Laser este un acronim pentru amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații, inventat în 1957 de Gordon Gould. Deși acest sens inițial se referă la principiul de funcționare (exploatarea emisiei stimulate de la atomii sau ionii excitați), acest termen este acum folosit în principal pentru un dispozitiv care generează lumină pe baza principiului laserului. În special, unul înseamnă de obicei generatoare laser, dar uneori include și dispozitive cu amplificatoare laser.

Primul dispozitiv laser a fost un laser rubin pulsat, demonstrat de Theodor Meiman în 1960. În același an, au fost create un laser cu gaz (laser cu heliu-neon) și prima diodă laser. Înainte de această lucrare experimentală, Arthur Shavlov, Charles Hard Townes, Nikolai Basov și Alexander Prokhorov au publicat lucrări teoretice inovatoare despre principiile de funcționare a laserelor și a amplificatoarelor cu microunde. Generatorul (maser) a fost dezvoltat de grupul Towns în 1953. Termenul maser optic (MASER=amplificare cu microunde prin amplificarea stimulată a radiației) a fost folosit inițial, dar ulterior a fost schimbat în laser.

Tehnologia laser stă la baza câmpului mai larg al fotonicii, în principal pentru că lumina laser are o serie de proprietăți speciale:

„Acest lucru este de obicei emis ca un fascicul laser, care poate călători pe distanțe lungi fără prea multe divergențe și poate fi focalizat în locuri foarte mici.

– Poate avea o lățime de bandă optică foarte îngustă, în timp ce majoritatea lămpilor emit lumină cu un spectru optic foarte larg.

– Poate fi emis continuu sau sub formă de impulsuri scurte sau ultrascurte cu o durată de la microsecunde la câteva femtosecunde.

Aceste proprietăți fac ca fasciculul laser să fie foarte interesant pentru o gamă largă de aplicații datorită grad înalt acuratețea radiației laser. Articolele despre lumina laser și aplicațiile laser oferă informații mai detaliate.

Principiul de funcționare a laserelor

Un generator laser include de obicei o cavitate optică (cavitate laser, cavitate laser) în care lumina poate circula (de exemplu, între două oglinzi), iar în acest timp un mediu de amplificare (de exemplu, un cristal laser) care servește la amplificarea luminii. . Fără un mediu activ, lumina care circulă va deveni din ce în ce mai slabă cu fiecare ciclu al rezonatorului, deoarece suferă o anumită pierdere, de exemplu atunci când este reflectată pe oglinzi. Cu toate acestea, mediul poate amplifica lumina care circulă, compensând astfel pierderea dacă câștigul este suficient de mare. Creșterea mediului necesită o sursă externă de energie, aceasta trebuie să fie pomparea, de exemplu, prin injecție luminoasă (pompare optică) sau curent electric(pompare electrică - lasere semiconductoare). Principiul amplificării cu laser a emisiei stimulate.

Figura 1 - Structura laserului

Laserul nu poate funcționa dacă pomparea este mai mică decât pierderile rezonatorului; Așa-numitul dispozitiv de prag cu laser emite doar puțină lumină de luminiscență. Puterea de ieșire semnificativă este obținută numai pentru puterile pompei peste pragul de generare, unde câștigul poate depăși pierderile rezonatorului.

Dacă câștigul este mai mare decât pierderea, intensitatea luminii din cavitatea laserului crește rapid, pornind de la un nivel scăzut de lumină din fluorescență, de exemplu. Dacă saturația laserului este crescută, atunci puterea laserului va intra stare echilibrată atinge un nivel astfel încât saturația să fie pur și simplu egală cu pierderea rezonatorului (câștig de prindere). Înainte de a ajunge la această stare de echilibru, laserele tolerează de obicei unele fluctuații. Puterea de prag a pompei este puterea pompei în care câștigul semnalului este suficient pentru a fi generat.

O parte din puterea luminii care circulă în rezonator este de obicei transmisă folosind o oglindă semi-transparentă, așa-numitul dispozitiv de ieșire a oglinzii. Fasciculul rezultat este un semnal laser util. Transmisia dispozitivului de ieșire a oglinzii poate fi optimizată pentru putere maximă de ieșire.

Unele lasere funcționează în stare continuă, în timp ce altele generează impulsuri care pot fi deosebit de intense. Există diverse metode de generare a impulsurilor cu lasere, permițând o serie de impulsuri cu durate de microsecunde, nanosecunde, picosecunde sau chiar câteva femtosecunde.

Lățimea de bandă optică (sau lățimea de bandă) a unui laser poate fi foarte mică atunci când doar un mod de cavitate oscilează (funcționare cu o singură frecvență). În alte cazuri, în special pentru sincronizarea cu laser, lățimea de bandă poate fi foarte mare - în cazuri extreme poate ocupa o octavă întreagă. Frecvența centrală a laserului este de obicei aproape de frecvența câștigului maxim, dar dacă pierderea rezonatorului este dependentă de frecvență, lungimea de undă laser poate fi reglată într-un interval în care câștigul este suficient de accesibil. Unele amplificări în bandă largă, cum ar fi cele din titan-safir, permit reglarea lungimii de undă cu sute de nanometri.

Datorită diferitelor influențe, ieșirea laserelor conține întotdeauna o anumită cantitate de zgomot pe diferiți parametri, cum ar fi puterea de ieșire sau faza optică.

Tipuri de lasere

Cele mai comune tipuri de lasere sunt:

– Laserele semiconductoare (în mare parte diode laser), electrice (sau uneori optice), generează eficient puteri de ieșire foarte mari (dar de obicei cu o calitate slabă a fasciculului) sau puteri scăzute cu proprietăți spațiale bune (de exemplu, pentru aplicații CD și DVD). impulsuri (de exemplu, pentru aplicații de telecomunicații) cu rate foarte mari de repetare a impulsurilor. Printre tipurile speciale se numără laserele cuantice în cascadă și laserele semiconductoare cu emisie de suprafață, acestea din urmă potrivite și pentru generarea de impulsuri de mare putere.

– Laseruri cu stare solidă bazate pe cristale sau pahare dopate cu ioni (lasere dopate), pompate de lămpi cu descărcare în gaz sau diode laser, care generează puteri de ieșire mari sau mai mici, cu o calitate a fasciculului foarte înaltă, puritate spectrală și/sau stabilitate (de exemplu, pentru ochire) , sau impulsuri ultrascurte cu durate de pico- sau femtosecundă. Amplificatoarele comune sunt Nd: YAG, Nd: YVO 4, Nd: YLF, Nd: sticlă, YAG: Yb, Yb: sticlă, titan-safir, Cr: YAG și Cr: LiSAF. Un tip special de lasere din sticlă dopate cu ioni:

– Laseruri cu fibre bazate pe fibre optice de sticla, care sunt dopate cu niste ioni de fibre laser-active in mediu. Laserele cu fibră pot obține o putere de ieșire extrem de mare (până la kilowați) cu o calitate ridicată a fasciculului, lungime de undă largă, lățime de linie îngustă etc.

– Lasere cu gaz (de exemplu, lasere cu heliu-neon, lasere cu CO 2 și lasere cu ioni de argon) și lasere cu excimeri pe bază de gaz, care induc de obicei descărcări electrice. Gazele utilizate în mod obișnuit includ CO 2 , argon, cripton și amestecuri de gaze precum heliu-neon. Excimerii obișnuiți sunt ArF, KrF, XeF și F2.

Mai puțin frecvente sunt chimicale și laserele cu nuclear pompat, lasere cu electroni liberi și lasere cu raze X.

Surse de laser într-un sens mai larg

Există câteva surse de lumină care nu sunt strict lasere, dar adesea denumite surse laser:

– În unele cazuri, acest termen este folosit pentru dispozitivele de amplificare care emit lumină. Un exemplu sunt laserele cu raze X, care sunt de obicei surse superluminiscente bazate pe radiație urmată de amplificare cu o singură trecere. Nu există rezonator laser. O situație similară apare și pentru generatoarele optice parametrice, unde câștigul nu se bazează pe emisia stimulată. Lumina de la astfel de dispozitive poate avea proprietăți asemănătoare laserului, cum ar fi directivitate puternică a fasciculului și lățime de bandă optică limitată.

– În alte cazuri, termenul surse laser este justificat deoarece sursa conține, printre alte componente, un laser. Acesta este cazul combinațiilor de lasere și amplificatoare (amplificator de putere oscilator, precum și pentru sursele bazate pe conversie de frecvență laser neliniară, de exemplu cu un dublator de frecvență sau oscilatoare parametrice optice.

Aspecte de securitate

Lucrul cu lasere poate ridica probleme importante de siguranță. Unele dintre acestea sunt direct legate de radiația laser, în special de intensitatea optică mare, dar există și alte pericole asociate cu sursele laser. Vezi articolul despre siguranța laserului.

Bibliografie

1. A. L. Schawlow și C. H. Townes, „Maserele infraroșii și optice”, Phys. Rev. 112(6), 1940 (1958) (lucrare revoluționară; conține și celebra ecuație Shawlow-Townes)
2. T.H. Maiman, Emisia optică stimulată într-un rubin, Priroda 187, 493 (1960) (prima demonstrație experimentală a unui laser)
3. T. H. Maiman, „Un maser optic în rubin”, min. Prin conexiune. Electron. 7, 674 (1960)
4. P. P. Sorokin și M. J. Stevenson, „Emisia infraroșu stimulată din uraniu trivalent”, Phys. venerabil leton. 5 (12), 557 (1960) (primul laser patru niveluri)
5. A. Javan, W. R. Bennett Jr. și D. R. Herriott, Inversion and continuous optical oscillation of a maser in a gas discharge containing a mixture of helium-neon, Phys. Rev. Latvian, 6 (3), 106 (1961)
6. G. Smith," primii ani laser la Hughes Aircraft Company”, IEEE electronică cuantică. 20 (6), 577 (1984)
7. R. E. Slusher, „Laser Technologies”, Rev Mod. Fiz. 71, S471 (1999)
8. L. Sutherland, Documentar video cu laser, www.laservideodocumentary.com
9. J. M. Gill, Lasers: A 40-Year Perspective", IEEE Quantum Electronics. 6 (6), 1111 (2000)
10. Idee strălucitoare: primele lasere, Institutul American de Fizică (2010)
11. J. Hecht, " Poveste scurta dezvoltarea laserelor”, Opt. Ing. 49, 091002 (2010)
12. A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)
13. O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press, New York (1998)
14. F. Trager (ed.), Manual de lasere și optică, Springer, Berlin (2007)
15. R. Paschotta, Field Guide to Lasers, SPIE Press, Bellingham, WA (2007) p. 547.

Una dintre cele mai semnificative invenții ale secolului trecut poate fi considerată invenția laserului, care este acum folosit în aproape toate sferele vieții. Cuvântul LASER a fost format din abrevierea expresiei engleze „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații” - „amplificarea luminii prin emisie stimulată”

În 1916, Albert Einstein a prezis posibilitatea tranziției atomilor de la o stare de energie superioară la una inferioară sub influență externă. Odată cu această tranziție, o anumită cantitate de energie este eliberată și o astfel de radiație se numește stimulată. Emisia stimulată stă la baza funcționării laserelor.

Principiul de funcționare al laserului se bazează pe emisia stimulată de fotoni de lumină atunci când sunt expuse la un exterior câmp electromagnetic.

După cum se știe din cursul școlar de fizică, structura atomului are un model planetar (conform lui Rutherford), conform căruia electronii încărcați negativ se rotesc în jurul unui nucleu încărcat pozitiv pe anumite orbite energetice - ca planetele în jurul soarelui. Fiecărei orbite îi corespunde o anumită valoare a energiei electronilor. În starea neexcitată, electronii se află la niveluri scăzute de energie, ceea ce se datorează consumului minim de energie și pot absorbi doar radiația care îi lovește. Când este expus la radiații asupra unui atom, acesta primește o porțiune suplimentară de energie, ceea ce provoacă tranziția electronilor (unul sau mai mulți) la niveluri de energie mai ridicate ale atomului, adică electronul intră într-o stare excitată. Energia este absorbită în porțiuni strict definite - cuante. Un atom excitat tinde să revină la o stare de calm din nou și eliberează excesul de energie, radiând-o, de asemenea, în porțiuni strict definite. Electronii revin apoi la nivelurile lor inițiale de energie. Cuantele sau fotonii luminii rezultați au o energie egală cu diferența dintre energiile celor două niveluri implicate. Astfel, se produce emisia stimulată.

Un atom în stare excitată poate radia însuși energie sau poate radia și atunci când este expus la radiații externe. Este caracteristic faptul că cuantul care este emis și cuantul care a provocat radiația sunt similare între ele. Această caracteristică determină că lungimea de undă a radiației induse (cauzate) este egală cu unda care a provocat această radiație. În total, emisia indusă va crește odată cu creșterea numărului de electroni care au sărit la nivelurile superioare de energie.

De asemenea, există sisteme inverse de atomi în care electronii sunt concentrați la niveluri mai mari de energie. În astfel de sisteme de atomi, procesul de emisie a cuantelor domină asupra procesului de absorbție. Sistemele inverse de atomi sunt, de asemenea, folosite pentru a proiecta generatoare cuantice optice (lasere). Substanța activă (mediu) este plasată într-un rezonator optic format din două oglinzi de înaltă calitate așezate în paralel, care sunt așezate pe ambele părți ale substanței active. Cuantele emise, ajungând înăuntru și reflectate în mod repetat din oglinzi, de multe ori taie substanța activă, provocând astfel apariția unor cuante similare prin emisia de atomi, unde electronii se află pe orbite îndepărtate. Mediul activ poate fi realizat din diferite materiale, orice stare de agregare, iar alegerea lui depinde de ce caracteristici sunt cerute de la laser. Din mediul activ depind principalele caracteristici ale laserelor - puterea și raza de acțiune.

Efectul laser (generarea laserului) poate apărea numai atunci când numărul de atomi în starea excitată depășește numărul de atomi în starea de repaus. Un mediu cu astfel de caracteristici poate fi pregătit prin pomparea lui cu energie suplimentară dintr-o anumită sursă externă. Această operație se numește pompare. În funcție de metoda de pompare, laserele diferă după tip. Pomparea poate fi efectuată sub influența radiației electromagnetice, a curentului electric, a descărcării electrice, a unui fascicul de electroni relativiști, precum și a unei reacții chimice. Tipul de energie utilizată depinde de mediul activ (de lucru) utilizat.

Pe baza tuturor celor de mai sus, este posibil să se determine trei părți principale ale structurii pe care le încorporează orice laser:

1) Mediu de lucru activ

2) Sursă de energie sau sistem de pompare

3) Un dispozitiv pentru amplificarea luminii emise - un sistem de oglinzi (rezonator optic)

Principalele tipuri de lasere

Laser cu gaz (CO2)

Utilizarea gazului într-un laser ca mediu activ are o calitate foarte importantă - este uniformitate optică ridicată, adică fasciculul de lumină din gaz este împrăștiat și distorsionat în cea mai mică măsură. Laserul pe bază de gaz se caracterizează prin directivitate ridicată și monocromaticitate a radiației și poate funcționa și în mod continuu. Puterea unui laser cu gaz poate fi crescută mult prin utilizarea diferitelor metode de excitare și creșterea presiunii gazului. Prin urmare, aceste lasere sunt utilizate cel mai adesea acolo unde este necesară o directivitate foarte mare și monocromaticitate a fasciculului. Primul laser cu gaz a fost creat în 1960 pe baza unui amestec de heliu și neon, care rămâne cel mai comun până în prezent. După aceea, și încă în curs de a fi create, au fost create multe lasere cu gaz diferite, care utilizează tranziții cuantice ale ionilor neutri, atomi și molecule în diferite game ale spectrului fasciculului de lumină (de la ultraviolet la infraroșu și chiar radiații cu raze X). )

Laserele semiconductoare

Laserele semiconductoare funcționează în domeniul vizibil și în infraroșu. Au o serie de caracteristici unice care le fac deosebit de valoroase în practică. Laserele de injecție cu semiconductori se caracterizează printr-o eficiență ridicată, de aproape 100%, a conversiei energiei electrice în radiații coerente (stimulate); un grad mic de inerție; poate lucra continuu; au un design destul de simplu; au capacitatea de a regla lungimea de undă a radiației, precum și un număr mare de semiconductori care pot bloca continuu undele în intervalul 0,32 - 32 microni.

Dar laserele cu semiconductor au și dezavantajele lor - directivitate slabă a radiațiilor, care este asociată cu dimensiunea lor mică; dificultăți în obținerea monocromaticității ridicate a radiațiilor, care se datorează lățimii mari a spectrului de emisie spontană la tranzițiile de recombinare de lucru.

Laserele semiconductoare sunt utilizate atunci când coerența și directivitatea proceselor unde nu sunt deosebit de importante, dar sunt necesare dimensiuni reduse și eficiență ridicată a laserului.

lasere lichide.

La laserele lichide, mediul activ este lichid. O caracteristică importantă a acestui laser este posibilitatea de a obține energie și putere mare de radiație în moduri de funcționare pulsate și continue, folosind circulația lichidului folosit pentru răcirea acestuia. Primele lasere lichide au lucrat pe soluții de chelați de pământuri rare; în prezent nu sunt utilizate în practică din cauza energiei radiate scăzute și a rezistenței chimice insuficiente.

În prezent, laserele lichide care funcționează pe lichide active anorganice sau soluții de coloranți organici sunt deosebit de comune.

Laserele lichide bazate pe lichide active anorganice se caracterizează prin energie pulsată mare la o putere medie semnificativă și radiații cu un spectru de frecvență îngust.

Laserele lichide care funcționează pe soluții de coloranți organici pot funcționa într-o gamă largă de radiații. Liniile spectrale largi ale luminiscenței coloranților organici fac posibilă implementarea unui laser lichid cu o reglare continuă a lungimilor de undă ale radiației în intervalul de ordinul a câteva sute. Este posibil să blocați întregul spectru vizibil al radiațiilor și chiar o parte a regiunii infraroșii, doar prin înlocuirea colorantului. Pentru a pompa mediul activ în acest laser lichid, cel mai adesea se folosesc lasere cu stare solidă. Unii coloranți pot fi pompați prin expunerea lor la lămpi speciale cu bliț cu gaz, cu sclipiri de alb intense mai scurte decât lămpile bliț convenționale.

lasere cu stare solidă.

Până în prezent, au fost create multe lasere cu stare solidă diferite care pot funcționa atât în ​​modul de radiație pulsat, cât și în cel continuu.

Cele mai comune lasere din sticlă cu rubin și neodim sunt printre cele mai puternice lasere cu pulsații.

Un laser cu neodim poate avea o tijă destul de mare (până la 100 cm lungime și 4–5 cm în diametru) și uniformă optic, care poate genera un impuls de generare a energiei de 1000 J în ~ 10–3 sec. Laserele cu neodim funcționează la o lungime de undă l = 1,06 μm. Un laser rubin poate furniza o energie totală a impulsului de sute de J cu o durată a impulsului de 10-3 secunde. Are capacitatea de a implementa modul de generare a impulsurilor cu o rată mare de repetiție - până la câțiva kHz.

Laserele continue cu stare solidă sunt lasere cu fluorit de calciu dopate cu lasere granat cu disproziu și ytriu-aluminiu dopate cu diverși atomi de pământuri rare. Unul dintre cele mai utilizate lasere cu stare solidă în prezent este un laser în care un granat de ytriu-aluminiu servește ca matrice, iar ionii de neodim servesc ca activator. Laserul are un prag de excitație relativ scăzut și o conductivitate termică ridicată, ceea ce face posibilă implementarea generării la o rată mare de repetare a impulsurilor, precum și generarea într-un mod continuu, eficiența laserului este relativ ridicată. Majoritatea laserelor cu stare solidă CW funcționează în intervalul de lungimi de undă ℓ de la 1 la 3 µm. Puterea de generare continuă a laserelor moderne pe YAG: Nd (laser pe granat de ytriu-aluminiu cu neodim) ajunge la 0,5 - 2,0 kW și mai mult. Eficiența electro-optică a laserelor cu stare solidă care utilizează pomparea cu lampă a elementelor active este de 1-3%.

Fără a exagera, laserul poate fi numit una dintre cele mai importante descoperiri ale secolului XX.

Ce este un laser

vorbind în cuvinte simple,laser - Acesta este un dispozitiv care creează un fascicul de lumină puternic îngust. Numele „laser” ( laser) se formează prin adăugarea primelor litere ale cuvintelor care alcătuiesc Expresie engleză l noapte A amplificare de s simulat e misiune de r radiatii, care înseamnă „amplificarea luminii prin emisie stimulată”. Laserul creează fascicule de lumină atât de puternice încât sunt capabile să ardă găuri chiar și în materiale foarte durabile, petrecându-le doar o fracțiune de secundă.

Lumina obișnuită se împrăștie dintr-o sursă în direcții diferite. Pentru a-l asambla într-un fascicul, se folosesc diverse lentile optice sau oglinzi concave. Și, deși un astfel de fascicul de lumină poate chiar aprinde un foc, acesta energia nu poate fi comparată cu energia unui fascicul laser.

Principiul de funcționare al laserului

LA baza fizica fenomen de minciuni de lucru cu laser forţat, sau indusă, radiații . Care este esența lui? Ce fel de radiație se numește stimulată?

Într-o stare stabilă, un atom al unei substanțe are cea mai mică energie. O astfel de stare este considerată principal , și toate celelalte state excitat . Dacă comparăm energia acestor stări, atunci în starea excitată este excesivă în comparație cu starea fundamentală. Când un atom trece dintr-o stare excitată într-o stare stabilă, atomul emite spontan un foton. Această radiație electromagnetică se numește emisie spontană.

Dacă trecerea de la o stare excitată la o stare stabilă are loc forțat sub influența unui foton extern (inductor), atunci se formează un nou foton, a cărui energie este egală cu diferența de energii ale nivelurilor de tranziție. O astfel de radiație se numește forţat .

Noul foton este o „copie exactă” a fotonului care a provocat emisia. Are aceeași energie, frecvență și fază. Cu toate acestea, nu este absorbit de atom. Drept urmare, există deja doi fotoni. Influențând alți atomi, aceștia provoacă apariția ulterioară de noi fotoni.

Un nou foton este emis de un atom sub influența unui foton inductor atunci când atomul este într-o stare excitată. Un atom într-o stare neexcitată va absorbi pur și simplu fotonul inductor. Prin urmare, pentru ca lumina să fie amplificată, este necesar să existe mai mulți atomi excitați decât cei neexcitați. O astfel de stare se numește inversarea populaţiei.

Cum funcționează laserul

Designul laserului include 3 elemente:

1. Sursa de energie, care se numește mecanismul de „pompare” al laserului.

2. Corpul de lucru al laserului.

3. Sistem de oglinzi, sau rezonator optic.

Sursele de energie pot fi diferite: electrice, termice, chimice, luminoase etc. Sarcina lor este de a „pompa” corpul de lucru al laserului cu energie pentru a provoca generarea unui flux de lumină laser în acesta. Se numește sursa de energie mecanism„pompând” laserul . Ei pot fi reactie chimica, alt laser, lampă blitz, eclator electric etc.

corp de lucru , sau materiale laser , numiți substanțele care îndeplinesc funcțiile mediu activ. În corpul de lucru își are originea fasciculul laser. Cum se întâmplă?

La începutul procesului, fluidul de lucru este într-o stare de echilibru termodinamic, iar majoritatea atomilor sunt într-o stare normală. Pentru a provoca radiații, este necesar să se acționeze asupra atomilor, astfel încât sistemul să intre într-o stare inversiuni ale populatiei. Această sarcină este îndeplinită de mecanismul de pompare cu laser. De îndată ce un nou foton apare într-un atom, acesta va începe procesul de producere a fotonilor în alți atomi. Acest proces va deveni în curând o avalanșă. Toți fotonii produși vor avea aceeași frecvență, iar undele de lumină vor forma un fascicul de lumină de o putere enormă.

Substantele solide, lichide, gazoase si plasmatice sunt folosite ca medii active in lasere. De exemplu, în primul laser, creat în 1960, mediul activ era rubin.

Lichidul de lucru este introdus în rezonator optic . Cea mai simplă dintre ele constă din două oglinzi paralele, dintre care una este translucidă. Reflectă o parte din lumină și transmite o parte. Reflectându-se din oglinzi, fasciculul de lumină revine și se intensifică. Acest proces se repetă de multe ori. La ieșirea laserului, un foarte puternic undă de lumină. Este posibil să fie mai multe oglinzi în rezonator.

În plus, în lasere sunt folosite și alte dispozitive - oglinzi care pot modifica unghiul de rotație, filtre, modulatoare etc. Cu ajutorul lor, puteți modifica lungimea de undă, durata impulsului și alți parametri.

Când a fost inventat laserul?

În 1964, fizicienii ruși Alexander Mikhailovici Prokhorov și Nikolai Gennadievich Basov, precum și fizicianul american Charles Hard Towns, au devenit laureați. Premiul Nobelîn fizică, care le-a fost acordat pentru descoperirea principiului de funcționare a unui generator cuantic pe amoniac (maser), pe care l-au făcut independent unul de celălalt.

Alexandru Mihailovici Prohorov

Nikolai Ghenadievici Basov

Trebuie spus că maserul a fost creat cu 10 ani înainte de acest eveniment, în 1954. A emis unde electromagnetice coerente în intervalul de centimetri și a devenit prototipul laserului.

Autorul primului laser optic de lucru este fizicianul american Theodore Maiman. Pe 16 mai 1960, a primit pentru prima dată un fascicul laser roșu de la o tijă roșie de rubin. Lungimea de undă a acestei radiații a fost de 694 nanometri.

Theodor Maiman

Laserele moderne vin într-o varietate de dimensiuni, de la lasere microscopice cu semiconductor până la lasere uriașe cu neodim de dimensiunile unui teren de fotbal.

Aplicarea laserelor

Este imposibil să ne imaginăm viața modernă fără lasere. Tehnologiile laser sunt utilizate în diverse industrii: știință, tehnologie, medicină.

În viața de zi cu zi folosim imprimante laser. Magazinele folosesc cititoare de coduri de bare cu laser.

Cu ajutorul fasciculelor laser în industrie este posibil să se efectueze tratarea suprafeței cu cea mai înaltă precizie (tăiere, pulverizare, aliere etc.).

Laserul a făcut posibilă măsurarea distanței până la obiecte spațiale precisă la centimetru.

Apariția laserelor în medicină s-a schimbat foarte mult.

Este greu de imaginat o intervenție chirurgicală modernă fără bisturii cu laser, care oferă cea mai înaltă sterilitate și tăie țesutul cu acuratețe. Cu ajutorul lor, se efectuează operații aproape fără sânge. Cu ajutorul unui fascicul laser, vasele corpului sunt curățate de plăcile de colesterol. Laserul este utilizat pe scară largă în oftalmologie, unde este folosit pentru corectarea vederii, tratarea detașărilor de retină, a cataractei etc. Cu ajutorul lui, pietrele la rinichi sunt zdrobite. Este indispensabil în neurochirurgie, ortopedie, stomatologie, cosmetologie etc.

În afacerile militare, se folosesc sisteme de localizare și navigație cu laser.

Laserul este una dintre cele mai izbitoare și utile invenții ale secolului al XX-lea, care a deschis un număr imens de noi domenii de activitate pentru omenire.

În primul rând, să înțelegem ce este un laser?

Raza laser este un fascicul de lumină coerent, monocrom, polarizat. Vorbind în termeni umani, aceasta înseamnă următoarele:

• Coerent - adică unul în care frecvența radiațiilor din toate sursele este sincronă (dar trebuie să înțelegeți că lumina este unde electromagnetice, emisă de atomi și având o frecvență proprie).
• Monocrom înseamnă concentrat într-o gamă îngustă de lungimi de undă.
• Polarizat - având un vector direcționat de oscilație a câmpului electromagnetic (această oscilație în sine este o undă luminoasă).

Într-un cuvânt, acesta este un fascicul de lumină emis nu numai de surse sincrone, ci și într-un interval foarte îngust și direcționat. Un fel de flux luminos extrem de concentrat.

dispozitiv laser.

Sentiment din chiar conceptul fizic ar fi puțin despre laser dacă nu ar ști cum să-l creeze. Baza dispozitivului este un generator cuantic optic, care, folosind energie electrică, chimică, termică sau orice altă energie, produce un fascicul laser. Și o produce prin radiație forțată sau, după cum se spune, indusă - adică atunci când atomul în care intră un foton (o particulă de lumină) nu îl absoarbe, ci emite un alt foton, care este o copie exactă a primului (coerent). Astfel, are loc amplificarea luminii.

Laserele constau de obicei din trei părți:

• Sursă de energie sau mecanism de pompare;
• corp de lucru;
• Sistem oglindă sau rezonator optic.

De ce este responsabilă fiecare dintre aceste părți:

Sursa de energie, care este evident din denumire, furnizeaza energia necesara functionarii aparatului. Pentru lasere sunt utilizate diferite tipuri de energie, în funcție de ce anume este folosit ca fluid de lucru. O astfel de energie inițială, printre altele, poate fi o altă sursă de lumină, precum și o descărcare electrică, o reacție chimică etc. Trebuie menționat aici că lumina este un transfer de energie și un foton nu este doar o particulă sau, cu alte cuvinte, un cuantum de lumină, ci și o particulă de energie.

corp de lucru este cea mai importantă componentă a laserului. Este, de asemenea, un corp în care există atomi care emit fotoni coerenți. Pentru ca procesul de emisie a fotonilor coerenți să aibă loc, corpul de lucru este supus unei pompe de energie, ceea ce duce, în linii mari, la faptul că majoritatea atomilor care alcătuiesc corpul de lucru au trecut într-o stare de energie excitată cu un numitor comun. În această stare, trecerea la starea inversă - sol - neexcitată va avea loc dacă un foton trece prin atom, corespunzând în energia sa diferenței dintre aceste două stări ale atomului. Astfel, un atom excitat, la trecerea la starea fundamentală, adaugă copia sa exactă la fotonul care „zboară prin el”.

Este fluidul de lucru care determină toate cele mai importante caracteristici ale laserului, cum ar fi puterea, raza de acțiune etc. Alegerea fluidului de lucru se face din considerente dictate nouă de ceea ce dorim să obținem de la acest laser.

Și, în consecință, există o mulțime de opțiuni aici: toate state agregate(gaz, solid, lichid și chiar plasmă), sunt folosite și diverse materiale, semiconductori (de exemplu, în unitățile CD).

Rezonator optic- acesta este un sistem obișnuit de oglinzi situate în jurul corpului de lucru, deoarece emite lumină în toate direcțiile și trebuie să o colectăm într-un singur fascicul îngust. În acest scop, servește un rezonator optic.

Laserul își găsește aplicație peste tot, dacă doar există suficientă inginerie pentru a-și da seama cum să aplice această tehnologie în anumite cazuri. Au un loc în medicină, și în industrie, și în viața de zi cu zi, și în afacerile militare și chiar pentru transmiterea de informații.

Imprimante laser oferi mai mult calitate superioară decât imprimantele cu jet de cerneală. Cele mai cunoscute firme - dezvoltatorii de imprimante laser sunt Hewlett-Packard, Lexmark.

Principiul de funcționare al unei imprimante laser se bazează pe metoda transferului electrostatic de imagini uscate, inventată de C.F.Carlson în 1939 și implementată și în copiatoare. Schema funcțională a imprimantei laser este prezentată în fig. 5.6. Elementul structural principal este tambur rotativ, care servește ca mediu intermediar cu care imaginea este transferată pe hârtie.

Orez. 5.6. Schema funcțională a unei imprimante laser

Tobă este un cilindru acoperit cu o peliculă subțire de semiconductor de lumină. În mod obișnuit, oxidul de zinc sau seleniul este utilizat ca astfel de semiconductor. O sarcină statică este distribuită uniform pe suprafața tamburului. Aceasta este asigurată de un fir subțire sau o plasă numită fir corona sau fir corona. Acest fir este alimentat tensiune înaltă, provocând apariția unei regiuni luminoase ionizate în jurul său, numită coroană.

Laser, controlat de un microcontroler, generează un fascicul subțire de lumină reflectat de o oglindă rotativă. Imaginea este scanată în același mod ca într-un kinescop de televiziune: prin deplasarea fasciculului de-a lungul liniei și cadrului. Cu ajutorul unei oglinzi rotative, fasciculul alunecă de-a lungul cilindrului, iar luminozitatea acestuia se schimbă brusc: de la lumină completă la întuneric complet, iar cilindrul este încărcat în același mod treptat (punctual). Acest fascicul, ajungând la tambur, îl schimbă incarcare electrica la punctul de contact. Mărimea zonei încărcate depinde de focalizarea fasciculului laser. Fasciculul este focalizat folosind o lentilă. Un semn de focalizare bună este prezența marginilor și colțurilor clare în imagine. La unele tipuri de imprimante, în timpul reîncărcării, potențialul suprafeței tamburului scade de la 900 la 200 V. Astfel, o copie latentă a imaginii apare sub forma unui relief electrostatic pe cilindru, purtătorul intermediar.

În pasul următor, tamburul de imagine este acoperit cu toner- vopsea, care este cele mai mici particule. Sub acțiunea unei sarcini statice, particulele sunt ușor atrase de suprafața tamburului în punctele expuse și formează deja o imagine sub forma unui relief colorant.

Hârtie este scos din tava de alimentare și mutat în tambur prin intermediul unui sistem de role. Chiar înaintea tamburului, ronul scurt conferă hârtiei o sarcină statică. Hârtia vine apoi în contact cu tamburul și, datorită încărcării sale, atrage particulele de toner depuse anterior pe tambur.

Pentru fixarea tonerului, hârtie este trecută între două role cu o temperatură de aproximativ 180 "C. După terminarea procesului de imprimare, tamburul este complet descărcat, curățat de particulele în exces care aderă la noul proces de imprimare. Imprimanta laser este pagină cu pagină, adică formează o pagină întreagă pentru tipărire.

Procesul de funcționare a unei imprimante laser din momentul în care o comandă este primită de la un computer până la ieșirea unei foi tipărite poate fi împărțit în mai multe etape interdependente, în care sunt implicate astfel de componente funcționale ale imprimantei precum procesorul central; procesor de scanare; panou de control al motorului oglinzii; amplificator de luminozitate fasciculului; unitate de control al temperaturii; unitate de control al alimentării foilor; panou de control al alimentării cu hârtie; placa de interfata; unitate de putere; butoanele panoului de control și panoul de indicație; carduri suplimentare de expansiune RAM. De fapt, funcționarea unei imprimante laser este asemănătoare unui computer: aceeași unitate centrală de procesare, pe care se concentrează principalele funcții de interconectare și control; RAM, unde se află datele și fonturile, plăci de interfață și o placă de panou de control care comunică imprimanta cu alte dispozitive, o unitate de imprimare care trimite informații pe o coală de hârtie.