Laser je skratka pre zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, ktorú v roku 1957 vytvoril Gordon Gould. Aj keď tento pôvodný význam odkazuje na princíp činnosti (využívanie stimulovanej emisie z excitovaných atómov alebo iónov), tento výraz sa teraz používa hlavne pre zariadenie, ktoré generuje svetlo na princípe lasera. Najmä sa zvyčajne myslí laserové generátory, ale niekedy zahŕňa aj zariadenia s laserovými zosilňovačmi.

Prvým laserovým zariadením bol pulzný rubínový laser, ktorý predviedol Theodor Meiman v roku 1960. V tom istom roku bol vytvorený plynový laser (hélium-neónový laser) a prvá laserová dióda. Pred touto experimentálnou prácou Arthur Shavlov, Charles Hard Townes, Nikolaj Basov a Alexander Prochorov publikovali prelomovú teoretickú prácu o princípoch fungovania laserov a mikrovlnných zosilňovačov. Generátor (maser) vyvinula skupina Towns v roku 1953. Pôvodne sa používal termín optický maser (MASER=mikrovlnné zosilnenie stimulovaným zosilnením žiarenia), no neskôr sa zmenil na laser.

Laserová technológia je základom širšej oblasti fotoniky, hlavne preto, že laserové svetlo má množstvo špeciálnych vlastností:

"Toto je zvyčajne vyžarované ako laserový lúč, ktorý môže cestovať na veľké vzdialenosti bez veľkej divergencie a môže byť zaostrený na veľmi malé body.

– Môže mať veľmi úzku optickú šírku pásma, zatiaľ čo väčšina lámp vyžaruje svetlo s veľmi širokým optickým spektrom.

– Môže byť vyžarovaný nepretržite alebo vo forme krátkych alebo ultrakrátkych impulzov s trvaním od mikrosekúnd až po niekoľko femtosekúnd.

Vďaka týmto vlastnostiam je laserový lúč veľmi zaujímavý pre širokú škálu aplikácií vysoký stupeň presnosť laserového žiarenia. Podrobnejšie informácie poskytujú články o laserovom svetle a laserových aplikáciách.

Princíp činnosti laserov

Laserový generátor zvyčajne obsahuje optickú dutinu (laserová dutina, laserová dutina), v ktorej môže cirkulovať svetlo (napríklad medzi dvoma zrkadlami), a počas tejto doby zosilňovacie médium (napríklad laserový kryštál), ktoré slúži na zosilnenie svetla. . Bez aktívneho média bude cirkulujúce svetlo s každým cyklom rezonátora slabšie a slabšie, pretože dochádza k určitej strate, napríklad pri odraze na zrkadlách. Médium však dokáže zosilniť cirkulujúce svetlo, čím kompenzuje stratu, ak je zisk dostatočne vysoký. Na rast média je potrebný externý zdroj energie, tým musí byť čerpanie napríklad vstrekovacím svetlom (optické čerpanie) resp. elektrický prúd(elektrické čerpanie - polovodičové lasery). Princíp laserového zosilnenia stimulovanej emisie.

Obrázok 1 - Štruktúra lasera

Laser nemôže fungovať, ak je čerpanie menšie ako straty rezonátora; Takzvané laserové prahové zariadenie vyžaruje iba určité množstvo luminiscenčného svetla. Významný výstupný výkon sa dosiahne iba pri výkonoch čerpadiel nad prahom generovania, kde zisk môže presiahnuť straty rezonátora.

Ak je zisk väčší ako strata, intenzita svetla v dutine lasera sa rýchlo zvyšuje, počnúc napríklad nízkou úrovňou svetla z fluorescencie. Ak sa saturácia lasera zvýši, výkon lasera bude aktívny ustálený stav dosiahnuť takú úroveň, že saturácia sa jednoducho rovná strate rezonátora (clamping gain). Pred dosiahnutím tohto ustáleného stavu lasery zvyčajne tolerujú určité výkyvy. Prahový výkon čerpadla je výkon čerpadla, pri ktorom je zosilnenie signálu práve dostatočné na vytvorenie.

Časť svetelnej energie cirkulujúcej v rezonátore sa zvyčajne prenáša pomocou polopriepustného zrkadla, takzvaného zariadenia na výstup zrkadla. Výsledný lúč je užitočný laserový signál. Prenos zrkadlového výstupného zariadenia môže byť optimalizovaný pre maximálny výstupný výkon.

Niektoré lasery pracujú v nepretržitom stave, zatiaľ čo iné generujú impulzy, ktoré môžu byť obzvlášť intenzívne. Existujú rôzne metódy na generovanie impulzov pomocou laserov, ktoré umožňujú sériu impulzov s trvaním mikrosekúnd, nanosekúnd, pikosekúnd alebo dokonca niekoľkých femtosekúnd.

Optická šírka pásma (alebo šírka pásma) lasera môže byť veľmi malá, keď osciluje iba jeden režim dutiny (jednofrekvenčná prevádzka). V iných prípadoch, najmä pri laserovej synchronizácii, môže byť šírka pásma veľmi veľká – v extrémnych prípadoch môže zaberať celú oktávu. Stredová frekvencia lasera je zvyčajne blízka frekvencii maximálneho zisku, ale ak je strata rezonátora frekvenčne závislá, vlnová dĺžka lasera môže byť naladená v rozsahu, v ktorom je zisk dostatočne dostupný. Niektoré širokopásmové zosilňovače, ako napríklad titánovo-zafírové, umožňujú ladenie vlnovej dĺžky v stovkách nanometrov.

V dôsledku rôznych vplyvov výstup laserov vždy obsahuje určité množstvo šumu na rôznych parametroch, ako je výstupný výkon alebo optická fáza.

Druhy laserov

Najbežnejšie typy laserov sú:

– Polovodičové lasery (väčšinou laserové diódy), elektrické (alebo niekedy optické), efektívne generujú veľmi vysoké výstupné výkony (ale zvyčajne s nízkou kvalitou lúča) alebo nízke výkony s dobrými priestorovými vlastnosťami (napr. pre CD a DVD aplikácie), prehrávače), impulzy (napr. pre telekomunikačné aplikácie) s veľmi vysokou frekvenciou opakovania impulzov. Špeciálne typy zahŕňajú kvantové kaskádové lasery a povrchovo vyžarujúce polovodičové lasery, ktoré sú tiež vhodné na generovanie vysokovýkonných impulzov.

– Pevné lasery založené na kryštáloch alebo sklách dopovaných iónmi (dopované lasery), čerpané plynovými výbojkami alebo laserovými diódami, ktoré generujú vysoký alebo nižší výstupný výkon s veľmi vysokou kvalitou lúča, spektrálnou čistotou a/alebo stabilitou (napríklad na pozorovanie) alebo ultrakrátke pulzy s piko- alebo femtosekundovým trvaním. Bežné zosilňovače sú Nd: YAG, Nd: YVO 4, Nd: YLF, Nd: sklo, YAG: Yb, Yb: sklo, titán-zafír, Cr: YAG a Cr: LiSAF. Špeciálny typ iónom dopovaných sklenených laserov:

– Vláknové lasery na báze optických sklenených vlákien, ktoré sú dopované niektorými iónmi laserovo aktívnych vlákien v médiu. Vláknové lasery môžu dosiahnuť extrémne vysoký výstupný výkon (až do kilowattov) s vysokou kvalitou lúča, širokou vlnovou dĺžkou, úzkou šírkou čiary atď.

– Plynové lasery (napr. hélium-neónové lasery, CO 2 lasery a argónové iónové lasery) a plynové excimerové lasery, ktoré typicky indukujú elektrické výboje. Medzi bežne používané plyny patrí CO 2, argón, kryptón a zmesi plynov ako je hélium-neón. Bežné exciméry sú ArF, KrF, XeF a F2.

Menej časté sú chemické a lasery s jadrové čerpané, lasery s voľnými elektrónmi a röntgenové lasery.

Laserové zdroje v širšom zmysle

Existujú niektoré svetelné zdroje, ktoré nie sú striktne lasery, ale napriek tomu sa často označujú ako laserové zdroje:

– V niektorých prípadoch sa tento výraz používa pre zosilňovacie zariadenia, ktoré vyžarujú svetlo. Príkladom sú röntgenové lasery, ktoré sú typicky superluminiscenčnými zdrojmi založenými na žiarení, po ktorom nasleduje jednopriechodové zosilnenie. Neexistuje žiadny laserový rezonátor. Podobná situácia nastáva pri optických parametrických generátoroch, kde zisk nie je založený na stimulovanej emisii. Svetlo z takýchto zariadení môže mať vlastnosti podobné laseru, ako je silná smerovosť lúča a obmedzená optická šírka pásma.

– V iných prípadoch je termín laserové zdroje opodstatnený, pretože zdroj obsahuje okrem iných komponentov aj laser. To platí pre kombinácie laserov a zosilňovačov (oscilátorový výkonový zosilňovač, ako aj pre zdroje založené na nelineárnej laserovej frekvenčnej konverzii, napríklad so zdvojovačom frekvencie alebo optickými parametrickými oscilátormi.

Bezpečnostné aspekty

Práca s lasermi môže vyvolať dôležité bezpečnostné problémy. Niektoré z nich priamo súvisia s laserovým žiarením, najmä s vysokou optickou intenzitou, ale s laserovými zdrojmi sú spojené aj ďalšie riziká. Pozrite si článok o bezpečnosti lasera.

Bibliografia

1. A. L. Schawlow a C. H. Townes, "Infračervené a optické masery", Phys. Rev. 112(6), 1940 (1958) (prelomové dielo; obsahuje aj slávnu Shawlow-Townesovu rovnicu)
2. T.H. Maiman, Stimulovaná optická emisia v rubíne, Príroda 187, 493 (1960) (prvá experimentálna demonštrácia lasera)
3. T. H. Maiman, "Optický masér v rubíne", min. Spojením. Electron. 7, 674 (1960)
4. P. P. Sorokin a M. J. Stevenson, "Stimulovaná infračervená emisia z trojmocného uránu", Phys. Ctihodný lotyšský. 5 (12), 557 (1960) (prvý laser so štyrmi úrovňami)
5. A. Javan, W. R. Bennett Jr. a D. R. Herriott, Inverzia a kontinuálna optická oscilácia masera v plynovom výboji obsahujúcom zmes hélium-neón, Phys. Rev. Latvian. 6 (3), 106 (1961).
6. G.Smith," skoré roky laser v Hughes Aircraft Company", IEEE kvantová 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, Lasers: A 40-Year Perspective", IEEE Quantum Electronics. 6 (6), 1111 (2000)
10. Skvelý nápad: prvé lasery, American Institute of Physics (2010)
11. J. Hecht, " Krátky príbeh vývoj laserov", Opt. Eng. 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.), Príručka laserov a optiky, Springer, Berlín (2007)
15. R. Paschotta, Field Guide to Lasers, SPIE Press, Bellingham, WA (2007) s. 547.

Za jeden z najvýznamnejších vynálezov minulého storočia možno považovať vynález lasera, ktorý sa dnes používa takmer vo všetkých sférach života. Slovo LASER vzniklo zo skratky anglického slovného spojenia „light amplification by stimulovaná emisia žiarenia“ – „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou“

Už v roku 1916 Albert Einstein predpovedal možnosť prechodu atómov z vyššieho energetického stavu do nižšieho pod vonkajším vplyvom. Pri tomto prechode sa uvoľní určité množstvo energie a takéto žiarenie sa nazýva stimulované. Základom činnosti laserov je stimulovaná emisia.

Princíp činnosti lasera je založený na stimulovanej emisii fotónov svetla pri vystavení vonkajšiemu prostrediu elektromagnetického poľa.

Ako je známe zo školského kurzu fyziky, štruktúra atómu má planetárny model (podľa Rutherforda), podľa ktorého záporne nabité elektróny rotujú okolo kladne nabitého jadra na určitých energetických dráhach – ako planéty okolo Slnka. Každá dráha zodpovedá určitej hodnote energie elektrónu. V neexcitovanom stave sa elektróny nachádzajú na nízkych energetických hladinách, čo je spôsobené minimálnou spotrebou energie a môžu absorbovať len žiarenie, ktoré na ne dopadá. Keď je atóm vystavený žiareniu, dostáva ďalšiu časť energie, ktorá vyvoláva prechod elektrónov (jeden alebo viac) na vyššie energetické hladiny atómu, to znamená, že elektrón prechádza do excitovaného stavu. Energia sa absorbuje v presne definovaných častiach - kvantách. Excitovaný atóm má tendenciu sa opäť vracať do pokojného stavu a vydáva nadbytočnú energiu, pričom ju tiež vyžaruje v presne definovaných častiach. Elektróny sa potom vrátia na svoje pôvodné energetické hladiny. Výsledné kvantá alebo fotóny svetla majú energiu rovnajúcu sa rozdielu medzi energiami dvoch zúčastnených úrovní. Dochádza teda k stimulovanej emisii.

Atóm v excitovanom stave môže vyžarovať energiu sám, alebo môže vyžarovať aj pri pôsobení vonkajšieho žiarenia. Je charakteristické, že kvantum, ktoré je emitované, a kvantum, ktoré spôsobilo žiarenie, sú si navzájom podobné. Táto charakteristika určuje, že vlnová dĺžka indukovaného (spôsobeného) žiarenia sa rovná vlne, ktorá toto žiarenie spôsobila. Celkovo sa indukovaná emisia zvýši so zvýšením počtu elektrónov, ktoré preskočili na horné energetické hladiny.

Existujú tiež inverzné systémy atómov, v ktorých sú elektróny koncentrované na vyšších energetických úrovniach. V takýchto systémoch atómov dominuje proces emisie kvanta nad procesom absorpcie. Inverzné systémy atómov sa používajú aj na navrhovanie optických kvantových generátorov (laserov). Účinná látka (médium) je umiestnená v optickom rezonátore pozostávajúcom z dvoch kvalitných zrkadiel umiestnených paralelne, ktoré sú umiestnené po oboch stranách účinnej látky. Vyžarované kvantá, ktoré sa dostanú dovnútra a opakovane sa odrážajú od zrkadiel, mnohokrát prerušia účinnú látku, čím spôsobia vznik podobných kvánt prostredníctvom emisie atómov, kde sú elektróny na vzdialených dráhach. Aktívne médium môže byť vyrobené z rôznych materiálov, akéhokoľvek stavu agregácie a jeho výber závisí od toho, aké vlastnosti sa od lasera vyžadujú. Od aktívneho média závisia hlavné charakteristiky laserov - výkon a dosah.

Laserový efekt (generácia lasera) môže nastať len vtedy, keď počet atómov v excitovanom stave prevyšuje počet atómov v stave pokoja. Prostredie s takýmito charakteristikami je možné pripraviť jeho prečerpaním dodatočnou energiou z určitého externého zdroja. Táto operácia sa nazýva čerpanie. Práve od spôsobu čerpania sa lasery líšia typom. Čerpanie sa môže vykonávať pod vplyvom elektromagnetického žiarenia, elektrického prúdu, elektrického výboja, zväzku relativistických elektrónov, ako aj chemickej reakcie. Druh použitej energie závisí od toho, aké aktívne (pracovné) médium sa používa.

Na základe vyššie uvedeného je možné určiť tri hlavné časti štruktúry, ktoré obsahuje každý laser:

1) Aktívne pracovné prostredie

2) Zdroj energie alebo čerpací systém

3) Zariadenie na zosilnenie vyžarovaného svetla - sústava zrkadiel (optický rezonátor)

Hlavné typy laserov

Plynové lasery (CO2)

Použitie plynu v laseri ako aktívneho média má veľmi dôležitú vlastnosť - je to vysoká optická rovnomernosť, to znamená, že svetelný lúč v plyne je rozptýlený a skreslený v najmenšej miere. Plynový laser sa vyznačuje vysokou smerovosťou a monochromaticitou žiarenia a môže pracovať aj v kontinuálnom režime. Výkon plynového lasera sa dá výrazne zvýšiť použitím rôznych metód budenia a zvýšením tlaku plynu. Preto sa tieto lasery najčastejšie používajú tam, kde je potrebná veľmi vysoká smerovosť a monochromatickosť lúča. Úplne prvý plynový laser bol vytvorený v roku 1960 na báze zmesi hélia a neónu, ktorá je dodnes najbežnejšou. Potom, a stále v procese vytvárania, vzniklo mnoho rôznych plynových laserov, ktoré využívajú kvantové prechody neutrálnych iónov, atómov a molekúl v rôznych rozsahoch spektra svetelných lúčov (od ultrafialového po infračervené, dokonca aj röntgenové žiarenie). )

Polovodičové lasery

Polovodičové lasery pracujú vo viditeľnom a infračervenom rozsahu. Majú množstvo jedinečných vlastností, vďaka ktorým sú obzvlášť cenné v praxi. Polovodičové vstrekovacie lasery sa vyznačujú vysokou, takmer 100% účinnosťou premeny elektrickej energie na koherentné (stimulované) žiarenie; malý stupeň zotrvačnosti; môže pracovať nepretržite; majú pomerne jednoduchý dizajn; majú schopnosť vyladiť vlnovú dĺžku žiarenia, ako aj veľké množstvo polovodičov, ktoré dokážu plynule blokovať vlny v rozsahu 0,32 – 32 mikrónov.

Ale polovodičové lasery majú aj svoje nevýhody – slabú smerovosť žiarenia, ktorá súvisí s ich malými rozmermi; ťažkosti pri získavaní vysokej monochromatičnosti žiarenia, čo je spôsobené veľkou šírkou spektra spontánnej emisie pri pracovných rekombinačných prechodoch.

Polovodičové lasery sa používajú vtedy, keď koherencia a smerovosť vlnových procesov nie sú obzvlášť dôležité, ale sú potrebné malé rozmery a vysoká účinnosť lasera.

tekuté lasery.

V kvapalinových laseroch je aktívnym médiom kvapalina. Dôležitou charakteristikou tohto lasera je možnosť získania vysokej energie a výkonu žiarenia v pulznom a kontinuálnom režime prevádzky s využitím cirkulácie kvapaliny používanej na jeho chladenie. Prvé kvapalinové lasery pracovali na roztokoch chelátov vzácnych zemín, v súčasnosti sa v praxi nevyužívajú pre nízku vyžiarenú energiu a nedostatočnú chemickú odolnosť.

V súčasnosti sú bežné najmä kvapalinové lasery pracujúce na anorganických aktívnych kvapalinách alebo roztokoch organických farbív.

Kvapalné lasery na báze anorganických aktívnych kvapalín sa vyznačujú vysokou pulznou energiou pri výraznom priemernom výkone a žiarením s úzkym frekvenčným spektrom.

Kvapalné lasery pracujúce na roztokoch organických farbív môžu pracovať v širokom rozsahu žiarenia. Široké spektrálne čiary luminiscencie organických farbív umožňujú realizovať kvapalný laser s kontinuálnym ladením vlnových dĺžok žiarenia v rozsahu rádovo niekoľkých stoviek. Len výmenou farbiva je možné zablokovať celé viditeľné spektrum žiarenia a dokonca aj časť infračervenej oblasti. Na čerpanie aktívneho média v tomto kvapalnom laseri sa najčastejšie používajú pevnolátkové lasery. Niektoré farbivá je možné načerpať tak, že ich vystavíte špeciálnym plynovým zábleskovým lampám s kratšími intenzívnymi bielymi zábleskami ako bežné zábleskové lampy.

pevnolátkové lasery.

K dnešnému dňu bolo vytvorených mnoho rôznych pevnolátkových laserov, ktoré môžu pracovať v pulznom aj kontinuálnom režime žiarenia.

Najbežnejšie rubínové a neodymové sklenené lasery patria medzi najvýkonnejšie pulzné lasery.

Neodymový laser môže mať pomerne veľkú (až 100 cm dlhú a 4–5 cm v priemere) a opticky rovnomernú tyčinku, ktorá dokáže generovať impulz generovania energie 1000 J za ~ 10–3 sekúnd. Neodymové lasery pracujú pri vlnovej dĺžke l = 1,06 µm. Rubínový laser dokáže dodať celkovú energiu impulzu stoviek J s trvaním impulzu 10-3 sekúnd. Má schopnosť implementovať režim generovania impulzov s vysokou opakovacou frekvenciou - až niekoľko kHz.

Kontinuálne pevnolátkové lasery sú fluoritové vápenaté lasery dopované dyspróziom a ytrium-hliníkové granátové lasery dopované rôznymi atómami vzácnych zemín. Jedným z najpoužívanejších pevnolátkových laserov v súčasnosti je laser, v ktorom ako matrica slúži ytrio-hliníkový granát a ako aktivátor neodýmové ióny. Laser má relatívne nízky prah budenia a vysokú tepelnú vodivosť, čo umožňuje realizovať generovanie pri vysokej frekvencii opakovania impulzov, ako aj generovanie v kontinuálnom režime, účinnosť lasera je relatívne vysoká. Väčšina CW pevnolátkových laserov pracuje v rozsahu ℓ vlnových dĺžok od 1 do 3 µm. Výkon kontinuálneho generovania moderných laserov na YAG: Nd (laser na ytrium-hliníkový granát s neodýmom) dosahuje 0,5 - 2,0 kW a viac. Elektrooptická účinnosť pevnolátkových laserov využívajúcich lampové čerpanie aktívnych prvkov je 1-3%.

Bez preháňania možno laser označiť za jeden z najvýznamnejších objavov 20. storočia.

Čo je laser

rozprávanie jednoducho povedané,laser - Toto je zariadenie, ktoré vytvára silný úzky lúč svetla. Názov "laser" ( laser) vzniká sčítaním prvých písmen slov, ktoré tvoria anglický výraz l noc a zosilnenie podľa s simulované e poslanie z ržiarenia, čo znamená „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou“. Laser vytvára svetelné lúče takej sily, že sú schopné vypáliť diery aj do veľmi odolných materiálov, pričom na to strávia len zlomok sekundy.

Bežné svetlo sa rozptyľuje zo zdroja rôznymi smermi. Na jeho zostavenie do lúča sa používajú rôzne optické šošovky alebo konkávne zrkadlá. A hoci takýto svetelný lúč môže dokonca zapáliť oheň, to energiu nemožno porovnávať s energiou laserového lúča.

Princíp činnosti lasera

AT fyzický základ laserová práca spočíva fenomén nútený, alebo indukované, žiarenie . Čo je jej podstatou? Aký druh žiarenia sa nazýva stimulovaný?

V stabilnom stave má atóm látky najnižšiu energiu. S takýmto stavom sa počíta hlavné a všetky ostatné štáty vzrušený . Ak porovnáme energiu týchto stavov, tak v excitovanom stave je v porovnaní so základným stavom nadmerná. Keď atóm prechádza z excitovaného stavu do stabilného stavu, atóm spontánne emituje fotón. Toto elektromagnetické žiarenie sa nazýva spontánna emisia.

Ak k prechodu z excitovaného stavu do stabilného stavu dôjde násilne pod vplyvom vonkajšieho (indukujúceho) fotónu, potom sa vytvorí nový fotón, ktorého energia sa rovná rozdielu energií prechodových hladín. Takéto žiarenie je tzv nútený .

Nový fotón je "presnou kópiou" fotónu, ktorý spôsobil emisiu. Má rovnakú energiu, frekvenciu a fázu. Nie je však absorbovaný atómom. Výsledkom je, že už existujú dva fotóny. Ovplyvnením iných atómov spôsobujú ďalší výskyt nových fotónov.

Nový fotón je emitovaný atómom pod vplyvom indukujúceho fotónu, keď je atóm v excitovanom stave. Atóm v neexcitovanom stave jednoducho absorbuje indukujúci fotón. Preto, aby sa svetlo zosilnilo, je potrebné, aby tam bolo viac excitovaných atómov ako tých neexcitovaných. Takýto stav sa nazýva populačná inverzia.

Ako funguje laser

Konštrukcia lasera obsahuje 3 prvky:

1. Zdroj energie, ktorý sa nazýva "čerpací" mechanizmus lasera.

2. Pracovné telo lasera.

3. Systém zrkadiel alebo optický rezonátor.

Zdroje energie môžu byť rôzne: elektrické, tepelné, chemické, svetelné a pod. Ich úlohou je „napumpovať“ pracovné telo lasera energiou, aby v ňom vyvolalo vznik laserového svetelného toku. Zdroj energie je tzv mechanizmus"pumpovanie" lasera . Môžu byť chemická reakcia, iný laser, záblesková lampa, elektrické iskrisko atď.

pracovná kvapalina , alebo laserové materiály , vymenovať látky, ktoré plnia funkcie aktívne prostredie. Laserový lúč pochádza z pracovného tela. Ako sa to stane?

Na samom začiatku procesu je pracovná tekutina v stave termodynamickej rovnováhy a väčšina atómov je v normálnom stave. Na vyvolanie žiarenia je potrebné pôsobiť na atómy, aby systém prešiel do stavu populačné inverzie. Túto úlohu vykonáva laserový pumpovací mechanizmus. Akonáhle sa v jednom atóme objaví nový fotón, spustí sa proces tvorby fotónov v iných atómoch. Tento proces sa čoskoro stane lavínou. Všetky vytvorené fotóny budú mať rovnakú frekvenciu a svetelné vlny vytvoria svetelný lúč obrovskej sily.

Ako aktívne médiá v laseroch sa používajú pevné, kvapalné, plynné a plazmové látky. Napríklad v prvom laseri, ktorý vznikol v roku 1960, bol aktívnym médiom rubín.

Pracovná kvapalina je umiestnená v optický rezonátor . Najjednoduchšie z nich pozostáva z dvoch paralelných zrkadiel, z ktorých jedno je priesvitné. Časť svetla odráža a časť prepúšťa. Lúč svetla sa odráža od zrkadiel a vracia sa späť a zosilňuje. Tento proces sa mnohokrát opakuje. Na výstupe lasera je veľmi silný svetelná vlna. V rezonátore môže byť viac zrkadiel.

Okrem toho sa v laseroch používajú ďalšie zariadenia - zrkadlá, ktoré môžu meniť uhol natočenia, filtre, modulátory atď. S ich pomocou môžete meniť vlnovú dĺžku, trvanie impulzu a ďalšie parametre.

Kedy bol vynájdený laser?

V roku 1964 sa laureátmi stali ruskí fyzici Alexander Michajlovič Prochorov a Nikolaj Gennadievič Basov, ako aj americký fyzik Charles Hard Towns. nobelová cena vo fyzike, ktorú im udelili za objav princípu fungovania kvantového generátora na amoniak (maser), ktorý vyrobili nezávisle od seba.

Alexander Michajlovič Prochorov

Nikolaj Gennadievič Basov

Treba povedať, že maser vznikol 10 rokov pred touto udalosťou, v roku 1954. Vyžaroval koherentné elektromagnetické vlny v rozsahu centimetrov a stal sa prototypom lasera.

Autorom prvého funkčného optického lasera je americký fyzik Theodore Maiman. 16. mája 1960 prvýkrát dostal červený laserový lúč z červenej rubínovej tyče. Vlnová dĺžka tohto žiarenia bola 694 nanometrov.

Theodor Maiman

Moderné lasery prichádzajú v rôznych veľkostiach, od mikroskopických polovodičových laserov až po obrovské neodýmové lasery veľkosti futbalového ihriska.

Aplikácia laserov

Je nemožné si predstaviť moderný život bez laserov. Laserové technológie sa používajú v rôznych odvetviach: veda, technika, medicína.

V každodennom živote používame laserové tlačiarne. Predajne používajú laserové čítačky čiarových kódov.

Pomocou laserových lúčov v priemysle je možné vykonávať povrchové úpravy s najvyššou presnosťou (rezanie, striekanie, legovanie atď.).

Laser umožnil merať vzdialenosť k vesmírne objekty s presnosťou na centimeter.

Príchod laserov v medicíne veľa zmenil.

Je ťažké si predstaviť modernú chirurgiu bez laserových skalpelov, ktoré poskytujú najvyššiu sterilitu a presne režú tkanivo. S ich pomocou sa vykonávajú takmer bezkrvné operácie. Pomocou laserového lúča sa cievy tela čistia od plakov cholesterolu. Laser je široko používaný v oftalmológii, kde sa používa na korekciu zraku, liečbu odchlípení sietnice, šedého zákalu atď. S jeho pomocou sa drvia obličkové kamene. Je nepostrádateľný v neurochirurgii, ortopédii, stomatológii, kozmeteológii atď.

Vo vojenských záležitostiach sa používajú laserové lokalizačné a navigačné systémy.

Laser je jedným z najvýraznejších a najužitočnejších vynálezov 20. storočia, ktorý ľudstvu otvoril obrovské množstvo nových oblastí činnosti.

Po prvé, poďme pochopiť, čo je laser?

Laserový lúč je koherentný, monochromatický, polarizovaný úzky lúč svetla. Z ľudského hľadiska to znamená nasledovné:

• Koherentný – teda taký, kde frekvencia žiarenia zo všetkých zdrojov je synchrónna (ale musíte pochopiť, že svetlo je elektromagnetická vlna emitované atómami a majúce svoju vlastnú frekvenciu).
• Monochromatický znamená sústredený v úzkom rozsahu vlnových dĺžok.
• Polarizované - majúce smerovaný vektor oscilácie elektromagnetického poľa (táto oscilácia sama o sebe je svetelná vlna).

Jedným slovom je to lúč svetla vyžarovaný nielen synchrónnymi zdrojmi, ale aj vo veľmi úzkom rozsahu a smerovaný. Akýsi extrémne koncentrovaný svetelný tok.

laserové zariadenie.

Zmysel zo samého fyzikálny koncept o laseri by bolo málo, keby ho nevedeli vytvoriť. Základom zariadenia je optický kvantový generátor, ktorý pomocou elektrickej, chemickej, tepelnej alebo inej energie vytvára laserový lúč. A vyrába ho vynúteným alebo, ako sa hovorí, indukovaným žiarením – teda keď atóm, do ktorého fotón (častica svetla) vstupuje, ho neabsorbuje, ale vyžaruje ďalší fotón, ktorý je presnou kópiou prvého fotónu. (koherentné). Dochádza teda k zosilneniu svetla.

Lasery sa zvyčajne skladajú z troch častí:

• Zdroj energie alebo čerpací mechanizmus;
• pracovný orgán;
• Zrkadlový systém alebo optický rezonátor.

Za čo zodpovedá každá z týchto častí:

Zdroj energie, čo je zrejmé už z názvu, dodáva energiu potrebnú pre chod zariadenia. Pre lasery sa používajú rôzne druhy energie v závislosti od toho, čo presne sa používa ako pracovná tekutina. Takouto počiatočnou energiou môže byť okrem iného iný zdroj svetla, ale aj elektrický výboj, chemická reakcia atď. Tu treba spomenúť, že svetlo je prenos energie a fotón nie je len častica alebo inak povedané kvantum svetla, ale aj častica energie.

pracovný orgán je najdôležitejšou zložkou lasera. Je to tiež telo, v ktorom sú atómy emitujúce koherentné fotóny. Aby došlo k procesu emisie koherentných fotónov, je pracovné telo vystavené čerpaniu energie, čo vedie, zhruba povedané, k tomu, že väčšina atómov, ktoré tvoria pracovné telo, prešla do excitovaného energetického stavu s spoločný menovateľ. V tomto stave dôjde k prechodu do reverzného - zemného - neexcitovaného stavu, ak cez atóm prejde fotón, zodpovedajúci svojou energiou rozdielu medzi týmito dvoma stavmi atómu. Takže excitovaný atóm pri prechode do základného stavu pridá svoju presnú kópiu k fotónu, ktorý ním „preletí“.

Je to pracovná tekutina, ktorá určuje všetky najdôležitejšie vlastnosti lasera, ako je výkon, dosah atď. Voľba pracovnej tekutiny sa uskutočňuje na základe úvah, ktoré nám diktuje to, čo chceme týmto laserom získať.

A preto je tu veľa možností: všetky súhrnné stavy(plyn, tuhá látka, kvapalina a dokonca aj plazma), používajú sa aj rôzne materiály, polovodiče (napríklad v CD mechanikách).

Optický rezonátor- je to obyčajný systém zrkadiel umiestnených okolo pracovného tela, pretože vyžaruje svetlo vo všetkých smeroch a musíme ho zhromaždiť v jednom úzkom lúči. Na tento účel slúži optický rezonátor.

Laser nájde uplatnenie všade, ak existuje dostatok inžinierstva na to, aby sa zistilo, ako túto technológiu v určitých prípadoch aplikovať. Majú miesto v medicíne, v priemysle, v každodennom živote, vo vojenských záležitostiach a dokonca aj na prenos informácií.

Laserové tlačiarne poskytnúť viac vysoká kvalita než atramentové tlačiarne. Najznámejšie firmy - vývojári laserových tlačiarní sú Hewlett-Packard, Lexmark.

Princíp činnosti laserovej tlačiarne je založený na metóde suchého elektrostatického prenosu obrazu, ktorú vynašiel C.F. Carlson v roku 1939 a implementoval ju aj do kopírok. Funkčná schéma laserovej tlačiarne je na obr. 5.6. Hlavným konštrukčným prvkom je otočný bubon, ktorý slúži ako medzimédium, pomocou ktorého sa obraz prenáša na papier.

Ryža. 5.6. Funkčná schéma laserovej tlačiarne

Bubon je valec pokrytý tenkým filmom svetlovodivého polovodiča. Typicky sa ako taký polovodič používa oxid zinočnatý alebo selén. Statický náboj je rovnomerne rozložený po povrchu bubna. Zabezpečuje to tenký drôt alebo pletivo nazývané korónový drôt alebo korónový drôt. Tento drôt je napájaný vysoké napätie, čo spôsobuje vzhľad svetelnej ionizovanej oblasti okolo nej, nazývanej koróna.

laser, riadený mikrokontrolérom, generuje tenký lúč svetla odrazený od rotujúceho zrkadla. Obraz sa skenuje rovnakým spôsobom ako v televíznom kineskopu: pohybom lúča pozdĺž čiary a rámu. Pomocou otočného zrkadla sa lúč kĺže po valci a jeho jas sa prudko mení: z plného svetla do úplnej tmy a valec sa nabíja rovnakým stupňovitým (bodovým) spôsobom. Tento lúč, ktorý dosiahol bubon, ho zmení nabíjačka v mieste kontaktu. Veľkosť nabitej oblasti závisí od zaostrenia laserového lúča. Lúč sa zaostruje pomocou šošovky. Znakom dobrého zaostrenia je prítomnosť jasných hrán a rohov v obraze. Pri niektorých typoch tlačiarní sa pri dobíjaní znižuje potenciál povrchu valca z 900 na 200 V. Na valci, medzinosiči, sa tak objavuje latentná kópia obrazu v podobe elektrostatického reliéfu.

V ďalšom kroku sa potiahne obrazový valec toner- farba, čo sú najmenšie častice. Pôsobením statického náboja sa častice ľahko priťahujú k povrchu bubna na exponovaných miestach a vytvárajú obraz už vo forme reliéfu farbiva.

Papier sa vytiahne z podávacieho zásobníka a pomocou systému valčekov sa presunie do bubna. Tesne pred bubnom krátke železo udeľuje papieru statický náboj. Papier sa potom dostane do kontaktu s valcom a vďaka svojmu náboju priťahuje čiastočky tonera, ktoré sa predtým usadili na valci.

Na fixáciu tonera sa papier vedie medzi dvoma valcami s teplotou cca 180 "C. Po ukončení procesu tlače sa valec úplne vybije, vyčistí od prebytočných častíc priľnutých k novému procesu tlače. Laserová tlačiareň je stránku po stránke, t.j. tvorí celú stranu na tlač.

Proces činnosti laserovej tlačiarne od okamihu prijatia príkazu z počítača až po výstup vytlačeného hárku možno rozdeliť do niekoľkých vzájomne súvisiacich etáp, počas ktorých sú zapojené také funkčné komponenty tlačiarne, ako je centrálny procesor; skenovací procesor; riadiaca doska motora zrkadla; zosilňovač jasu lúča; jednotka na reguláciu teploty; riadiaca jednotka podávania listov; doska na ovládanie podávania papiera; doska rozhrania; pohonná jednotka; tlačidlá ovládacieho panela a indikačná doska; prídavné rozširujúce karty RAM. V skutočnosti je fungovanie laserovej tlačiarne podobné počítaču: rovnaká centrálna procesorová jednotka, na ktorej sú sústredené hlavné funkcie prepojenia a riadenia; RAM, kde sa nachádzajú údaje a písma, dosky rozhrania a doska ovládacieho panela, ktoré komunikujú tlačiareň s inými zariadeniami, tlačová jednotka, ktorá vydáva informácie na list papiera.