Где применяются лазеры кратко

Обновлено: 03.07.2024

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

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

Как расшифровывается?

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

Кто изобрел лазер?

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

Эйнштейн

Майман

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

Басов, Прохоров и Таунс

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

Наши дни

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

ПРинцип работы лазера

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

Как создается лазерный луч?

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

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

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

Резкость фокусировки

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

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

Физическое обоснование

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

Активная среда

Энергетические уровни атомов

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

Инверсная заселенность

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

Фотоны и световой пучок

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

Классификация лазеров

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

Твердотельные лазеры

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

Газовые лазеры

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

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

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

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

Жидкостные лазеры

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

Полупроводниковые лазеры

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

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

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

Лазеры в природе

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

Свойства лазерного излучения

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

Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

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

Технологические лазеры

Лазерная связь

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

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

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

Применение лазеров в медицине

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

Современные научные исследования

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

Военные лазеры

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

Лазеры в индустрии развлечений

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

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

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

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

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

Лазеры в сфере транспорта

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

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

Лазерные гаджеты

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

Применение лазеров в спорте

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

Выводы

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Применение лазеров как оптического квантового генератора стало возможным с момента его открытия американским физиком Теодор Харальд (Тед) Майманом в 1960 году. Устройство стало незаменимым инструментом в нашей повседневной жизни.
Многие используют лазеры обусловленные его уникальными свойствами, например, способность достичь высокой мощности в точке, делая оптический генератор идеальным инструментом, как точность скальпеля в медицине или в качестве средства для резки толстолистовой стали.

Способы применения

Большинство устройств этого типа формируют луч света размером с карандаш и меньше и поддерживая его размер и направление на очень больших расстояниях. Это резко фокусированный луч когерентного света подходит для широкого спектра приложений.

Применение лазеров имеет комплексные решения в широком спектре приложений от научных исследований, биомедицины и окружающей среды до обработки промышленных материалов, микроэлектроники, авионики и развлечений.Применения включают лазероптогенетику и неврологию, лазерную сканирующую микроскопию и так далее.

Лазеры для лечения

Узкий когерентный поток света используемый в медицине, является наиболее важной высокотехнологичной медицинской технологией в этом столетии. Применение лазеров относится ко всем клиническим дисциплинам, таким как офтальмология, дерматология, хирургия, стоматология, онкология, рак и т. д. Лазер имеет революционный прорыв в лечении, и различные длины волны подходят для различных терапевтических областей. Например, эффективно лазерное лечение пародонтита.

В медицине они используются при хирургических операциях. Например, как глаукома глаза.

Применение в оптогенетике и нейробиологии

Оптогенетика — это быстро развивающаяся междисциплинарная биотехнологическая технология. Для этой технологии необходима высокая пространственно-временная разрешающая способность в связи со специфичностью изучения клеток. Применение лазеров преодолевает недостатки традиционных методов контроля активности клеток и организма, а также обеспечивает революционный метод исследования нейробиологии. Области исследований включают фундаментальные исследования нервной системы, исследования и исследования памяти, исследования привыкания, дискинезию, расстройства сна, паркинсонизм, депрессивное расстройство, тревожное расстройство и т. д.

Нейронаука — это научное исследование нервной системы. В настоящее время это междисциплинарная наука, которая сотрудничает с другими областями, такими как химия, информатика, инженерия, лингвистика, математика, медицина, генетика и смежные дисциплины, включая философию, физику и психологию. Сфера нейробиологии с помощью узкого луча расширилась и теперь включает различные подходы, используемые для изучения молекулярных, клеточных, эволюционных, структурных, функциональных, эволюционных, вычислительных и медицинских аспектов нервной системы.

Область применения лазера в исследованиях включает наблюдение за жизнеспособной клеточной структурой и специфическими молекулярными, ионными биологическими изменениями, фармакологией, генетикой, спектроскопией и связанными с ними субъектами.

Связь и передача данных

Лазерная связь — это беспроводное соединение в атмосфере. Теперь он может передавать информацию со скоростью передачи данных до нескольких Гбит/с и на расстоянии тысяч километров друг от друга.

Информация отправляется на модулятор света, который связан с лазером. Модулятор обрабатывает информацию о лазере, регулируя амплитуду, частоту или фазу. Затем информация передается по оптической антенне. На приемном конце генератор и сигнал смешиваются и затем преобразуются в исходную информацию с помощью детектора фотоэлектрического баланса и петлевого фильтра после усиления и демодуляции.

Лазерная связь имеет достоинства, связанные с небольшими потерями при передаче, большим расстоянием передачи, высоким качеством связи, большой пропускной способностью, надежной конфиденциальностью и структурой освещения. Она используется для наземной связи, глобальной связи и межзвездной связи.

В радиолокационных системах

Применяется также в радиолокационных системах, которые состоят из устройства лазерного излучения, устройства приема и устройства анализа сигналов. В качестве одной из технологий активного дистанционного зондирования применяется во многих областях, таких как мониторинг наземной растительности, атмосферная лазерная передача, глобальное прогнозирование климата и мониторинг морской среды. С развитием лазерной технологии и технологии оптического мониторинга достигается высокая точность, высокое пространственное разрешение с применением в автомобиле, воздухе и в космосе.

В промышленности и технике

Оптические генераторы используются в промышленности для резки и бурения металлов и прочих материалов, для сварки и пайки, а также для проверки оптического оборудования.

Компакт-диски и DVD-диски, Blu-ray диски чтение и запись производится с помощью применения лазеров, принтеры и сканеры штрих кода. Они используются в волоконной оптике и в некотором пространстве, открытой связи, по аналогии с радиопередачей передаваемого луча света модулированного сигнала и получение и демодуляция на некотором расстоянии. Явление голографии состоит в том, что фактические фронты узоров, захвачены в фотографическое изображение объекта, освещается светом, может быть реконструировано и производит трехмерное изображение объекта.

В научных исследованиях

Применение лазеров важно в ряде областей научных исследований, которые открывают новое поле научных исследований, как нелинейная оптика, которая связана с изучением таких явлений, как удвоение частоты когерентного света некоторых кристаллов.
Одним из важных результатов исследований оптического генератора является развитие устройств, которые могут быть настроены для испускания света в диапазоне частот, вместо формирования света только одной частоты.

В военном деле для наведения на цель

Применение лазеров широко используется в военном деле для наведения на цель, а также были разработаны экспериментальные установки как оружие. Луч, созданный оптическим генератором способен прожигать на определенном расстоянии средства противника.

Узкий поток света применяется в оптической когерентной томографии, как метод представляющий отображение в полупрозрачных или непрозрачных материалах, таких как человеческие ткани. Луч проникает в материал, а затем отражается. Глубина и интенсивность отраженных лучей записывается и из изображения строятся данные. Если луч сканирует по области получается 3-D изображение.

Помимо того, что этот метод безопаснее чем рентген, снимки получаются гораздо менее мутными. Когда луч отражается обратно в направлении, отличном от его происхождения, изменение фазы улавливается приемником и отфильтровывается из конечного изображения, что дает гораздо более четкое изображение и более точную картину.

Применение лазеров нашло отражение во многих областях технологий как развитие науки.

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.

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:

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).
Источник энергии. В этом качестве, как правило, выступает импульсная лампа, которая устанавливается рядом с активной зоной — цилиндром или стержнем.
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.

Свойства лазерного излучения

Основными свойствами являются:

Монохроматичность. Так как длина волны света в лазере одинаковая, весь пучок также будет одного цвета.
Когерентность. Пучок света считается когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между напряженностью электромагнитного поля в разных точках пространства или в разное время.
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.
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:

Твердотельные.
Газовые.
Жидкостные.
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:

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.
Химические. Импульс появляется в результате реакции. Самый мощный лазер этого типа работает на атомарном фторе в реакции с водородом.
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.

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.

Практическое применение лазеров

Изобретение лазера можно по праву считать одним из самых значимых открытий 20 столетия. Еще в самом начале разработки данной технологии ей уже пророчили совершенно разностороннюю применимость, с самого начала была видна перспектива решения самых разных задач, несмотря на то, что некоторые задачи даже не виднелись на горизонте в то время.

Медицина и космонавтика, термоядерный синтез и новейшие системы вооружений, - вот лишь некоторые из направлений, в которых сегодня с успехом применяется лазер. Давайте посмотрим, где же нашел практическое применение лазер, и убедимся в величии этого замечательного изобретения, обязанного своим появлением целому ряду ученых.

Лазерная спектроскопия

Монохроматическое излучение лазера можно получить в принципе с любой длиной волны, причем как в форме непрерывной волны определенной частоты, так и в форме коротких импульсов, длительностью вплоть до долей фемтосекунд. Будучи сфокусирован на исследуемом образце, лазерный луч подвергается нелинейным оптическим влияниям, что позволяет исследователям осуществлять спектроскопию изменяя частоту света, а также проводить когерентный анализ процессов, управляя поляризацией лазерного луча.

Измерение расстояний до объектов

Известно, что свет лазера, как и любая электромагнитная волна, движется с постоянной скоростью — со скоростью света. Измерения времени прохождения луча показали, что расстояние от обсерватории до Луны, в промежутке времени с 21:25 до 22:31 по пекинскому времени 22 января 2018 года, составляло от 385823,433 до 387119,600 километров.

Лазерный дальномер, для не столь больших расстояний как расстояние от Земли до Луны, работает на аналогичном принципе. Импульсный лазер посылает луч на объект, от которого луч отражается. Детектор излучения принимает отраженный луч. Приняв в расчет время между началом излучения и тем моментом когда детектор поймал отраженный луч, а также скорость света, электроника прибора рассчитывает расстояние до объекта.

Адаптивная оптика и компенсация атмосферных искажений

Если наблюдать с земли в телескоп за каким-нибудь далеким астрономическим объектом, то окажется, что атмосфера вносит определенные оптические искажения в получаемое изображение этого объекта. Чтобы данные искажения убрать, применяют методы так называемой адаптивной оптики — искажения измеряются и компенсируются.

Био и фотохимия

В биохимических исследованиях на тему образования и работы белков, полезны сверхкороткие лазерные импульсы фемтосекундной длительности. Данные импульсы позволяют инициировать и изучать химические реакции с высоким временным разрешением, чтобы находить и исследовать даже маложивущие химические соединения.

Изменяя поляризацию светового импульса, ученые могут задать необходимое направление химической реакции, выбрав из нескольких возможных сценариев развития событий в ходе реакции строго определенный.

Намагничивание лазерным импульсом

Сегодня ведутся исследования о возможности сверхбыстрого изменения намагниченности сред при помощи сверхкоротких лазерных импульсов длительностью в несколько фемтосекунд. Уже сейчас достигнуто сверхбыстрое размагничивание лазером за 0,2 пикосекунды, а также оптическое управление намагниченностью путем поляризации света.

Охлаждение сред лазером

Ранние эксперименты по охлаждению при помощи лазера проводились с ионами. Ионы удерживались электромагнитным полем в ионной ловушке, где освещались пучком лазерного света. В процессе неупругих соударений с фотонами, ионы теряли энергию, и таким образом были достигнуты сверхнизкие температуры.

Уже после был найден более практичный метод лазерного охлаждения твердых тел — антистоксово охлаждение, который заключается в следующем. Атом среды, находясь в состоянии чуть выше основного состояния (на колебательном уровне), возбуждался до энергии чуть ниже возбужденного состояния (на колебательном уровне), и, поглощая фонон, атом переходил в возбужденное состояние. Затем атом испускал фотон, энергия которого выше, чем энергия накачки, переходя в основное состояние.

Лазеры в установках термоядерного синтеза

Проблема удержания разогретой плазмы внутри термоядерного реактора может быть также решена при помощи лазера. Небольшой объем термоядерного топлива облучают со всех сторон в течение нескольких наносекунд мощным лазером.

Поверхность мишени испаряется, что приводит к огромному давлению на внутренние слои топлива, таким образом мишень испытывает сверхсильное сжатие и уплотнение, и при определенной температуре в такой уплотненной мишени уже могут протекать термоядерные реакции синтеза. Нагрев также возможен при помощи сверхмощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности.

Оптический пинцет на основе лазера

Лазерный пинцет позволяет при помощи света от лазерного диода манипулировать микроскопическими диэлектрическими объектами: к объектам прикладываются силы в пределах нескольких наноньютон, также измеряются крошечные расстояния от нескольких нанометров. Данные оптические приборы применяются сегодня в исследовании белков, их структуры и работы.

Боевое и оборонительное лазерное оружие

Еще в начале второй половины 20 столетия в Советском Союзе уже разрабатывались лазеры высокой мощности, которые могли бы применяться в качестве оружия, способного поражать цели в интересах ПРО. В 2009 году американцы заявили о создании мобильного твердотельного лазера мощностью в 100 кВт, теоретически способного поражать воздушные и наземные цели потенциального противника.

Лазерный прицел

Небольшой источник лазерного света жестко прикрепляется к стволу винтовки или пистолета так, чтобы его луч был направлен параллельно стволу. При прицеливании стрелок видит на мишени маленькое пятнышко, благодаря малой расходимости лазерного луча.

В основном для таких прицелов используются красные лазерные диоды либо инфракрасные лазерные диоды (чтобы пятнышко можно было разглядеть лишь в прибор ночного видения). Для большей контрастности в условиях дневного света применяются лазерные прицелы с зелеными лазерными светодиодами.

Обман военного противника

Маломощный лазерный луч направляется в сторону военной техники противника. Противник обнаруживает этот факт, полагает что на него направлено какое-то оружие, и вынужден срочно принимать меры к защите, вместо того чтобы вести атаку.

Лазерное наведение снаряда

Для наведения летящего снаряда, такого как запускаемая с самолета ракета, удобно использовать отраженное пятно лазерного луча. Лазер с земли или с самолета подсвечивает цель, а снаряд по нему ориентируется. Лазер обычно используется инфракрасный, так как его труднее обнаружить.

Закалка металла лазером

Участок поверхности металла нагревают лазером до критической температуры, при этом тепло проникает вглубь изделия благодаря его теплопроводности. Как только действие лазера прекращается, происходит быстрое остывание изделия за счет проникновения тепла вовнутрь, где начинают формироваться закалочные структуры, препятствующие быстрому износу при будущей эксплуатации изделия.

Лазерные отжиг и отпуск

Отжиг — это такой вид термической обработки, при котором сначала осуществляют нагрев изделия до определённой температуры, затем выдерживают в течение определенного времени при этой температуре, далее медленно охлаждают до комнатной температуры.

Так снижают твердость металла, облегчая дальнейшую механическую его обработку, при этом улучшается микроструктура и достигается большая однородность металла, снимаются внутренние напряжения. Отжиг лазером позволяет обрабатывать таким образом мелкие детали из металлов.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности в местах соединения деталей. Для этого изделие подвергается нагреву лазером до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным охлаждением (остыванием).

Лазерная очистка и дезактивация поверхностей

Данный способ очистки применяют для удаления поверхностных загрязнений с предметов, памятников, произведений искусства. Для очистки изделий от радиоактивных загрязнений и для очистки микроэлектроники. Такой способ очистки лишен недостатков, свойственных механическому шлифованию, абразивной обработке, виброобработке и т. д.

Лазерное оплавление и аморфизация

Скоростная аморфизация подготовленной поверхности сплава сканирующим лучом или коротким импульсом достигается благодаря быстрому теплоотводу, при котором происходит как-бы замораживание расплава, образуется подобие металлического стекла с высокой твердостью, стойкостью к коррозии, улучшением магнитных характеристик. Материал предварительного покрытия подбирается так, чтобы вместе с основным материалом образовывать состав, склонный к аморфизации под действием лазера.

Лазерное легирование и наплавка

Легирование поверхности металла лазером повышает его микротвердость и износостойкость.

Метод лазерной наплавки позволяет наносить износостойкие поверхностные слои. Применяется в восстановлении высокоточных деталей, используемых в условиях повышенного износа, например таких как клапаны ДВС и другие детали двигателей. Данный метод по качеству превосходит напыление, поскольку здесь формируется монолитный слой связанный с основой.

Вакуумно-лазерное напыление

В вакууме лазером испаряется участок материала, затем данные испарения конденсируются на специальной подложке, где с другими продуктами образуют материал с необходимым новым химическим составом.

Лазерная сварка

Перспективный метод промышленной сварки с использованием мощных лазеров, дающих очень ровный, узкий и глубокий сварной шов. В отличие от обычных методов сварки, мощность лазера регулируется более прецизионно, что позволяет очень точно регулировать глубину и другие параметры сварного шва. Сварочный лазер способен сваривать толстые детали на высокой скорости, достаточно лишь добавить мощности, причем тепловое воздействие на прилегающие зоны минимально. Сварной шов получается более качественным, как и любое соединение, полученное данным способом.

Лазерная резка

Высокая концентрация энергии в сфокусированном лазерном луче дает возможности для разрезания почти любого известного материала, при этом рез получается узким, а зона термического воздействия минимальной. Соответственно отсутствуют и значимые остаточные деформации.

Лазерное скрайбирование

Для последующего разделения на более мелкие элементы, пластины полупроводника скрайбируют — наносят лазером глубокие канавки. Здесь достигается более высокая точность, чем при использовании алмазного резца.

Глубина канавки — от 40 до 125 мкм, ширина от 20 до 40 мкм, при толщине обрабатываемой пластинки от 150 до 300 мкм. Изготовление канавки происходит со скоростью до 250 мм в секунду. Выход готовой продукции больше, брака — меньше.

Лазерная гравировка и маркировка

Практически везде в промышленности на сегодняшний день применяются именно лазерная гравировка и маркировка: нанесение рисунков, надписей, кодирование образцов, таблички, шильды, художественная отделка, сувениры, ювелирные изделия, миниатюрные надписи на самых мелких и хрупких изделиях, - стали возможны только благодаря автоматизированной лазерной технологии.

Лазер в медицине

Невозможно переоценить применимость лазеров в современной медицине. Хирургические лазеры применяются для коагуляции отслоившейся сетчатки глаза, лазерные скальпели позволяют резать плоть, лазерами сваривают кости. Углекислотным лазером сваривают биологические ткани.

Безусловно, что касается медицины, то в данном направлении ученым приходится каждый год улучшать и уточнять, совершенствовать технологии использования тех или иных лазеров, дабы избежать вредных побочных действий на ткани, которые расположены рядом. Бывает так, что одно место лазер лечит, но тут же оказывает разрушительное действие на соседний орган или случайно попавшую под него клетку.

Дополнительные наборы инструментов, специально созданные для работы совместно с хирургическим лазером, позволили медикам добиться успехов в желудочно-кишечной хирургии, хирургии желчных путей, селезенки, легких и печени.

Удаление татуировок, коррекция зрения, гинекология, урология, лапароскопия, стоматология, удаление опухолей головного и спинного мозга — все это возможно сегодня только благодаря современной лазерной технике.

Информационные технологии, дизайн, быт и лазер

CD, DVD, BD, голография, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, системы безопасности (защитные барьеры), световые шоу, мультимедийные презентации, указки и т. д. Только представьте, как бы стал выглядеть наш мир, если бы из него исчез лазер…

Читайте также: