Все о лазерах /

Ни в коем случае не смотрите “на выход” лазера. Если у вас сложилось впечатление, что “что-то не работает” или “кажется немного нечетким”, посмотрите через веб-камеру/мобильную камеру (но не зеркальный фотоаппарат!). Это также позволит выявить инфракрасное излучение.

Все о лазерах

Вы все любите лазеры. Я знаю, что люблю, я люблю их больше, чем ты. А если кто-то так не считает, значит, он никогда не видел танца сверкающих пылинок или ослепительно маленького света, прорезающего фанеру.

А началось все со статьи “Юного техника” 91-го года о создании лазера на красителях – тогда повторить эту конструкцию было нереально для обычного студента… К счастью, сегодня ситуация с лазерами проще – их можно извлечь из сломанного оборудования, можно купить готовые, можно собрать из деталей… Сегодня речь пойдет о лазерах ближней реальности и о том, как их можно использовать. Но прежде всего о безопасности и опасности.

Почему лазеры опасны

Проблема заключается в том, что параллельный лазерный луч фокусируется глазом на точке сетчатки. И если для воспламенения бумаги и повреждения сетчатки глаза требуется 200 градусов, то для свертывания крови – всего 50. Можно попасть точкой в кровеносный сосуд и заблокировать его, можно попасть в слепую зону, где нервы со всего глаза идут к мозгу, можно выжечь линию из “пикселей”….. И тогда поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, а это путь к полной и необратимой потере зрения. И самое страшное, что сначала вы не заметите никаких повреждений: там нет болевых рецепторов, мозг восстанавливает объекты в поврежденных областях (так сказать, ремаппинг поврежденных пикселей), и только когда поврежденная область становится достаточно большой, вы можете заметить, что объекты исчезают, когда вы ударяете по ней. Вы не увидите никаких черных областей в поле зрения – только несколько областей, где ничего нет, но вы ничего не заметите. Только офтальмолог может выявить повреждения на ранних стадиях.

Опасность лазеров оценивается по тому, могут ли они нанести вред до того, как глаз рефлекторно моргнет – и мощность в 5 мВт для видимого света не считается очень опасной. Поэтому инфракрасное излучение чрезвычайно опасно (как и фиолетовое – его просто трудно увидеть) – вы можете получить травму еще до того, как поймете, что оно попало вам в глаз.

Опять же, избегайте лазеров мощностью более 5 мВт и всех инфракрасных лазеров.

Также ни в коем случае не смотрите “в сторону выхода” лазера. Если у вас возникло впечатление, что “что-то не работает” или “кажется немного тусклым”, посмотрите через веб-камеру/микрофон (не зеркальный фотоаппарат!). Это также позволит вам увидеть инфракрасное излучение.

Конечно, существуют защитные очки, но есть много тонкостей. Например, на сайте DX можно найти зеленые очки для защиты от лазерного излучения, но они пропускают инфракрасное излучение – и, наоборот, повышают опасность. Так что будьте осторожны.

PS. Конечно, я также совершил одну ошибку – случайно сжег свою бороду лазером

650 нм – красный

Это, пожалуй, самый распространенный в интернете, так как каждый DVD-RW имеет мощность 150-250 мВт (чем выше скорость записи, тем она выше). Чувствительность глаза к 650 нм довольно слабая: хотя точка ослепительно яркая при мощности 100-200 мВт, луч едва виден днем (лучше, конечно, ночью). Примерно с 20-50 мВт такой лазер начнет гореть – но только если вам удастся изменить фокус так, чтобы пятно стало крошечной точкой. При мощности 200 мВт он горит очень жарко, но вам нужно сосредоточиться. Шарики, картон, серая бумага…

Вы можете купить их в готовом виде (как красный на первой фотографии). Они также продают небольшие лазеры на оптовой основе – настоящие мелюзги, хотя они уже выросли – источник питания, регулируемый фокус – как раз то, что нужно для автоматизации роботов.

И самое главное, эти лазеры можно аккуратно извлечь из DVD-RW (но помните, что там также есть инфракрасный диод; будьте с ним очень осторожны, см. ниже). (Кстати, в сервисных центрах много негарантийных DVD-RW – мне пришлось нести около 20 штук, потому что больше нести было некуда). Лазерные диоды очень быстро умирают из-за перегрева и погибают, как только превышается максимальная светоотдача. Удвоение номинального тока (при условии, что максимальный поток не превышен) сокращает срок службы в 100-1000 раз (поэтому будьте осторожны с “разгоном”).

Источник питания: существует 3 основные схемы: самая примитивная с резистором, с регулятором тока (LM317, 1117), и самый высший пилотаж с использованием фотодиодной обратной связи.

В обычных коммерческих лазерных указках обычно используется схема 3 – она обеспечивает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диодов.

Вторая схема проста в реализации и обеспечивает хорошую стабильность, особенно при наличии небольшого запаса мощности (

10-30%). Я бы рекомендовал сделать именно такую схему – линейный регулятор является одной из самых популярных деталей и аналоги LM317 или 1117 можно найти в любом, даже самом маленьком радиомагазине.

Схема с простым резистором, описанная в предыдущей статье, лишь немного проще, но она элементарно убивает диод. Дело в том, что в этом случае ток/мощность через лазерный диод будет сильно зависеть от температуры. Если, например. при 20C у нас ток 50mA и диод не сгорит, а потом в процессе работы диод нагреется до 80C, ток увеличится (это очень хитрые полупроводники) и когда он достигнет скажем 120mA диод начнет светиться просто черным светом. Таким образом, эту схему можно использовать, если оставить хотя бы трех- или четырехкратный запас хода.

Наконец, отладьте схему с обычным красным светодиодом и в последнюю очередь припаяйте лазерный диод. Охлаждение обязательно! Диод “на проводе” сгорит в мгновение ока! Также не вытирайте и не трогайте руками оптику лазера (по крайней мере, >5 мВт) – любое повреждение приведет к “выгоранию”, поэтому при необходимости продуйте ее воздуходувкой, и все готово.

А вот так выглядит лазерный диод вблизи во время работы. По углублениям видно, как близко я подошел к провалу, когда снимал его с пластикового крепления. Эта картина тоже далась мне нелегко.

532 нм – зеленый

Они сложны – такие лазеры называются DPSS-лазерами: Первый лазер, инфракрасный лазер с длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Он попадает в кристалл, который “удваивает частоту”. – так называемый KTP – и получаем 532нм. Все эти кристаллы трудно выращивать, и долгое время DPSS-лазеры были очень дорогими. Но благодаря упорному труду китайских коллег их теперь можно приобрести по цене от 7 долларов за штуку. В любом случае, это механически сложные устройства, боящиеся падений, резких перепадов температуры. Будьте осторожны.

Большим преимуществом зеленых лазеров является то, что 532 нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, что зеленый лазер мощностью 5 мВт светит ярче, чем красный лазер мощностью 200 мВт (на первой фотографии только зеленый 5 мВт, красный 200 мВт и фиолетовый 200 мВт). По этой причине я не рекомендую покупать зеленый лазер мощностью более 5 мВт: я купил свой первый зеленый лазер мощностью 150 мВт, и это был кошмар – вы не можете ничего делать с ним без очков, даже отраженный свет ослепляет и неприятен.

Кроме того, у зеленых лазеров есть большая опасность: из лазера 808 и особенно 1064 нм выходит инфракрасное излучение, и в большинстве случаев больше, чем зеленое. Некоторые лазеры имеют инфракрасный фильтр, но большинство зеленых лазеров стоимостью менее 100 долларов не имеют его. Это означает, что мощность лазера, попадающего в глаза, гораздо выше, чем кажется – еще одна причина не покупать зеленый лазер мощностью более 5 мВт.

Поджигать зелеными лазерами, конечно, можно, но для этого нужна мощность более 50 мВт, и если инфракрасный боковой луч “помогает” на близком расстоянии, то на расстоянии он быстро потеряет фокус. А учитывая, насколько она ослепительна, ничего крутого не выйдет.

405 нм – фиолетовый.

Он довольно близок к ультрафиолету. Большинство светодиодов – излучают 405 нм напрямую. Проблема с ними заключается в том, что глаз имеет чувствительность около 0,01% при 405 нм, т.е. лазерное пятно мощностью 200 мВт кажется не очень ярким, но в действительности оно чертовски опасно и ослепительно ярко – при мощности 200 мВт оно вызовет серьезное повреждение сетчатки. Другая проблема заключается в том, что человеческий глаз привык фокусироваться на зеленом свете, и пятно 405 нм всегда будет размытым – не очень приятное ощущение. Но есть и светлая сторона – многие объекты флуоресцируют, например, бумага, при ярком синем свете, и только это спасает эти лазеры от забвения массовым потребителем. Но с другой стороны, они не так уж и веселы. Хотя 200 мВт будет гореть как ад, сфокусировать лазер сложнее, чем красный. Кроме того, 405 нм чувствителен к фоторезисту, и тот, кто работает с ним, может догадаться, почему

780 нм – это инфракрасное излучение.

Такие лазеры встречаются в дисках CD-RW и в качестве второго диода в дисках DVD-RW. Проблема в том, что человеческий глаз не может видеть луч, поэтому такие лазеры очень опасны. Вы можете сжечь сетчатку глаза и даже не заметить этого. Единственный способ работать с ними – использовать камеру без ИК-фильтра (его можно легко приобрести, например, на веб-камерах) – тогда и луч, и пятно будут видны. ИК-лазеры, вероятно, следует использовать только в самодельных лазерных “машинах”, но я не рекомендую возиться с ними.

Также ИК-лазеры используются в лазерных принтерах вместе со схемой развертки – 4 или 6-гранное вращающееся зеркало + оптика.

10 мкм – инфракрасный, CO2

Это самый популярный тип в промышленности. Его основные преимущества – низкая цена (трубки от 100-200$), высокая мощность (100Вт – рутина), высокий КПД. Они режут металл, фанеру. Они гравируют и т.д. Если вы хотите сделать лазерный станок – можно купить трубки нужной мощности в Китае (alibaba.com) и подключить только систему охлаждения и питания. Однако некоторые люди могут сделать такие трубки дома – хотя это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло толщиной 10 мкм не пропускает излучение – здесь подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).

Применение лазеров

В основном используется в презентациях, играх с кошками/собаками (5 мВт, зеленый/красный), астрономами, указывающими на созвездия (зеленый 5 мВт и выше). Самодельные аппараты – работают от 200 мВт на тонких черных поверхностях. CO2-лазеры могут резать практически все. Единственная проблема заключается в том, что печатные платы трудно резать – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350 нм (и в производстве используются дорогие 355-нм DPSS-лазеры, если вы так сильно хотите их получить). И, стандартная забава YouTube – прыгающие мячики, нарезка бумаги и картона – любой лазер от 20-50 мВт, если у вас есть возможность сфокусироваться на точке.

А если серьезно: оружейные проекторы (зеленые), создание голограмм в домашних условиях (твердотельные лазеры более чем подходят для этого), 3D-печать объектов из чувствительного к ультрафиолету пластика, экспонирование фоторезиста без шаблона, светить отражателем на Луну и увидеть ответ через 3 секунды, создание 10 Мбит лазерной линии связи… Возможности для творчества безграничны.

Итак, если вы все еще сомневаетесь, какой лазер купить, выбирайте зеленый с мощностью 5 мВт (ну, 200 мВт красный, если вы хотите сжечь)

Обратная населенность – это фундаментальная физическая концепция. Это состояние среды, при котором число частиц на каком-то более высоком энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем число частиц на более низком. На самом деле, среда, в которой уровни имеют обратную населенность, называется активной.

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны в начале 20-го века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа работы лазера. Она была революционной, поскольку автор предсказал совершенно новое явление в физике – стимулированное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность стимулированного (или возбужденного) излучения. Это означает, что можно “заставить” электроны одновременно излучать свет нужной длины волны.

Мейман

Только в 1960-х годах эта идея была реализована на практике. Первый лазер был создан калифорнийским физиком Теодором Мейманом 16 мая 1960 года. В этом лазере использовался кристалл рубина и резонатор Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. Лазер работал в импульсном режиме с длиной волны 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров объявили миру о возможности создания микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эту же идею параллельно и независимо развивал Чарльз Таунс, американский физик. В 1954 году он создал и продемонстрировал работу такого лазера. Десятилетие спустя, в 1964 году, все трое получили Нобелевскую премию по физике за это достижение.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Почти каждый год разрабатываются новые типы лазеров – химические, эксимерные, полупроводниковые и лазеры на свободных электронах.

На практике, как упоминалось выше, энергетические уровни не являются бесконечно узкими, поэтому необходимо учитывать их ширину. Чтобы не загромождать статью описанием преобразований и множеством формул, отметим лишь, что, введя диапазон частот, а затем умножив на x, мы в итоге получаем формулу для нахождения фактического коэффициента поглощения среды:

Лазер – структура и принцип действия

В общем случае, когда свет проходит через среду, его интенсивность уменьшается. Численное значение этого затухания можно найти из закона Бугера:

В этом уравнении, помимо интенсивностей света I на входе и выходе из среды, присутствует также фактор, называемый линейным коэффициентом поглощения среды. В традиционной оптике этот коэффициент всегда положителен.

Поглощение негативного света

Что произойдет, если коэффициент поглощения по какой-то причине окажется отрицательным? Что бы тогда произошло? Свет будет усиливаться при прохождении через среду, фактически среда будет показывать отрицательное поглощение.

Условия для наблюдения такого изображения могут быть созданы искусственно. Теоретическая концепция реализации предложенного явления была сформулирована в 1939 году советским физиком Валентином Александровичем Фабрикантом.

Анализируя гипотетическую среду, которая усиливает проходящий через нее свет, Фабрикант предложил принцип усиления света. В 1955 году советские физики Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров реализовали идею Фабриканта в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра.

Рассмотрим физическую сторону возможности негативного поглощения. В идеализированной форме энергетические уровни атомов можно представить в виде линий – как если бы атомы в каждом состоянии имели только четко определенные энергии E1 и E2. Это означает, что при переходе из одного состояния в другое атом либо испускает, либо поглощает только монохроматический свет точно определенной длины волны.

Однако реальность далека от идеала, и на самом деле энергетические уровни атомов имеют конечную ширину, т.е. не являются линиями точных значений. Поэтому при переходах между уровнями будет существовать определенная область излучаемых или поглощаемых частот dv, в зависимости от ширины энергетических уровней, между которыми происходит переход. Значения E1 и E2 могут представлять только средние точки энергетических уровней атома.

Таким образом, поскольку мы предположили, что E1 и E2 являются средними точками энергетических уровней, мы можем рассматривать атом в двух заданных состояниях. Пусть E2>E1. При переходе между этими уровнями атом может поглощать или испускать электромагнитное излучение. Предположим, например, что, находясь в основном состоянии E1, атом поглотил внешнее излучение с энергией E2-E1 и перешел в возбужденное состояние E2 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B12).

Находясь в возбужденном состоянии E2, атом под действием внешнего излучения с энергией E2-E1 испустил квант с энергией E2-E1 и вынужден перейти в основное состояние с энергией E1 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B21).

Если параллельный пучок монохроматического излучения с объемной спектральной плотностью w(v) проходит через вещество, слой которого имеет единичную площадь поперечного сечения и толщину dx, то его интенсивность изменится на величину:

Здесь n1 – концентрация атомов в состоянии E1, n2 – концентрация атомов в состоянии E2.

Подставляя члены в правую часть уравнения, предполагая, что B21=B12, а затем подставляя выражение для B21, мы получаем уравнение для изменения интенсивности света на узких энергетических уровнях:

На практике, как упоминалось выше, энергетические уровни не являются бесконечно узкими, поэтому необходимо учитывать их ширину. Чтобы не перегружать статью описанием преобразований и кучей формул, отметим лишь, что введя частотный интервал и проинтегрировав по x, мы в итоге получаем формулу для нахождения реального коэффициента поглощения среды:

Поскольку очевидно, что в условиях термодинамического равновесия концентрация атомов n1 в низкоэнергетическом состоянии E1 всегда больше концентрации атомов n2 в высокоэнергетическом состоянии E2, отрицательное поглощение в нормальных условиях невозможно – нельзя усилить свет просто за счет его прохождения через реальную среду без принятия дополнительных мер.

Для того чтобы отрицательное поглощение стало возможным, необходимо создать в среде условия, при которых концентрация атомов в возбужденном состоянии E2 больше концентрации атомов в основном состоянии E1, то есть необходимо изменить распределение атомов по их энергетическим состояниям в среде.

Необходимость прокачки энергетической среды

Для организации обратной популяции энергетических уровней (для создания активной среды) используется накачка (например, оптическая или электрическая). Оптическая накачка включает в себя поглощение излучения, направленного на атомы, в результате чего атомы переходят в возбужденное состояние.

Электрическая накачка в газовой среде означает возбуждение атомов путем неупругих столкновений с электронами газового разряда. Согласно идее Фабриканта, некоторые низкоэнергетические состояния атомов должны быть устранены молекулярными примесями.

Получить активную среду в двухуровневой среде оптической накачкой практически невозможно, так как количественно переходы атомов в единицу времени из E1 в E2 и обратно(!) в этом случае будут одинаковы, поэтому приходится прибегать, по крайней мере, к трехуровневой системе.

Рассмотрим трехуровневую насосную систему. Если на среду действует внешнее излучение с энергией фотонов E3-E1, то атомы в среде переходят из состояния с энергией E1 в состояние с энергией E3. Из энергетического состояния E3 возможны спонтанные переходы в состояния E2 и E1. Чтобы получить обратную популяцию (когда в данной среде больше атомов с уровнем E2), необходимо сделать уровень E2 более жизнеспособным, чем уровень E3. Для этого важно, чтобы были соблюдены соответствующие условия:

При выполнении этих условий атомы в состоянии E2 будут находиться дольше, то есть вероятности спонтанных переходов из E3 в E1 и из E3 в E2 будут превышать вероятности спонтанных переходов из E2 в E1. Тогда уровень E2 будет жить дольше, и такое состояние на уровне E2 можно назвать метастабильным. Следовательно, когда свет с частотой v=(E3 – E1)/h проходит через такую активную среду, он усиливается. Аналогичным образом можно использовать четырехуровневую систему, в этом случае уровень E3 будет метастабильным.

Лазерная структура

Таким образом, лазер состоит из трех основных компонентов: активной среды (которая вызывает инверсию населенности энергетических уровней атомов), системы накачки (устройства, которое производит инверсию населенности) и оптического резонатора (который умножает излучение и создает выходной луч). Активный агент может быть твердым, жидким, газом или плазмой.

Перекачка может быть непрерывной или импульсной. В случае непрерывной откачки мощность, закачиваемая в среду, ограничена перегревом среды и последствиями этого перегрева. При импульсной накачке количество полезной энергии, доставляемой в среду, больше благодаря высокой мощности каждого отдельного импульса.

Различная накачка для разных лазеров.

Полупроводниковые лазеры накачиваются путем облучения среды вспышками мощных разрядов, сфокусированным солнечным светом или другим лазером. Это всегда импульсная накачка, потому что мощность настолько высока, что непрерывное освещение разрушило бы рабочий стержень.

Жидкостные и газовые лазеры накачиваются электрическими разрядами. Химические лазеры полагаются на химические реакции в своей активной среде для обратного заселения атомов либо продуктами реакции, либо специальными примесями с соответствующей уровневой структурой.

Полупроводниковые лазеры накачиваются постоянным током через p-n-переход или электронным пучком. Кроме того, существуют методы накачки, такие как фотодиссоциация или гасдинамика (быстрое охлаждение нагретых газов).

Оптический резонатор – сердце лазера

Оптический резонатор – это конструкция из пары зеркал, в простейшем случае двух зеркал (вогнутых или параллельных), установленных друг напротив друга, а между ними вдоль общей оптической оси активная среда в виде кристалла или пузырька газа. Фотоны, проходящие через среду под углом, покидают ее сбоку, а фотоны, движущиеся вдоль оси, многократно отражаются, усиливаются и передаются через полупрозрачное зеркало.

Это создает лазерное излучение – пучок когерентных фотонов – высоконаправленный луч. При прохождении света между зеркалами величина усиления должна превышать определенный порог – величину потерь излучения через другое зеркало (чем лучше пропускание зеркала – тем выше должен быть этот порог).

Чтобы добиться эффективного усиления света, необходимо не только увеличить световой путь внутри активной среды, но и сделать так, чтобы волны, выходящие из резонатора, были в фазе друг с другом, тогда интерферирующие волны дадут максимально возможную амплитуду.

Для достижения этого каждая волна в резонаторе, возвращающаяся в точку на выходном зеркале и вообще в любую точку внутри активной среды, должна быть в фазе с исходной волной после любого числа идеальных отражений. Это возможно, если оптический путь, пройденный волной между двумя отражениями, удовлетворяет условию:

где m – целое число, в этом случае разность фаз будет кратна 2P:

Поскольку каждая волна отличается по фазе от предыдущей на 2 пи, это означает, что все волны, выходящие из резонатора, будут находиться в фазе друг с другом, давая интерференцию максимальной амплитуды. На выходе резонатор будет иметь почти монохроматическое параллельное излучение.

Зеркала внутри резонатора будут давать усиление мод, соответствующих стоячим волнам внутри резонатора, а другие моды (возникающие из-за особых реальных условий) будут подавляться.

Рубиновый лазер – первый твердотельный лазер

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом. Это был рубиновый лазер (рубин – это Al2O3, в котором некоторые узлы кристаллической решетки – в пределах 0,5% – были заменены трехионным хромом; чем больше хрома, тем темнее цвет кристалла рубина).

Первый рабочий лазер, разработанный доктором Тедом Мейманом в 1960 году.

Рубиновый цилиндр из наиболее однородного кристалла, диаметром от 4 до 20 мм и длиной от 30 до 200 мм, помещается между двумя зеркалами, выполненными в виде слоев серебра, нанесенных на тщательно отполированные концы цилиндра. Спиралевидная газоразрядная лампа обвивает всю длину баллона и питается высоким напряжением через конденсатор.

При включении лампы рубин интенсивно облучается, и атомы хрома переходят с уровня 1 на уровень 3 (они остаются в этом возбужденном состоянии менее 10-7 секунд), после чего они, скорее всего, перейдут на уровень 2, метастабильный уровень. Избыточная энергия передается кристаллической решетке рубина. Спонтанные переходы с уровня 3 на уровень 1 незначительны.

Переходы с уровня 2 на уровень 1 запрещены правилами отбора, поэтому время пребывания на уровне 2 составляет около 10 -3 секунд, в 10 000 раз дольше, чем на уровне 3. В результате в рубине накапливаются атомы уровня 2 – это обратная популяция уровня 2.

Спонтанно возникающие фотоны на спонтанных переходах могут вызвать вынужденный переход с уровня 2 на уровень 1 и спровоцировать лавину вторичных фотонов, но эти спонтанные переходы случайны и их фотоны распространяются хаотично, большинство из них покидает резонатор через его боковую стенку.

Но те из фотонов, которые упадут на ось, испытают многократные отражения от зеркал, случайным образом вызывая стимулированное излучение вторичных фотонов, которые снова вызовут стимулированное излучение и так далее. Эти фотоны будут двигаться в направлении, аналогичном первичным фотонам, и поток вдоль оси кристалла будет увеличиваться экспоненциально.

Многократно возросший поток фотонов выйдет через боковое полупрозрачное зеркало резонатора в виде пучка света огромной интенсивности. Рубиновый лазер работает на длине волны 694,3 нм, а мощность импульса достигает 10 9 Вт.

Гелий-неоновый лазер

Гелий-неоновый лазер (гелий/неон = 10/1) – один из самых популярных газовых лазеров. Давление в газовой смеси составляет около 100 Па. Неон служит активным газом и генерирует фотоны с длиной волны 632,8 нм в непрерывном режиме. Функция гелия заключается в создании инверсной населенности одного из более высоких энергетических уровней неона. Ширина спектра такого лазера составляет около 5*10 -3 Гц. Длина когерентности составляет 6*10 -11 м, время когерентности – 2*10 -3 c.

При накачке гелий-неонового лазера высоковольтный электрический разряд заставляет атомы гелия переходить в метастабильное возбужденное состояние уровня E2. Эти атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона в основном состоянии E1, передавая им свою энергию. Энергия уровня E4 для неона на 0,05 эВ выше, чем энергия уровня E2 для гелия. Недостаток энергии компенсируется кинетической энергией столкновений атомов. Это приводит к тому, что на уровне E4 неон имеет обратную популяцию по сравнению с уровнем E3.

Типы современных лазеров

В зависимости от состояния активной среды лазеры можно разделить на: полупроводниковые, жидкие, газовые, твердотельные и кристаллические. В зависимости от метода откачки они могут быть: оптическими, химическими, газоразрядными. По характеру генерации лазеры делятся на: непрерывные и импульсные. Лазеры этого типа производят излучение в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Волоконные лазеры появились позже остальных. Они способны производить излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, который (с длиной волны до 8 мкм) хорошо подходит для волоконно-оптической связи. Волоконные лазеры содержат оптическое волокно, в сердцевину которого вставлено несколько ионов подходящих редкоземельных элементов.

Как и в других типах лазеров, оптическое волокно помещается между парой зеркал. Для раздувания оптического волокна в него подается лазерное излучение соответствующей длины волны, в результате чего редкоземельные ионы переходят в возбужденное состояние. Когда эти ионы возвращаются в более низкое энергетическое состояние, они испускают фотоны с большей длиной волны, чем та, которую излучал инициирующий лазер.

Таким образом, оптическое волокно действует как источник лазерного излучения. Его частота зависит от типа добавленных редкоземельных элементов. Само оптическое волокно изготовлено из фторида тяжелого металла, что позволяет эффективно генерировать лазерное излучение в инфракрасном диапазоне частот.

Рентгеновские лазеры занимают противоположную сторону спектра – между ультрафиолетовым и гамма-излучением – длина волны порядка от 10 -7 до 10 -12 м. Лазеры этого типа имеют самую высокую импульсную яркость среди всех типов лазеров.

Впервые рентгеновский лазер был построен в 1985 году в США, в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса. Лоуренс. Лазер генерировался на ионах селена, с диапазоном длин волн от 18,2 до 26,3 нм, а самая яркая яркость была в линии длин волн 20,63 нм. Теперь удалось добиться лазерного излучения при 4,6 нм на ионах алюминия.

Рентгеновский лазер генерируется в импульсах длительностью от 100 пс до 10 нс в зависимости от времени жизни плазмы.

Дело в том, что активным агентом рентгеновского лазера является сильно ионизированная плазма, которая образуется, например, при облучении тонкой пленки иттрия и селена сильным видимым или инфракрасным лазером.

Энергия рентгеновского лазера в импульсе достигает 10 мДж, а угловая расходимость пучка составляет около 10 миллирадиан. Отношение мощности насоса к мощности прямого излучения составляет около 0,00001.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

А это не очень хорошо, потому что мы хотим, наоборот, получить много фотонов. Самое печальное, что вероятности поглощения и испускания кванта света примерно равны.
Для предотвращения абсорбции нам необходим внешний источник энергии, который будет закачивать энергию в систему и не позволит процессу остановиться.
В принципе, все вроде бы понятно. Единственное, о чем я не упомянул, это резонатор.
Позвольте мне объяснить, что это такое. Для получения большого количества фотонов можно, конечно, сделать длинную трубку с газом, но можно поступить и умнее и поставить два зеркала напротив друг друга, чтобы свет многократно отражался и несколько раз проходил над небольшой площадью газа:

Может ли лазер прожечь металл?

Конечно, существует множество лазеров, способных резать металл, и они повсеместно используются в промышленности и научных исследованиях:

Лазерные системы, способные плавить металлы, становятся все меньше и меньше, поскольку исследователи продолжают изучать и разрабатывать новые, более подходящие компоненты. (Как мы узнали ранее, одним из основных ограничений является структура рабочего материала).
Чем лучше и совершеннее материалы мы найдем и используем, тем более высоких плотностей энергии мы сможем достичь без каких-либо ограничений.

Даже сегодняшних технологий в принципе достаточно для создания лазера Тони Старка (не такого маленького, но все же). Все сводится к цене конечного устройства. Если вам нужен небольшой размер и огромная мощность, как в фильме, цена может быть неоправданно высокой, даже по сравнению с броней и реактивным ранцем.

Хуже того, такой лазер был бы очень опасен и мог бы взорваться в случае неисправности или попадания в него ракеты, что всегда происходит при высокой концентрации энергии в небольшом пространстве.

На сегодня это все. Я с нетерпением жду ваших комментариев и поддержки

Я очень благодарен вам за интерес к моей работе, так как каждый пост на этом сайте дается мне с большим трудом. Я буду рад любой обратной связи и поддержке с вашей стороны.

В настоящее время различают следующие типы лазерных устройств:

Как работает лазер, принцип действия, устройство, типы

Лазеры (или оптические квантовые генераторы) – одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних десятилетий, одно из “чудес” 20-го века. Оптические квантовые генераторы, несомненно, ждет блестящее будущее, поскольку спектр их применения поистине безграничен: с помощью лазеров можно изучать плазму, ускорять химические реакции, отслеживать движение искусственных спутников, проводить разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Например, лазеры использовались для определения расстояния до Луны с точностью до 100 метров. В то время как современный компьютер может выполнять несколько миллионов арифметических операций в секунду, компьютер, использующий луч ОКГ, может выполнять сотни или тысячи миллионов операций за ту же секунду.

Как работает лазер

Все оптические квантовые генераторы состоят из внешнего источника накачки, активной лазерной среды и оптического резонатора. Источник накачки направляет внешнюю энергию на оптический квантовый генератор. Активная лазерная среда внутри может, в зависимости от конструкции, состоять из кристаллического тела (YAG-лазер), газовой смеси (CO₂-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). Когда энергия подается системой накачки в активную среду лазера, энергия высвобождается в виде излучения. Активная лазерная среда находится в так называемом “активном лазере”. Оптический резонатор между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. В резонаторе излучение активной лазерной среды усиливается, и в то же время часть излучения может выходить из оптического резонатора через полупрозрачное зеркало. Поэтому электромагнитное излучение в оптическом (световом) диапазоне имеет форму луча и представляет собой лазерное излучение.

Типы лазеров

Оптические квантовые генераторы делятся на основе многих характеристик, но обычно используется следующая классификация:

• По режиму работы:
  • Импульсный;
  • Непрерывный режим работы;
  • Тип жидкости;
  • Газ;
  • твердое состояние;
  • Лазеры на свободных электронах;
  • Газообразные разряды (в покрытом электроде, дуговой, тлеющий разряд);
  • Газодинамические (создание инверсий популяции за счет расширения горячих газов);
  • Диодные или инжекционные лазеры (возбуждение током в полупроводнике);
  • Химические лазеры (возбуждение на основе химических реакций);
  • С оптической накачкой (возбуждается лампой с непрерывной вспышкой, лампой-вспышкой, светодиодом или другим лазером);
  • Ядерная накачка (возбуждаемая ядерным взрывом или излучением ядерного реактора);
  • С накачкой электронным пучком (специальные типы полупроводниковых и газовых лазеров).

  В настоящее время различают следующие типы лазерных устройств:

  • Полупроводниковые лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фторид кальция, некоторые редкоземельные элементы и т.д.), обладающие высокой мощностью излучения;
  • газовые лазеры, в которых в качестве активного агента используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и т.д.); они менее эффективны по сравнению с твердотельными лазерами
  • Полупроводниковые лазеры на арсениде галлия и другие, которые имеют высокий КПД и относительно высокую плотность мощности по сравнению с другими лазерами.

  Применение лазеров

  Сегодня существует множество различных типов QAG для применения в научных исследованиях, инженерии и промышленности. Для биологических и медицинских целей были разработаны оптические квантовые генераторы с различными специальными устройствами (насадками) в виде микроскопов, телевизоров и т.д. В сочетании с микроскопом (“лазерным микроскопом”) можно облучать не только отдельные клетки, но даже различные единицы внутри них, такие как ядра и другие. Интенсивность излучения и длина волны варьируются в зависимости от материала, используемого в качестве активного материала. Большинство лазеров, используемых сегодня, работают в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.

  Импульсные оптические квантовые генераторы, которые обеспечивают короткоживущие высокоэнергетические импульсы, могут использоваться в медицине, в основном для однократного или многократного облучения различных патологических участков, например, для “выжигания” опухолей и т.д. Устройства меньшей мощности с непрерывным выходом в основном предназначены для различных видов работ. В первом случае лазерный луч можно образно назвать “легкой пулей”, поражающей цель, во втором – “легким ножом”. (или “легкий скальпель”).

  Ширина расфокусированного лазерного луча обычно составляет 1-2 см, а при наведенной фокусировке – от 1 до 0,01 мм или меньше. Это позволило сконцентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, что меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достичь очень высоких температур – до многих миллионов градусов! Именно из-за этой способности концентрировать энергию в наименьшей облучаемой области лазеры представляют большой интерес для медицины. Определение интенсивности лазера – это энергия импульса на квадратный сантиметр, которая выражается в джоулях (Дж/см²) или калориях, или в ваттах на см² для устройств непрерывного действия. Энергия каждой лазерной вспышки может составлять от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный луч мощного лазера буквально не искажается. Достаточно сказать, что лазерный луч способен “сверлить”, плавить и испарять сталь, вольфрам, алмаз, глинозем и любой другой материал, известный человечеству. Мощность оптических квантовых осцилляторов достигла колоссальных масштабов. Во время импульса длительностью в несколько наносекунд (10-11 секунд) она превышает 10 миллионов киловатт! В последние годы были созданы лазерные устройства с мощностью излучения в миллион раз ярче Солнца и мощностью импульса, превышающей мощность крупных электростанций.

  Лазерные шоу являются неотъемлемой частью концертов, выступлений знаменитостей и других специальных мероприятий. Технология была активно использована в индустрии развлечений в течение длительного времени.

  Применение лазерных технологий

  Открытие лазерного излучения имеет огромное значение для человечества. Благодаря своим уникальным свойствам лазеры могут использоваться в различных областях жизни:

  • В промышленности;
  • в военном строительстве;
  • в медицине;
  • в индустрии развлечений;
  • в доме.

  Технологический Лазеры непрерывного действия широко используются в промышленности для резки или пайки деталей. Использование этой технологии позволило сварить металл и керамику, в результате чего появился новый материал – металлокерамика. Лазерный луч также активно используется при производстве микрочипов.

  В армия В военном деле с помощью этой технологии разрабатываются новые виды оружия. Наземные газовые лазерные лучи способны нейтрализовать как спутники, так и самолеты противоборствующей стороны. Они также могут использоваться для разведки. Лазерное оружие активно разрабатывается во многих странах.

  В медицина Эта технология уже много лет используется в офтальмологии, для решения проблем сетчатки и коррекции зрения. В хирургии врачи используют лазерные скальпели, которые наносят минимальный ущерб живым тканям. Косметология освоила эту технологию.

  

  Лазерные шоу являются неотъемлемой частью концертов, выступлений знаменитостей и других специальных мероприятий. Эти технологии существуют уже давно и активно используются в развлечения.

  Сами того не осознавая, мы ежедневно используем лазеры, которые вывели технологию записи информации на новый уровень. Именно с помощью луча записываются и воспроизводятся музыкальные, фото- и кинофайлы на компакт-дисках.

  Устройство и назначение лазеров – сложная тема. Поэтому важно всегда иметь возможность сослаться на надежный источник. У Phoenix.Help есть именно такая услуга.

Читайте далее:

• Инфракрасное излучение.
• Кварцевый резонатор – конструкция, принцип работы, как проверить; Сайт для электриков – статьи, советы, примеры, схемы.
• Полупроводниковые диоды.
• Основные параметры выпрямительных диодов; Школа для инженеров-электриков: Электротехника и электроника.
• Строение атома водорода (H), схема и примеры.
• Пироэлектрические материалы.
• Как работают атомы.