Лазери - що це таке, як працює, навіщо потрібні Світло, яке ріже та зварює, лікує та вбиває

Лазер - це пристрій, що випромінює пучок когерентного світла в результаті процесу оптичного посилення, заснованого на вимушеному випромінюванні електромагнітного випромінювання. Термін «лазер» виник як абревіатура від «Light Amplification by Stimulated Emission of Радіація». Лазери дозволяють отримувати дуже вузький і сфокусований пучок світла, який може використовуватися в різних областях, включаючи медичні процедури, телекомунікації, виробництво та наукові дослідження. Світло, що випромінюється лазером, відрізняється високим ступенем просторової та тимчасової когерентності, що дозволяє фокусувати його у вузькому місці та зберігати вузьку спрямованість на великих відстанях.

Історія лазера

Винахід лазера приписується кільком людям, так як була проведена велика робота, що включала кілька найважливіших ідей і розробок.

1. Альберт Ейнштейн (1917). Хоча Ейнштейн і брав безпосередньої участі у винаході лазерів, він заклав теоретичні основи лазерів, представивши теорію вимушеного випромінювання.

2. Чарльз Таунс, Артур Шолоу, Н. Г. Басов, А. М. Прохоров (1950–1960-е). Вони займалися розробкою мазерів (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Радіація), які, по суті, працювали за тим самим принципом, що й лазери, але з мікрохвильами замість світла. Пізніше вони запропонували ідею оптичних мазерів, чи лазерів. Відкрили принцип посилення та генерації електромагнітного випромінювання квантовими системами, який ліг в основу нового напряму у фізиці – квантової електроніки.

3. Гордон Гулд (1950-е).Гулд, будучи аспірантом, вигадав термін «лазер» і описав безліч застосувань цієї технології, але зіткнувся з тривалим судовим позовом за визнання та патентування свого внеску.

4. Теодор Мейман (1960). Мейману належить заслуга створення першого лазера, що діє як носій кристал рубіна. Він успішно продемонстрував перший працюючий лазер у дослідницькій лабораторії Hughes Research Laboratories в 1960 року.

Слід зазначити, що розробка лазера була сукупною працею багатьох вчених та інженерів, які брали участь у його створенні протягом кількох років. Ключовим проривом стала успішна демонстрація дії лазера в кристалі рубіну Теодором Мейманом 1960 року, тому саме йому часто приписують винахід лазера. Потім іншими дослідниками були розроблені різні типи лазерів, у тому числі газовий лазер Алі Джавана та напівпровідниковий лазер. Це просунуло технологію до того рівня, який ми маємо сьогодні.

Принцип роботи лазера

Щоб зрозуміти принцип роботи лазерів, необхідно розкрити основні принципи, що базуються на квантовій механіці та оптичній фізиці.

Атомні та енергетичні рівні

Атоми мають різні енергетичні рівні. Коли атом поглинає енергію, він перетворюється на збуджений стан, і коли втрачає енергію, то повертається у основний стан, часто випускаючи у своїй випромінювання.

Спонтанна та стимульована емісія

При спонтанному випромінюванні електрон мимовільно перетворюється на стан з нижчою енергією, випускаючи у своїй фотон. Вимушене випромінювання відбувається, коли вхідний фотон стимулює випромінювання другого, ідентичного фотона.

Накачування - це процес, при якому в лазерне середовище подається енергія для збільшення числа атомів у збудженому стані, що створює інверсію, необхідну для дії лазера. Існують різні методи накачування, такі як електричний розряд, лампи-спалахи, лазерні діоди та хімічні реакції.

Властивості лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання характеризується високою просторовою та тимчасовою когерентністю. Це означає, що фотони в лазерному пучку мають певне фазове співвідношення, що дозволяє променю зберігати вузьку спрямованість великих відстанях. До появи лазерів така когерентність спостерігалася тільки в радіохвилях, що походять від добре стабілізованих передавачів.

Монохроматичність

Лазерне випромінювання практично монохроматично, тобто складається з однієї довжини хвилі чи кольору. Це відрізняє його від світла інших джерел, яке зазвичай розсіюється на спектр кольорів. Практично ідеальна монохроматичність лазерного випромінювання має вирішальне значення для таких додатків, як голографія, де потрібне когерентне світло з однією довжиною хвилі.

Спрямованість

На відміну від звичайного світла, що розсіюється в різних напрямках, лазерне випромінювання має спрямованість. Стимульоване випромінювання в лазері відбувається лише вздовж осі резонатора, у результаті промінь має вкрай низьку розбіжність. Ця властивість дозволяє лазерному променю зберігати свій вузький діаметр на значних відстанях, причому цей параметр вимірюється кількома кутовими секундами.

Фокусованість

Лазерні промені можуть бути сфокусовані у висококонцентрованій точці з неймовірно малим діаметром.Це досягається завдяки когерентній та спрямованій природі лазерного випромінювання, яка дозволяє сфокусувати його у вузькому місці, досягаючи при цьому величезної температури.

У середовищах, створюваних потужними імпульсними лазерами, потужність яких може досягати порядку петаватт (10^15 Вт), щільність енергії настільки висока, що може викликати температури, що перевищують 100 млн градусів Цельсія.

Пристрій лазера

Лазерне середовище

Лазерне середовище (активне середовище) може бути газом, рідиною або твердим тілом – це матеріал, через який посилюється світло. Вибір матеріалу визначає робочу довжину хвилі, енергоефективність та інші характеристики лазера. До поширених матеріалів відносяться різні гази, кристали, такі як рубін, напівпровідники.

Імпульсна лампа

Поряд із стрижнем (циліндром) активного середовища монтується імпульсна лампа. Циліндр та імпульсна лампа оточені дзеркалом (оптичним резонатором).

Оптичний резонатор

Зазвичай включає пару дзеркал, розташованих таким чином, що одне з них повністю відображає, а інше - частково, утворюючи резонансну порожнину.

Якими бувають лазери

Лазери класифікуються за різними параметрами, включаючи фізичний стан активного середовища та метод накачування (стимулювання активного середовища).

Твердотільні лазери

Зародження лазерної технології пов'язане з твердотілими лазерами, піонером яких став Т. Мейман 1960 році, який використовував як активне середовище кристал рубіну, просочений іонами хрому, а для накачування - імпульсну лампу. У таких лазерах можуть використовуватися інші матеріали, наприклад скло, що містить неодим (Nd), або ітрій-алюмінієвий гранат, змішаний з хромом та неодимом.Відмінною рисою цих лазерів є тверде активне середовище, що використовується в роботі.

Газові лазери

Газові лазери створені А. Яваном, Ст. Беннетом та Д. Херріотом у 1960 році, використовують газ низького тиску або суміш газів, укладених у скляну трубку, в якій встановлені електроди. Як правило, в таких лазерах як джерело накачування використовується високочастотний генератор, що сприяє електричному розряду, що дозволяє отримати безперервне випромінювання. Незважаючи на те, що через низьку щільність газу потрібен значний обсяг активного середовища, вони здатні випромінювати великі обсяги оптичної енергії.

Газодинамічні, хімічні та ексімерні лазери

Ці лазери насправді є підмножиною газових лазерів, кожен із яких має свої відмінні принципи роботи.

Газодинамічні лазери: у цих лазерах, що працюють подібно до реактивного двигуна, згоряння палива поєднується з збудженням частинок газу, які при охолодженні в надзвуковому потоці випромінюють потужне когерентне випромінювання.

Хімічні лазери: використовуючи хімічні реакції, зокрема, за участю атомарного фтору та водню, ці лазери генерують імпульси випромінювання.

Ексимерні лазери: ці лазери спираються на спеціальні молекули, яким властиво існувати у збудженому стані, спрямовуючи їхню роботу.

Рідинні лазери

З'явилися в 1960-х роках, паралельно з твердотілими лазерами, рідинні лазери використовують як активне середовище розчини органічних сполук.Ці лазери мають більш високу щільність порівняно з газовими лазерами, хоча й меншою, ніж твердотільні, що дозволяє їм генерувати потужне випромінювання, причому як в імпульсному, так і в безперервному режимах, що полегшується використанням імпульсних ламп або інших лазерів для накачування.

Напівпровідникові лазери

У 1962 року дебютували напівпровідникові лазери, створені американськими вченими Р. Холл, М. І. Ной та Т. Квістом. У цих лазерах, заснованих на теоретичній основі, запропонованої російським фізиком Н. р. Басовим у 1958 році, як активне середовище використовувалися напівпровідникові кристали типу арсеніду галію (GaAs). Незважаючи на подібність до твердотільних лазерів, вони відрізняються тим, що в них здійснюються випромінювальні переходи між енергетичними зонами або підзонами кристала, а не між атомними енергетичними рівнями. Лазери працюють на постійному електричному струмі, використовуючи як резонатор відполіровані грані напівпровідникового кристала.

Застосування лазерів

Технологічні лазери

Різання, зварювання та паяння. Лазери безперервної дії, що мають величезну потужність, дозволяють здійснювати різання, зварювання і паяння широкого спектру матеріалів. Їхня величезна теплова потужність дозволяє з'єднувати несумісні матеріали, створюючи, наприклад, металокерамічні амальгами, які не можуть бути отримані традиційними способами.

Виробництво мікрочіпів. Здатність лазера зменшувати фокус до найдрібніших точок дозволяє з високою точністю виготовляти мікрочіпи, які необхідні в сучасній цифровій техніці.

Будівництво та геодезіяЛазерні промені, що характеризуються прямолінійною траєкторією, служать бездоганними лінійками в будівництві, а також дозволяють вимірювати великі відстані за допомогою імпульсно-періодичних методик.

Лазерний зв'язок

Передача даних. Лазери зробили революцію у сфері зв'язку, забезпечивши передачу незрівнянно більшого обсягу інформації проти високочастотними радіоканалами з допомогою значно меншої довжини хвилі.

Промисловість звукозапису. Лазерні технології стали основою індустрії звукозапису, спростивши запис та відтворення аудіо- та візуального контенту на компакт-дисках.

Застосування у медицині

Хірургія ока. Лазери знаходять широке застосування в складних операціях очей, допомагаючи в таких процедурах, як реплантація сітківки, за допомогою неінвазивних методів.

Загальна хірургіяЛазерні скальпелі дозволили досягти значного зменшення пошкоджень тканин у порівнянні з традиційними.

Терапія Лазери малої потужності сприяють регенерації тканин і пропонують альтернативи акупунктурі.

Косметологія Діодні та пікосекундні лазери змінили косметологію, запропонувавши цілу низку нових нетравматичних процедур.

Сучасні наукові дослідження

Дослідження зірок. Лазери дають уявлення про склад зірок, дозволяючи дослідникам моделювати умови, що у їх ядрах.

Термоядерний синтез. Лазерні промені відіграють ключову роль стимулюванні термоядерних реакцій, вкладених у досягнення керованого ядерного синтезу — потенційного джерела величезної енергії.

Генна інженерія та нанотехнології. У сферах генетики та нанотехнологій лазери сприяють ретельному маніпулюванню мікроскопічними об'єктами, визначаючи прогрес у цих галузях.

Вивчення атмосфери. Лазерні локатори або лідори беруть активну участь в атмосферних дослідженнях, допомагаючи проводити дистанційні вимірювання.

Військові лазери

Цілевказівка ​​та далекометрія

Лазери відіграють найважливішу роль сучасних військових системах цілевказівки. Вони використовуються для цілей, що дозволяє здійснювати більш точний супровід та поразку. Лазерні далекоміри дозволяють визначати відстань до мети, надаючи дані, необхідних систем цілевказівки.

Зброя прямого випромінювання (ОПП).

Це лазерні системи, призначені для випромінювання сфокусованої енергії, що виводить з ладу або знищує ціль. ОПП забезпечують точне наведення на ціль і потенційно менші побічні збитки порівняно зі звичайною зброєю. Вони можуть застосовуватися проти різних загроз, включаючи безпілотники, ракети та артилерійські снаряди.

Боєприпаси з лазерним наведенням

Бомби та ракети з лазерним наведенням використовують лазери для точного відстеження та ураження цілей. Лазер спрямовує боєприпас до мети, забезпечуючи більш високу точність потрапляння проти традиційними боєприпасами.

Лазери виконують і оборонні функції, наприклад, у системах протидії ракет з тепловим наведенням. Ці системи використовують лазери, щоб заплутати або відвести від себе загрози, що наближаються, захищаючи об'єкт. Лазери використовуються також у складі систем перехоплення ракет, призначених для знищення засобів ураження, що підлітають, до того, як вони досягнуть мети.

Військові засоби зв'язку використовують лазерні технології для створення захищених систем зв'язку з високою пропускною здатністю. Оптичний зв'язок у вільному просторі (FSO) використовує лазерні промені передачі даних між платформами, забезпечуючи безпечний і захищений канал зв'язку.

Це лазери, призначені для тимчасового засліплення чи дезорієнтації цілей без завдання їм постійної шкоди. Вони використовуються як у протипіхотних, так і в протисенсорних системах, перешкоджаючи ефективному ураженню цілей противника.

Системи LIDAR

Збройні сили використовують системи LIDAR (Light Detection and Ranging) для вирішення різних завдань, включаючи картографування місцевості та пошук підводних човнів. Система використовує лазерні імпульси для високоточної зйомки довкілля.

Лазери зробили революцію в науці та техніці завдяки своїм унікальним властивостям та можливостям. Від точних хірургічних втручань до вивчення зіркових явищ, від комунікаційних досягнень до зброї нового покоління — лазери продовжують сприяти інноваціям, долаючи межі можливого, і обіцяють майбутнє, повне революційних розробок.

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 є двома паралельними дзеркалам. Переднє наполовину прозоре, заднє не пропускає світло.

Як створюється лазерний промінь

Лазерний промінь створюється всередині корпусу генератора. Так називається трубка, закрита з одного боку звичайним дзеркалом. Всередині корпусу знаходиться твердий кристал (найчастіше використовують рубін). всередині корпусу від одного дзеркала до іншого доти, доки не наберуть таку інтенсивність, якою 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 також буде одного кольору.
2. Когерентність.Пучок світла вважається когерентним, коли є фіксований зв'язок фаз між напруженістю електромагнітного поля в різних точках простору або в різний час.
3. СфокусованістьУ порівнянні з природним світлом, яке має розсіювання та ослаблення в залежності від відстані, лазерне випромінювання чітко сфокусоване в одному інтенсивному пучку світла і не слабшає при передачі на великі відстані.
4. Висока температура.Це відбувається через монохроматичність випромінювання і велику щільність енергії Так, температура випромінювання імпульсного лазера потужністю 1015 Вт становить більше 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.