Что лежит в основе принципа действия лазера квантового генератора кратко

Обновлено: 02.07.2024

Лазеры или, как их называют физики, оптические квантовые генераторы - это источники когерентного излучения, которые обладают целым рядом уникальных свойств.

История создания лазеров

Работы над созданием лазеров велись с начала 20 столетия. И только во второй половине прошлого века ученым удалось создать сначала экспериментальные, а затем и серийные модели лазерных установок. Это дало толчок к развитию многих областей науки и техники.

Существует большое количество видов лазеров:

газовых, полупроводниковых, твердотельных;
работающих в непрерывном и импульсном режимах;
изменяющих мощность излучения в пределах от долей милливатта до 10 12 – 10 13 В т (в импульсном режиме);
излучающих свет в различных оптических диапазонах.

Такое разнообразие характеристик позволяет использовать лазеры в военной технике, медицине, производственной сфере. Сейчас лазеры используются в оптических системах навигации, локации и связи, в химии, в хирургии и косметологии, в технологических процессах обработки материалов, в исследовательской работе (прецизионных интерференционных экспериментах), да и просто в быту.

Первый экспериментальный лазерный генератор был построен всего 60 лет назад, а современную жизнь уже нельзя представить без лазера.

Принцип действия лазера

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является монохроматичность. Добиться такой высокой степени монохроматичности при использовании нелазерных источников света невозможно. Достигается это и другие свойства лазерного излучения путем согласованного испускания квантов света большим количеством атомов рабочего вещества.

В основе работы оптических квантовых генераторов лежат процессы поглощения и излучения квантов света атомами. Атом может находиться в разных состояниях, которые отличаются уровнем энергии E 1 , E 2 и т. д. Согласно теории Нильса Бора, эти состояния являются стабильными.

В стабильном состоянии атом может находиться бесконечно долго при условии, что на него не оказывается никаких внешних воздействий. Стабильному состоянию соответствует наименьший уровень энергии. Стабильное состояние в научной литературе также может обозначаться как основное.

Нестабильный атом может находиться в возбужденном состоянии лишь в течение недолгого отрезка времени. Это порядка 10 - 8 секунды. Вслед за возбуждением атом возвращается в стабильное состояние, испуская квант света. Может быть и так, что атом вернется не в основное состояние, а в состояние с более низкой энергией, на метастабильный уровень.

Частоту кванта света можно определить с использованием второго постулата Бора.

Переход атома в возбужденное состояние может происходить по целому ряду причин:

резонансное поглощение фотона, энергия которого равна разности энергий атома в спокойном и возбужденном состоянии;
приобретение атомом части энергии в результате взаимодействия с другими атомами или столкновения с нейтронами.

Если переходы между энергетическими уровнями связаны с поглощением или испусканием фотонов, то мы имеем дело с излучательными переходами. Возбуждение или возвращение в спокойное состояние при взаимодействии с другими атомами и электронами относятся к числу безизлучательных переходов.

Самопроизвольное и индуцированное излучение

В ряде случаев возможен самопроизвольный переход атома из одного состояния в другое. В этом случае говорят о спонтанном переходе.

Альберт Эйнштейн еще в начале 20 века предположил, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может произойти под воздействием внешнего электромагнитного поля, при условии, что частота поля равна собственной частоте перехода. Излучение, которое возникает в этом случае, будет вынужденным или индуцированным.

Индуцированное излучение по своим свойствам отличается от спонтанного. Взаимодействие возбужденного атома с фотоном приводит к тому, то атом испускает еще один фотон той же самой частоты, который распространяется в том же направлении. Фактически, это означает, что в ответ на воздействие первоначальной волны атом излучает электромагнитную волну той же частоты, фазы, поляризации и направления распространения.

Согласно квантовой теории, результатом взаимодействия возбужденного атома с фотоном является появление двух одинаковых фотонов. Вынужденное испускание фотонов приводит к возрастанию амплитуды волны.

На рисунке схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рисунок 6 . 4 . 1 . Условное изображение процессов ( a ) поглощения, ( b ) спонтанного испускания и
( c ) индуцированного испускания кванта.

Индуцированное излучение является физической основой работы оптических квантовых генераторов.

Использование термодинамически неравновесных сред

Предположим, что мы работаем со слоем прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E 1 и E 2 > E 1 . В слое вещества распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = Δ E h .

Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в основном энергетическом состоянии. Столкновение атомов будет приводить к тому, что часть атомов будет временно переходить в возбужденное состояние. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n 1 и n 2 n 1 .

Распространение резонансного излучения в среде будет вызывать процессы поглощения, спонтанного и индуцированного испускания фотонов. Вероятности поглощения невозбужденным атомом и индуцированного испускания возбужденным атомом согласно теории Эйнштейна имеют одинаковые вероятности. Так как n 2 n 1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание.

Все это будет приводить к тому, что излучение, которое проходит через слой вещества, будет ослабляться. Излучение, которое возникает за счет спонтанных переходов, является некогерентным и распространяется во всех возможных направлениях. Оно не дает вклада в проходящую волну.

Усилить волну, которая проходит через слой вещества, можно путем искусственного создания условий, при которых n 2 > n 1 . Фактически, искусственно создается инверсная заселенность уровней и среда становится термодинамически неравновесной.

Впервые идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления была высказана Фабрикантом В.А. Затем явление индуцированного испускания было использовано советскими и американскими учеными для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1 , 27 с м . Разработка нового принципа усиления и генерации радиоволн была по достоинству оценена мировой научной общественностью. Разработчики метода были удостоены Нобелевской премии.

Активная среда и накачка

Активная среда – это такая среда, в которой создана инверсная населенность уровней.

Такая среда может быть использована в качестве резонансного усилителя светового сигнала.

Для того, чтобы запустить лавинообразный процесс, необходим случайный спонтанный акт, который вызывает распространение излучения вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации.

Лазерное излучение выводится наружу в работающем оптическом квантовом генераторе через одно или оба зеркала, которые обладают частичной прозрачностью.

На рисунке схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рисунок 6 . 4 . 2 . Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Рубиновый лазер

Особенностью рубинового лазера является использование оптической накачки, имеющей три уровня. Атомы среды переходят в возбужденное состояние за счет поглощения света. При использовании двух стандартных уровней накачки света лампы будет недостаточно для того, чтобы количество возбужденных атомов превысило количество атомов, находящихся в основном состоянии. В связи с этим накачка в рубиновом лазере проводится через третий уровень.

Схема накачки, используемой в рубиновом лазере, схематически представлена на рисунке.

Рисунок 6 . 4 . 3 . Трехуровневая схема оптической накачки.

Излучение рубинового лазера имеет характерных темно-вишневый цвет, что соответствует длине волны 694 м м . Работает такой лазер в импульсном режиме. Мощность излучения в импульсе достигает 10 6 – 10 9 В т .

Лазер на рубине стал первым работающим оптическим квантовым генератором. Он был сконструирован американским физиком Т. Майманом в 1960 году.

Принцип работы газового лазера

Этот вид оптических квантовых генераторов является одним из наиболее распространенных в мире. Работает он на смеси гелия и неона, соотношение которых составляет 10 : 1 . Общее давление в смеси составляет порядка 102 П а .

Неон в смеси является активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация лазерного излучения ярко-красного цвета, что соответствует длине волны 632 , 8 н м . Гелий выполняет буферную функцию, а также обеспечивает создание инверсной населенности одного из верхних уровней неона.

Широкое распространение газовых лазеров обусловлено исключительной монохроматичностью. По этому параметру газовым лазерам не могут составить конкуренцию никакие другие виды оптических квантовых генераторов.

Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He – Ne лазера составляет примерно Δ ν ≈ 5 · 10 – 4 Г ц . Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 Δ ν ≈ 2 · 10 3 с , а длина когерентности c τ ≈ 6 · 10 11 м , т. е. больше диаметра земной орбиты!

На практике реализовать столь узкую спектральную линию гелий-неонового лазера не удалось из-за целого ряда технических причин. Тщательная стабилизация всех параметров газового лазера удается достичь относительной ширины Δ ν ν порядка 10 – 14 – 10 – 15 , что примерно на 3 – 4 порядка хуже теоретического предела. Но даже такой уровень монохроматичности позволяет газовому лазеру оставить далеко позади всех конкурентов.

Первый газовый оптический квантовый генератор был создан в 1961 году. На рисунке 6 . 4 . 4 мы схематически представили схему уровней гелия и неона, а также механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рисунок 6 . 4 . 4 . Механизм накачки He – Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Разберем процесс накачки лазерного перехода E 4 → E 3 в неоне. Происходит все следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде значительная часть атомов гелия сталкивается с электронами и переходит в верхнее метастабильное состояние E 2 .

Атомы неона, которые находятся в основном состоянии, неупруго сталкиваются с атомами гелия и получают от них энергию. Уровень E 4 неона расположен на 0 , 05 э В выше метастабильного уровня E 2 гелия. Недостаток энергии с лихвой компенсирует кинетическая энергия столкнувшихся атомов.

На уровне E 4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E 3 , который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация.

На рисунке 6 . 4 . 5 изображена схема гелий-неонового лазера.

Рисунок 6 . 4 . 5 . Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0 , 1 % ; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1 – 2 % .

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Квантовый генератор — это генератор электромагнитных волн, в котором использовано явление вынужденного
излучения. Квантовый генератор радио-диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) так же как и квантовый усилитель
этого диапазона часто называют мазером.
Квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры появились в 1960 г. Лазеры работают в широком
диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном
режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стеклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от
других источников света лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия
которых концентрируется в очень узком телесном угле.
Принцип действия оптического квантового генератора заключается в следующем. Свет определенной длины волны, направленный на вещество, содержащее атомы,
способные находиться г А з на различных энергетических уровнях, возбуждает эти атомы, т. е. передает им дополнительную энергию. После прекращения освещения возбужденные атомы, возвращаясь на исходный уровень, выделяют эту энергию в форме электромагнитного излучения определенной длины волны, обычно в пределах диапазона волн видимого света. При этом кроме генерации излучения имеет место его усиление, что делает оптический квантовый генератор источником излучения высокой удельной мощности.
Эффектом возбуждения (стимулирования) излучения, его усиления и генерации обладают различные материалы.
Для изготовления лазеров на твердом теле в качестве активных материалов применяют кристаллы различных минералов или стекла с примесями редких элементов. Основой большинства применяемых в промышленности лазеров является кристалл синтетического рубина в форме стержня или стержень из неодимового стекла, являющиеся резонаторами, в которых возникает и формируется луч, излучаемый оптическим квантовым генератором.
Сложно? Но о простом просто сказать невозможно.

Перевод атомов в возбуждённое метастабильное состояние (с инверсной заселённостью) за счёт энергии накачки и затем вынужденное излучение фотона таким атомом под действием такого же фотона (то есть с "нужной"частотой" - фактически резонансный эффект) , пролетающего мимо. Этим как раз обусловлена строгая идентичность всех вылетающих фотонов (когерентность излучения)

Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения. Основой работы ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения.

Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющею ту же частоту. Самое важное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения.

Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Он может содержать один или несколько лазерных элементов, помещенных в ОР.

Активный элемент (АЭ) является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда (АС). Лазерное вещество может находиться в плазменном, газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают следующие типы лазеров: плазменные, газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые.

Оптический резонатор в общем случае представляет собой систему отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля. Он должен иметь минимальные потери на поглощение в рабочей части спектра (коэффициент отражения одной из поверхностей часто бывает выше 0,99) и высокую оптическую точность узлов и их установки относительно друг друга.

Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой атомов трехвалентного хрома. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых фотонов (импульсной лампы) возбуждаются и переходят на высокий энергетический уровень. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить фотон, как это вызывает переход других атомов.

Если подействовать на атомы в метастабильном состоянии квантами световой энергии ( частота которых равна частоте перехода из метастабильного состояния в основное), то атомы переходят в основное состояние, излучая световую энергию. Процесс перевода атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки (процесс заселения метастабильного уровня).

Атомы хрома в возбужденном состоянии (черные точки) под действием фотонов (стрелки) переходят в возбужденное состояние (белые точки, рис. а). После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на низкий уровень, излучая избыток энергии в виде электромагнитных колебаний. Одна часть излучаемой энергии рассеивается наружу через стенки стержня (б), другая в виде фотонов параллельно оси стержня (в, г) по пути движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов.

Возникший поток световой энергии отражается от зеркал на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конце в виде светового луча выходит из торца стержня в том месте, где находится полупрозрачное зеркало.

Твердотельные полупроводниковые лазеры отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего вещества используют проводник.

Жидкостные лазеры – основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью её охлаждения, что позволяет получать больше энергии в импульсном и непрерывном режимах (активная среда – раствор органических жидкостей).

Газовые лазеры – стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В её торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания.

Химические лазеры – инверсия и генерация излучения осуществляется или в результате химической реакции, или после реакции при обмене энергией между компонентами среды.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование).

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Также лазеры применяются для передачи информации.

20. Блок-схема комплекта “лампа-ПРА”. Основные параметры, характеризующие ПРА. Статистические и динамические вольт-амперные характеристики газоразрядных ламп (ГРЛ). Условия устойчивости работы ГРЛ в контуре.

21. Схемы зажигания и стабилизации работы ГРЛ. Схемы зажигания ГРЛ с холодными электродами. Схемы включения ламп с предварительным подогревом электрода. Схемы зажигания импульсом. Стартерные схемы; стартеры; схемы, обеспечивающие работу ламп в импульсном режиме. Принципы выбора типа схем для различных ГРЛ.

22. Методы электрического расчета. Методы расчета контуров “ГРЛ - линейный индуктивный балласт”, “ГРЛ – емкостно-индуктивный-линейный балласт”. Особенности работы ГРЛ с нейлоновыми балластами. Методы электротехнического расчета многоэлементных схем; согласование пускового и рабочего режимов. Метод расчета многофазных схем включения ГРЛ.

23. Расчет и конструирование индуктивного балласта (ИБ). Определение исходных данных. Конструктивный расчет дросселя. Метод расчета балласта на стандартный магнитопровод. Принципы оптимизации параметров ИБ. Метод конструктивного расчета трансформатора с большим внутренним сопротивлением. Компенсация реактивной мощности ПРА. Уменьшение пульсации светового потока.

Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:

Также лазеры применяются для передачи информации.

Принцип действия квантовых генераторов и усилителей радиоволн ( мазеров) основан на взаимодействии между веществом и излучением, приводящим к усилению сигнала электромагнитного излучения. Твердый мазер с тремя энергетическими уровнями представляет кристалл с определенными характеристиками. [2]

Принцип действия квантовых генераторов заключается в следующем. При прохождении света через вещество интенсивность света изменяется благодаря взаимодействию с атомами вещества. При облучении атома светом, длина волны которого соответствует разности энергий ЕЧ-EI, атом переходит в возбужденное состояние EZ. Такой переход называют резонансным поглощением. Возбужденное состояние атома неустойчиво, и он через некоторое время возвратится в исходное состояние, излучая квант энергии А. Самопроизвольный переход атома из возбужденного состояния в нормальное называется спонтанным. [3]

Принцип действия квантового генератора основан на индуцированном излучении, которое связано с поглощением фотонов атомными системами. Энергия фотона при этом передается атому, который переходит в возбужденное состояние. Через некоторый промежуток времени атом может возвратиться в исходное состояние с излучением энергии А. [4]

Принцип действия квантовых генераторов основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. По сравнению с ранее рассмотренными типами генераторов они позволяют генерировать колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности. [7]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. [8]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. [10]

В основе принципа действия квантового генератора с оптической накачкой лежит так называемый метод оптической накачки. [12]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное ( наведенное - направленное) излучение. Принцип действия квантовых генераторов и усилителей ( лазеров) основан на свойстве атомов и атомных систем поглощать и излучать порции ( кванты) электромагнитной энергии. Квант световой ( электромагнитной) энергии, который называют фотоном, будучи поглощен атомом, приводит этот атом в возбужденное состояние. Однако это состояние является неустойчивым, так как в любой момент после поглощения фотона атом может спонтанно ( самопроизвольно) выйти из этого состояния и вернуться в исходное. Переход атома в исходное состояние сопровождается излучением поглощенной порции электромагнитной энергии в виде фотона. [13]

Прежде чем перейти к рассмотрению принципа действия квантовых генераторов , кратко остановимся на некоторых положениях квантовой механики, в частности на особенностях энергетического обмена в атомах и молекулах вещества. [14]

В табл. 2 приведены знаки, характеризующие принцип действия квантовых генераторов и усилителей. [15]

Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям. Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников обычно не обладает фиксированной поляризацией. Напротив, монохроматичное излучение лазера когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также определённую поляризацию.

С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10 −15 с) с помощью синхронизации мод.

Лазеры созданы на стыке двух наук — квантовой механики и термодинамики, но, фактически, многие типы лазеров были созданы методом проб и ошибок.

Содержание

Принцип работы и история изобретения

На схеме обозначены:
1. Рабочая среда
2. Энергия накачки лазера
3. Непрозрачное зеркало
4. Полупрозрачное зеркало
5. Лазерный луч

Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой, который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер вследствие дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом. Например, луч небольшого лабораторного гелий-неонового лазера разойдётся всего примерно на 1,5 километра на расстоянии от Земли до Луны. Конечно, некоторые лазеры, особенно полупроводниковые, благодаря малым размерам, создают сильно расходящийся луч. Однако эту проблему можно решить применением линз.

Влияние дифракции можно обойти, применяя волноводы, в данном случае оптоволоконные линии.

Использование лазеров

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых важных изобретений XX века.

Исключительно широкое использование лазеров в науке и промышленности объясняется их уникальными свойствами — когерентностью, монохроматичностью и возможностью достижения высочайшей плотности мощности излучения. Например, когерентность лазерного луча позволяет сфокусировать его в точку, практически совпадающую по размеру с дифракционным пределом, который для видимого спектра составляет всего несколько сотен нанометров. Это позволяет лазерным записывающим устройствам хранить гигабайты информации на оптических дисках, например, формата лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимовым легированием в режиме удвоения частоты работает на длине волны 532 нм (зелёный участок спектра) и при мощности всего 10 Ватт позволяет достичь энергий порядка нескольких мегаватт на квадратный сантиметр.

Безопасность лазеров

Даже маломощные лазеры (с выходной мощностью несколько милливатт) могут быть опасны для зрения. Для видимых длин волн (400—700 нм), которые хорошо пропускаются и фокусируются хрусталиком, попадание лазерного луча в глаз, даже на несколько секунд, может привести к частичной или даже полной потере зрения. А лазеры большей мощности могут приводить даже к повреждению кожных покровов.

Лазеры делятся на 4 класса безопасности, от 1 — практически безопасный, до 4, у которого даже рассеянный луч может стать причиной ожога глаза или кожи.

Наклейка на CD-рекордере, предупреждающая об использовании в устройстве полупроводникового лазера Класс 1

Читайте также: