, от одной кнопки. Требуется лишь оператор, который должен под лазерный луч поставить объект: будь то алмаз, яблоко, лекарство, вода и т.д. После того как объект попадает под лазерный луч, нажимается кнопка Enter, и на экране возникает ответ, что это за вещество, его химическая и структурная формула”.

Пользователь буквально за пять минут способен освоить программный интерфейс. Для замены перегоревшего источника лазерного луча специалист тоже не нужен. Несмотря на высокую технологичность, прибор крайне прост в обращении, убежден Алексей Стеблёв:

“Например, таможня часто сталкивается с необходимостью понять, что действительно везут, и сравнить это с тем, что написано в декларации. С помощью нашего прибора таможенник может очень легко, не обладая ни химической квалификацией, ни научной, просто нажимая на одну кнопку, понять за одну секунду, что внутри пакета: сахарная пудра, кокаин или какое-то взрывчатое вещество. Все это, не посылая никуда анализы, прямо на месте. Или, как вариант, везется партия каких-то блестящих камушков, написано, что это бижутерия. За одну секунду с помощью нашего прибора любой таможенник сможет определить, что это, предположим, бриллианты.”

Российское устройство поможет выявлять контрафакт на рынке, отступление от эталона в фармацевтической продукции. Ответственный производитель может поставить прибор на контроль качества собственного товара.

Разработкой уже заинтересовались организации и частные предприниматели в России и за рубежом. Компания задалась целью в течение пяти лет выпустить аналогичный анализатор для массового пользователя.

 

Источник: Голос Росси

Часто задаваемые вопросы о лазерах

Что такое лазер?

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

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

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

Лазер

Для чего используются лазеры?

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

Почему лазеры однозначно опасны?

Две характеристики лазерного света способствуют возникновению опасности:

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

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

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

Все ли лазеры разрешены для потребительского использования?

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

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

Что означают разные классификации лазеров?

Классы лазерной опасности

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

Класс FDA Класс IEC Опасность лазерного излучения Примеры продукции
I 1, 1М Считается неопасным. Опасность возрастает при просмотре через оптические приспособления, включая лупу, бинокль или телескоп.
  • лазерные принтеры
  • CD плееры
  • DVD плееры
IIa, II 2, 2М Опасность возрастает при прямом просмотре в течение длительного времени. Опасность возрастает при просмотре через оптические приспособления.
IIIa 3R В зависимости от мощности и площади луча, может представлять опасность при прямом взгляде или при взгляде прямо на луч невооруженным глазом.При просмотре через оптические приборы увеличивается риск получения травм.
IIIb 3B Непосредственная опасность для кожи от прямого луча и непосредственная опасность для глаз при прямом взгляде.
  • проекторы для лазерных световых шоу
  • лазеры промышленные
  • лазеры исследовательские
IV 4 Непосредственная опасность для кожи и глаз в результате воздействия прямого или отраженного луча; также может представлять опасность пожара.
  • проекторы для лазерных световых шоу
  • лазеры промышленные
  • лазеры исследовательские
  • лазеров, используемых для проведения глазных операций LASIK

Что такое лазерные указки?

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

Безопасны ли лазерные указки?

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

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

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

Никогда не предполагайте, что яркость цвета лазерного луча указывает на его мощность.В условиях освещения (в помещении или на улице) луч мощного лазера может быть такой же яркости или более тусклым, чем луч менее мощного лазера. Например, на фотографии ниже зеленый лазерный луч кажется намного ярче красного и намного ярче синего. На самом деле это лазеры одинаковой мощности, и все три представляют одинаковую опасность для глаз при взгляде на луч. Если вы видите яркий синий или фиолетовый лазерный луч с яркостью, подобной зеленому лазеру, вы можете с уверенностью предположить, что синий / фиолетовый лазерный свет намного мощнее, и если смотреть прямо в луч, это приведет к серьезному и немедленному повреждению глаз.

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

Как правильно использовать лазерную указку?

Помните, что лазерные указки – это не игрушки, и ими следует пользоваться только взрослым или под присмотром взрослых.

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

Какова роль FDA в регулировании лазеров?

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

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

Где я могу получить дополнительную информацию?

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

Чтобы сообщить о веб-сайтах, в которых вы подозреваете, что они незаконно продают лазерную продукцию, следуйте инструкциям в разделе «Сообщение о незаконной продаже медицинских товаров в Интернете».

Что такое лазер? | Космическое пространство НАСА – Наука НАСА для детей

Краткий ответ:

Лазер излучает очень узкий луч света, который используется во многих технологиях и инструментах. Буквы в слове лазер обозначают L ight A mplification by S timulated E миссия R adiation.

Буквы в слове лазерная подставка для L ight A mplification S timved E миссия R adiation. Лазер – необычный источник света. Он сильно отличается от лампочки или фонарика. Лазеры излучают очень узкий луч света. Этот тип света полезен для многих технологий и инструментов – даже для тех, которые вы можете использовать дома!


Как работает лазер?

Свет распространяется волнами, и расстояние между пиками волны называется длиной волны .

Каждый цвет света имеет разную длину волны. Например, синий свет имеет более короткую длину волны, чем красный свет. Солнечный свет – и типичный свет от лампочки – состоит из света с множеством разных длин волн. Наши глаза видят эту смесь длин волн как белый свет.

На этой анимации показаны различные длины волн солнечного света. Когда все разные длины волн (цвета) объединяются, вы получаете белый свет. Изображение предоставлено: НАСА

.

А лазер другой.Лазеры не встречаются в природе. Однако мы придумали способы искусственно создать этот особый тип света. Лазеры производят узкий луч света, в котором все световые волны имеют очень похожие длины волн. Световые волны лазера движутся вместе со своими пиками, выстроенными в линию, или в фазе . Вот почему лазерные лучи очень узкие, очень яркие и могут быть сфокусированы в очень крошечное пятно.

Эта анимация представляет синфазные световые волны лазера.Изображение предоставлено: НАСА

.

Поскольку лазерный свет остается сфокусированным и не сильно распространяется (как фонарик), лазерные лучи могут перемещаться на очень большие расстояния. Они также могут сконцентрировать много энергии на очень небольшой площади.

На этой анимации показано, как лазер может сфокусировать весь свой свет в одну маленькую точку. Предоставлено: НАСА

.

У лазеров есть много применений. Они используются в высокоточных инструментах и ​​могут резать алмазы или толстый металл. Они также могут быть разработаны для помощи в деликатных операциях.Лазеры используются для записи и извлечения информации. Они используются в коммуникациях и для передачи телевизионных и интернет-сигналов. Мы также находим их в лазерных принтерах, сканерах штрих-кода и DVD-плеерах. Они также помогают изготавливать детали для компьютеров и другой электроники.

Лазеры также используются в приборах, называемых спектрометрами. Спектрометры могут помочь ученым выяснить, из чего сделаны предметы. Например, марсоход Curiosity использует лазерный спектрометр, чтобы увидеть, какие химические вещества содержатся в определенных породах на Марсе.

Это изображение марсианского грунта до (слева) и после (справа), когда он был забит лазерным прибором марсохода Curiosity под названием ChemCam. Вырезая крошечные дыры в марсианской почве и камнях, ChemCam может определить, из чего сделан этот материал. Изображение предоставлено: NASA / JPL-Caltech / LANL / CNES / IRAP / LPGN / CNRS

В

миссиях НАСА использовались лазеры для изучения газов в атмосфере Земли. Лазеры также использовались в инструментах, которые отображают поверхности планет, лун и астероидов.

Ученые даже измерили расстояние между Луной и Землей с помощью лазеров! Измеряя количество времени, которое требуется лазерному лучу, чтобы добраться до Луны и обратно, астрономы могут точно сказать, как далеко он находится!

Как работают лазеры | HowStuffWorks

Лазерный свет сильно отличается от обычного и имеет следующие свойства:

  • Излучаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну определенную длину волны света (один определенный цвет).Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.
  • Излученный свет когерентный . Он «организован» – каждый фотон движется в ногу с другими. Это означает, что у всех фотонов есть волновые фронты, запускаемые в унисон.
  • Свет очень направленный . Луч лазера очень плотный, сильный и концентрированный. С другой стороны, фонарик излучает свет во многих направлениях, а свет очень слабый и рассеянный.

Чтобы реализовать эти три свойства, требуется нечто, называемое стимулированным излучением . Этого не происходит в вашем обычном фонарике – в фонаре все атомы случайным образом испускают свои фотоны. В вынужденном излучении организовано излучение фотонов.

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состоянием. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого есть электрон в том же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызывать атомное излучение, так что последующий испускаемый фотон (от второго атома) колеблется с той же частотой и направлением, что и входящий фотон.

Другой ключ к лазеру – пара зеркал , по одному на каждом конце лазерной среды. Фотоны с очень определенной длиной волны и фазой отражаются от зеркал, перемещаясь вперед и назад через среду, излучающую лазер. В процессе они стимулируют другие электроны совершать нисходящий энергетический скачок и могут вызвать испускание большего количества фотонов с той же длиной волны и той же фазы.Возникает каскадный эффект, и вскоре мы распространяем много-много фотонов с одинаковой длиной волны и одинаковой фазой. Зеркало на одном конце лазера «наполовину посеребренное», что означает, что оно отражает часть света и пропускает часть света. Проходящий свет – это лазерный луч.

Вы можете увидеть все эти компоненты на рисунках на следующей странице, которые иллюстрируют, как работает простой рубиновый лазер .

Как работают лазеры | HowStuffWorks

Лазерный свет сильно отличается от обычного и имеет следующие свойства:

  • Излучаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну определенную длину волны света (один определенный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.
  • Излученный свет когерентный . Он «организован» – каждый фотон движется в ногу с другими. Это означает, что у всех фотонов есть волновые фронты, запускаемые в унисон.
  • Свет очень направленный . Луч лазера очень плотный, сильный и концентрированный.С другой стороны, фонарик излучает свет во многих направлениях, а свет очень слабый и рассеянный.

Чтобы реализовать эти три свойства, требуется нечто, называемое стимулированным излучением . Этого не происходит в вашем обычном фонарике – в фонаре все атомы случайным образом испускают свои фотоны. В вынужденном излучении организовано излучение фотонов.

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состоянием.Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого есть электрон в том же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызывать атомное излучение, так что последующий испускаемый фотон (от второго атома) колеблется с той же частотой и направлением, что и входящий фотон.

Другой ключ к лазеру – пара зеркал , по одному на каждом конце лазерной среды. Фотоны с очень определенной длиной волны и фазой отражаются от зеркал, перемещаясь вперед и назад через среду, излучающую лазер.В процессе они стимулируют другие электроны совершать нисходящий энергетический скачок и могут вызвать испускание большего количества фотонов с той же длиной волны и той же фазы. Возникает каскадный эффект, и вскоре мы распространяем много-много фотонов с одинаковой длиной волны и одинаковой фазой. Зеркало на одном конце лазера «наполовину посеребренное», что означает, что оно отражает часть света и пропускает часть света. Проходящий свет – это лазерный луч.

Вы можете увидеть все эти компоненты на рисунках на следующей странице, которые иллюстрируют, как работает простой рубиновый лазер .

Как работают лазеры | HowStuffWorks

Лазерный свет сильно отличается от обычного и имеет следующие свойства:

  • Излучаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну определенную длину волны света (один определенный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.
  • Излученный свет когерентный . Он «организован» – каждый фотон движется в ногу с другими.Это означает, что у всех фотонов есть волновые фронты, запускаемые в унисон.
  • Свет очень направленный . Луч лазера очень плотный, сильный и концентрированный. С другой стороны, фонарик излучает свет во многих направлениях, а свет очень слабый и рассеянный.

Чтобы реализовать эти три свойства, требуется нечто, называемое стимулированным излучением . Этого не происходит в вашем обычном фонарике – в фонаре все атомы случайным образом испускают свои фотоны.В вынужденном излучении организовано излучение фотонов.

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состоянием. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого есть электрон в том же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызывать атомное излучение, так что последующий испускаемый фотон (от второго атома) колеблется с той же частотой и направлением, что и входящий фотон.

Другой ключ к лазеру – пара зеркал , по одному на каждом конце лазерной среды. Фотоны с очень определенной длиной волны и фазой отражаются от зеркал, перемещаясь вперед и назад через среду, излучающую лазер. В процессе они стимулируют другие электроны совершать нисходящий энергетический скачок и могут вызвать испускание большего количества фотонов с той же длиной волны и той же фазы. Возникает каскадный эффект, и вскоре мы распространяем много-много фотонов с одинаковой длиной волны и одинаковой фазой.Зеркало на одном конце лазера «наполовину посеребренное», что означает, что оно отражает часть света и пропускает часть света. Проходящий свет – это лазерный луч.

Вы можете увидеть все эти компоненты на рисунках на следующей странице, которые иллюстрируют, как работает простой рубиновый лазер .

Как работают лазеры | HowStuffWorks

Лазерный свет сильно отличается от обычного и имеет следующие свойства:

  • Излучаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну определенную длину волны света (один определенный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.
  • Излученный свет когерентный . Он «организован» – каждый фотон движется в ногу с другими. Это означает, что у всех фотонов есть волновые фронты, запускаемые в унисон.
  • Свет очень направленный . Луч лазера очень плотный, сильный и концентрированный.С другой стороны, фонарик излучает свет во многих направлениях, а свет очень слабый и рассеянный.

Чтобы реализовать эти три свойства, требуется нечто, называемое стимулированным излучением . Этого не происходит в вашем обычном фонарике – в фонаре все атомы случайным образом испускают свои фотоны. В вынужденном излучении организовано излучение фотонов.

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состоянием.Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого есть электрон в том же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызывать атомное излучение, так что последующий испускаемый фотон (от второго атома) колеблется с той же частотой и направлением, что и входящий фотон.

Другой ключ к лазеру – пара зеркал , по одному на каждом конце лазерной среды. Фотоны с очень определенной длиной волны и фазой отражаются от зеркал, перемещаясь вперед и назад через среду, излучающую лазер.В процессе они стимулируют другие электроны совершать нисходящий энергетический скачок и могут вызвать испускание большего количества фотонов с той же длиной волны и той же фазы. Возникает каскадный эффект, и вскоре мы распространяем много-много фотонов с одинаковой длиной волны и одинаковой фазой. Зеркало на одном конце лазера «наполовину посеребренное», что означает, что оно отражает часть света и пропускает часть света. Проходящий свет – это лазерный луч.

Вы можете увидеть все эти компоненты на рисунках на следующей странице, которые иллюстрируют, как работает простой рубиновый лазер .

Основы лазера

Основы лазера [индекс]

Лазер Основы
Роберт Олдрич


ТАБЛИЦА СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛЫ


ВВЕДЕНИЕ

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

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


Рисунок 1. Электромагнитный спектр

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


ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

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

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

(1)

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

(2)

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


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


КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

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

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


Рис. 3. Схема твердотельного лазера

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

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


Рис. 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

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


ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

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


Рис. 5. Схема полупроводникового лазера

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


Рисунок 6. Схема газового лазера

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


Рис. 7. Схема лазера на общих красителях

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


Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

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


Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

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

Таблица 1. Общие лазеры и их Длины волн

ЛАЗЕРНЫЙ ТИП

ДЛИНА ВОЛНЫ (Нм)

Фторид аргона

193

Хлорид ксенона

308 и 459

Фторид ксенона

353 и 459

Гелий Кадмий

325–442

Родамин 6G

450–650

Пар меди

511 и 578

Аргон

457 – 528 (514. 5 и 488 наиболее часто используемые)

Частота удвоена Nd: YAG

532

Гелий Неон

543, 594, 612 и 632,8

Криптон

337,5 – 799,3 (647,1 – 676,4 наиболее часто используемые)

Рубин

694.3

Лазерные диоды

630–950

Ti: Сапфир

690–960

Александрит

720–780

Nd: YAG

1064

Фтористый водород

2600–3000

Эрбий: стекло

1540

Окись углерода

5000-6000

Двуокись углерода

10600

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


Рис. 10. Расхождение обычного источника света

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


Рис. 11. Расходимость лазерного источника

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


Рис. 12. Энергия излучения


ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

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

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


Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

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

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

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

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

(3)

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


Рис. 14. Зеркальные отражатели


Рисунок 15. Диффузные отражатели


ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.

Оставить комментарий