Лазер (англ
Лазер (англ. LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання») - пристрій, що використовує квантово-механічний ефект вимушеного (стимульованого) випромінювання для створення когерентного потоку світла. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У багатьох конструкціях робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Посилений сигнал дуже точно збігається з вихідним по довжині хвилі, фазі і поляризації, що дуже важливо в пристроях оптичного зв'язку. Звичайні джерела світла, такі як лампа розжарювання, випромінюють світло в різних напрямках з широким діапазоном довжин хвиль. Більшість з них також некогерентного, тобто фаза випромінюваної ними електромагнітної хвилі схильна до випадковим флуктуацій. Випромінювання звичайного джерела не може, без застосування спеціальних заходів, дати стійку інтерференційну картину. Крім того, випромінювання нелазерних джерел зазвичай не володіє фіксованою поляризацією. Навпаки, випромінювання лазера монохроматично і когерентно, тобто має постійну довжину хвилі і передбачувану фазу, а також добре певну поляризацію.
З іншого боку, деякі типи лазерів, наприклад рідинні лазери на розчинах барвників або поліхроматичні твердотільні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні; це властивість робить можливою генерацію надкоротких імпульсів порядку декількох фемтосекунд (10-15 с) за допомогою синхронізації мод.
Лазери створені на стику двох наук - квантової механіки і термодинаміки, але фактично, багато типів лазерів були створені методом проб і помилок.
Принцип роботи та історія винаходу
Пристрій першого в світі твердотільного лазера на рубіні (1 рубіновий стрижень, 2 імпульсна лампа накачування, 3 світловідбиваючий кожух, 4 лазерний промінь, 5 напівпрозоре дзеркало, 6 непрозоре дзеркало, 7 запалювальні електроди)
Основна ідея роботи лазера полягає в інверсії електронної населеності шляхом «накачування» робочого тіла, підбиваючи до нього енергію, наприклад у вигляді світлових або електричних імпульсів. Робоче тіло поміщається в оптичний резонатор, при циркуляції хвилі в якому її енергія експоненціально зростає завдяки механізму вимушеного випромінювання. При цьому енергія накачування повинна перевищувати певний поріг, інакше втрати в резонаторі перевищуватимуть посилення і вихідна потужність буде вкрай мала.
Гелій-неоновий лазер. Світиться промінь в центрі - це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, який породжує світіння, подібно до того, як це відбувається в неонових лампах. Луч проектується на екран праворуч у вигляді світиться червоною точки.
Інверсія електронної населеності також лежить в основі роботи мазерів, які принципово схожі на лазери, але працюють в мікрохвильовому діапазоні. Перші мазери були зроблені в 1953-1954 рр. Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим, а також незалежно від них американцем Ч. Таунсом і його співробітниками. На відміну від квантових генераторів Басова і Прохорова, які знайшли вихід у використанні більш ніж двох енергетичних рівнів, мазер Таунса не міг працювати в постійному режимі. У 1964 році Басов, Прохоров і Таунс отримали Нобелівську премію з фізики «За основоположну роботу в галузі квантової електроніки, яка дозволила створити генератори та підсилювачі, засновані на принципі мазера і лазера».
Випромінювання лазера може бути настільки потужним, що їм можна різати сталь та інші метали. Незважаючи на те, що промінь лазера можна сфокусувати в дуже маленьку точку, вона завжди буде мати кінцевий ненульовий розмір завдяки дифракції. З іншого боку, розмір сфокусованого лазерного променя завжди буде значно менше променя, створеного будь-яким іншим способом. Наприклад, промінь невеликого лабораторного гелій-неонового лазера розійдеться всього приблизно на 1,5 кілометра на відстані від Землі до Місяця. Звичайно, деякі лазери, особливо напівпровідникові, завдяки малим розмірам, створюють сильно розходиться промінь. Однак цю проблему можна вирішити застосуванням лінз.
Вплив дифракції можна обійти, застосовуючи хвилеводи, в даному випадку оптоволоконні лінії.
Використання лазерів
З самого моменту розробки лазер називали пристроєм, який саме шукає змогу оцінити потреби. Лазери знайшли застосування в самих різних областях - від корекції зору до керування транспортними засобами, від космічних польотів до термоядерного синтезу. Лазер став одним з найважливіших винаходів XX століття.
Виключно широке використання лазерів в науці і промисловості пояснюється їх унікальними властивостями - когерентністю, монохроматичністю і можливістю досягнення високої щільності потужності випромінювання. Наприклад, когерентність лазерного променя дозволяє сфокусувати його в точку, практично збігається за розміром з дифракційною межею, який для видимого спектру становить всього кілька сотень нанометрів. Це дозволяє лазерним записуючих пристроїв зберігати гігабайти інформації на оптичних дисках, наприклад, формату DVD. Добре сфокусований промінь дозволяє досягти величезної щільності випромінювання, достатньої для різання, плавлення і навіть випаровування самих тугоплавких матеріалів. Наприклад, лазер на алюмо-ітрієвому гранаті з неодимовим легированием в режимі подвоєння частоти працює на довжині хвилі 532 нм (зелений ділянку спектра) і при потужності всього 10 Ватт дозволяє досягти енергій порядку декількох мегават на квадратний сантиметр. У реальності, звичайно, сфокусувати промінь до меж дифракції вкрай складно.
Популярні помилки
Вся сучасна поп-культура, особливо бойовики і наукова фантастика, сповнені помилок про лазерних технологіях. Наприклад, всупереч фільмів, таким як «Зоряні війни», промінь лазера абсолютно невидимий в вакуумі і в більшості випадків на повітрі. Луч "палає» тільки розсіюючись на будь-яких частках, наприклад, пилу - точно також, як промені сонця видно в запиленій атмосфері або в тумані. Тільки промені дуже високої потужності можуть бути видні в чистому повітрі завдяки релєєвського або раманівське (комбінаційному) розсіювання.
Крім того, в фантастичних фільмах промінь поширюється досить повільно, так що його рух можна простежити оком, зовсім як трасуючий снаряд. Насправді, промінь лазера поширюється зі швидкістю світла і ми повинні побачити його відразу по всій довжині.
Ще приклад - у багатьох фільмах герой виявляє і обходить контур лазерної захисту, розпорошуючи яку-небудь речовину в повітрі. Насправді, інфрачервоні лазерні діоди зробити простіше і дешевше, ніж випромінюють видиме світло. Саме тому використовувати лазери з видимим випромінюванням в охоронних системах абсолютно безглуздо.
Лазером в кіно зазвичай ріжуть все, що попадеться під руку. Дивно, але ніхто не звертає уваги, що потужності відбитого променя, який крають сталеві двері, цілком достатньо, щоб пошкодити сітківку ока зломщика, який не вдягає очок.
Безпека лазерів
Навіть малопотужні лазери (з вихідною потужністю кілька милливатт) можуть бути небезпечні для зору. Для видимих довжин хвиль (400-700 нм), які добре пропускаються і фокусуються кришталиком, потрапляння лазерного променя в око, навіть на кілька секунд, може привести до часткової або навіть повної втрати зору. А лазери більшої потужності можуть призводити навіть до пошкодження шкірних покривів.
Лазери діляться на 4 класи безпеки, від 1 - практично безпечний, до 4, у якого навіть розсіяний промінь може стати причиною опіку очі або шкіри.
Наклейка на CD-рекордери, що попереджає про використання в пристрої напівпровідникового лазера Клас 1
Клас 1. Лазери і лазерні системи малої потужності, які не можуть випромінювати рівень потужності, що перевищує максимально дозволений опромінення. Лазери і лазерні системи Класу 1 не здатні заподіяти ушкодження людському оку.
* Клас 2. Малопотужні лазери, здатні заподіяти ушкодження людському оку в тому випадку, якщо дивитися безпосередньо на лазер протягом тривалого періоду часу. Такі лазери не слід використовувати на рівні голови.
* Клас 3a. Лазери і лазерні системи, які зазвичай не становлять небезпеку, якщо дивитися на лазер неозброєним поглядом тільки протягом короткочасного періоду. Лазери можуть становити небезпеку, якщо дивитися на них через оптичні інструменти (бінокль, телескоп).
* Клас 3b. Лазери і лазерні системи, які становлять небезпеку, якщо дивитися безпосередньо на лазер. Це саме можна сказати і до дзеркального відображення лазерного променя.
* Клас 4. Лазери і лазерні системи великої потужності, які здатні заподіяти сильне пошкодження людському оку короткими імпульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и горючие материалы.
Напівпровідниковий лазер, який застосовується в вузлі генерації зображення принтера HP LaserJet 5L
Напівпровідникові лазерні діоди
o Найпоширеніший тип лазерів: використовуються в лазерних указка, лазерних принтерах, телекомунікації та оптичних носіях інформації (CD / DVD). Потужні лазерні діоди використовуються для накачування сучасних твердотільних лазерів.
* Лазери з зовнішнім резонатором (External-cavity lasers), використовуються для створення високоенергетичних імпульсів
* Лазери на барвниках Тип лазерів, що використовує в якості активного середовища розчин органічних барвників в етиловому спирті або етиленгліколь. Дозволяють здійснювати пререстройку довжини хвилі випромінювання в діапазоні від 350 нм до 850 нм (в залежності від типу барвника). Застосування - спектроскопія, медицина (в тому числі фотодинамічна терапія), фотохимия.
* Лазери з квантовим каскадом
* Лазери на вільних електронах
* YAG - алюмо-ітрієві гранат
* KGW - калій-гадолиниевой вольфрамат
* YLF - фторид ітрію-літію