Лазеры

Лазеры

Лазеры
Определение 1

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

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.

Определение 2

Существует большое количество видов лазеров:

  • газовых, полупроводниковых, твердотельных;
  • работающих в непрерывном и импульсном режимах;
  • изменяющих мощность излучения в пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (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 E1, E2 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.

Существует ряд энергетических уровней, на которых атом также может находиться некоторое время, прежде чем вернуться в основное состояние. Время пребывания на таких «промежуточных» уровнях значительно дольше, чем время нахождения в возбужденном состоянии. Оно составляет порядка 10-3 секунды. Эти «промежуточные» уровни носят название метастабильных.

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.

Определение 3

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 E1 и E2>E1. В слое вещества распространяется излучение резонансной частоты перехода ν=ΔEh.

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 n1 и n2 

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/lazery/

Лазер, принцип действия и его устройство

Лазеры

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов.

Лазер

Принцип действия (работы) лазера

Инверсная заселенность. Создание когерентного лазерного излучения

Конструкция лазера

Технические характеристики лазера

Лазер:

XX век подарил человечеству множество изобретений и открытий, и одним из величайших среди них считается лазер. Если несколько десятков лет назад он был воплощением произведений фантастов, то сегодня его использование актуально во многих сферах и отраслях промышленности, медицины, производства.

Свое название изобретение получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (light amplification by stimulated emission of radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Впервые возможность создания лазера как устройства была предсказана еще Альбертом Эйнштейном в 1916 году.

Ученый спрогнозировал, что атомы молекул при достаточном воздействии из вне способны изменять свое энергетическое состояние и переходить с высшего энергетического состояния на низшее.

В результате такого перехода определенная часть энергии переходит в свободное состояние – это и есть вынужденное излучение, являющееся основой работы лазеров.

По своей сути лазер или оптический квантовый генератор – это устройство, где на квантово-механический эффект, коим является вынужденное излучение, воздействует внешнее электромагнитное излучение, в результате чего освободившаяся энергия (тепловая, световая, электрическая, химическая и прочая) образует световой луч. Он (световой луч) тоже представляет собой энергию, и превращается в потоки излучения:

– когерентного, т.е. согласованного (скоррелированного) протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты;

– монохроматического, т.е.  обладающего очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны);

– поляризованного, т.е. с направленным колебанием векторов напряженности электрического и магнитного полей;

– и узконаправленного характера.

Потоки света и излучение лазера имеют две формы:

– непрерывную (с неизменной амплитудой и постоянной мощностью);

– импульсную (экстремально высокие – пиковые мощности достигаются постепенно).

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10-9 до 10-3 м.

Принцип действия (работы) лазера:

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.

Если кратко, то суть данного явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) 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 вынужденного (индуцированного) излучения отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Теперь объясним данное явление более подробно.

Как известно, строение атома схоже со строением Солнечной системы: в центре расположена большая звезда (в данном случае – ядро с положительным зарядом), а вокруг нее по соответствующим орбитам вращаются планеты (отрицательно заряженные электроны). Если электроны находятся в спокойном состоянии, их расположение соответствует низкому энергетическому уровню E0 (т.н.

основное состояние), где затраты энергии минимальны и им достаточно просто поглощать попадающее на них излучение. Как только атом подвергается воздействию постороннего излучения, возникает дополнительная энергия, возбуждающая электроны и заставляющая переходить их на более высокий энергетический уровень или уровни (E1, E2 … En).

Поглощение энергии происходит не хаотично, а строго определенными дозами – квантами, при этом атом старается избавиться от ее излишков и начинает отдавать энергию, чтобы вновь вернуться в состояние покоя, на низкий энергетический уровень. Отдача, как и поглощение, тоже проводится порциями.

Эти порции – кванты или фотоны света – обладают собственной энергией – разницей между энергиями выделения и поглощения. Так возникает как спонтанное, так и вынужденное (индуцированное) излучение.

Следует иметь в виду, что атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10–8 секунды), в какой-то момент времени он самостоятельно вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон.

Излучение энергии атомом возможно:

– самостоятельно, если он возбужден;

– под воздействием излучения извне.

При этом потоки света, образующиеся в обоих случаях, схожи между собой, а значит, длина волны, вызвавшая возбуждение атома, равна самой вызванной (индуцированной) волне. И чем больше будет воздействие на атом, тем больше электронов перейдут на высший энергетический уровень и тем выше окажется индуцированное излучение.

Существуют сосредоточения атомов, чье большое количество электронов находится на высоком энергетическом уровне. Оно (сосредоточение атомов) представляет собой инверсную систему.

Ее уникальностью является тот факт, что излучение в данной системе гораздо сильнее поглощения, и именно эта особенность предоставила ученым возможность создать лазер посредством искусственного образования подобных систем.

Вне инверсной системы случайные кванты также способны как провоцировать излучение атомов находящихся в возбужденном состоянии, так и поглощаться ими, если те «спокойны».

Однако для получения нужного индуцированного и когерентного потока света необходимо, чтобы число возбужденных частиц имело превосходящее количество (существовала инверсионная заселенность), что в состоянии, когда все макроскопические величины постоянны (т.е. когда все атомы находятся в состоянии покоя), исключено. Получить нужное возбужденное состояние атомов и соответственно создать вынужденное (индуцированное) когерентное излучение позволяют системы накачки активной среды лазера.

Накачка воздействует на активную среду лазера, коими могут выступать различные вещества, дающие ему итоговое название:

– твердые – некоторые драгоценные камни (рубин, гранат), стекла, включающие неодим;

– жидкие – растворы солей неодимов, анилиновых красителей;

– газообразные – гелий и неон, углекислый газ, аргон, а также водяной пар низкого давления;

– плазма;

– полупроводниковые материалы.

Активная среда при этом помещается между параллельными друг другу зеркальными стеклами резонатора.

Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:

Перемещаясь по уровням атома, электроны создают (выделяют) его энергию: чем они выше, тем она больше, а опускаясь – поглощают ее. Чем выше энергия атома, тем больше он возбужден, но это отражается и на его устойчивости – она слабеет.

В определенный момент времени электроны все же изменят уровень на более низкий, выделив фотон – электромагнитное излучение.

Учитывая, что такой переход спонтанный, выделяемое излучение происходит разобщенно, поэтому и образующийся луч является несогласованным.

Если же излучение (выделение энергии) проводится направленно, при воздействии электромагнитной волны, чья частота близка к частоте перехода атома, возникнет иной эффект. Полученный резонанс дестабилизирует атом и все электроны «упадут» с верхних «ярусов» на нижние. При таком спровоцированном воздействии световая волна будет идентична первичной волне по всем трем параметрам:

– частоте;

– направленности;

– фазе.

Все образующиеся волны имеют согласованное (когерентное) направление, и суммарно они увеличивают интенсивность излучения, т.е. количество его квантов.

Заселенность – это количество атомов на определенном энергетическом уровне (En). Если заселенность более высокого уровня (Е2) выше, чем ниже расположенного (Е1), образуется инверсная заселенность. Так и активное вещество – это среда, где возбужденных атомов больше, чем тех, что находятся в состоянии покоя.

Если подобная среда будет подвержена воздействию электромагнитной волны, электроны поднимутся на выше расположенные уровни, и возникнет усиленное этим воздействием излучение. Причина проста – каждый квант электромагнитной волны порождает идентичный фотон, эти два образуют четыре фотона, те – восемь и так далее.

Все это приводит к появлению фотонной лавины.

Однако данная ситуация весьма условна и возможна лишь в идеальных условиях. В реальных же существуют факторы, провоцирующие утрату электромагнитной волной энергии: ее поглощают примеси, которые содержит активная среда, она рассеивается в ее неоднородных слоях и т.д.

Усилить же ее можно путем продления длины пробега в активной среде, что возможно весьма условно.

Поэтому был создан резонатор: многократно отражаясь от двух параллельно расположенных зеркал, волна проходит достаточное расстояние для получения нужного уровня усиления, но при условии, что сохранится инверсионная заселенность.

Обеспечивать нужное число электронов на высоких уровнях возможно при использовании отдельного источника энергии – что означает, что необходимо проводить накачку активной среды источниками энергии. Подобные источники энергии могут быть самыми разными: протекающая химическая реакция, установленная электрическая лампа, направленный разряд электроэнергии и прочие. Есть и определенные условия:

– накопление электронов на верхних слоях атомах. Их должно скопиться не менее половины от общего числа;

– уровень энергии. Он должен превысить определенные показатели, иначе потери превысят накачку, что приведет к малой мощности на выходе.

После достижения состояния инверсии, некоторые электроны начнут спонтанный спуск на более низкий энергетический уровень, при котором возникнут кванты (фотоны).

Те фотоны, которые были выпущены под углом к оси резонатора, вызовут короткий цикл излучений в выбранном направлении и исчезнут из активной среды.

Те фотоны, чье движение будет направлено вдоль оси резонатора, смогут бесконечное количество раз отразиться в зеркалах резонатора, что и приведет к появлению согласованного (когерентного) излучения.

Независимо от названия, все лазеры имеют три основных составляющих:

1. активная среда – рабочее вещество, чей состав позволяет создать инверсионную заселенность;

2. система накачки – это источник энергии, непосредственно увеличивающий число электронов на верхних уровнях атома. Исходя из типа активной среды это:

– газоразрядные лампы-вспышки и устройства с фокусированным солнечным излучением – для лазеров с твердыми веществами и полупроводниковыми материалами;

– электрический разряд – для жидких сред и газов;

– химические реакции – химические генераторы;

– сильный прямой ток сквозь электронно-дырочный переход или пучок электронов – для полупроводниковых лазеров;

3. оптический резонатор – устройство, представляющее собой два параллельно расположенных зеркала, одно из которых непрозрачно, а другое – полупрозрачно. В случае если лазер функционирует в режиме усилителя, данная составляющая все же может отсутствовать.

Рис. 1. Конструкция лазера

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер

На Рис. 1 приведена конструкция (схема) лазера. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — система накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Параметрами, характеризующими работу оптического квантового генератора – лазера являются:

– длина излучаемой волны (ДВ) в микрометрах (мкм);

– режим работы (РР);

– мощность излучения (МИ) в мегаваттах (мВт);

– частота повторения импульсов (ЧПИ) в герцах (Гц);

– длительность импульса (ДИ) в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс), пикосекундах (пс), фемтосекундах (фс);

– расходимость излучения (РИ) в миллирадианах (мрад);

– коэффициент полезного действия (КПД) в процентах (%).

Сравнительную характеристику основных лазеров можно оценить по данным таблицы.

Тип лазераАктивная средаДВ, мкмРРМИ, мВтЧПИ, ГцДИ, мксРИ, мрадКПД, %
ГазовыйГелий-Неон0,63непрерывный0,5-500,7-3,50,01-0,1
Двуокись углерода – Азот10,6непрерывный1 – 1,5·104до 25до 20
10,6импульсный10 – 5·103до 2,5·1040,006-1до 7до 6
Аргон0,33-0,53непрерывный0,01-200,5-1,50,01-0,1
Фторид криптона0,249импульсный20-250до 1034·10-3 – 10,1-60,03-2
ЖидкостныйОрганические красители0,25-1,01импульсный0,1-3108

Источник: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/lazer-printsip-deystviya-i-ego-ustroystvo/

Все о Лазерах

Лазеры

Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего.

А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.

Почему лазеры опасны

Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась.

Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения.

И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё.

Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог. Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения.

Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер. Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров. Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера.

Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» — смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение. Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны. PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил 😉

650нм – красный

Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше).

На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше).

Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» — но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус.

Шарики, картон, серая бумага…

Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» — настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус — то что нужно для роботов, автоматики.

И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат — я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»). Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод. В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.

Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (~10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.

Самая простая схема с резистором описанная в предыдущей статье – лишь чуть-чуть проще, но с ней убить диод элементарно. Дело в том, что в таком случае ток/мощность через лазерный диод будет сильно зависеть от температуры.

Если например при 20C у вас получился ток 50мА и диод не сгорает, а потом во время работы диод нагреется до 80С, ток возрастет (такие они коварные, эти полупроводники), и достигнув допустим 120мА диод начинает светить уже только черным светом. Т.е.

такую схему все-таки можно использовать, если оставить по меньшей мере трех-четырехкратный запас по мощности.

И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) — любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.

А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко

532нм – зеленый

Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги.

Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны — от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.

Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый).

Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.

Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется — и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт. Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.

405нм – фиолетовый

Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е.

пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение.

Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело.

Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться 😉

780нм – инфракрасный

Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого.

Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.

Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки — 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.

10мкм – инфракрасный, CO2

Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W — рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.

com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания.

Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).

Применения лазеров

В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно.

Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.

Из более серьёзного — целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен

Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый 🙂 (ну и 200мВт красный, если хочется жечь)

Вопросы/мнения/комментарии – в студию!

Источник: https://habr.com/post/117008/

Лазеры — Класс!ная физика

Лазеры

«Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч.

При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние.

Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции.

Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки» — академик Н. Г. Басов.

Слово лазер образовано сочетанием первых букв слов английского выражения «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.
Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

Характерной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией; таким образом, падающая и излученная волны являются когерентными.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольный, как при обычном излучении, а переход под влиянием внешнего воздействия.

Лазеры

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч.

Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в 1959 г. была присуждена Ленинская премия.

В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М.

Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в США был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света.

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад).
На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.

Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света.

В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7 • 103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру.

На узкий же интервал Δλ = 10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего 0,2 Вт/см2.
Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров

В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии.
Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в более высокое энергетическое состояние.

При этом у светового пучка отнимается энергия, равная разности энергий между уровнями 2 и 1:

hν = Е2 — Е1.

На рисунке (a) схематически представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды.
Электрон находится на нижнем уровне.

На рисунке (б) изображен возбужденный атом, поглотивший энергию.
Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон.

Если возбудить бо́льшую часть атомов среды, тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

На рисунке (а) изображены возбужденный атом и волна, а на рисунке (б) схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

Трехуровневая система

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа.

Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных.

Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает в них индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке изображены три энергетических уровня.

Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково.

На уровне 3 система «живет» очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристаллической решетке.)

«Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это используется в лазерах.

После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором «живет» сравнительно долго.

Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина.
Рубин — это красный кристалл оксида алюминия Аl2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%).
Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

Устройство рубинового лазера

Из кристалла рубина изготовляют стержень с плоскопараллельными торцами.
Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет.

Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».

В результате самопроизвольных переходов 2 —> 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли.

Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов.

Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным.
Через полупрозрачный торец выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа.

Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

Другие типы лазеров

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют также лазеры непрерывного действия. В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ.

Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране.

В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт.
В этих лазерах «перенаселенность» верхних энергетических уровней возникает при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвинов.

Применение лазеров

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков. Лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски).

Огромная мощность лазерного луча используется для испарения различных материалов в вакууме, для сварки и т. д.

С помощью луча лазера проводят хирургические операции: например, «приваривают» отслоившуюся от глазного дна сетчатку; помогают человеку получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча.

Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояния до предметов измеряются с точностью до нескольких миллиметров.
Такая точность недоступна для радиолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективным может быть использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

В настоящее время лазеры настолько широко используются, что перечислить все области их применения не представляется возможным.

Создание лазеров — пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Кратко об атомной физике и элементарных частицах»
Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда — Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика — Лазеры — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_70.html

Booksm
Добавить комментарий