Що таке лазер у фізиці простими словами

Ще 30-40 років тому слово «лазер» асоціювалося з фантастичними фільмами та голлівудськими спецефектами. Зараз ця технологія міцно увійшла до повсякденного життя людей. Розповідаємо, як і де вона застосовується.

Що таке лазер

Лазер, або оптичний квантовий генератор - це пристрій, який призначений для перетворення електричної, теплової та інших видів енергії у вузькоспрямоване випромінювання, що характеризується когерентністю, монохроматичністю та поляризованістю.

Названо цю технологію за першими буквами англомовного вираження. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) і перекладається як «посилення світла з допомогою вимушеного випромінювання».

Винахід лазера - це не одномоментне відкриття, над ним працювало багато вчених з початку XX століття. Найвідоміші з них – Ейнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.

Альберт Ейнштейн 1917 року презентував наукову працю, в якій передбачив основний принцип роботи оптичного квантового генератора — вимушене випромінювання. Геній був упевнений у змозі змусити електрони випромінювати світло необхідної людині довжини хвилі.

Теодору Майману, Каліфорнійському фізику, у травні 1960 року вдалося втілити цю ідею в життя. Лазер, у роботі якого використовувалися кристал рубіну та резонатор Фабрі – Перо працював імпульсно, довжина хвилі становила 694,3 нм.

У СРСР також активно велися дослідження на цю тему. У 1952 році два радянські академіки Олександр Прохоров і Микола Басов з'ясували, що можливе створення лазера, який працюватиме на аміаку. 1954 року американець Чарлз Таунс створив такий генератор та показав принцип його роботи.

Принцип роботи лазера

Полягає у створенні інтенсивного світлового променя, що має однакову довжину хвилі одночасно. Щоб зрозуміти, як відбувається процес, розглянемо конструкцію пристрою.

Будь-який оптичний квантовий генератор складається з 3-х частин:

1. Активне середовище. Найважливіший компонент забезпечення лазерного випромінювання. Активним середовищем є спеціальна речовина, якою можуть бути використані тверді кристали, гази або рідини, сформовані в стрижень (циліндр).
2. Джерело енергії. У цій якості, як правило, виступає імпульсна лампа, яка встановлюється поряд з активною зоною - циліндром або стрижнем.
3. Резонатор (крім тих випадків, коли лазер використовують як підсилювач). Цей пристрій являє собою два паралельних дзеркала один одному. Переднє наполовину прозоре, заднє світло не пропускає.

Як створюється лазерний промінь

Лазерний промінь створюється усередині корпусу генератора. Так називається трубка, закрита з одного боку звичайним дзеркалом, з іншого - не повністю прозорим дзеркалом. Усередині корпусу знаходиться твердий кристал (найчастіше використовують рубін). Під впливом електрообмотки атоми кристала утворюють світлові хвилі. Ці хвилі рухаються всередині корпусу від одного дзеркала до іншого, доки не наберуть таку інтенсивність, якої буде достатньо, щоб пройти через не повністю прозоре дзеркало.

Властивості лазерного випромінювання

Основними властивостями є:

1. Монохроматичність. Так як довжина хвилі світла в лазері однакова, весь пучок буде також одного кольору.
2. Когерентність. Пучок світла вважається когерентним, коли є фіксований зв'язок фаз між напруженістю електромагнітного поля у різних точках простору або у різний час.
3. Сфокусованість. У порівнянні з природним світлом, яке має розсіювання та ослаблення в залежності від відстані, лазерне випромінювання чітко сфокусовано в одному інтенсивному пучку світла і не слабшає при передачі на великі відстані.
4. Висока температура. Це відбувається через монохроматичність випромінювання та велику щільність енергії. Так, температура випромінювання імпульсного лазера потужністю 1015 Вт становить понад 100 мільйонів градусів.

Типи лазерів

Існує класифікація оптичних квантових генераторів по агрегатному стану лазерної речовини та способу її збудження. Так, лазери поділяються на:

1. Твердотільні.
2. Газові.
3. Рідинні.
4. Напівпровідникові.

Твердотільні з'явилися найпершими. Вони активне середовище складалася з кристалів, а джерелом енергії служила імпульсна лампа. В даний час твердотільні оптичні квантові генератори бувають:

• рубіновими;
• титан-сапфіровими;
• олександритовими;
• оптоволоконними;
• на алюмоітрієвому гранаті;
• на неодимовому склі;
• на фториді кальцію та ін.

Газовими називають генератори, у яких активне середовище формується з газів або їх сумішей з дуже низьким тиском. Джерелом енергії виступає розряд електрики, що виробляється генератором високих частот. Газовий генератор характеризується безперервністю випромінювання. У таких лазерах використовується довгий стрижень активного середовища, це пов'язано із невисокою щільністю газів. Інтенсивність випромінювання забезпечує маса активної речовини.

Газові лазери поділяються на:

1. Газодинамічні. Принцип роботи цього виду генератора нагадує роботу реактивного двигуна. У ньому відбувається згоряння палива, до якого додані частки газів активного середовища. У процесі горіння, потім охолодження молекули віддають енергію, створюючи потужне випромінювання.
2. Хімічні. Імпульс у результаті реакції. Найпотужніший лазер цього працює на атомарному фтору у реакції з воднем.
3. Ексімерні. Дія забезпечують молекули благородних газів, здатних існувати лише у збудженому стані.

Сучасні газові лазери бувають:

• гелій-неоновими;
• криптоновими;
• ксеноновими;
• азотними;
• киснево-йодними;
• вуглекислотними та ін.

У рідинних У генераторах для створення активного середовища застосовують розчини органічних сполук. Їх щільність вища, ніж густина газу, і нижча, ніж густина твердих тіл. Такі лазери можуть створювати випромінювання до 20 Вт, причому обсяг активної речовини залишається порівняно невеликим. Лазери цього типу працюють як у імпульсному, і у безперервному режимах. Як джерело енергії використовують імпульсні лампи або інші лазери.

Для напівпровідникових лазерів як активне середовище використовують кристал із властивостями напівпровідника (найчастіше, арсенід галію GaAs). Від твердотільних вони відрізняються тим, що випромінювальні переходи тут не на рівні атомів, а між зонами кристала. Джерелом енергії таких генераторів є постійний електричний струм. Кристал-напівпровідник виконує роль резонатора.

Області застосування лазерних технологій

Відкриття лазерного випромінювання має значення для людства. Завдяки унікальним властивостям використовувати лазери можна в різних сферах життя:

• у промисловості;
• у військових розробках;
• у медицині;
• у розважальній промисловості;
• у побуті.

Технологічні лазери безперервної дії активно використовують у промисловості, щоб розрізати чи спаювати деталі. Завдяки застосуванню технології стало можливим зварювання металу та кераміки, внаслідок чого вийшов новий матеріал – металокераміка. Також лазерний промінь активно використовують у виготовленні мікросхем.

У військових цілях за допомогою технології розробляються нові види зброї. Промені газових лазерів наземного чи орбітального базування здатні вивести з ладу супутники, і літаки ворожої сторони. Також їх можна використовувати у розвідці. Багато країнах активно ведуться розробки лазерних пістолетів.

У медицині технологія вже багато років застосовується в офтальмології, при проблемах пацієнтів із сітківкою ока та корекції зору. У хірургії лікаря використовують лазерні скальпелі, які завдають мінімальних ушкоджень живим тканинам. Опанувала технологію косметологія.

Лазерні шоу – невід'ємна частина концерту, виступи зірки та інших святкових заходів. Ці технології давно і активно використовують у сфери розваг.

Самі того не усвідомлюючи, ми щодня користуємося лазерами, які вивели новий рівень техніку запису інформації. Саме за допомогою променя записуються та відтворюються файли на компакт-дисках з музикою, фото та фільмами.

Будова та призначення лазерів – складна тема. Тому важливо, щоб будь-якої миті можна було звернутися за допомогою до надійного джерела. Саме такими якостями і має сервіс Фенікс.Хелп.

Вперше пророкував Ейнштейн: що таке лазер і як він працює

Лазери сформували наш сучасний технологічний ландшафт і оточують нас усюди.

Вперше існування лазерів передбачив понад 100 років тому знаменитий фізик Альберт Ейнштейн і зараз люди щодня взаємодіють із лазерами, адже вони застосовуються всюди. Ця технологія, заснована на світі, допомогла збудувати сучасний світ, в якому ми живемо. Але що таке лазери та як вони працюють? Про це пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та захоплюючі новини зі світу науки!

Саме слово лазер є акронімом від словосполучення light amplification by stimulated emission of radiation (посилення світла з допомогою вимушеного випромінювання). Лазери працюють, змушуючи енергетичні частинки вібрувати синхронно, тобто максимуми і мінімуми хвиль світла, що випромінюються ними, збігаються.

За словами Пітера Делфієтта з Університету Центральної Флориди, США, коли електрони в атомах, які мають синхронізовані коливальні рухи, досягають стану з найвищою енергією, вони раптово синхронно переходять у стан з низькою енергією і випускають особливу форму світла. Потім лазерний пристрій покращує це світло, відбиваючи його між двома дзеркалами, перш ніж його можна використовувати.

Від прогнозування Ейнштейна до створення першого лазера

Фізика, яка лежить в основі технології лазера, була вперше передбачена ще Альбертом Ейнштейном у 1917 році. Але вченим довелося витратити понад 40 років, щоби втілити теорію в життя.

До того, як з'явилися лазери, вчені створили мазери, які є аналогічною технологією, але замість світла використовуються мікрохвилі. Першу мазер створили США 1954 року. У цьому пристрої використовувався промінь високоенергетичних молекул аміаку та резонатор, щоб змусити мікрохвилі вібрувати.Але вихідна потужність мазера становила всього 10 заново. Це приблизно в 1 млрд. разів менше енергії, ніж потрібно для включення звичайної лампочки. Для порівняння, найпотужніші лазери у світі має потужність 10 петаватт, а це приблизно 1/10 потужності Сонця.

Фізики почали вивчати різні частоти електромагнітного спектру для створення потужнішого мазера. У результаті 1960 року у США було створено оптичний мазер, який був власне лазером.

Не всі лазери працюють у видимому спектрі світла, але всі вони використовують частоти вище мікрохвильового випромінювання. Лазери мають кілька переваг перед мазерами. Крім того, що лазери вміщують більше енергії у свої промені через короткі довжини електромагнітних хвиль, їх легше створювати і ними легше керувати. Хоча мазери досі іноді використовують у радіотелескопах та засобах зв'язку у далекому космосі, лазери більш поширені.

Використання лазерів

Лазери зараз використовують скрізь: від очної хірургії до гравіювання скла та оптоволоконних кабелів, які забезпечують підключення до Інтернету. Лазери відіграли важливу роль у виявленні коливань простору-часу, які відомі як гравітаційні хвилі.

У Лазерно-інтерферометричній гравітаційно-хвильовій обсерваторії (LIGO) використовують два потужні лазери, які знаходяться на відстані 3 тисячі км один від одного для дослідження самої тканини простору-часу.

Деякі вчені вважають, що лазери можна використовувати для отримання зображень екзопланет далеко за межами Сонячної системи. Делфієт вважає, що лазери можуть застосовуватися в таких галузях, про які люди поки що навіть не замислюються, але в майбутньому це стане реальністю.

Як уже писав Фокус, американські інженери розпочали створення унікальної космічної станції техобслуговування на орбіті. Ціль полягає в тому, щоб продовжити життя супутників, у яких закінчилося паливо.

Також Фокус писав про те, що вчені показали, як змінюється поведінка вогню в космосі і розповіли, чому пожежі надзвичайно небезпечні для космічних станцій і кораблів.

• Читайте нас у:
• Читайте у Telegram
• Читайте у Facebook
• Читайте у Twitter
• Читайте у Google news
• Читайте у Viber

• Теги:
• випромінювання
• лазер
• фізика
• світло
• Альберт Ейнштейн
• лазерна фізика

• Поділитися:
• відправити до Telegram
• поділитися у Facebook
• твітнути
• відправити до Viber
• відправити до Whatsapp
• відправити до Messenger