Рассказываем о принципах работы, видах и практическом применении лазеров в современной жизни
Лазер — это устройство, излучающее пучок когерентного света\u000Aв результате процесса оптического усиления, основанного на вынужденном\u000Aиспускании электромагнитного излучения. Термин «лазер» возник как аббревиатура от «Light\u000AAmplification by Stimulated Emission of Radiation».
Лазеры\u000Aпозволяют получать очень узкий и сфокусированный пучок света, который может\u000Aиспользоваться в самых разных областях, включая медицинские процедуры,\u000Aтелекоммуникации, производство и научные исследования. Свет, излучаемый\u000Aлазером, отличается высокой степенью пространственной и временной\u000Aкогерентности, что позволяет фокусировать его в узком месте и сохранять узкую\u000Aнаправленность на больших расстояниях.История лазера
Изобретение лазера приписывается нескольким людям, так как\u000Aбыла проведена большая работа, включавшая в себя несколько важнейших идей и\u000Aразработок.
1. Альберт Эйнштейн (1917). Хотя Эйнштейн и не принимал\u000Aнепосредственного участия в изобретении лазеров, он заложил теоретические\u000Aосновы лазеров, представив теорию вынужденного излучения.
2. Чарльз Таунс, Артур Шолоу, Н. Г. Басов, А. М. Прохоров\u000A(1950–1960-е).\u000AОни занимались разработкой мазеров (Microwave Amplification by Stimulated\u000AEmission of Radiation), которые, по сути, работали по тому же принципу, что и\u000Aлазеры, но с микроволнами вместо света. Позже они предложили идею оптических\u000Aмазеров, или лазеров. Открыли принцип усиления и генерации электромагнитного\u000Aизлучения квантовыми системами, который лег в основу нового\u000Aнаправления в физике — квантовой\u000Aэлектроники.
3. Гордон Гулд (1950-е). Гулд, будучи аспирантом, придумал\u000Aтермин «лазер» и описал множество применений этой технологии, но столкнулся с\u000Aдлительной судебной тяжбой за признание и патентование своего вклада.
4. Теодор Мейман (1960). Мейману принадлежит заслуга\u000Aсоздания первого действующего лазера, использующего в качестве носителя\u000Aкристалл рубина. Он успешно продемонстрировал первый работающий лазер в\u000Aисследовательской лаборатории Hughes Research Laboratories в 1960 году.
Следует отметить, что разработка лазера была совокупным\u000Aтрудом многих ученых и инженеров, участвовавших в его создании в течение\u000Aнескольких лет. Ключевым прорывом стала успешная демонстрация действия лазера в\u000Aкристалле рубина Теодором Мейманом в 1960 году, поэтому именно ему часто\u000Aприписывают изобретение лазера. Затем другими исследователями были разработаны\u000Aразличные типы лазеров, в том числе газовый лазер Али Джавана и\u000Aполупроводниковый лазер. Это продвинуло технологию к тому уровню, который мы\u000Aимеем сегодня.
Принцип работы лазера
Чтобы понять принцип работы лазеров, необходимо раскрыть\u000Aосновные принципы, основанные на квантовой механике и оптической физике.
Атомные и энергетические уровни
Атомы имеют различные энергетические уровни. Когда атом\u000Aпоглощает энергию, он переходит в возбужденное состояние, а когда теряет\u000Aэнергию, то возвращается в основное состояние, часто испуская при этом\u000Aизлучение.
Спонтанная и стимулированная эмиссия
При спонтанном излучении электрон самопроизвольно переходит\u000Aв состояние с более низкой энергией, испуская при этом фотон. Вынужденное\u000Aизлучение происходит, когда входящий фотон стимулирует излучение второго,\u000Aидентичного фотона.
Накачка
Накачка — это процесс, при котором в лазерную среду подается\u000Aэнергия для увеличения числа атомов в возбужденном состоянии, что создает\u000Aинверсию, необходимую для действия лазера. Существуют различные методы накачки,\u000Aтакие как электрический разряд, лампы-вспышки, лазерные диоды и химические\u000Aреакции.
Свойства лазерного излучения
Когерентность
Лазерное излучение характеризуется высокой пространственной\u000Aи временной когерентностью. Это означает, что фотоны в лазерном пучке имеют\u000Aопределенное фазовое соотношение, что позволяет лучу сохранять узкую\u000Aнаправленность на больших расстояниях. До появления лазеров такая когерентность\u000Aнаблюдалась только в радиоволнах, исходящих от хорошо стабилизированных\u000Aпередатчиков.
Монохроматичность
Лазерное излучение практически монохроматично, то есть\u000Aсостоит из одной длины волны или цвета. Это отличает его от света других\u000Aисточников, который обычно рассеивается на спектр цветов. Практически идеальная\u000Aмонохроматичность лазерного излучения имеет решающее значение для таких\u000Aприложений, как голография, где требуется когерентный свет с одной длиной\u000Aволны.
Направленность
В отличие от обычного света, который рассеивается в разных\u000Aнаправлениях, лазерное излучение обладает направленностью. Стимулированное\u000Aизлучение в лазере происходит только вдоль оси резонатора, в результате чего\u000Aлуч имеет крайне низкую расходимость. Это свойство позволяет лазерному лучу\u000Aсохранять свой узкий диаметр на значительных расстояниях, причем этот параметр\u000Aизмеряется всего несколькими угловыми секундами.
Фокусируемость
Лазерные лучи могут быть сфокусированы в\u000Aвысококонцентрированную точку с невероятно малым диаметром. Это достигается\u000Aблагодаря когерентной и направленной природе лазерного излучения, которая\u000Aпозволяет сфокусировать его в узком месте, достигая при этом огромной\u000Aтемпературы.
В средах, создаваемых мощными импульсными лазерами, мощность\u000Aкоторых может достигать порядка петаватт (10^15 Вт), плотность энергии\u000Aнастолько высока, что может вызывать температуры, превышающие 100 млн градусов\u000AЦельсия.
Устройство лазера
Лазерная среда
Лазерная среда (активная среда) может быть газом, жидкостью\u000Aили твердым телом — это материал, через который усиливается свет. Выбор\u000Aматериала определяет рабочую длину волны, энергоэффективность и другие\u000Aхарактеристики лазера. К распространенным материалам относятся различные газы,\u000Aкристаллы, такие как рубин, и полупроводники.
Импульсная лампа
Рядом со стержнем (цилиндром) активной среды монтируется\u000Aимпульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом (оптическим\u000Aрезонатором).
Оптический резонатор
Обычно включает в себя пару зеркал, расположенных таким\u000Aобразом, что одно из них полностью отражает, а другое — частично, образуя\u000Aрезонансную полость.
Какими бывают лазеры
Лазеры классифицируются по различным параметрам, включая\u000Aфизическое состояние активной среды и метод накачки (стимулирования активной\u000Aсреды).
Твердотельные лазеры
Зарождение лазерной технологии связано с твердотельными\u000Aлазерами, пионером которых стал Т. Мейман в 1960 году, использовавший в\u000Aкачестве активной среды кристалл рубина, пропитанный ионами хрома, а для\u000Aнакачки — импульсную лампу. В таких лазерах могут использоваться и другие\u000Aматериалы, например стекло, содержащее неодим (Nd), или иттрий-алюминиевый\u000Aгранат, смешанный с хромом и неодимом. Отличительной чертой этих лазеров\u000Aявляется твердая активная среда, используемая в их работе.
Газовые лазеры
Газовые лазеры, созданные А. Яваном, В. Беннетом и Д.\u000AХерриотом в 1960 году, используют газ низкого давления или смесь газов,\u000Aзаключенных в стеклянную трубку, в которой установлены электроды. Как правило,\u000Aв таких лазерах в качестве источника накачки используется высокочастотный\u000Aгенератор, способствующий электрическому разряду, что позволяет получить\u000Aнепрерывное излучение. Несмотря на то, что из-за низкой плотности газа\u000Aтребуется значительный объем активной среды, они способны излучать большие\u000Aобъемы оптической энергии.
Газодинамические, химические и эксимерные лазеры
Эти лазеры по сути являются подмножеством газовых лазеров,\u000Aкаждый из которых имеет свои отличительные принципы работы.
Газодинамические лазеры: в этих лазерах, работающих\u000Aподобно реактивному двигателю, сгорание топлива сочетается с возбуждением\u000Aчастиц газа, которые при охлаждении в сверхзвуковом потоке испускают мощное\u000Aкогерентное излучение.
Химические лазеры: используя химические реакции, в\u000Aчастности, с участием атомарного фтора и водорода, эти лазеры генерируют\u000Aимпульсы излучения.
Эксимерные лазеры: эти лазеры опираются на\u000Aспециальные молекулы, которым свойственно существовать в возбужденном\u000Aсостоянии, направляя их работу.
Жидкостные лазеры
Появившиеся в 1960-х годах, параллельно с твердотельными\u000Aлазерами, жидкостные лазеры используют в качестве активной среды растворы\u000Aорганических соединений. Эти лазеры обладают более высокой плотностью по\u000Aсравнению с газовыми лазерами, хотя и меньшей, чем твердотельные, что позволяет\u000Aим генерировать мощное излучение, причем как в импульсном, так и в непрерывном\u000Aрежимах, что облегчается использованием импульсных ламп или других лазеров для\u000Aнакачки.
Полупроводниковые лазеры
В 1962 году дебютировали полупроводниковые лазеры, созданные\u000Aамериканскими учеными Р. Холлом, М. И. Ной и Т. Квистом. В этих лазерах,\u000Aоснованных на теоретической базе, предложенной российским физиком Н. Г. Басовым\u000Aв 1958 году, в качестве активной среды использовались полупроводниковые\u000Aкристаллы типа арсенида галлия (GaAs). Несмотря на сходство с твердотельными\u000Aлазерами, они отличаются тем, что в них осуществляются излучательные переходы\u000Aмежду энергетическими зонами или подзонами кристалла, а не между атомными\u000Aэнергетическими уровнями. Лазеры работают на постоянном электрическом токе,\u000Aиспользуя в качестве резонатора отполированные грани полупроводникового\u000Aкристалла.
Применение лазеров
Технологические лазеры
Резка, сварка и пайка. Лазеры непрерывного действия, обладающие\u000Aогромной мощностью, позволяют осуществлять резку, сварку и пайку широкого\u000Aспектра материалов. Их огромная тепловая мощность позволяет соединять\u000Aнесовместимые материалы, создавая, например, металлокерамические амальгамы,\u000Aкоторые не могут быть получены традиционными способами.
Производство микрочипов. Способность лазера уменьшать\u000Aфокус до мельчайших точек позволяет с высокой точностью изготавливать\u000Aмикрочипы, необходимые в современной цифровой технике.
Строительство и геодезия. Лазерные лучи,\u000Aхарактеризующиеся прямолинейной траекторией, служат безупречными линейками в\u000Aстроительстве, а также позволяют измерять большие расстояния с помощью\u000Aимпульсно-периодических методик.
Лазерная связь
Передача данных. Лазеры произвели революцию в области\u000Aсвязи, обеспечив передачу несравнимо большего объема информации по сравнению с\u000Aвысокочастотными радиоканалами за счет значительно меньшей длины волны.
Индустрия звукозаписи. Лазерные технологии стали\u000Aосновой индустрии звукозаписи, упростив запись и воспроизведение аудио— и\u000Aвизуального контента на компакт-дисках.
Применение в медицине
Хирургия глаза. Лазеры находят широкое применение в\u000Aсложных глазных операциях, помогая в таких процедурах, как реплантация сетчатки,\u000Aс помощью неинвазивных методов.
Общая хирургия. Лазерные скальпели позволили достичь\u000Aзначительного уменьшения повреждения тканей по сравнению с традиционными. Они\u000Aстали неотъемлемой частью современной хирургии.
Терапия. Лазеры малой мощности способствуют\u000Aрегенерации тканей и предлагают альтернативы иглоукалыванию.
Косметология. Диодные и пикосекундные лазеры изменили\u000Aкосметологию, предложив целый ряд новых нетравматических процедур.
Современные научные исследования
Исследование звезд. Лазеры дают представление о\u000Aсоставе звезд, позволяя исследователям моделировать условия, существующие в их\u000Aядрах.
Термоядерный синтез. Лазерные лучи играют ключевую\u000Aроль в стимулировании термоядерных реакций, направленных на достижение\u000Aуправляемого ядерного синтеза — потенциального источника огромной энергии.
Генная инженерия и нанотехнологии. В сферах генетики\u000Aи нанотехнологий лазеры способствуют тщательному манипулированию\u000Aмикроскопическими объектами, определяя прогресс в этих областях.
Исследования атмосферы. Лазерные локаторы или лидары\u000Aактивно участвуют в атмосферных исследованиях, помогая производить\u000Aдистанционные измерения.
Военные лазеры
Целеуказание и дальнометрия
Лазеры играют важнейшую роль в современных военных системах\u000Aцелеуказания. Они используются для целей, что позволяет осуществлять более\u000Aточное сопровождение и поражение. Лазерные дальномеры позволяют определять\u000Aрасстояние до цели, предоставляя данные, необходимые для систем целеуказания.
Оружие прямого излучения (ОПП).
Это лазерные системы, предназначенные для излучения\u000Aсфокусированной энергии, выводящей из строя или уничтожающей цели. ОПП обеспечивают\u000Aточное наведение на цель и потенциально меньший побочный ущерб по сравнению с\u000Aобычным оружием. Они могут применяться против различных угроз, включая\u000Aбеспилотники, ракеты и артиллерийские снаряды.
Боеприпасы с лазерным наведением
Бомбы и ракеты с лазерным наведением используют лазеры для\u000Aточного отслеживания и поражения целей. Лазер направляет боеприпас к цели,\u000Aобеспечивая более высокую точность попадания по сравнению с традиционными\u000Aбоеприпасами.
ПВО
Лазеры выполняют и оборонительные функции, например, в\u000Aсистемах противодействия ракетам с тепловым наведением. Эти системы используют\u000Aлазеры, чтобы запутать или отвести от себя приближающиеся угрозы, защищая\u000Aобъект. Лазеры используются также в составе систем перехвата ракет,\u000Aпредназначенных для уничтожения подлетающих средств поражения до того, как они\u000Aдостигнут цели.
Связь
Военные средства связи используют лазерные технологии для\u000Aсоздания защищенных систем связи с высокой пропускной способностью. Оптическая\u000Aсвязь в свободном пространстве (FSO) использует лазерные лучи для передачи\u000Aданных между платформами, обеспечивая безопасный и защищенный канал связи.
Ослепители
Это лазеры, предназначенные для временного ослепления или\u000Aдезориентации целей без нанесения им постоянного вреда. Они используются как в\u000Aпротивопехотных, так и в противосенсорных системах, препятствуя эффективному\u000Aпоражению целей противника.
Системы LIDAR
Вооруженные силы используют системы LIDAR (Light Detection\u000Aand Ranging) для решения различных задач, включая картографирование местности и\u000Aпоиск подводных лодок. Система использует лазерные импульсы для высокоточной\u000Aсъемки окружающей среды.
Лазеры произвели революцию в науке и технике благодаря своим\u000Aуникальным свойствам и возможностям. От точных хирургических вмешательств до\u000Aизучения звездных явлений, от коммуникационных достижений до оружия нового\u000Aпоколения — лазеры продолжают способствовать инновациям, преодолевая границы\u000Aвозможного, и обещают будущее, полное революционных разработок.
Свежие комментарии