Для чего нужны лазеры
Лазерный мир
Что такое лазер? И зачем он нужен?
Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.
Сегодня лазеры получили такое широкое распространение в нашей жизни, что тяжело представить, что с момента их изобретения прошло всего 50 лет!
А если быть точнее, то первый лазер был создан 16 мая 1960 года физиком из Калифорнии Теодором Мейнманом (Theodore H. Maiman). Этот лазер работал на кристалле рубина с резонатором Фабри-Перо, а в качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. Лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм.
В основу этого изобретения легла теория вынужденного излучения, выдвинутая Эйнштейном в 1917 г. Согласно теории, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно.
Так что же такое лазер?
Ла́зер (от англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
То есть, это луч света, испускаемый синхронными источниками, в узком направленном диапазоне. Такой чрезвычайно сконцентрированный световой поток.
Как работает лазер?
Принцип работы лазера основан на явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Типы лазеров:
Лазеры могут определяться на основе множества признаков, но чаще всего используется классификация
по принципу агрегатного состояния лазерного вещества:
По способу возбуждения лазерного вещества:
Применение лазеров.
С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту.
Что такое лазер в физике простыми словами
Обновлено: 02 Июня 2021
Еще 30-40 лет назад слово «лазер» ассоциировалось с фантастическими фильмами и голливудскими спецэффектами. Сейчас эта технология прочно вошла в повседневную жизнь людей. Рассказываем, как и где она применяется.
Что такое лазер
Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, которое предназначено для преобразования электрической, тепловой и других видов энергии в узконаправленное излучение, характеризующееся когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью.
Названа эта технология по первым буквам англоязычного выражения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) и переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения».
Изобретение лазера — это не одномоментное открытие, над ним работали многие ученые с начала XX века. Самые известные из них — Эйнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.
Альберт Эйнштейн в 1917 году презентовал научную работу, в которой предсказал основной принцип работы оптического квантового генератора — вынужденное излучение. Гений был уверен в возможности заставить электроны излучать свет необходимой человеку длины волны.
Теодору Майману, калифорнийскому физику, в мае 1960 года удалось претворить эту идею в жизнь. Лазер, в работе которого использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо работал импульсно, длина волны составляла 694,3 нм.
В СССР также активно велись исследования на эту тему. В 1952 году два советских академика Александр Прохоров и Николай Басов выяснили, что возможно создание лазера, который будет работать на аммиаке. В 1954 году американец Чарлз Таунс создал такой генератор и показал принцип его работы.
Принцип работы лазера
Заключается в создании интенсивного светового луча, который имеет одинаковую длину волны в одно и то же время. Чтобы понять, как этот процесс происходит, рассмотрим конструкцию устройства.
Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:
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:
Типы лазеров
Существует классификация оптических квантовых генераторов по агрегатному состоянию лазерного вещества и способу его возбуждения. Так, лазеры делятся на:
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:
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:
Современные газовые лазеры бывают:
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:
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 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.
Что такое лазер?
статьи | Jun 11, 2019 | Наука и Образование | 
51010
Лазеры вызывают восторг и неизменно ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства кажутся сверхъестественными, что умело использовали создатели таких популярных блокбастеров, как «Люди X» или «Звездные войны», где джедаи эффектно сражаются на лазерных мечах.
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?
Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.
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
Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.
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.
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.
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
Военные лазеры
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
пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные. Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.
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.
Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.
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
Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч « высвечивает » себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!
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).
Будьте первым, кто оставит комментарий
Пожалуйста, авторизируйтесь для возможности комментировать