Laser je akronim za pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, koju je 1957. skovao Gordon Gould. Iako se ovo izvorno značenje odnosi na princip rada (iskorištavanje stimulirane emisije iz pobuđenih atoma ili jona), ovaj izraz se sada uglavnom koristi za uređaj koji generiše svjetlost na principu lasera. Konkretno, obično se misli na laserske generatore, ali ponekad uključuje i uređaje sa laserskim pojačivačima.

Prvi laserski uređaj bio je pulsni rubin laser, koji je demonstrirao Theodor Meiman 1960. godine. Iste godine stvoreni su plinski laser (helijum-neonski laser) i prva laserska dioda. Prije ovog eksperimentalnog rada, Arthur Shavlov, Charles Hard Townes, Nikolai Basov i Alexander Prokhorov objavili su revolucionarni teorijski rad o principima rada lasera i mikrotalasnih pojačala. Generator (mazer) razvila je Towns grupa 1953. godine. Termin optički maser (MASER = mikrotalasno pojačanje stimulisanim pojačanjem zračenja) je prvobitno korišćen, ali je kasnije promenjen u laser.

Laserska tehnologija je u osnovi šireg polja fotonike, uglavnom zato što lasersko svjetlo ima niz posebnih svojstava:

“Ovo se obično emituje kao laserski snop, koji može putovati na velike udaljenosti bez mnogo divergencije i može se fokusirati na vrlo male tačke.

– Može imati vrlo uzak optički propusni opseg, dok većina lampi emituje svjetlost sa vrlo širokim optičkim spektrom.

– Može se emitovati kontinuirano ili u obliku kratkih ili ultrakratkih impulsa u trajanju od mikrosekundi do nekoliko femtosekundi.

Ova svojstva čine laserski snop vrlo zanimljivim za širok spektar primjena zbog visok stepen tačnost laserskog zračenja. Članci o laserskom svjetlu i laserskim aplikacijama pružaju detaljnije informacije.

Princip rada lasera

Laserski generator obično uključuje optičku šupljinu (lasersku šupljinu, lasersku šupljinu) u kojoj svjetlost može cirkulirati (na primjer između dva ogledala), a za to vrijeme i medij za pojačavanje (na primjer laserski kristal) koji služi za pojačavanje svjetlosti. . Bez aktivnog medija, cirkulirajuća svjetlost će postajati sve slabija sa svakim ciklusom rezonatora, jer doživljava neke gubitke, na primjer kada se reflektuje na ogledalima. Međutim, medij može pojačati cirkulirajuću svjetlost i na taj način kompenzirati gubitak ako je pojačanje dovoljno veliko. Za rast medija potreban je vanjski izvor energije, to mora biti pumpanje, na primjer, ubrizgavanjem svjetla (optičko pumpanje) ili električna struja(električno pumpanje - poluvodički laseri). Princip laserskog pojačavanja stimulisane emisije.

Slika 1 - Struktura lasera

Laser ne može raditi ako je pumpanje manje od gubitaka rezonatora; Takozvani uređaj za prag lasera emituje samo nešto luminiscencije. Značajna izlazna snaga se postiže samo za snage pumpe iznad praga generisanja, gdje pojačanje može premašiti gubitke u rezonatoru.

Ako je pojačanje veće od gubitka, intenzitet svjetlosti u laserskoj šupljini se brzo povećava, počevši od niskog nivoa svjetlosti od fluorescencije, na primjer. Ako je zasićenost lasera povećana, tada će biti uključena snaga lasera Stabilno stanje dostići nivo da je zasićenje jednostavno jednako gubitku rezonatora (pojačanje pri stezanju). Prije postizanja ovog stabilnog stanja, laseri obično tolerišu neke fluktuacije. Prag snage pumpe je snaga pumpe kod koje je pojačanje signala dovoljno da se generiše.

Dio svjetlosne snage koja cirkulira u rezonatoru obično se prenosi pomoću poluprozirnog ogledala, takozvanog uređaja za izlaz ogledala. Rezultirajući snop je koristan laserski signal. Prijenos uređaja za izlaz ogledala može se optimizirati za maksimalnu izlaznu snagu.

Neki laseri rade u kontinuiranom stanju, dok drugi stvaraju impulse koji mogu biti posebno intenzivni. Postoje različite metode za generiranje impulsa pomoću lasera, omogućavajući seriju impulsa u trajanju od mikrosekundi, nanosekundi, pikosekundi ili čak nekoliko femtosekundi.

Optički opseg (ili propusni opseg) lasera može biti vrlo mali kada samo jedan modus šupljine oscilira (rad na jednoj frekvenciji). U drugim slučajevima, posebno za lasersku sinhronizaciju, propusni opseg može biti vrlo velik - u ekstremnim slučajevima može zauzeti cijelu oktavu. Centralna frekvencija lasera je obično blizu frekvencije maksimalnog pojačanja, ali ako gubitak rezonatora zavisi od frekvencije, talasna dužina lasera se može podesiti u opsegu gde je pojačanje dovoljno dostupno. Neka širokopojasna pojačanja, kao što su ona od titanijum-safira, dozvoljavaju podešavanje talasne dužine stotinama nanometara.

Zbog različitih utjecaja, izlaz lasera uvijek sadrži određenu količinu šuma na različitim parametrima kao što su izlazna snaga ili optička faza.

Vrste lasera

Najčešći tipovi lasera su:

– Poluprovodnički laseri (uglavnom laserske diode), električni (ili ponekad optički), efikasno generišu veoma velike izlazne snage (ali obično sa lošim kvalitetom zraka) ili niske snage sa dobrim prostornim svojstvima (npr. za CD i DVD aplikacije). plejeri), impulsi (npr. za telekomunikacijske aplikacije) s vrlo visokim stopama ponavljanja impulsa. Posebni tipovi uključuju kvantne kaskadne lasere i poluvodičke lasere koji emituju površinu, a potonji su takođe pogodni za generisanje impulsa velike snage.

– Solid-state laseri bazirani na ionsko dopiranim kristalima ili staklima (dopirani laseri), pumpani sijalicama s plinskim pražnjenjem ili laserskim diodama, generirajući velike ili manje izlazne snage s vrlo visokim kvalitetom zraka, spektralnom čistoćom i/ili stabilnošću (npr. za nišanjenje) , ili ultrakratki impulsi sa trajanjem piko- ili femtosekunde. Uobičajeni pojačivači su Nd: YAG, Nd: YVO 4, Nd: YLF, Nd: staklo, YAG: Yb, Yb: staklo, titan-safir, Cr: YAG i Cr: LiSAF. Posebna vrsta staklenih lasera sa ionima:

– Fiber laseri na bazi optičkih staklenih vlakana, koja su dopirana nekim ionima laserski aktivnih vlakana u mediju. Fiber laseri mogu postići izuzetno veliku izlaznu snagu (do kilovata) uz visoku kvalitetu zraka, široku talasnu dužinu, usku širinu linije, itd.

– Gasni laseri (npr. helijum-neonski laseri, CO 2 laseri i argon jonski laseri) i ekscimer laseri na bazi gasa, koji obično indukuju električna pražnjenja. Obično korišteni plinovi uključuju CO 2 , argon, kripton i gasne mešavine kao što je helijum-neon. Uobičajeni ekscimeri su ArF, KrF, XeF i F2.

Manje uobičajeni su hemijski i laseri sa nuklearna pumpa, laseri na slobodnim elektronima i rendgenski laseri.

Laserski izvori u širem smislu

Postoje neki izvori svjetlosti koji nisu striktno laseri, ali se ipak često nazivaju laserskim izvorima:

– U nekim slučajevima, ovaj izraz se koristi za uređaje za pojačanje koji emituju svjetlost. Primjer su rendgenski laseri, koji su tipično superluminiscentni izvori zasnovani na zračenju nakon čega slijedi pojačanje u jednom prolazu. Nema laserskog rezonatora. Slična situacija se dešava i za optičke parametarske generatore, gde se pojačanje ne zasniva na stimulisanoj emisiji. Svjetlost takvih uređaja može imati svojstva slična laseru, kao što su jaka usmjerenost zraka i ograničeni optički propusni opseg.

– U drugim slučajevima, termin laserski izvori je opravdan jer izvor između ostalih komponenti sadrži i laser. Ovo je slučaj za kombinacije lasera i pojačala (oscilatorsko pojačalo snage, kao i za izvore zasnovane na nelinearnoj laserskoj konverziji frekvencije, na primjer sa udvostručavanjem frekvencije ili optičkim parametarskim oscilatorima.

Sigurnosni aspekti

Rad sa laserima može pokrenuti važna sigurnosna pitanja. Neki od njih su direktno povezani sa laserskim zračenjem, posebno sa visokim optičkim intenzitetom, ali postoje i druge opasnosti povezane sa laserskim izvorima. Pogledajte članak o laserskoj sigurnosti.

Bibliografija

1. A. L. Schawlow i C. H. Townes, "Infracrveni i optički maseri", Phys. Rev. 112(6), 1940 (1958) (revolucionarni rad; također sadrži poznatu Shawlow-Townesovu jednačinu)
2. T.H. Maiman, Stimulirana optička emisija u rubinu, Priroda 187, 493 (1960) (prva eksperimentalna demonstracija lasera)
3. T. H. Maiman, "Optički maser u rubinu", min. Preko veze. Elektron. 7, 674 (1960)
4. P. P. Sorokin i M. J. Stevenson, "Stimulirana infracrvena emisija iz trovalentnog uranijuma", Phys. Časni Letonac. 5 (12), 557 (1960) (prva laserska četiri nivoa)
5. A. Javan, W. R. Bennett Jr. i D. R. Herriott, Inverzija i kontinuirana optička oscilacija masera u plinskom pražnjenju koje sadrži mješavinu helijuma i neona, Phys. Rev. Latvian, 6 (3), 106 (1961)
6. G.Smith," ranim godinama laser u Hughes Aircraft Company", IEEE kvantna elektronika. 20 (6), 577 (1984)
7. R. E. Slusher, "Laser Technologies", Rev Mod. Phys. 71, S471 (1999.)
8. L. Sutherland, Laser Video Documentary, www.laservideodocumentary.com
9. J. M. Gill, Laseri: 40-godišnja perspektiva", IEEE Quantum Electronics. 6 (6), 1111 (2000)
10. Svijetla ideja: prvi laseri, Američki institut za fiziku (2010)
11. J. Hecht, " Pripovijetka razvoj lasera", opt. inž. 49, 091002 (2010)
12. A. E. Siegman, Laseri, Univerzitetske naučne knjige, Mill Valley, Kalifornija (1986.)
13. O. Svelto, Principi lasera, Plenum Press, New York (1998)
14. F. Trager (ur.), Priručnik za lasere i optiku, Springer, Berlin (2007)
15. R. Paschotta, Field Guide to Lasers, SPIE Press, Bellingham, WA (2007) str. 547.

Jedan od najznačajnijih izuma prošlog stoljeća može se smatrati izumom lasera, koji se danas koristi u gotovo svim sferama života. Riječ LASER nastala je od skraćenice engleske fraze "light amplification by stimulated emission of radiation" - "amplification of light by stimulated emission"

Albert Ajnštajn je još 1916. godine predvidio mogućnost prelaska atoma iz stanja više energije u niže pod spoljnim uticajem. Ovim prijelazom oslobađa se određena količina energije, a takvo zračenje se naziva stimulirano. Stimulirana emisija je osnova rada lasera.

Princip rada lasera se zasniva na stimulisanoj emisiji fotona svetlosti kada je izložen spoljašnjem elektromagnetno polje.

Kao što je poznato iz školskog kursa fizike, struktura atoma ima planetarni model (prema Rutherfordu), prema kojem negativno nabijeni elektroni rotiraju oko pozitivno nabijenog jezgra u određenim energetskim orbitama - poput planeta oko Sunca. Svaka orbita odgovara određenoj vrijednosti energije elektrona. U nepobuđenom stanju, elektroni se nalaze na niskim energetskim nivoima, što je zbog minimalne potrošnje energije, i mogu apsorbirati samo zračenje koje ih pogodi. Kada je izložen zračenju na atom, on prima dodatni dio energije, što izaziva prijelaz elektrona (jedan ili više) na više energetske razine atoma, odnosno elektron prelazi u pobuđeno stanje. Energija se apsorbuje u strogo određenim porcijama - kvantima. Pobuđeni atom teži da se ponovo vrati u stanje smirenosti i odaje višak energije, zračeći je, takođe, u strogo određenim delovima. Elektroni se tada vraćaju na svoje izvorne energetske nivoe. Rezultirajući kvanti ili fotoni svjetlosti imaju energiju jednaku razlici između energija dva uključena nivoa. Tako dolazi do stimulisane emisije.

Atom u pobuđenom stanju može sam zračiti energiju, ili također može zračiti kada je izložen vanjskom zračenju. Karakteristično je da su kvant koji se emituje i kvant koji je izazvao zračenje slični jedan drugom. Ova karakteristika određuje da je talasna dužina indukovanog (uzrokovanog) zračenja jednaka talasu koji je izazvao ovo zračenje. Ukupno, indukovana emisija će se povećati sa povećanjem broja elektrona koji su skočili na gornje energetske nivoe.

Takođe, postoje inverzni sistemi atoma u kojima su elektroni koncentrisani na višim energetskim nivoima. U takvim sistemima atoma, proces emisije kvanta dominira nad procesom apsorpcije. Inverzni sistemi atoma se takođe koriste za projektovanje optičkih kvantnih generatora (lasera). Aktivna supstanca (medij) smeštena je u optički rezonator koji se sastoji od dva paralelno postavljena visokokvalitetna ogledala, koja su postavljena sa obe strane aktivne supstance. Emitovani kvanti, ulazeći unutra i više puta se reflektujući od ogledala, mnogo puta presjeku aktivnu supstancu, uzrokujući tako nastanak sličnih kvanta kroz emisiju atoma, gdje su elektroni u udaljenim orbitama. Aktivni medij može biti izrađen od različitih materijala, bilo kojeg stanja agregacije, a njegov izbor ovisi o tome koje karakteristike se traže od lasera. Od aktivnog medija zavise glavne karakteristike lasera - snaga i domet.

Laserski efekat (generacija lasera) može nastati samo kada broj atoma u pobuđenom stanju premaši broj atoma u stanju mirovanja. Okruženje sa takvim karakteristikama može se pripremiti pumpanjem dodatne energije iz određenog vanjskog izvora. Ova operacija se zove pumpanje. Od metode pumpanja laseri se razlikuju po vrsti. Pumpanje se može vršiti pod uticajem elektromagnetnog zračenja, električne struje, električnog pražnjenja, snopa relativističkih elektrona, kao i hemijske reakcije. Vrsta energije koja se koristi ovisi o tome koji se aktivni (radni) medij koristi.

Na osnovu svega navedenog, moguće je odrediti tri glavna dijela strukture koja svaki laser uključuje:

1) Aktivno radno okruženje

2) Izvor energije ili pumpni sistem

3) Uređaj za pojačavanje emitovane svetlosti - sistem ogledala (optički rezonator)

Glavne vrste lasera

Gasni laseri (CO2)

Upotreba plina u laseru kao aktivnog medija ima vrlo važan kvalitet - to je visoka optička uniformnost, odnosno svjetlosni snop u plinu se u najmanjoj mjeri raspršuje i izobličuje. Laser na bazi gasa karakteriše visoka usmerenost i monohromatnost zračenja, a može da radi i u kontinualnom režimu. Snaga plinskog lasera može se znatno povećati korištenjem različitih metoda pobude i povećanja tlaka plina. Stoga se ovi laseri najčešće koriste tamo gdje je potrebna vrlo visoka usmjerenost i monokromatnost zraka. Prvi plinski laser stvoren je 1960. godine na bazi mješavine helijuma i neona, koji je i danas najčešći. Nakon toga, a još uvijek u procesu stvaranja, stvoreno je mnogo različitih plinskih lasera koji koriste kvantne prelaze neutralnih jona, atoma i molekula u različitim rasponima spektra svjetlosnog snopa (od ultraljubičastog do infracrvenog, pa čak i rendgenskog zračenja). )

Poluprovodnički laseri

Poluprovodnički laseri rade u vidljivom i infracrvenom opsegu. Imaju niz jedinstvenih karakteristika koje ih čine posebno vrijednim u praksi. Poluprovodničke injekcijske lasere karakteriše visoka, skoro 100% efikasnost konverzije električne energije u koherentno (stimulisano) zračenje; mali stepen inercije; može raditi kontinuirano; imaju prilično jednostavan dizajn; imaju mogućnost podešavanja talasne dužine zračenja, kao i veliki broj poluprovodnika koji mogu kontinuirano blokirati talase u rasponu od 0,32 - 32 mikrona.

Ali poluvodički laseri imaju i svoje nedostatke - slabu usmjerenost zračenja, što je povezano s njihovom malom veličinom; poteškoće u postizanju visoke monohromatnosti zračenja, što je zbog velike širine spektra spontane emisije pri radnim rekombinacionim prelazima.

Poluprovodnički laseri se koriste kada koherentnost i usmerenost talasnih procesa nisu posebno važni, ali su potrebne male dimenzije i visoka efikasnost lasera.

tečni laseri.

U tečnim laserima aktivni medij je tekućina. Važna karakteristika ovog lasera je mogućnost dobijanja velike energije i snage zračenja u impulsnim i kontinuiranim režimima rada, koristeći cirkulaciju tečnosti koja se koristi za njegovo hlađenje. Prvi tečni laseri radili su na rastvorima kelata retkih zemalja, koji se trenutno ne koriste u praksi zbog niske energije zračenja i nedovoljne hemijske otpornosti.

Trenutno su posebno česti tečni laseri koji rade na neorganskim aktivnim tekućinama ili otopinama organskih boja.

Tečni laseri na bazi neorganskih aktivnih tekućina karakteriziraju visoka impulsna energija pri značajnoj prosječnoj snazi ​​i zračenje sa uskim frekvencijskim spektrom.

Tečni laseri koji rade na rastvorima organskih boja mogu raditi u širokom rasponu zračenja. Široke spektralne linije luminiscencije organskih boja omogućavaju implementaciju tečnog lasera s kontinuiranim podešavanjem valnih dužina zračenja u rasponu od nekoliko stotina. Moguće je blokirati cijeli vidljivi spektar zračenja, pa čak i dio infracrvenog područja, samo zamjenom boje. Za pumpanje aktivnog medija u ovom tečnom laseru najčešće se koriste laseri u čvrstom stanju. Neke boje se mogu pumpati izlaganjem specijalnim gasnim blic lampama, sa kraćim intenzivnim bljeskovima bele boje od konvencionalnih bljeskalica.

solid state laseri.

Do danas je stvoreno mnogo različitih lasera u čvrstom stanju koji mogu raditi u impulsnom i kontinuiranom režimu zračenja.

Najčešći laseri od rubina i neodimijumskog stakla spadaju među najmoćnije pulsirajuće lasere.

Neodimijum laser može imati prilično veliku (do 100 cm dužine i 4-5 cm u prečniku) i optički ujednačenu šipku, koja može da generiše impuls za generisanje energije od 1000 J za ~ 10-3 sec. Neodimijumski laseri rade na talasnoj dužini l = 1,06 μm. Rubin laser može isporučiti ukupnu energiju impulsa od stotina J sa trajanjem impulsa od 10-3 sec. Ima mogućnost implementacije režima generisanja impulsa sa velikom stopom ponavljanja - do nekoliko kHz.

Kontinuirani laseri u čvrstom stanju su laseri sa kalcijum fluoritom dopiranim disprozijumom i itrijum-aluminijum granat laserima dopiranim raznim atomima retke zemlje. Jedan od trenutno najčešće korištenih lasera u čvrstom stanju je laser u kojem itrij-aluminij granat služi kao matrica, a neodimijum ioni služe kao aktivator. Laser ima relativno nizak prag pobude i visoku toplotnu provodljivost, što omogućava implementaciju generisanja sa velikom brzinom ponavljanja impulsa, kao i generisanje u kontinuiranom režimu, efikasnost lasera je relativno visoka. Većina CW lasera u čvrstom stanju radi u opsegu talasnih dužina ℓ od 1 do 3 µm. Snaga kontinuirane proizvodnje modernih lasera na YAG: Nd (laser na itrij-aluminij granatu sa neodimijumom) dostiže 0,5 - 2,0 kW i više. Elektrooptička efikasnost lasera u čvrstom stanju pomoću lampe pumpanja aktivnih elemenata je 1-3%.

Bez pretjerivanja, laser se može nazvati jednim od najvažnijih otkrića 20. stoljeća.

Šta je laser

razgovor jednostavnim rečima,laser - Ovo je uređaj koji stvara snažan uski snop svjetlosti. Naziv "laser" ( laser) nastaje dodavanjem prvih slova riječi koje čine engleski izraz l noć a umnožavanje by s simulirano e misija of r radijacije, što znači "pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom". Laser stvara svjetlosne zrake takve jačine da su u stanju spaliti rupe čak iu vrlo izdržljivim materijalima, trošeći samo djelić sekunde na to.

Obična svjetlost se rasipa iz izvora u različitim smjerovima. Za sklapanje u gredu koriste se razna optička sočiva ili konkavna ogledala. I iako takav svjetlosni snop može čak i zapaliti vatru, on energija se ne može porediti sa energijom laserskog snopa.

Princip rada lasera

AT fizičku osnovu laserski rad leži fenomen prisiljen, ili indukovano zračenje . Šta je njegova suština? Koja vrsta zračenja se zove stimulisana?

U stabilnom stanju, atom tvari ima najnižu energiju. Takvo stanje se smatra main , i svim ostalim državama uzbuđen . Ako uporedimo energiju ovih stanja, onda je u pobuđenom stanju prekomjerna u odnosu na osnovno stanje. Kada atom prijeđe iz pobuđenog u stabilno stanje, atom spontano emituje foton. Ovo elektromagnetno zračenje se naziva spontana emisija.

Ako se prijelaz iz pobuđenog stanja u stabilno stanje dogodi nasilno pod utjecajem vanjskog (inducirajućeg) fotona, tada nastaje novi foton čija je energija jednaka razlici u energijama prijelaznih razina. Takvo zračenje se naziva prisiljen .

Novi foton je "tačna kopija" fotona koji je izazvao emisiju. Ima istu energiju, frekvenciju i fazu. Međutim, atom ga ne apsorbira. Kao rezultat, već postoje dva fotona. Utječući na druge atome, uzrokuju daljnju pojavu novih fotona.

Novi foton emituje atom pod uticajem indukcionog fotona kada je atom u pobuđenom stanju. Atom u nepobuđenom stanju jednostavno će apsorbirati inducirajući foton. Dakle, da bi svjetlost bila pojačana, potrebno je da ima više pobuđenih atoma nego nepobuđenih. Takvo stanje se zove populaciona inverzija.

Kako laser radi

Dizajn lasera uključuje 3 elementa:

1. Izvor energije, koji se naziva mehanizam "pumpanja" lasera.

2. Radno tijelo lasera.

3. Sistem ogledala, ili optički rezonator.

Izvori energije mogu biti različiti: električni, termički, hemijski, svetlosni itd. Njihov zadatak je da „pumpaju” radno telo lasera energijom kako bi u njemu izazvali generisanje laserskog svetlosnog fluksa. Izvor energije se zove mehanizam"pumpanje" lasera . Možda jesu hemijska reakcija, drugi laser, blic lampa, električni razmak, itd.

radni fluid , ili laserski materijali , imenovati tvari koje obavljaju te funkcije aktivno okruženje. Iz radnog tijela potiče laserski snop. Kako se to dešava?

Na samom početku procesa radni fluid je u stanju termodinamičke ravnoteže, a većina atoma je u normalnom stanju. Da bi se izazvalo zračenje, potrebno je djelovati na atome tako da sistem prijeđe u stanje inverzije stanovništva. Ovaj zadatak obavlja mehanizam laserskog pumpanja. Čim se novi foton pojavi u jednom atomu, on će započeti proces proizvodnje fotona u drugim atomima. Ovaj proces će uskoro postati lavina. Svi proizvedeni fotoni imat će istu frekvenciju, a svjetlosni valovi će formirati svjetlosni snop ogromne snage.

Čvrste, tečne, gasovite i plazma supstance se koriste kao aktivni mediji u laserima. Na primjer, u prvom laseru, stvorenom 1960. godine, aktivni medij je bio rubin.

U njega se stavlja radni fluid optički rezonator . Najjednostavniji od njih sastoji se od dva paralelna ogledala, od kojih je jedno prozirno. Reflektira dio svjetlosti, a dio prenosi. Odbijajući se od ogledala, snop svjetlosti se vraća i pojačava. Ovaj proces se ponavlja mnogo puta. Na izlazu lasera, vrlo moćan svetlosni talas. U rezonatoru može biti više ogledala.

Osim toga, u laserima se koriste i drugi uređaji - ogledala koja mogu mijenjati ugao rotacije, filteri, modulatori itd. Uz njihovu pomoć možete mijenjati valnu dužinu, trajanje impulsa i druge parametre.

Kada je izumljen laser?

Godine 1964. laureati su postali ruski fizičari Aleksandar Mihajlovič Prohorov i Nikolaj Genadijevič Basov, kao i američki fizičar Charles Hard Towns. nobelova nagrada fizike, koja im je dodeljena za otkriće principa rada kvantnog generatora na amonijaku (mazer), koji su napravili nezavisno jedan od drugog.

Aleksandar Mihajlovič Prohorov

Nikolaj Genadijevič Basov

Mora se reći da je maser nastao 10 godina pre ovog događaja, 1954. godine. Emitovao je koherentne elektromagnetne talase u centimetarskom opsegu i postao prototip lasera.

Autor prvog funkcionalnog optičkog lasera je američki fizičar Theodore Maiman. 16. maja 1960. prvi put je primio crveni laserski snop od crvene rubin štapića. Talasna dužina ovog zračenja bila je 694 nanometra.

Theodor Maiman

Moderni laseri dolaze u različitim veličinama, od mikroskopskih poluvodičkih lasera do ogromnih neodimijumskih lasera veličine nogometnog igrališta.

Primena lasera

Nemoguće je zamisliti savremeni život bez lasera. Laserske tehnologije se koriste u raznim industrijama: nauci, tehnologiji, medicini.

U svakodnevnom životu koristimo laserske štampače. Prodavnice koriste laserske čitače bar kodova.

Uz pomoć laserskih zraka u industriji je moguće izvršiti površinsku obradu s najvećom preciznošću (rezanje, prskanje, legiranje itd.).

Laser je omogućio mjerenje udaljenosti do svemirski objekti tacno do centimetra.

Pojava lasera u medicini mnogo se promijenila.

Teško je zamisliti modernu hirurgiju bez laserskih skalpela, koji obezbeđuju najveći sterilitet i precizno režu tkivo. Uz njihovu pomoć izvode se gotovo beskrvne operacije. Uz pomoć laserskog snopa, žile tijela se čiste od kolesterolskih plakova. Laser ima široku primjenu u oftalmologiji, gdje se koristi za korekciju vida, liječenje odvajanja mrežnice, katarakte itd. Uz njegovu pomoć dolazi do drobljenja kamenca u bubregu. Neophodan je u neurohirurgiji, ortopediji, stomatologiji, kozmetologiji itd.

U vojnim poslovima koriste se laserski lokacijski i navigacijski sistemi.

Laser je jedan od najupečatljivijih i najkorisnijih izuma 20. stoljeća, koji je otvorio ogroman broj novih područja djelovanja za čovječanstvo.

Prije svega, hajde da shvatimo šta je laser?

Laserski snop je koherentan, jednobojan, polarizovan uski snop svetlosti. Govoreći ljudskim riječima, ovo znači sljedeće:

• Koherentan – to jest onaj gdje je frekvencija zračenja iz svih izvora sinhrona (ali morate razumjeti da je svjetlost elektromagnetni talas, koje emituju atomi i ima svoju frekvenciju).
• Monohromatski znači koncentrisan u uskom rasponu valnih dužina.
• Polarizirano - ima usmjereni vektor oscilacije elektromagnetnog polja (sama ova oscilacija je svjetlosni val).

Jednom riječju, ovo je snop svjetlosti koji emituju ne samo sinhroni izvori, već i u vrlo uskom rasponu, i usmjeren. Neka vrsta izuzetno koncentrisanog svetlosnog toka.

laserski uređaj.

Smisao iz samog fizički koncept bilo bi malo toga o laseru da ne znaju kako da ga stvore. Osnova uređaja je optički kvantni generator koji, koristeći električnu, hemijsku, termičku ili neku drugu energiju, proizvodi laserski snop. A proizvodi ga prisilnim ili, kako se kaže, induciranim zračenjem - odnosno kada atom u koji ulazi foton (čestica svjetlosti) ga ne apsorbira, već emituje drugi foton, koji je tačna kopija prvog (koherentan). Tako dolazi do pojačanja svjetlosti.

Laseri se obično sastoje iz tri dela:

• Izvor energije ili mehanizam za pumpanje;
• radno tijelo;
• Sistem ogledala ili optički rezonator.

Za šta je odgovoran svaki od ovih delova:

Izvor energije, što je očito iz naziva, opskrbljuje energijom potrebnom za rad uređaja. Za lasere se koriste različite vrste energije, u zavisnosti od toga šta se tačno koristi kao radni fluid. Takva početna energija, između ostalog, može biti još jedan izvor svjetlosti, kao i električno pražnjenje, kemijska reakcija itd. Ovdje treba napomenuti da je svjetlost prijenos energije, a foton nije samo čestica ili, drugim riječima, kvant svjetlosti, već i čestica energije.

radno tijelo je najvažnija komponenta lasera. To je samo tijelo u kojem postoje atomi koji emituju koherentne fotone. Da bi došlo do procesa emisije koherentnih fotona, radno tijelo se podvrgava pumpanju energije, što dovodi, grubo rečeno, do činjenice da je većina atoma koji čine radno tijelo prešla u pobuđeno energetsko stanje sa zajednički imenilac. U ovom stanju, prijelaz u obrnuto – osnovno – nepobuđeno stanje će se dogoditi ako foton prođe kroz atom, što po svojoj energiji odgovara razlici između ova dva stanja atoma. Dakle, pobuđeni atom, po prelasku u osnovno stanje, dodaje svoju tačnu kopiju fotonu koji "leti kroz njega".

Radni fluid je taj koji određuje sve najvažnije karakteristike lasera, kao što su snaga, domet itd. Odabir radnog fluida se vrši na osnovu razmatranja koje nam diktira ono što želimo da dobijemo od ovog lasera.

I, shodno tome, ovdje postoji mnogo opcija: sve agregatna stanja(gas, čvrsta, tečna pa čak i plazma), razni materijali, poluprovodnici se takođe koriste (na primer, u CD drajvovima).

Optički rezonator- ovo je običan sistem ogledala koji se nalazi oko radnog tijela, jer emituje svjetlost u svim smjerovima, a mi je trebamo skupiti u jedan uski snop. U tu svrhu služi optički rezonator.

Laser svugdje pronalazi primjenu, samo ako postoji dovoljno inženjeringa da se shvati kako primijeniti ovu tehnologiju u određenim slučajevima. Njima je mjesto i u medicini, i u industriji, i u svakodnevnom životu, iu vojnim poslovima, pa čak i za prenošenje informacija.

Laserski štampači pružiti više visoka kvaliteta nego inkjet štampači. Najpoznatije firme - programeri laserskih štampača su Hewlett-Packard, Lexmark.

Princip rada laserskog štampača zasniva se na metodi suvog elektrostatičkog prenosa slike, koju je izumeo C.F. Carlson 1939. godine i takođe implementiran u kopir aparatima. Funkcionalni dijagram laserskog štampača prikazan je na sl. 5.6. Glavni strukturni element je rotirajući bubanj, koji služi kao posredni medij kojim se slika prenosi na papir.

Rice. 5.6. Funkcionalni dijagram laserskog štampača

Drum je cilindar prekriven tankim slojem svjetlovodnog poluprovodnika. Obično se kao takav poluvodič koristi cink oksid ili selen. Statički naboj je ravnomjerno raspoređen po površini bubnja. To osigurava tanka žica ili mreža koja se naziva korona žica ili korona žica. Ova žica je napajana visokog napona, uzrokujući pojavu svijetleće jonizirane regije oko nje, nazvane korona.

laser, kontrolisan mikrokontrolerom, stvara tanak snop svjetlosti reflektiran od rotirajućeg ogledala. Slika se skenira na isti način kao u televizijskom kineskopu: pomicanjem zraka duž linije i okvira. Uz pomoć rotirajućeg ogledala, snop klizi duž cilindra, a njegova se svjetlina naglo mijenja: od punog svjetla do potpunog mraka, a cilindar se puni na isti stepenasti (tačkasti) način. Ovaj snop, došavši do bubnja, mijenja ga električni naboj na mestu kontakta. Veličina nabijene površine ovisi o fokusiranju laserskog snopa. Snop se fokusira pomoću sočiva. Znak dobrog fokusa je prisustvo jasnih ivica i uglova na slici. Kod nekih tipova štampača, tokom punjenja, potencijal površine bubnja se smanjuje sa 900 na 200 V. Tako se pojavljuje latentna kopija slike u obliku elektrostatičkog reljefa na bubnju, međunosaču.

U sljedećem koraku, bubanj slike je premazan toner- boja, koja je najsitnije čestice. Pod djelovanjem statičkog naboja, čestice se lako privlače na površinu bubnja na izloženim mjestima i formiraju sliku već u obliku reljefa boje.

Papir se izvlači iz ladice za punjenje i pomiče u bubanj pomoću sistema valjaka. Neposredno prije bubnja, kratko-ron daje statički naboj papiru. Papir tada dolazi u kontakt sa bubnjem i zbog svog naboja privlači čestice tonera koje su prethodno taložene na bubnju.

Za fiksiranje tonera papir se provlači između dva valjka sa temperaturom od oko 180"C. Nakon završetka procesa štampe, bubanj je potpuno ispražnjen, očišćen od suvišnih čestica koje su se prilepile na novi proces štampanja. Laserski štampač je stranicu po stranicu, odnosno formira celu stranicu za štampanje.

Proces rada laserskog štampača od trenutka prijema komande sa računara do izlaza štampanog lista može se podeliti u nekoliko međusobno povezanih faza, u kojima su uključene funkcionalne komponente štampača kao što je centralni procesor; procesor za skeniranje; Kontrolna ploča motora ogledala; pojačalo svjetline snopa; jedinica za kontrolu temperature; Kontrolna jedinica za uvlačenje listova; Kontrolna ploča za uvlačenje papira; Interfejs ploča; power unit; dugmad na kontrolnoj tabli i tabla sa indikacijama; dodatne kartice za proširenje RAM-a. U stvari, funkcionisanje laserskog štampača je slično računaru: ista centralna procesorska jedinica, na kojoj su koncentrisane glavne funkcije međusobnog povezivanja i upravljanja; RAM, gdje se nalaze podaci i fontovi, interfejs ploče i ploča kontrolne ploče koja komunicira štampač sa drugim uređajima, jedinica za štampanje koja šalje informacije na list papira.