Lazeris yra šviesos stiprinimo skatinamos spinduliuotės akronimas, kurį 1957 m. sukūrė Gordonas Gouldas. Nors ši pradinė reikšmė reiškia veikimo principą (naudojant sužadintų atomų ar jonų stimuliuojamą emisiją), šis terminas dabar dažniausiai vartojamas prietaisui, kuris generuoja šviesą lazerio principu. Visų pirma, paprastai kalbama apie lazerinius generatorius, bet kartais apima ir įrenginius su lazeriniais stiprintuvais.

Pirmasis lazerinis prietaisas buvo impulsinis rubino lazeris, kurį 1960 m. pademonstravo Theodoras Meimanas. Tais pačiais metais buvo sukurtas dujų lazeris (helio-neoninis lazeris) ir pirmasis lazerinis diodas. Prieš šį eksperimentinį darbą Arthuras Shavlovas, Charlesas Hard Townesas, Nikolajus Basovas ir Aleksandras Prochorovas paskelbė novatorišką teorinį darbą apie lazerių ir mikrobangų stiprintuvų veikimo principus. Generatorių (maser) sukūrė Towns grupė 1953 m. Iš pradžių buvo vartojamas terminas optinis mazeris (MASER = mikrobangų stiprinimas stimuliuojamu spinduliuotės stiprinimu), bet vėliau pakeistas į lazerį.

Lazerinė technologija yra platesnės fotonikos srities pagrindas, daugiausia todėl, kad lazerio šviesa turi keletą ypatingų savybių:

„Paprastai tai skleidžiama kaip lazerio spindulys, kuris gali nukeliauti didelius atstumus be didelių skirtumų ir gali būti sufokusuotas į labai mažas dėmes.

– Jis gali turėti labai siaurą optinį dažnių juostos plotį, o dauguma lempų skleidžia labai plataus optinio spektro šviesą.

– Jis gali būti skleidžiamas nepertraukiamai arba trumpų ar itin trumpų impulsų pavidalu, kurių trukmė nuo mikrosekundžių iki kelių femtosekundžių.

Dėl šių savybių lazerio spindulys yra labai įdomus įvairioms reikmėms aukštas laipsnis lazerio spinduliuotės tikslumas. Straipsniai apie lazerio šviesą ir lazerio taikymą pateikia išsamesnės informacijos.

Lazerių veikimo principas

Lazerio generatorius paprastai turi optinę ertmę (lazerio ertmę, lazerio ertmę), kurioje gali cirkuliuoti šviesa (pavyzdžiui, tarp dviejų veidrodžių), o per tą laiką stiprinančiąją terpę (pavyzdžiui, lazerio kristalą), kuri padeda sustiprinti šviesą. . Be aktyvios terpės cirkuliuojanti šviesa su kiekvienu rezonatoriaus ciklu vis silpnės, nes patiria tam tikrų nuostolių, pavyzdžiui, atsispindėjusi veidrodžiuose. Tačiau terpė gali sustiprinti cirkuliuojančią šviesą, taip kompensuodama nuostolius, jei stiprinimas yra pakankamai didelis. Terpės augimui reikalingas išorinis energijos šaltinis, tai turi būti siurbimas, pavyzdžiui, įpurškiant šviesą (optinis siurbimas) arba elektros srovė(elektrinis siurbimas – puslaidininkiniai lazeriai). Stimuliuojamos emisijos lazerinio stiprinimo principas.

1 pav. Lazerio struktūra

Lazeris negali veikti, jei siurbimas yra mažesnis už rezonatoriaus nuostolius; Vadinamasis lazerinio slenksčio įtaisas skleidžia tik šiek tiek liuminescencinės šviesos. Reikšminga išėjimo galia pasiekiama tik tada, kai siurblio galia viršija generavimo slenkstį, kai stiprinimas gali viršyti rezonatoriaus nuostolius.

Jei padidėjimas yra didesnis nei nuostolis, šviesos intensyvumas lazerio ertmėje sparčiai didėja, pradedant, pavyzdžiui, nuo žemo fluorescencijos šviesos lygio. Jei lazerio sodrumas padidinamas, lazerio galia bus įjungta pastovi būsena pasiekti tokį lygį, kad prisotinimas būtų tiesiog lygus rezonatoriaus praradimui (užspaudimo stiprinimas). Prieš pasiekdami šią pastovią būseną, lazeriai paprastai toleruoja kai kuriuos svyravimus. Slenkstinė siurblio galia yra siurblio galia, kai signalo stiprinimo pakanka generuoti.

Dalis rezonatoriuje cirkuliuojančios šviesos galios dažniausiai perduodama naudojant pusiau permatomą veidrodį, vadinamąjį veidrodinio išvesties įrenginį. Gautas spindulys yra naudingas lazerio signalas. Veidrodžio išvesties įrenginio transmisiją galima optimizuoti maksimaliai išvesties galiai.

Kai kurie lazeriai veikia nepertraukiamai, o kiti generuoja impulsus, kurie gali būti ypač intensyvūs. Yra įvairių impulsų generavimo lazeriais metodais, leidžiančiais gauti seriją impulsų, kurių trukmė yra mikrosekundės, nanosekundės, pikosekundės ar net kelios femtosekundės.

Lazerio optinis dažnių juostos plotis (arba dažnių juostos plotis) gali būti labai mažas, kai svyruoja tik vienas ertmės režimas (vieno dažnio veikimas). Kitais atvejais, ypač sinchronizuojant lazeriu, pralaidumas gali būti labai didelis – kraštutiniais atvejais jis gali užimti visą oktavą. Centrinis lazerio dažnis paprastai yra artimas didžiausio stiprinimo dažniui, tačiau jei rezonatoriaus nuostoliai priklauso nuo dažnio, lazerio bangos ilgį galima sureguliuoti diapazone, kuriame stiprinimas yra pakankamai prieinamas. Kai kurie plačiajuosčio ryšio stiprintuvai, pavyzdžiui, titano-safyro, leidžia nustatyti bangos ilgį šimtais nanometrų.

Dėl įvairių poveikių lazerių išvestyje visada yra tam tikras triukšmo kiekis dėl įvairių parametrų, tokių kaip išėjimo galia ar optinė fazė.

Lazerių tipai

Labiausiai paplitę lazerių tipai yra šie:

– puslaidininkiniai lazeriai (dažniausiai lazeriniai diodai), elektriniai (arba kartais optiniai), efektyviai generuoja labai didelę išvesties galią (bet paprastai prastos pluošto kokybės) arba mažą galią, pasižyminčią geromis erdvinėmis savybėmis (pvz., CD ir DVD programoms). impulsai (pvz., telekomunikacijų reikmėms) su labai dideliu impulsų pasikartojimo dažniu. Specialūs tipai apima kvantinius kaskadinius lazerius ir paviršių skleidžiančius puslaidininkinius lazerius, pastarieji taip pat tinka didelės galios impulsų generavimui.

– Kietojo kūno lazeriai, kurių pagrindą sudaro jonais legiruoti kristalai arba stiklai (legiruoti lazeriai), pumpuojami dujų išlydžio lempomis arba lazeriniais diodais, generuojantys dideles arba mažesnes išėjimo galias esant labai aukštai pluošto kokybei, spektriniam grynumui ir (arba) stabilumui (pvz., matymui). , arba ultratrumpus impulsus, kurių trukmė yra piko arba femtosekundės. Įprasti stiprintuvai yra Nd: YAG, Nd: YVO 4, Nd: YLF, Nd: stiklas, YAG: Yb, Yb: stiklas, titanas-safyras, Cr: YAG ir Cr: LiSAF. Specialus jonų legiruoto stiklo lazerių tipas:

– Skaiduliniai lazeriai, kurių pagrindą sudaro optiniai stiklo pluoštai, kurie terpėje yra legiruoti kai kuriais lazeriu aktyvių skaidulų jonais. Šviesolaidiniai lazeriai gali pasiekti itin didelę išėjimo galią (iki kilovatų) su aukšta pluošto kokybe, plačiu bangos ilgiu, siauru linijos pločiu ir kt.

– Dujiniai lazeriai (pvz., helio-neono lazeriai, CO 2 lazeriai ir argono jonų lazeriai) ir dujiniai eksimeriniai lazeriai, kurie paprastai sukelia elektros iškrovas. Dažniausiai naudojamos dujos yra CO 2 , argonas, kriptonas ir dujų mišiniai pavyzdžiui, helio-neono. Įprasti eksimerai yra ArF, KrF, XeF ir F 2 .

Mažiau paplitę yra cheminiai ir lazeriai su pumpuojamas branduolinis, laisvųjų elektronų lazeriai ir rentgeno lazeriai.

Lazeriniai šaltiniai platesne prasme

Yra keletas šviesos šaltinių, kurie nėra griežtai lazeriai, tačiau dažnai vadinami lazeriniais šaltiniais:

– Kai kuriais atvejais šis terminas vartojamas šviesą skleidžiantiems įtaisams stiprinti. Pavyzdys yra rentgeno lazeriai, kurie paprastai yra superliuminescenciniai šaltiniai, pagrįsti spinduliuote, o vėliau – vieno praėjimo stiprinimu. Lazerio rezonatoriaus nėra. Panaši situacija yra ir optiniams parametriniams generatoriams, kai stiprinimas nėra pagrįstas stimuliuojama emisija. Tokių prietaisų šviesa gali turėti panašių į lazerį savybių, pvz., stiprų pluošto kryptingumą ir ribotą optinį dažnių juostos plotį.

– Kitais atvejais terminas lazeriniai šaltiniai yra pateisinamas, nes šaltinyje, be kitų komponentų, yra lazeris. Tai taikoma lazerių ir stiprintuvų deriniams (osciliatoriaus galios stiprintuvui, taip pat šaltiniams, pagrįstiems netiesine lazerio dažnio keitimu, pavyzdžiui, su dažnio dubleriu arba optiniais parametriniais osciliatoriais).

Saugumo aspektai

Darbas su lazeriais gali sukelti svarbių saugos problemų. Kai kurie iš jų yra tiesiogiai susiję su lazerio spinduliuote, ypač dideliu optiniu intensyvumu, tačiau yra ir kitų pavojų, susijusių su lazerio šaltiniais. Žiūrėkite straipsnį apie lazerio saugą.

Bibliografija

1. A. L. Schawlow ir C. H. Townes, "Infraraudonieji ir optiniai mazeriai", Phys. Rev. 112(6), 1940 (1958) (novatoriškas darbas; taip pat yra garsioji Shawlow-Townes lygtis)
2. T.H. Maiman, Stimuliuota optinė emisija rubine, Priroda 187, 493 (1960) (pirmasis eksperimentinis lazerio demonstravimas)
3. T. H. Maiman, „Optinis maseris rubine“, min. Pagal ryšį. Elektronas. 7, 674 (1960)
4. P. P. Sorokinas ir M. J. Stevensonas, „Stimulated infrared emission from trivalent uran“, Phys. Gerbiamasis latvis. 5 (12), 557 (1960) (pirmasis keturių lygių lazeris)
5. A. Javanas, W. R. Bennettas jaunesnysis. ir D. R. Herriott, Maserio inversija ir nuolatinis optinis virpesys dujų išlydžio, kuriame yra helio-neono mišinio, Phys. Rev. Latvian 6 (3), 106 (1961)
6. G.Smithas“, Ankstyvieji metai lazeris Hughes Aircraft Company“, IEEE kvantinė elektronika. 20 (6), 577 (1984)
7. R. E. Slusher, „Lazerinės technologijos“, Rev Mod. Fizik. 71, S471 (1999)
8. L. Sutherland, Laser Video Documentary, www.laservideodocumentary.com
9. J. M. Gill, Lasers: A 40-Year Perspective", IEEE Quantum Electronics. 6 (6), 1111 (2000)
10. Ryški idėja: pirmieji lazeriai, Amerikos fizikos institutas (2010)
11. J. Hechtas“, Apsakymas lazerių kūrimas“, Opt. Eng. 49, 091002 (2010)
12. A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)
13. O. Svelto, Lazerių principai, Plenum Press, Niujorkas (1998)
14. F. Trager (red.), Lazerių ir optikos vadovas, Springer, Berlynas (2007)
15. R. Paschotta, Field Guide to Lasers, SPIE Press, Bellingham, WA (2007) p. 547.

Vienu reikšmingiausių praėjusio amžiaus išradimų galima laikyti lazerio išradimą, kuris dabar naudojamas beveik visose gyvenimo srityse. Žodis LASER buvo sudarytas iš angliškos frazės „light amplification by stimulated emission of radiation“ santrumpos – „light amplification by stimulated emission“.

Dar 1916 metais Albertas Einšteinas numatė atomų perėjimo iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnę galimybę veikiant išorinei įtakai. Su šiuo perėjimu išsiskiria tam tikras energijos kiekis, ir tokia spinduliuotė vadinama stimuliuojama. Stimuliuota emisija yra lazerių veikimo pagrindas.

Lazerio veikimo principas pagrįstas stimuliuojama šviesos fotonų emisija, kai jie yra veikiami išorės elektromagnetinis laukas.

Kaip žinoma iš mokyklos fizikos kurso, atomo sandara turi planetinį modelį (pagal Rutherfordą), pagal kurį neigiamai įkrauti elektronai sukasi aplink teigiamai įkrautą branduolį tam tikromis energetinėmis orbitomis – kaip planetos aplink saulę. Kiekviena orbita atitinka tam tikrą elektronų energijos vertę. Nesužadintoje būsenoje elektronai yra esant žemiems energijos lygiams, o tai yra dėl minimalaus energijos suvartojimo, ir gali sugerti tik į juos patekusią spinduliuotę. Veikiamas atomo spinduliuotės, jis gauna papildomą energijos dalį, kuri išprovokuoja elektronų (vieno ar kelių) perėjimą į aukštesnius atomo energijos lygius, tai yra, elektronas pereina į sužadinimo būseną. Energija absorbuojama griežtai apibrėžtomis porcijomis – kvantais. Susijaudinęs atomas vėl grįžta į ramybės būseną ir išskiria energijos perteklių, ją taip pat išspinduliuodamas griežtai apibrėžtomis dalimis. Tada elektronai grįžta į pradinį energijos lygį. Gauti šviesos kvantai arba fotonai turi energiją, lygią dviejų susijusių lygių energijų skirtumui. Taigi atsiranda stimuliuojama emisija.

Sužadintos būsenos atomas gali spinduliuoti energiją pats arba gali spinduliuoti ir veikiamas išorinės spinduliuotės. Būdinga tai, kad skleidžiamas kvantas ir spinduliavimą sukėlęs kvantas yra panašūs vienas į kitą. Ši charakteristika lemia, kad sukeltos (sukeltos) spinduliuotės bangos ilgis yra lygus bangai, sukėlusiai šią spinduliuotę. Iš viso indukuota emisija padidės, kai padidės elektronų, kurie peršoko į viršutinius energijos lygius, skaičiui.

Taip pat yra atvirkštinių atomų sistemų, kuriose elektronai yra sutelkti aukštesniuose energijos lygiuose. Tokiose atomų sistemose kvantų emisijos procesas dominuoja prieš absorbcijos procesą. Atvirkštinės atomų sistemos taip pat naudojamos optiniams kvantiniams generatoriams (lazeriams) projektuoti. Veiklioji medžiaga (terpė) dedama į optinį rezonatorių, susidedantį iš dviejų lygiagrečiai išdėstytų aukštos kokybės veidrodžių, kurie yra iš abiejų veikliosios medžiagos pusių. Išspinduliuojami kvantai, patekę į vidų ir pakartotinai atsispindėdami nuo veidrodžių, daug kartų perpjauna veikliąją medžiagą, taip sukeldami panašių kvantų atsiradimą per atomų emisiją, kur elektronai yra tolimose orbitose. Aktyvioji terpė gali būti iš įvairių medžiagų, bet kokios agregacijos būsenos, jos pasirinkimas priklauso nuo to, kokių charakteristikų reikalaujama iš lazerio. Būtent nuo aktyviosios terpės priklauso pagrindinės lazerių charakteristikos – galia ir diapazonas.

Lazerio efektas (lazerio generavimas) gali atsirasti tik tada, kai sužadintos būsenos atomų skaičius viršija atomų skaičių ramybės būsenoje. Tokių charakteristikų aplinką galima paruošti pumpuojant ją papildoma energija iš tam tikro išorinio šaltinio. Ši operacija vadinama siurbimu. Būtent nuo siurbimo metodo lazeriai skiriasi pagal tipą. Siurbimas gali būti atliekamas veikiant elektromagnetinei spinduliuotei, elektros srovei, elektros iškrovai, reliatyvistinių elektronų pluoštui, taip pat cheminei reakcijai. Naudojamos energijos rūšis priklauso nuo to, kokia aktyvioji (darbinė) terpė naudojama.

Remiantis visa tai, kas išdėstyta pirmiau, galima nustatyti tris pagrindines konstrukcijos dalis, kurias sudaro bet kuris lazeris:

1) Aktyvią darbo aplinką

2) Energijos šaltinis arba siurbimo sistema

3) Įrenginys skleidžiamai šviesai stiprinti - veidrodžių sistema (optinis rezonatorius)

Pagrindiniai lazerių tipai

Dujiniai lazeriai (CO2)

Dujų panaudojimas lazeryje kaip aktyvioji terpė turi labai svarbią savybę – tai didelis optinis tolygumas, tai yra, šviesos spindulys dujose yra išsklaidytas ir mažiausiai iškraipomas. Dujų pagrindu veikiantis lazeris pasižymi dideliu spinduliavimo kryptingumu ir monochromatiškumu, taip pat gali veikti nepertraukiamu režimu. Dujinio lazerio galią galima labai padidinti naudojant skirtingus sužadinimo būdus ir didinant dujų slėgį. Todėl šie lazeriai dažniausiai naudojami ten, kur reikalingas labai didelis spindulio kryptingumas ir monochromatiškumas. Pats pirmasis dujinis lazeris buvo sukurtas 1960 m., remiantis helio ir neono mišiniu, kuris išlieka labiausiai paplitęs iki šiol. Po to ir dar kuriama buvo sukurta daug įvairių dujinių lazerių, kuriuose naudojami neutralių jonų, atomų ir molekulių kvantiniai perėjimai įvairiuose šviesos pluošto spektro diapazonuose (nuo ultravioletinių iki infraraudonųjų ir net rentgeno spindulių).

Puslaidininkiniai lazeriai

Puslaidininkiniai lazeriai veikia matomajame ir infraraudonajame diapazone. Jie turi daugybę unikalių savybių, dėl kurių jie yra ypač vertingi praktikoje. Puslaidininkiniai injekciniai lazeriai pasižymi dideliu, beveik 100% efektyvumu elektros energiją paverčiant koherentine (stimuliuojama) spinduliuote; mažas inercijos laipsnis; gali dirbti nuolat; turi gana paprastą dizainą; turi galimybę sureguliuoti spinduliuotės bangos ilgį, taip pat daugybę puslaidininkių, kurie gali nuolat blokuoti bangas 0,32–32 mikronų diapazone.

Tačiau puslaidininkiniai lazeriai turi ir trūkumų – silpną spinduliuotės kryptingumą, kuris siejamas su jų mažu dydžiu; sunku gauti aukštą monochromatiškumą, kurį lemia didelis spontaniškos emisijos spektro plotis darbiniuose rekombinacijos perėjimuose.

Puslaidininkiniai lazeriai naudojami tada, kai banginių procesų koherentiškumas ir kryptingumas nėra itin svarbūs, tačiau reikalingi nedideli lazerio matmenys ir didelis efektyvumas.

skysti lazeriai.

Skystuose lazeriuose aktyvioji terpė yra skysta. Svarbi šio lazerio charakteristika yra galimybė gauti didelę energijos ir spinduliuotės galią impulsiniu ir nepertraukiamu veikimo režimu, naudojant jam aušinti naudojamo skysčio cirkuliaciją. Pirmieji skystieji lazeriai veikė su retųjų žemių chelatų tirpalais, šiuo metu praktiškai nenaudojami dėl mažos spinduliuotės energijos ir nepakankamo cheminio atsparumo.

Šiuo metu ypač paplitę skystieji lazeriai, veikiantys neorganinius aktyvius skysčius ar organinių dažiklių tirpalus.

Skystieji lazeriai, kurių pagrindą sudaro neorganiniai aktyvūs skysčiai, pasižymi didele impulsine energija esant reikšmingai vidutinei galiai ir siauro dažnių spektro spinduliuotei.

Skystieji lazeriai, veikiantys organinių dažiklių tirpalais, gali veikti esant įvairiems spinduliuotės diapazonams. Plačios organinių dažų liuminescencijos spektrinės linijos leidžia įdiegti skystąjį lazerį su nuolatiniu spinduliuotės bangų ilgių derinimu kelių šimtų intervale. Vien pakeitus dažus galima blokuoti visą matomą spinduliuotės spektrą ir net dalį infraraudonųjų spindulių srities. Norint pumpuoti aktyviąją terpę šiame skystame lazeryje, dažniausiai naudojami kietojo kūno lazeriai. Kai kuriuos dažus galima pripumpuoti veikiant juos specialiomis dujinės šviesos blykstės lemputėmis, kurių baltos spalvos blyksniai yra trumpesni nei įprastos blykstės lempos.

kietojo kūno lazeriai.

Iki šiol sukurta daug įvairių kietojo kūno lazerių, galinčių veikti tiek impulsiniu, tiek nuolatinės spinduliuotės režimu.

Labiausiai paplitę rubino ir neodimio stiklo lazeriai yra vieni iš galingiausių impulsinių lazerių.

Neodimio lazeris gali turėti gana didelį (iki 100 cm ilgio ir 4–5 cm skersmens) ir optiškai vienodą strypą, kuris gali generuoti 1000 J energijos generavimo impulsą per ~ 10–3 sek. Neodimio lazeriai veikia esant bangos ilgiui l = 1,06 μm. Rubino lazeris gali perduoti bendrą šimtų J impulsų energiją, o impulso trukmė yra 10-3 sek. Jis turi galimybę įdiegti impulsų generavimo režimą su dideliu pasikartojimo dažniu - iki kelių kHz.

Nepertraukiamieji kietojo kūno lazeriai yra kalcio fluorito lazeriai, legiruoti disproziu ir itrio-aliuminio granato lazeriai, legiruoti įvairiais retųjų žemių atomais. Šiuo metu vienas plačiausiai naudojamų kietojo kūno lazerių yra lazeris, kuriame itrio-aliuminio granatas tarnauja kaip matrica, o neodimio jonai – kaip aktyvatorius. Lazeris turi santykinai žemą sužadinimo slenkstį ir aukštą šilumos laidumą, todėl galima įgyvendinti generavimą dideliu impulsų pasikartojimo dažniu, taip pat generuoti nepertraukiamu režimu, lazerio efektyvumas yra gana didelis. Dauguma CW kietojo kūno lazerių veikia ℓ bangos ilgių diapazone nuo 1 iki 3 µm. Šiuolaikinių YAG: Nd (lazeris ant itrio-aliuminio granato su neodimiu) nuolatinio generavimo galia siekia 0,5 - 2,0 kW ir daugiau. Kietojo kūno lazerių, naudojančių lempinį aktyvių elementų siurbimą, elektrooptinis efektyvumas yra 1-3%.

Neperdėdami lazerį galima vadinti vienu svarbiausių XX amžiaus atradimų.

Kas yra lazeris

kalbantis paprastais žodžiais,lazeris – Tai įrenginys, sukuriantis galingą siaurą šviesos spindulį. Pavadinimas "lazeris" ( lazeris) sudaromas pridedant pirmąsias žodžių, kuriuos sudaro, raides Angliška išraiška l naktis a pastiprinimas pateikė s imituojamas e misija apie r radiacija, tai reiškia "Šviesos stiprinimas stimuliuojama spinduliuote". Lazeris sukuria tokio stiprumo šviesos pluoštus, kad gali išdeginti skyles net labai patvariose medžiagose, tam sugaišdamas tik sekundės dalį.

Įprasta šviesa išsklaido iš šaltinio įvairiomis kryptimis. Norėdami jį surinkti į spindulį, naudojami įvairūs optiniai lęšiai arba įgaubti veidrodžiai. Ir nors toks šviesos spindulys gali net įžiebti ugnį, tai energijos negalima lyginti su lazerio spindulio energija.

Lazerio veikimo principas

AT fizinis pagrindas lazerio darbo melas fenomenas priverstas, arba sukeltas, spinduliavimas . Kokia jo esmė? Kokia spinduliuotė vadinama stimuliuojama?

Stabilioje būsenoje medžiagos atomas turi mažiausią energiją. Tokia būsena laikoma pagrindinis , ir visos kitos valstybės susijaudinęs . Jei palyginsime šių būsenų energiją, tai sužadintoje būsenoje ji yra per didelė, palyginti su pagrindine. Kai atomas iš sužadintos būsenos pereina į stabilią, atomas spontaniškai išskiria fotoną. Ši elektromagnetinė spinduliuotė vadinama spontaniška emisija.

Jei perėjimas iš sužadintos būsenos į stabilią įvyksta priverstinai veikiant išoriniam (indukuojančiam) fotonui, tada susidaro naujas fotonas, kurio energija lygi pereinamųjų lygių energijų skirtumui. Toks spinduliavimas vadinamas priverstas .

Naujasis fotonas yra „tiksli kopija“ fotono, kuris sukėlė emisiją. Jis turi tą pačią energiją, dažnį ir fazę. Tačiau atomas jo nesugeria. Dėl to jau yra du fotonai. Darydami įtaką kitiems atomams, jie sukelia tolesnį naujų fotonų atsiradimą.

Naują fotoną išspinduliuoja atomas, veikiamas indukuojančio fotono, kai atomas yra sužadintos. Nesužadintos būsenos atomas tiesiog sugers indukuojantį fotoną. Todėl, kad šviesa būtų sustiprinta, būtina, kad sužadintų atomų būtų daugiau nei nesužadintų. Tokia būsena vadinama gyventojų inversija.

Kaip veikia lazeris

Lazerio dizainą sudaro 3 elementai:

1. Energijos šaltinis, vadinamas lazerio „siurbimo“ mechanizmu.

2. Darbinis lazerio korpusas.

3. Veidrodžių sistema arba optinis rezonatorius.

Energijos šaltiniai gali būti skirtingi: elektros, šiluminės, cheminės, šviesos ir kt. Jų užduotis – „perpumpuoti“ lazerio darbinį korpusą energija, kad jame susidarytų lazerio šviesos srautas. Energijos šaltinis vadinamas mechanizmas„siurbiant“ lazerį . Jie gali būti cheminė reakcija, kitas lazeris, blykstės lempa, elektrinis kibirkšties tarpas ir kt.

darbinis kūnas , arba lazerinės medžiagos , įvardykite funkcijas atliekančias medžiagas aktyvią aplinką. Būtent darbiniame korpuse atsiranda lazerio spindulys. Kaip tai atsitinka?

Pačioje proceso pradžioje darbinis skystis yra termodinaminės pusiausvyros būsenoje, o dauguma atomų yra normalios būsenos. Norint sukelti spinduliuotę, reikia veikti atomus taip, kad sistema pereitų į būseną gyventojų inversijos. Šią užduotį atlieka lazerinis siurbimo mechanizmas. Kai tik viename atome pasirodys naujas fotonas, jis pradės fotonų gamybos procesą kituose atomuose. Šis procesas greitai virs lavina. Visi pagaminti fotonai turės tą patį dažnį, o šviesos bangos sudarys didžiulės galios šviesos spindulį.

Kietos, skystos, dujinės ir plazminės medžiagos naudojamos kaip aktyvioji lazerių terpė. Pavyzdžiui, pirmame lazeryje, sukurtame 1960 m., aktyvioji terpė buvo rubinas.

Įpilamas darbinis skystis optinis rezonatorius . Paprasčiausias iš jų susideda iš dviejų lygiagrečių veidrodžių, iš kurių vienas yra permatomas. Dalį šviesos jis atspindi ir dalį praleidžia. Atsispindėdamas nuo veidrodžių šviesos spindulys grįžta atgal ir sustiprėja. Šis procesas kartojamas daug kartų. Lazerio išvestyje yra labai galingas šviesos banga. Rezonatoriuje gali būti daugiau veidrodžių.

Be to, lazeriuose naudojami ir kiti prietaisai – veidrodžiai, galintys keisti sukimosi kampą, filtrai, moduliatoriai ir kt.. Jų pagalba galima keisti bangos ilgį, impulso trukmę, kitus parametrus.

Kada buvo išrastas lazeris?

1964 m. laureatais tapo rusų fizikai Aleksandras Michailovičius Prochorovas ir Nikolajus Genadjevičius Basovas, taip pat amerikiečių fizikas Charlesas Hard Townsas. Nobelio premija fizikoje, kuri jiems buvo įteikta už kvantinio generatoriaus veikimo principo atradimą ant amoniako (mazerio), kurį jie padarė nepriklausomai vienas nuo kito.

Aleksandras Michailovičius Prokhorovas

Nikolajus Genadjevičius Basovas

Reikia pasakyti, kad maseris buvo sukurtas likus 10 metų iki šio įvykio, 1954 metais. Jis skleidė koherentines elektromagnetines bangas centimetrų diapazone ir tapo lazerio prototipu.

Pirmojo veikiančio optinio lazerio autorius yra amerikiečių fizikas Teodoras Maimanas. 1960 m. gegužės 16 d. jis pirmą kartą gavo raudoną lazerio spindulį iš raudono rubino strypo. Šios spinduliuotės bangos ilgis buvo 694 nanometrai.

Teodoras Maimanas

Šiuolaikiniai lazeriai būna įvairių dydžių – nuo ​​mikroskopinių puslaidininkinių lazerių iki didžiulių futbolo aikštės dydžio neodimio lazerių.

Lazerių taikymas

Neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinio gyvenimo be lazerių. Lazerių technologijos naudojamos įvairiose pramonės šakose: mokslo, technologijų, medicinos.

Kasdieniame gyvenime naudojame lazerinius spausdintuvus. Parduotuvėse naudojami lazeriniai brūkšninių kodų skaitytuvai.

Lazerio spindulių pagalba pramonėje galima atlikti paviršiaus apdorojimą didžiausiu tikslumu (pjovimas, purškimas, legiravimas ir kt.).

Lazeris leido išmatuoti atstumą iki kosminiai objektai centimetro tikslumu.

Lazerių atsiradimas medicinoje labai pasikeitė.

Sunku įsivaizduoti šiuolaikinę chirurgiją be lazerinių skalpelių, kurie užtikrina didžiausią sterilumą ir tiksliai pjauna audinius. Su jų pagalba atliekamos beveik be kraujo operacijos. Lazerio spindulio pagalba kūno kraujagyslės išvalomos nuo cholesterolio plokštelių. Lazeris plačiai naudojamas oftalmologijoje, kur juo koreguojamas regėjimas, gydomi tinklainės atšokimai, katarakta ir kt.. Jo pagalba smulkinami inkstų akmenys. Jis yra būtinas neurochirurgijoje, ortopedijoje, odontologijoje, kosmetologijoje ir kt.

Kariniuose reikaluose naudojamos lazerinės vietos nustatymo ir navigacijos sistemos.

Lazeris yra vienas ryškiausių ir naudingiausių XX amžiaus išradimų, atvėrusių žmonijai daugybę naujų veiklos sričių.

Pirmiausia išsiaiškinkime, kas yra lazeris?

Lazerio spindulys yra nuoseklus, monochrominis, poliarizuotas siauras šviesos spindulys. Žmogiškai kalbant, tai reiškia:

• koherentinis - tai yra toks, kuriame visų šaltinių spinduliuotės dažnis yra sinchroninis (tačiau jūs turite suprasti, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, skleidžiamas atomų ir turintis savo dažnį).
• Vienspalvis reiškia sutelktą siaurame bangos ilgių diapazone.
• Poliarizuotas - turintis nukreiptą elektromagnetinio lauko virpesių vektorių (pats šis svyravimas yra šviesos banga).

Žodžiu, tai šviesos spindulys, skleidžiamas ne tik sinchroninių šaltinių, bet ir labai siaurame diapazone, bei nukreiptas. Itin koncentruotas šviesos srautas.

lazerinis prietaisas.

Jausmas iš pat pradžių fizinė koncepcija būtų mažai apie lazerį, jei jie nežinotų, kaip jį sukurti. Prietaiso pagrindas – optinis kvantinis generatorius, kuris, naudodamas elektros, cheminę, šiluminę ar kokią kitą energiją, sukuria lazerio spindulį. Ir jis gamina jį per priverstinę arba, kaip sakoma, indukuotą spinduliuotę - tai yra, kai atomas, į kurį patenka fotonas (šviesos dalelė), jo nesugeria, o išspinduliuoja kitą fotoną, kuris yra tiksli pirmojo fotono kopija. (nuoseklus). Taigi atsiranda šviesos stiprinimas.

Lazeriai paprastai susideda iš trijų dalių:

• Energijos šaltinis arba siurbimo mechanizmas;
• darbo organas;
• Veidrodinė sistema arba optinis rezonatorius.

Už ką atsakinga kiekviena iš šių dalių:

Energijos šaltinis, kas akivaizdu iš pavadinimo, tiekia įrenginio veikimui reikalingą energiją. Lazeriams naudojama įvairių rūšių energija, priklausomai nuo to, kas tiksliai naudojama kaip darbinis skystis. Tokia pradinė energija, be kita ko, gali būti kitas šviesos šaltinis, taip pat elektros iškrova, cheminė reakcija ir kt. Čia reikia paminėti, kad šviesa yra energijos perdavimas, o fotonas yra ne tik dalelė arba, kitaip tariant, šviesos kvantas, bet ir energijos dalelė.

darbinis kūnas yra svarbiausias lazerio komponentas. Tai taip pat yra kūnas, kuriame yra atomų, skleidžiančių koherentinius fotonus. Kad įvyktų koherentinių fotonų emisijos procesas, darbinis kūnas yra veikiamas energijos siurbimo, o tai, grubiai tariant, lemia tai, kad dauguma atomų, sudarančių darbinį kūną, perėjo į sužadintos energijos būseną. bendras vardiklis. Šioje būsenoje perėjimas į atvirkštinę – pagrindinę – nesužadintą būseną įvyks, jei per atomą praeis fotonas, savo energija atitinkantis skirtumą tarp šių dviejų atomo būsenų. Taigi, sužadintas atomas, pereidamas į pagrindinę būseną, prideda tikslią savo kopiją prie „per jį skrendančio“ fotono.

Būtent darbinis skystis lemia visas svarbiausias lazerio charakteristikas, tokias kaip galia, nuotolis ir kt. Darbinis skystis pasirenkamas atsižvelgiant į tai, ką norime gauti iš šio lazerio.

Ir, atitinkamai, čia yra daugybė variantų: visi agregatinės būsenos(dujiniai, kietieji, skystieji ir net plazminiai), taip pat naudojamos įvairios medžiagos, puslaidininkiai (pavyzdžiui, kompaktinių diskų įrenginiuose).

Optinis rezonatorius- tai įprasta veidrodžių sistema, esanti aplink darbinį korpusą, nes ji skleidžia šviesą visomis kryptimis, o ją reikia surinkti į vieną siaurą spindulį. Šiuo tikslu naudojamas optinis rezonatorius.

Lazeris pritaikomas visur, jei tik yra pakankamai inžinerijos, kad išsiaiškintumėte, kaip pritaikyti šią technologiją tam tikrais atvejais. Jie turi vietą ir medicinoje, ir pramonėje, ir kasdieniame gyvenime, ir kariniuose reikaluose, ir netgi informacijos perdavimui.

Lazeriniai spausdintuvai suteikti daugiau aukštos kokybės nei rašaliniai spausdintuvai. Garsiausios firmos – lazerinių spausdintuvų kūrėjos yra Hewlett-Packard, Lexmark.

Lazerinio spausdintuvo veikimo principas pagrįstas sauso elektrostatinio vaizdo perdavimo metodu, kurį 1939 metais išrado C.F.Carlson, kuris taip pat įdiegtas kopijuokliuose. Lazerinio spausdintuvo funkcinė schema parodyta fig. 5.6. Pagrindinis konstrukcijos elementas yra besisukantis būgnas, kuri tarnauja kaip tarpinė terpė, su kuria vaizdas perkeliamas į popierių.

Ryžiai. 5.6. Lazerinio spausdintuvo funkcinė schema

Būgnas yra cilindras, padengtas plona šviesai laidžio puslaidininkio plėvele. Paprastai kaip toks puslaidininkis naudojamas cinko oksidas arba selenas. Statinis krūvis tolygiai paskirstomas būgno paviršiuje. Tai užtikrina plona viela arba tinklelis, vadinamas vainikine viela arba vainikine viela. Ši viela tiekiama aukštos įtampos, todėl aplinkui atsiranda šviečianti jonizuota sritis, vadinama vainika.

lazeris, valdomas mikrovaldikliu, sukuria ploną šviesos spindulį, atsispindintį nuo besisukančio veidrodžio. Vaizdas nuskaitomas taip pat, kaip ir televizijos kineskopu: perkeliant spindulį išilgai linijos ir kadro. Besisukančio veidrodžio pagalba spindulys slysta palei cilindrą, o jo ryškumas staigiai keičiasi: nuo pilnos šviesos iki visiškos tamsos, o cilindras įkraunamas tokiu pat laipsnišku (taškiniu) būdu. Šis spindulys, pasiekęs būgną, jį pakeičia elektros krūvis sąlyčio taške. Įkraunamo ploto dydis priklauso nuo lazerio spindulio fokusavimo. Spindulys sufokusuojamas naudojant objektyvą. Gero fokusavimo požymis yra aiškūs vaizdo kraštai ir kampai. Kai kurių tipų spausdintuvams įkrovimo metu būgno paviršiaus potencialas sumažėja nuo 900 iki 200 V. Taigi latentinė vaizdo kopija atsiranda elektrostatinio reljefo pavidalu ant būgno – tarpinio nešiklio.

Kitame žingsnyje vaizdo būgnas padengiamas tonerio- dažai, kurių dalelės yra mažiausios. Veikiant statiniam krūviui, atvirose vietose dalelės lengvai pritraukiamos prie būgno paviršiaus ir susidaro vaizdas jau dažų reljefo pavidalu.

Popierius ištraukiamas iš tiekimo dėklo ir ritinėlių sistemos pagalba perkeliamas į būgną. Prieš pat būgną trumpasis jungiklis suteikia popieriui statinį krūvį. Tada popierius liečiasi su būgnu ir dėl savo krūvio pritraukia dažų daleles, anksčiau nusėdusias ant būgno.

Dažams pritvirtinti tarp dviejų ritinėlių praleidžiamas popierius, kurio temperatūra yra apie 180 "C. Pasibaigus spausdinimo procesui, būgnas visiškai iškraunamas, išvalomas nuo perteklinių dalelių, prilipusių prie naujo spausdinimo proceso. Lazerinis spausdintuvas puslapis po puslapio, t.y. suformuoja visą puslapį spausdinimui.

Lazerinio spausdintuvo veikimo procesą nuo komandos gavimo iš kompiuterio iki atspausdinto lapo išvedimo galima suskirstyti į kelis tarpusavyje susijusius etapus, kurių metu dalyvauja tokie funkciniai spausdintuvo komponentai kaip centrinis procesorius; nuskaitymo procesorius; veidrodžio variklio valdymo plokštė; spindulio ryškumo stiprintuvas; temperatūros valdymo blokas; lapų padavimo valdymo blokas; popieriaus padavimo valdymo plokštė; sąsajos plokštė; energijos vienetas; valdymo pulto mygtukai ir indikacijų lenta; papildomos RAM išplėtimo kortelės. Tiesą sakant, lazerinio spausdintuvo veikimas panašus į kompiuterio: tas pats centrinis procesorius, kuriame sutelktos pagrindinės sujungimo ir valdymo funkcijos; RAM, kurioje yra duomenys ir šriftai, sąsajos plokštės ir valdymo skydelio plokštė, kuri palaiko ryšį tarp spausdintuvo su kitais įrenginiais, spausdinimo blokas, kuris informaciją išveda į popieriaus lapą.