Содержание

Что такое лазер?

Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. В работе лазера используется свойство электронов атома занимать только определенные орбиты вокруг своего ядра. Когда атом получает квант энергии, он может перейти в возбужденное состояние, которое характеризуется перемещением электронов с самой низкой энергетической орбиты (так называемый основной уровень) на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Однако электроны не могут долго оставаться на орбите с высокой энергией и самопроизвольно возвращаются на основной уровень, при этом каждый такой электрон испускает фотон (световую волну). Процесс, начавшийся в одном атоме, запускает цепную реакцию перехода электронов других атомов на более низкие энергетические орбиты, в результате чего образуется лавина одинаковых световых волн, согласованно изменяющихся во времени. Эти волны формируют световой луч, который у некоторых лазеров имеет столь высокую мощность, что может резать камни и металлы. Изобретенные в 1960 году, лазеры имеют сейчас очень широкую сферу применения, начиная от медицины (для удаления опухолей) и заканчивая музыкой (для записи и считывания сигналов на компакт-дисках).

Твердотельный лазер

Типичный лазер состоит из трубки с твердым кристаллом, например, рубином (рисунок сверху), закрытой с торцов непрозрачным и частично прозрачным зеркалами. Электрическая обмотка возбуждает атомы кристалла для генерации световых волн, которые перемещаются между зеркалами до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Создание лазерного луча

1. Электроны каждого атома {на рисунке справа черные точки на внутренних окружностях) в выключенном лазере находятся на основном энергетическом уровне.

2. Сразу же после включения лазера энергия из разрядной трубки переводит электроны на более высокие энергетические орбиты {внешние окружности).

3. Когда электроны начинают возвращаться на основной уровень, они испускают свет, побуждая другие электроны делать то же самое. Результирующий световой пучок имеет одну длину волны и, по мере возвращения новых электронов на низкие орбиты, становится все более мощным.

Более резкий фокус

1. Лазерное излучение (один цвет) 2. Естественный свет (много цветов)

Лазерный пучок содержит свет только одной длины волны и может быть сфокусирован линзой практически в точку (рисунок справа). Естественный свет, состоящий из лучей с различными длинами волн, так резко не фокусируется (дальний рисунок справа). Способность концентрировать огромную энергию в узком луче и передавать этот луч на большие расстояния практически без рассеяния и ослабления, характерных для многоцветного света, делает лазер важнейшим инструментом в руках человека.

information-technology.ru

Лазерное излучение — Что такое лазерное излучение и его воздействие на человека

В настоящее время лазеры прочно закрепились во всех сферах жизнедеятельности человека. Они используются в медицине, химии, физике, биологии и во многих других областях современной науки. Сложно переоценить вклад этого явления в прогресс человечества. Однако неосторожное использование этой технологии может привести к пагубным последствиям для здоровья человека. Ослепление, ожоги, электротравмы — это далеко не полный список увечий, которые можно получить при взаимодействии с лазером. Лазерное неэкранированное излучение большой мощности представляет собой серьёзную опасность если относится к нему легкомысленно и не соблюдать элементарные правила безопасности.

Данная статья поможет вам разобраться в нюансах этого явления и даст представление об угрозах, которые лазерное излучение представляет собой для здоровья человека. Так же вы получите представление об основах безопасной работы с лазером и узнаете, как современные лазеры делятся на классы по уровню угрозы для здоровья человека. Здесь так же можно ознакомиться с небольшой исторической справкой о лазерах.

Лазер как явление

LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Как видите, за этим словом скрывается аббревиатура на английском языке. На русский это можно перевести как «усиление света индуцированным излучением». Усиление энергии до состояния повышенной интенсивности приводит к появлению лазерного излучения. В результате многократного отражения в системе зеркал происходит усиление излучения, и в итоге мы можем наблюдать явление, которое абсолютно уникально по своим физическим свойствам. Лазерный луч намного уже луча света обычной лампы, но их отличия на этом не заканчиваются. Лазерное излучение проецирует волну одной длины и один чистый цвет, кроме этого световые волны полностью совпадают во времени друг с другом. От обычного света лазерные лучи отличает их организованность (когерентность, если говорить научными терминами).

В 1916 году были сделаны первые шаги на пути изучения лазера. После длительных исследований небезызвестный Альберт Энштейн выдвинул свою теорию взаимодействия излучения с веществом, сделав таким образом возможной разработку квантовых усилителей, способных проецировать электромагнитные волны. Следующий значительный прорыв состоялся в 1928 году, когда Ланденбург провёл свою серию экспериментов. Результатом кропотливой работы стала формулировка условия нахождения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением. И только более чем четверть века спустя, в 1955 году советские физики Басов и Прохоров сконструировали квантовый генератор с аммиаком в качестве активной среды. С тех пор огромное количество учёных стали участниками гонки по конструированию лазерных систем, не прекращающейся и сегодня.
Данная технология внесла неоценимый вклад в развитие медицины.

Многие задачи, которые казались до этого нерешаемыми, с усовершенствованием лазеров остались в прошлом. Его чудодейственные лучи вернули здоровье многим тысячам людей. Чего стоит только лазерная коррекция зрения, которая всего за 10 минут позволяет вернуть любому пациенту идеальное зрение. Эффективность этой операции достигает 100%. Косметологи так же нашли применение для этой технологии в своей деятельности. Излучение медицинского лазера даёт возможность селективно воздействовать на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи. Сегодня возможно быстро и почти безболезненно удалить родинку, как и надоевшую татуировку.

В своё время выдающийся французский учёный Луи де Бройль, произнёс пророческую фразу: «Лазеру уготовано грандиозное будущее. Тяжело предвидеть, как именно он будет применяться, но я считаю, что за лазером стоит целая техническая эпоха». И мы действительно живём в эпоху, когда почти не осталось сфер деятельности, в которых так или иначе не используются технологии на основе лазерных лучей. Современные измерительные приборы невозможно представить без применения лазерных лучей в их конструкции. Лазер позволил измерить расстояние от Земли до Луны, точность этих измерений составила несколько сотен метров. Применение лазерных лучей в сфере радиолокации позволило многократно повысить точность получаемых данных. Нет никаких сомнений, что эта технология ещё сыграет свою роль в дальнейшем научном и техническом прогрессе.

Как лазерные лучи воздействуют на человеческий организм?

Одной из характеристик лазерных лучей является крайне высокий уровень концентрации энергии. Пучок света, производимый лазером, способен повышать температуру поверхности, на которую он направлен. С помощью направленного облучения можно добиться деформации почти любой поверхности за небольшой промежуток времени. Концентрация колоссального энергетического потока на небольшой площади позволяет достичь температуры в более чем миллион градусов. Благодаря этому свойству лазеры получили широкое распространение в хирургии и материалообработке, оно же делает их угрозой для человеческой кожи при чрезмерном облучении. Повреждение кожного покрова лучом лазера аналогично термическому ожогу. Так же значительная опасность кроется в лазерном излучении, вырабатывающемся посредством фотохимического эффекта. Однако современные приборы сводят такой риск к минимуму.

Стоит заметить, что молниеносная скорость воздействия лазерных лучей дает возможность избежать болевых ощущений. Благодаря этому свойству, лазер получил широкое распространение в хирургии. В ходе непродолжительных операций с применением лазера не требуется какой-либо анестезии. Мало какая серьезная операция может быть осуществима без обезболивания. При этом временные затраты на такие операции гораздо ниже, чем при традиционном оперировании с помощью скальпеля.

Зачастую работа лазерных установок сопровождается шумом, который может достигать уровня до 120 Дб. Длительно пребывание в помещении с таким оборудованием может стать причиной проблем со слухом. Так же химическая реакция мощного лазерного луча и воздуха сопровождается обильным выделением озона. У людей, вовлечённых в работу с лазерами на протяжении долгого времени, могут диагностироваться нарушения функций вестибулярного аппарата. Частота этих нарушений зависит от профессионального стажа. Лазерное излучение может стать причиной необратимых изменений в человеческом организме, расстройства органов зрения, центральной нервной системы и вегетативной системы.

Берегите глаза

Глаз — один из самых хрупких элементов нашего организма. В отличие от остальных органов, он не имеет защиты от окружающей среды. При попадании невидимого инфракрасного лазера в глаз человек ничего не почувствует, потому что мозг не воспримет его как источник света и защитной реакции не последут. Поглощение ультрафиолетового излучение роговицей глаза может привести к отёку эпителия и эрозии. В особенно тяжелых случаях возможно помутнение передней камеры. Сетчатка глаза подвержена риску в гораздо большей степени. После того, как лазерное излучение достигает сетчтаки, оно распространяется дальше на всю оптическую систему органа зрения.

Если прямой лазерный луч попадет в глаз, когда взгляд направлен вдаль, последствия могут быть очень плачевными. Концентрация спектра коллимированного луча на сетчатке в этот момент может достигать 100000 крат. На глазном дне при таком повреждении обнаруживаются ожог и отек сетчатки, кровоизлияние с дальнейшим появлением рубца и уменьшением остроты зрения. Столь мощное воздействие может даже привести к слепоте. Из этого следует вывод, что вероятность потери зрения в результате сильного излучения достаточно велика.

Классификация лазеров

Подавляющее большинство лазерного оборудования, изготавливаемого во всем мире, производится и сертефицируется с оглядкой на международные стандарты, согласованные американским объединением CDRH (Center for Devices and Radiological Health). В зависимости от уровня угрозы, которую различные лазерные установки представляют для человеческого организма, они делятся на четыре основных класса:

Класс I (безопасные) — маломощные лазерные системы, не излучающие вредный для человека уровень радиации. Такие лазеры не могут являться причиной повреждения глаза. К данному классу так же относятся приборы, оборудованные корпусом, не выпускающим луч лазера наружу. В таком случае луч может быть мощнее допустимой для первого класса нормы.

Класс II (низкий уровень опасности) — эти лазеры уже способны нанести ущерб человеческому глазу, при зрительном контакте более 0,25 секунды. К ним не относятся приборы, вырабатывающие излучение с невидимой волной.

Класс III (средний уровень опасности) — даже непродолжительный визуальный контакт с лучом подобной лазерной установки может привести к повреждениям органа зрения. Работать с такими устройствами без специальных защитных очков нельзя ни в коем случае. Рассеянное излучение не представляет опасности при расстоянии визуального контакта более 13 сантиметров и времени менее 10 секунд. Имеется значительный риск воспламенения при соприкосновении луча с огнеопасными материалами. На выходе мощность составляет около 500 мВт.

Класс IV (высокоопасные) — мощные лазеры, представляющие опасность для здоровья. Они в состоянии нанести значительные повреждения сетчатке глаза непродолжительным излучением прямого луча. В практике использования подобных приборов были ситуации, когда луч случайно отражался в глаз от обычной отвертки или пугавицы на рукаве. Воздействие этих лазеров с большой долей вероятности может привести к серьезным ожогам на коже, а так же стать причиной воспламенения горючих и прочих легковоспламеняющихся материалов. Опасность создает и повышенно ультрафиолетовое излучение импульсных ламп. В последнее время правительствами многих стран ведутся активные работы по адаптации таких лазеров для военных целей. Компании, представляющие свои разработки на выставках, получают финансирование от госудаства.

Меры предосторожности

В неумелых руках мощный лазер представляет не меньшую опасность, чем огнестрельное оружие. Только сертефицированный персонал допускается к работе с такими устройствами. Лучшей профилактикой лазерного излучения является соблюдение правил эксплуатации и защиты. Использование лазерных установок II-III уровней предполагает ограждение зоны работы с лазером и экранирование излучения. Лазеры IV уровня должны быть полностью изолированны от остального производства, работа с ними проводится дистанционно. Поверхности в таких помещениях окрашиваются в цвета с малым коэффициентом отражения. При недостаточном уровне освещения работа с лазерами недопустима. Окна для наблюдения должны быть оборудованы защитным стеклом. В случае необходимости ремонта прибора, категорически запрещено использование деталей и расходных материалов, несогласованных с производителем.

Средства защиты от лазерного излучения должны гарантировать предотвращение пагубного действия излучения или уменьшение его величины до уровня, не превышающего безопасного. В экипировку работников, взаимодействующих с лазером должны входить щитки, маски, технологические халаты и специальные очки. Один раз в год им необходимо проходить полный медицинский осмотр. Такая предосторожность более чем оправдана. Большая часть исследователей, изучающих здоровье обслуживающего персонала лазеров, установили у них предрасположенность к астеническим и вегетативно-сосудистым расстройствам. Доступ к участкам производства, на которых проходит работа с лазером, должен быть строго ограничен. Лазерная установка должна быть надежно защищена от несогласованного использования с помощью выключателя, запираемого на ключ, или другого аналогичного механизма.

otravlenie103.ru

Лазерное излучение — красный и зеленый лазер, безопасность лазеров

Лазер — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что дословно переводится «усиление света посредством вынужденного излучения» — это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока излучения.

Существует большое количество различных типов лазеров. Их можно разделять на группы по источнику накачки, рабочему телу, области применения. Т.к. в данной статье лазеры будут рассмотрены в контексте безопасности работы с лазерными нивелирами и дальномерами, то внимание будет обращено на такие параметры, как рабочая длина волны (нм) и мощность излучения (мВт).

Длина волны, если она находится в видимом диапазоне, обуславливает цвет лазерного луча. Мощность излучения обуславливает яркость луча, те или иные возможности (прицеливание, демонстрация оптических эффектов, считывание штрих-кодов, резка и сварка материалов, лазерная хирургия, накачка других лазеров).

Излучение в лазерных нивелирах и дальномерах работает как обычная лазерная указка — портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. Изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Мощность их излучения не превышает 1,0 мВт.

Безопасность лазеров



Лазерное излучение представляет существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка, что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.

Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.







Класс 1

Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. К классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса
Класс 2

Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 мВт
Класс 2a

Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено
Класс 3a

Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 мВт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования
Класс 3b

Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 мВт
Класс 4

Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами ( < 0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы

Требования к конструкции и техническим характеристикам, правила безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории Республики Беларусь регламентируются СанПиН 2.2.4.13-2-2006 «Лазерное излучение и гигиенические требования при эксплуатации лазерных изделий» и СТБ IEC 60825-1-2011 «Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования» — национальный стандартом Республики Беларусь, который является идентичным международному стандарту IEC.

Значительная часть производимой в мире лазерной техники выпускается и маркируется в соответствие с нормами, опубликованными американской организацией «Center for Devices and Radiological Health» (CDRH).

Лазерные нивелиры и дальномеры являются лазером класса 2 в соответствии с данной классификацией, что позволяет использовать их выполняя следующие меры предосторожности:

— не смотрите на лазерный луч, лазерный луч может повредить глаза, даже если Вы смотрите на него с большого расстояния;

— не направляйте лазерный луч на людей и животных;

— лазер должен быть установлен выше уровня глаз;

— используйте прибор только для замеров;

— не вскрывайте прибор;

— держите прибор в недоступном для детей месте;

— не используйте прибор вблизи взрывоопасных веществ.

Зеленый лазер



Когда в 2007 году у производителей появилась возможность использовать зеленые диоды, то все думали, что зеленый лазер неминуемо в скорости полностью заменит красный. Прошло 7 лет, и что же мы видим? У редких производителей среди всей линейки остались 1-2 модели с зеленым лазером. Зеленому лазеру не удалось сместить лазер красный. Возможно, он не дал того эффекта, которого от него ждали.

Чтобы разобраться, необходимо обратиться к физической стороне вопроса и выяснить, в чем различия и сходства красного и зеленого луча.

Устроены зеленые лучи более сложно: первый лазер, инфракрасный, длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — и получается 532 нм.


Главный плюс зеленых лазеров – 532 нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка или плоскость, так и сам луч очень хорошо видны. Даже 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на фото). Однако у зеленых лазеров есть и большая опасность. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же, как и зеленое и представляет основную опасность при попадании в глаз на большой дистанции, тогда как излучение 808 нм сильно расфокусировано и опасно только на расстоянии нескольких метров. Иными словами, поражающая способность зеленого лазера для глаза намного больше, чем кажется.

В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но это значительно увеличивает цену прибора, значит может присутствовать только в дорогих моделях. Так же стоит заметить, что зеленые диоды, устройства которые излучают зеленый луч, значительно дороже при производстве (в несколько раз по причине большего числа брака по сравнению с красным). А рабочий ресурс зеленого диода значительно ниже. Суммарно это отражается на конечной стоимости нивелира лазерного. В итоге получается следующая картина. Нивелир лазерный с зеленым лучом строит проекции, которые лучше видны, ресурс такого прибора ниже, стоимость выше (порой у один производитель за одинаковые модели отличающиеся лишь лазером выставляет цену отличающуюся в 1,5-2 раза).

Следует отметить, что по заявленным производителями нивелиров характеристикам мощность такого лазера до 2,7 мВт (у красного до 1,0 мВт), а безопасность по классу 3 (у красного 2).

Подведем итог, зеленый цвет лазера действительно лучше виден в условиях дневного света, чем красный, но нельзя забывать о том, что он значительно небезопаснее и неоправданно дорог.

izm.by

Ответы@Mail.Ru: почему луч лазера видно?

Во-первых, когерентность не имеет никакого отношения к “параллельности луча”. Монохроматический лазерный луч всегда гауссов. У любого гауссова пучка есть перетяжка, после которой луч начинает расходиться. Угол расходимости лазерного луча – это одна из характеристик лазерной установки. <br>Во-вторых, гелий-неоновый лазер способен генерировать на длине волны 632,8 нм, 1,15 мкм и 1,52 мкм. Рассеяние инфракрасного света мы не увидим, ни при каких условиях.<br>В-третьих. Эксимерные лазеры работают в диапазоне от 200 нм до 350 нм. Мощный ультрафиолет можно обнаружить по люминесценции, но для этого нужна подходящая среда.<br>В общем, нужно знать какой лазер и какие условия наблюдения.

Лучи лазера видны только в пыли или в дыму!

Когерентность тут не при чем. И видно не сам лучь, а отражения на пыли и прочей взвеси в воздухе. Проведите эксперимент: луч фонарика в чистом воздухе почти не виден. А если пустить дым от сигареты — сразу другое дело. Прямо палка из света.

это зависит от того из какого материала изготовлен лазер и какой ток накачки… бывает и польностью невидимый лазер… а видны сбоку лучи, потомучто по-любому есть отражения от мелких частиц в воздухе: влага и пыль, а лазер от них ох как хорошо отражается и светится!..

Не смотря на то, что лазерное излучение монохроматично, обладает высокой интенсивностью и малым рассеянием, нужно помнить, что это электро-магнитная волна. И явление дифракции ей не чуждо. Поэтому, попадая в ЛЮБУЮ дисперсную систему лазерное излучение даст рассеяние. (например, конус Фарадея-Тиндаля в коллоидах на этом свойстве и основан).

touch.otvet.mail.ru

Какого цвета луч зелёного лазера? — Альтернативный взгляд Salik.biz

Альтернативный взгляд: Salik . biz

Есть многое в природе, друг Горацио, 

Что и не снилось нашим мудрецам.

Шекспир. Гамлет (после прочтения данной статьи).

Название статьи достойно сумасшедшего? Правильно. Но дело в том, что результаты эксперимента тоже достойны фантазии сумасшедшего. А название вполне соответствует содержанию статьи. Кроме того, эксперименты делались в ночь под Новый Год, а это почти то же самое, что в ночь под Рождество. Так что, если Вы начали читать статью стоя, то лучше присядьте, а если сидя — то покрепче держитесь за стул. Результаты будут сногсшибательными. Вы им наверняка не поверите. Ну что-ж. Вам остаётся их проверить. Проверить — это всегда проще, чем провести эксперимент впервые.

Траектория луча лазера в призме

Началось всё более или менее обычно. Автор статьи пропустил луч лазера сквозь призму…

Все мы знаем, что след светового луча в воздухе невидим. Если мы не видим светового источника и/или освещаемого им объекта, то только по танцующим в воздухе светящимся пылинкам или частицам тумана мы можем обнаружить наличие прохождения луча света. Совсем иное дело в случае стекла. След луча лазера, проходящего через совершенно прозрачную стеклянную призму, отлично видно (фото 1). Причём видна не только «траектория» (отрезок прямой) луча, но и её отражение в гранях призмы.

Фото 1. Верхняя толстая линия внутри призмы &amp;mdash; это светящийся след луча лазера, проходящего сквозь торцы призмы. Нижняя &amp;mdash; это отражение этого следа в нижней грани. Видно, что торцы призмы при этом довольно ярко светятся.

В чём тут дело? Ведь внутри стекла нет ни частичек пыли, ни частичек тумана?

Частички тумана (частички воды) при достаточной их величине и концентрации в воздухе хорошо отражают свет. Поэтому мы видим туман и облака. Но ночью, как правило, мы не видим ни тумана, ни облаков. По-видимому, дело тут не только в величине частичек воды и их концентрации, но ещё и в силе света. Поэтому мы обычные лучи света, проходящие через призму, внутри призмы не видим. Лучи же лазера мы можем видеть, причём настолько хорошо, что за траекторией луча света мы ничего не видим, она не просвечивает.

В самом густом тумане мы ещё можем увидеть собственную руку, если она достаточно близка к глазам. Траектория луча лазера (тлл) внутри призмы имеет толщину порядка 1-го миллиметра. Но этой толщины уже достаточно, чтобы за этим лучом ничего не видеть. Глядя на тлл, трудно представить, что луч лазера, пробиваясь сквозь подобный «туман», может пройти в стекле многие сантиметры или даже метры.

Почему мы видим тлл? По-видимому, по той причине, что какие-то составляющие частичек стекла, подобно частичкам тумана, отражают часть света лазера. Эти частички расположены очень плотно, но, с другой стороны, ослабления луча лазера вследствие этого процесса мы не замечаем.

Можно было бы попытаться измерить мощность света, излучаемую участком тлл, чтобы предсказать, какой путь в стекле может пройти луч лазера до ослабления луча вдвое. Но гораздо интереснее было бы узнать величину частиц, образующих «туман» в стекле и из чего они состоят.

След луча лазера в стеклянной пластине

В коридоре моей теперешней квартиры стоит небольшой узкий столик со стеклянной столешницей. Её ширина 48 см, толщина стекла 8 мм. Стекло прозрачное, бесцветное. Края этого стекла обработаны настолько хорошо, что порезаться невозможно, и кажутся довольно гладкими. Но, разумеется, они не отшлифованы и не отполированы так, чтобы иметь оптические качества. Они не кажутся прозрачными.

Но оказалось, что для луча лазера это не слишком большая помеха. Луч лазера проходит сквозь эти края и, при соответствующем начальном направлении, может дальше двигаться в стекле, не выходя наружу. Повидимому имеет место эффект световода.

Как раз здесь, в этой столешнице, пряталась неожиданность, невероятный световой эффект, который куда более невероятный, чем след траектории лазерного луча в призме.

Нам всем известно разложение света призмой на цветовые составляющие. Ньютон якобы удостоверился в том, что получить дополнительное разложение этих цветовых составляющих невозможно. Зелёный свет остаётся зелёным, а жёлтый жёлтым. Поэтому меня поразило, что начальный след траектории зелёного луча лазера в стекле оказался явно не зелёным. Мало того, за ним следовал зелёный участок, а затем опять не зелёный. Этот факт надо было задокументировать.

Автору пришлось пристраивать лазер так, чтобы освободить руки для фотографирования. Но получить именно этот эффект больше не удалось. Зато удалось получить эффект не менее удивительный.

Фото 2. На фото вверху примерно в центре снимка вы видите луч, идущий справа налево и который затем как бы исчезает, войдя в более яркую полоску зелёного цвета. На снимке он похож на шнур с разноцветными прядями. Если вы фото немного увеличите, то заметите, что одна из «прядей» коричневого цвета. Внизу (фото 3) при более длительной экспозиции показан такой же луч. Вам будет легче рассмотреть его опять-таки при некотором увеличении. Одна из «прядок» этого луча покажется вам жёлтой.

Фото 3. Налево вверху через всё фото отходит узкий луч (в обрамлении зелёных краёв), который можно назвать «зеброй», но не чёрно белой, а бело-жёлтой. Этот луч по теории тоже должен был бы быть зелёным, и конечно-же, однотонным, а не передразнивающим зебру. Вверху справа видна часть деревянной рейки. Она закрывает яркую точку входа луча лазера в пластину из стекла. На фото 2 эта рейка ввиду малой экспозиции практически не видна (кажется абсолютно чёрной. Виден только тёмно-зелёный край).

Альтернативный взгляд: Salik . biz

К сожалению, фотоаппарат видит совсем не то, что видит глаз.

На фото 2 и 3 80 % площади фотографий слева занимает стекло (столешница «стеклянного» стола). Идущее от центра нижнего края фотографии 2 нечто, похожее на кусок толстой верёвки, это на самом деле край стекла. На фото 3 в этом же самом месте расположено нечто, более похожее на грубую деревянную рейку — на самом деле это тот же самый край стекла. Кусок «деревянной плиты» с тёмно-зелёнными краями в верхнем углу справа на фото 3 — это часть деревянной рейки. Она находится здесь для того, чтобы закрыть от объектива яркую точку входа луча лазера в стекло. Этот же предмет находится на фото 2 примерно в том же самом месте и для той же цели, но он на фото 2 абсолютно не виден.

То, что нас должно интересовать на обоих снимках — это узкий светлый луч, который идёт в середине снимка справа налево от места встречи края стекла и рейки.

Обратите внимание: начало этого луча на обоих снимках похоже на чередующиеся параллелограммы, или, если хотите, на две свитые вместе разноцветные пряди. На снимке 2 они похожи на зелёные и коричневые, на снимке 3 — на жёлтые и белые. В цветовом отношении действительности более соответствует снимок 2. Края этих паралеллограммов пересекают луч примерно под углом 45 градусов.

По снимку 2 можно сказать, что этот луч похож на верёвочку, свитую из жёлтой и белой прядей. Но это только тогда, когда рассматриваешь луч с одной стороны от его входа в стекло. С другой стороны этот луч выглядит точно также, но уже можно понять, что это не свитые пряди. Там где находятся с одной стороны стыки параллелограммов, с другой стороны расположены середины параллелограммов и наоборот. То есть, слева и справа наблюдается сдвиг на половину параллелограмма. Сверху луч кажется однотонным, как бы серо-коричневым. Глазу жёлтые параллелограммы кажутся скорее коричневыми, но явно не зелёнными.

Уже здесь можно отметить отличия от теории: зелённый цвет перестал быть зелённым. Но если вообще можно ожидать изменение цвета луча, то только изменение цвета, идущее поперёк луча, как это имеет место при разложении белого света в призме. О каком «луче» можно говорить, когда изменение цвета идёт вдоль луча? Такого в природе, казалось бы, просто быть не может. Но вот вы видите такое чудо-юдо на фотографии. Опять-таки можно было бы представить, что два жгута свились в подобие верёвочки, но световые лучи не могут изгибаться и что-либо обвивать. Но здесь нет даже этого. С обоих боков луча видны параллелограммы попеременно меняющегося цвета. Скажите пожалуйста, как луч может периодически изменять свой цвет вдоль луча, если не предполагать за ним фона, состоящего из меняющихся по цвету полос? Такого просто быть не может, такое даже представить невозможно. Такое можно только нарисовать. Но мы видим фотографию.

Эксперимент легко повторяем (по крайней мере, на этом стекле). Если у кого-то возникнут трудности в повторении эксперимента, приезжайте ко мне, повторим всё вместе.

Изменение угла вхождения луча в край стекла (в плоскости, параллельной плоскости стекла) практически ничего не меняет. Когда точка вхождения луча находится вблизи верхней плоскости стекла, луч как бы прижимается к ней изнутри, затем ломается, уходит вглубь стекла и затем идёт дальше, становясь постепенно всё менее ярким. Снизу и сверху луч после излома сопровождается яркими зелёными прядями света, как бы прижимающимися к поверхности стекла. Наружу ни сам луч, ни эти пряди не выходят.

Был испытан также лазер с красным лучом. В стекле точно также возникает луч, состоящий из параллелограммов попеременной яркости. Но есть ли при этом изменение цвета, автору не удалось понять. Применялись лазеры мощностью примерно 50 милливатт.

Объяснить результаты этого эксперимента автор на данном этапе не представляет возможным.

Взаимодействие луча лазера с прозрачными материалами

Когда уже была написана эта статья, автор в свободные минуты стал испытывать все прозрачные материалы, имеющиеся под рукой. Со стёклами результаты легко повторялись, везде удавалось увидеть внутри стекла след траектории луча, напоминающий красно-коричневый цвет.

Затем автор испытал кусок плексигласа родом из Китая. Он показал след, похожий на след в призме (фото 1). Неожиданность, которую автор пару дней назад посчитал бы естественной, ожидала его с куском трубы из плексигласа (диаметр 80 мм, длина 126 мм, толщина стенки 3 мм). В этой стенке траектория луча совершенно не видна. Этот результат автор встретил с некоторым удовлетворением, так как ещё пару дней тому назад считал, что след луча лазера в прозрачном веществе является невидимым. Неожиданность, уже настоящая, была в другом: луч лазера из этой стенки не выходил. Хорошо видна была яркая входная точка, довольно ярко светились оба торца трубы, на стене была видна тёмная дуга тени от стенки трубы, но луч из куска трубы не выходил. Автор даже пытался с торца заглянуть внутрь стенки трубы: он увидел очень яркую, прямо-таки ослепляющую дугу — но не точку.

Автор стал искать, нет ли под рукой других предметов из плекса. Нашлась линейка от рейсшины (длина 33 см, толщина 5 мм, края линейки скошены и имеют толщину примерно 0,5 мм). Этой линейкой пользовались в те времена, когда ещё существовали чертёжные доски. В этой линейке хорошо был виден начальный кусок траектории луча лазера, но постепенно он становился всё более нечётким, и луч из неё также не выходил.

Напомним читателю, что описанные эксперименты начинались со стеклянной столешницы шириной 48 см. Хотя внутри неё след луча имеет красно-коричневый цвет, но луч из неё выходит и имеет такой же зелёный цвет, как и на входе в неё.

Таким образом, существуют совершенно различные прозрачные материалы. В некоторых из них луч зелённого лазера не виден, в некоторых других он виден и имеет обычный зелёный цвет, в стекле след луча лазера может оказаться красно-коричневым или даже имеющим форму прямой, состоящей из красно-коричневых паралеллограммов попеременной яркости. Луч лазера может проходить насквозь, но может и вообще не выйти из материала, развернувшись внутри материала в линию, яркость которой убывает к краям.

Johann Kern, Stuttgart

Альтернативный взгляд: Salik . biz

salik.biz

Лазерные диоды или как делают мощные лазерные светильники

Несколько десятилетий яркий лазерный свет украшал концерты, спортивные мероприятия и прочие шоу. Между тем за картинкой зрелищ всегда оставались технологические ограничения. Лазерный луч обладал способностями освещать только одну точку за момент времени и никогда в белом свете. Более того, световые узоры, созданные лазерным лучом, изобиловали постоянно меняющимся и несколько жутким феноменом интерференционной картинки. Однако технологии сделали своё дело. Недавние достижения в области полупроводниковых лазеров открыли более широкий спектр применения. Усовершенствованный лазерный диод теперь доступен и для точной подсветки фасадов зданий и для автомобильных фар дальнего света.

Содержимое публикации

Лазерные диоды – суть и практика света

Лазерные диоды следует рассматривать «близкими родственниками» светоизлучающих диодов (LED – Light Emitting Diodes). Конструкция светодиодов содержит диоды или микросхемы, выполненные на основе двух терминальных полупроводниковых элементов.

Этими полупроводниками осуществляется преобразование потока электрической энергии в луч света и цвета определенной длины волны. Гамма цвета, в свою очередь, зависит от применяемого сочетания терминальных полупроводников.

Выпускаются белые светодиоды, где от чипа синего луч направляется на фосфорно-химическую основу. В результате поглощения синего света, прибор начинает излучать желтый свет.

Излучение желтого люминофора и синего светодиода объединяют и таким образом получают свет, воспринимаемый глазами человека как белый.

Возможности лазерного диода

Лазерные диоды оснащены двумя зеркалами на противоположных концах полупроводника. Одно из зеркал имеет частичную прозрачность, подобно двухстороннему зеркалу.

При низких уровнях мощности, лазерный диод работает аналогично тому, как работает обычный светодиод с очень малой эффективностью отдачи.

Упрощённая интерпретация структуры инновационного полупроводника: 1 — рассеивающий отражатель; 2 — чип с жёлтым люминофором; 3 — лазерный диод с двойным зеркальным отражением

Однако, как только электрическая мощность достигает порога плотности, равного примерно 4 кВт/см2, полупроводник излучает достаточно света для части длин волн, что отражаются между зеркалами. Эти условия позволяют лазерному диоду излучать значительно больше света, чем это делает обычный светодиод.

Кроме того, отражённый между зеркалами свет, проходит сквозь полупрозрачное зеркало, благодаря чему формируется узкий луч синего. Этот луч далее может быть направлен на люминофор для последующей генерации желтого света.

Стоит отметить интересную деталь: обычные синие светодиоды имеют высокую светоотдачу, регенерируя до 70% электрической мощности, проходящей через приборы при плотности потока 3 Вт/см2.

Это значительно более эффективно, чем в случае с лазерными диодами синего излучения, мощность конверсии которых не превышает 30%, когда плотность электроэнергии составляет не более 10 кВт/см2.

Но светодиоды способны достигать высокой эффективности при низких токовых уровнях. Поэтому эффективная отдача требует значительной массы дорогих полупроводников.

Усиление тока, пропускаемого через светодиоды, повышает яркость излучения. Но увеличение тока резко снижает эффективность светодиодов. Это явление известно как «спад». А вот эффективность лазерных диодов с увеличением тока не изменяется.

Таким образом, при плотности электроэнергии около 5 кВт/см2, светодиоды становятся менее эффективными по сравнению с диодными лазерами. Эта разница производительности увеличивается пропорционально с уровнем мощности.

Эффективность лазерных диодов

Исходящий лазерный луч формирует конус излучения всего лишь в 1º — 2º по сравнению с конусом светового излучения светодиода в 90º.

Форма излучения двух разных типов диодов. Слева обычные светодиоды, справа модификация с лазерным излучением. Разница в характеристике формы луча очевидна

Длина волны лазерного излучения падает в пределах 1 нм по сравнению с несколькими десятками нанометров для светодиодного освещения.

Эти различия указывают на особую ценность лазеров для отдельных случаев применения, где светодиоды значительно уступают.

Внутри диода лазер можно сфокусировать на крошечной точке люминофора для создания узкого интенсивного луча яркостью, в 20 раз превышающей яркость светодиода.

Новые технологии позволяют генерировать до 500 люменов светового потока из фокусного пятна, размерами всего в несколько сотен микрометров.

С помощью лазеров и оптики размером 25 мм, новые технологии позволяют выводить световой луч с конусом около 1º. Эти достижения можно считать революционными.

Реально открывается доступ к производству фонарей и автомобильных фар дальнего света, луч которых способен пробивать расстояние до 1 км!

Применение лазеров в автомобилестроении

Известный производитель авто под маркой «BMW» уже применяет (с 2015 года) лазерные фары в конструкциях автомобилей некоторых моделей.

Сравнение систем света, применяемых на автомобилях BMW: А — светодиодный малой мощности. Дальность 100 м; Б — светодиодный высокой мощности. Дальность 300 м; В — светодиодный высокой мощности с лазерной подсветкой. Дальность 1000 м

Синий лазер, излучаемый с поверхности от 4 до 30 мкм, даёт столько же оптической мощности, сколько дают светодиоды, размещённые на площади 800 мкм.

Чтобы вписаться в максимально допустимый диапазон дальнего света, утверждённый нормами ЕС, компания «BMW» разработала подходящую автомобильную фару.

Автомобильная фара сочетает в конструкции широкоугольный светодиодный люминофор с узко-угольной дальнобойной лазерной подсветкой. Световая масса такой подсветки пробивает расстояние до 600 метров.

Компания «SoraaLaser» использует технологию устройства полуполярного галлий-нитридного лазера поверхностного монтажа для получения белого света. Готовый 7-миллиметровый квадратный модуль содержит:

  • синий лазерный диод,
  • квадратный люминофор (1х1 мм),
  • отражатель синего луча.

Отражатель синего лазера служит для временного транспорта перед смешением с жёлтым люминофором.

Технические возможности приспособления лазера

Светильники с лазерным источником, по своей сути должны иметь различные конструктивные вариации с учётом дизайна тех же светодиодных светильников.

Схема технологическая №1: 1 — люминофорный диск желтого/зелёного; 2 — луч синего лазера; 3 — проекционная линза; 4 — цветовой диск; 5 — призма; 6 — система цифровой обработки света (DLP)

Лазерный диод и люминофор необходимо отделять достаточным пространством для лазерного луча, чтобы сфокусировать и защитить люминофор от перегрева.

В другом варианте люминофор может располагаться рядом или покрываться непосредственно светодиодами. В любом варианте специальное компьютерное программное обеспечение поможет дизайнерам модельной оптики разрабатывать уникальные лазерные светильники.

Существующие ныне продукты лазерного света компании «SoraaLaser» используют для вывода наружу белого светодиодного излучения синие лазеры, излучающие длину волны 450 нанометров, близкую к стандартной величине.

Таким образом, есть все предпосылки, чтобы использовать желтые люминофоры, используемые в светодиодах, чтобы создать белый свет.

Однако синий лазерный луч необходимо рассеять или отразить материалом, подобным матовому стеклу. Это необходимо для правильного смешения с излучением люминофора.

Использование уже опробованных технологий

Лазерное освещение также возможно организовать на базе проверенной временем технологии 405-нанометровых фиолетовых лазеров, которые разрабатывались для применения в конструкциях оптических дисков (Blu-Ray).

Технологическая схема № 2: 1 — сумматор света; 2 — оптическое волокно; 3 — световод; 4 — чип цифровой обработки света; 5 — призма; 6 — проектные линзы; 7 — система против эффекта спекл

Здесь производство белого света требует добавления люминофоров для преобразования фиолетового света в синий свет при длине волны 450-460 нанометров, в дополнение к желтым люминофорам. Это чревато дополнительными энергетическими затратами, но обещает повысить эффективность лазерных диодов.

Люминофорные белые светодиоды преобладают на рынке полупроводниковых приборов освещения из-за их простоты. Совмещением света красного, зеленого, синего светодиодов производится белое свечение.

Другой вариант, с добавленной способностью модулировать цвет, на примере нескольких моделей светодиодных ламп, которые дополнены функционалом изменения цвета и  также присутствуют в продаже.

В принципе, лазерные технологии не исключают совмещения красного, зелёного, синего цветов для получения белого света, но это направление пока что остаётся на стадии научных исследований и разработок.

Безопасность и поиск модульных вариантов

Одной из проблем лазерного варианта c RGB смешением является необходимость контроля отражения лазерного света по соображениям безопасности. Другой проблемой является поиск подходящих источников RGB-лазера.

При производстве лампы Hue Philips частично используются новые технологии, позволяющие получить белый свет из трёхцветного спектра

Так, компания «Philips» в технологии производства ламп «Hue» использует отдельные светодиоды в качестве источников RGB. Лампы отличаются преобладанием зеленых светодиодов, поскольку эти приборы менее эффективны и дают меньше оптической мощности, чем красные или синие светодиоды.

Разница производительности по убыванию для полупроводниковых лазеров:

  • синий (самый мощный цвет),
  • красный (менее мощный),
  • зеленый (самый слабый).

Популярные в обществе лазерные указки зелёного свечения генерируют свет опасно яркий, но этот свет исходит от кристаллических лазеров, не от полупроводников. Полупроводниковые же лазеры, излучающие каждую из 3 длин волны, невозможно интегрировать на один и тот же чип.

Одна деталь, всегда остающаяся незримой при работе лазерного светильника — это лазерный луч. Подобно солнцу, луч лазера, направленный напрямую в глаза, грозит сжечь сетчатку.

Поэтому продукты, где используются лазеры (те же приводы дисков Blu-Ray), оснащаются защитой — сконцентрированный лазерный луч закрыт экраном.

Между тем прямое отражение, например, от зеркала, действительно представляет опасность, но рассеянное отражение, к примеру, от покрашенной стены, не представляет никакой опасности. Оптические проектные решения, исключающие трансмиссивные люминофоры, также уменьшают риск.

Монолитная основа и спекл в лазерных светильниках

Спекл (дифракционное пятно) — нежелательный дефект в лазерном освещении. Дефект представляет собой зернистую (пятнистую) структуру, которая проявляется при малейших колебаниях воздуха.

Примерно таким выглядит технологический дефект — эффект спекл (случайная интерференционная картина), от которого необходимо избавляться

Безвредный, но раздражающий зрение дефект, можно предотвратить путём рассеивания лазерного излучения с помощью матового или белого стекла.

Получить монолитную основу с размещением трёх цветов достаточно сложно. Тем не менее, исследования в этом направлении дают определённые результаты.

Группе китайских учёных, к примеру, удалось интегрировать в единую основу различные цветные лазерные диоды. При этом не применялись стандартные соединения — галлия, индия, азота, мышьяка.

Как известно, эти соединения используются в полупроводниковых лазерных диодах вместо семейства полупроводников, состоящих из кадмия, цинка, серы и селена.

Депонируя различные смеси элементов в тонких слоях, учёные получили монолитный прибор, где объединились разрозненные лазерные диоды.

Так получили синий, зеленый, светло-красный и темно-красный свет для производства белого света. Но китайская технология, опять же, пока что чисто экспериментальная.

Примерно по такой технологической схеме должна выстраиваться монолитная структура источника излучения

Группа английских исследователей применила другой подход к производству белого (цветного) перестраиваемого света лазеров. Инфракрасный свет можно смешать и получить видимый спектр.

Для этого требуется комбинация двух инфракрасных пучков в тонком микроструктурированном материале (титанил фосфат калия) с высоким нелинейным эффектом.

Материал титанил фосфат калия объединяет частоты инфракрасных пучков. Смешивание приводит к формированию лазерного выхода красной, зеленой, синей волн.

Применение лазерных светильников в архитектуре

Высокая интенсивность лазеров удачно работает в архитектурной прожекторной подсветке, где требуются узкие лучи света. Лазеры с малой оптикой обеспечивают подсвечивание точных областей при помощи широкоугольного, сверхкороткого потока.

Лазерное возбуждение люминофоров может создавать очень высокий контраст между светлыми и тёмными областями. При этом градиенты света более чем в 10 раз резче, чем в случае с обычными светодиодными источниками.

Точная подсветка зданий лазерным светом позволяет создавать красочные картины экстерьера. Однако это всего лишь малая часть возможностей применения

Так, лазерный источник света способен равномерно освещать экстерьер пятиэтажного здания с использованием одного светильника, размещённого в области первого этажа.

Номинальная цветовая температура продуктов «SoraaLaser», предназначенных для наружного лазерного освещения, составляет 5700K, а цветопередача 70-80К.

Лазерный свет доступно сконцентрировать и направить внутрь оптических волокон или волноводов, что является несоизмеримо сложной задачей в случае с источниками на светодиодах.

Инженерами компании «SoraaLaser» разработана система переноса синего лазерного излучения на люминофоры посредством оптоволоконной связи.

Подобное решение позволяет размещать источники света в местах удалённых, защищённых от теплового и электромагнитного воздействия.

Согласно коммерческим планам «SoraaLaser», компания ожидает запуска первой волны коммерческих, статических осветительных приборов к началу 2019 года.

Уникальные разработки обещают улучшение цветопередачи, энергетическую эффективность, высокую производительность для конкретных проектов. Мощные управляемые прожекторы готовятся полностью вытеснить уже устаревшие светодиодные приборы.

Демонстрация работы лазерных фар на автомобиле BMW


По материалам: Architectmagazine

zetsila.ru

ЛАЗЕР

Человек изобрел много разных источников света — от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60-х годов нашего столетия появились новые источники оптического излучения — лазеры. В отличие от прежних источников света, применявшихся в основном для освещения, лазеры предназначаются для совсем иных целей.

Лазерным лучом разрезают материалы (от обычных тканей до стальных листов), сваривают, выполняют хирургические операции; лазерное излучение применяют для точнейших измерений, используют в современных вычислительных комплексах и линиях связи. Широко известна лазерная резка.

Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерация лазерного излучения, необходимо «накачать» активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Рассмотрим для примера лазер, в котором активным элементом служит гранат с неодимом. Гранат — прозрачный кристалл; в него в качестве примеси вводят ионы неодима. Они-то и являются так называемыми активными центрами. Поглощая излучение специальной газоразрядной лампы-осветителя, ионы неодима возбуждаются (в этом и состоит в данном случае процесс накачки активного элемента — так называемая оптическая накачка). Возбужденный ион возвращается затем в исходное состояние, высвечивая фотон определенной частоты. Этот фотон может вызвать (вынудить) возвращение в исходное состояние многих других возбужденных ионов — и тогда родится лавина фотонов одинаковой частоты, летящих в одном и том же направлении (явление вынужденного испускания света). Возможен и иной вариант — фотон поглощается каким-либо невозбужденным ионом (явление резонансного поглощения). Важно, чтобы вынужденное испускание преобладало над резонансным поглощением. А для этого надо произвести накачку активного элемента — так, чтобы возбужденных ионов неодима стало больше, чем невозбужденных.

Но это еще не все. Важно также, чтобы процессы вынужденного испускания развивались преимущественно лишь в каком-то определенном направлении в пространстве. Для этого как раз и предназначаются зеркала резонатора. Их общая оптическая ось выделяет в пространстве направление, в котором формируется лазерный луч.

Представим себе, что первичный фотон случайно родился в направлении, отличном от направления оси зеркал резонатора. Он вынудит рождение некоторой лавины фотонов, но все эти фотоны довольно скоро покинут активный элемент, выйдут за пределы среды. Иное дело, если первичный фотон случайно родился в направлении оси резонатора. Такой фотон вызовет рождение лавины фотонов, летящих вдоль оси резонатора. Отразившись от зеркала, они возвратятся в активный элемент и вынудят рождение новых количеств фотонов. Таким образом, между зеркалами будет двигаться фотонная лавина, быстро нарастающая за счет процессов вынужденного испускания. Выходя из резонатора через одно из зеркал, эта лавина и формирует лазерный луч.

Такова вкратце физика работы лазера. Теперь становится понятным и сам термин «лазер». Это слово составлено из начальных букв английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Лазеры отличаются большим разнообразием — по внешнему виду, размерам, конструкции. Наряду с лазерами-малютками, свободно умещающимися на ладони, существуют лазеры-гиганты, длина которых достигает нескольких десятков метров, а масса измеряется тоннами. Разнообразие лазеров объясняется применением разных типов активных элементов и разных способов накачки, а также разнообразием тех практических задач, которые решаются при помощи лазеров. В качестве активных элементов используют кристаллы на диэлектриках и специальные стекла (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), жидкие растворы красителей (жидкостные лазеры), газовые смеси (газоразрядные лазеры). Газовые смеси находятся в специальных стеклянных трубках (газоразрядных трубках), они «накачиваются» за счет электрических разрядов. В полупроводниковых лазерах обычно используют накачку либо за счет бомбардировки полупроводника электронным пучком, либо за счет луча во многих случаях не превышает долей угловой минуты. Во всем этом проявляется высокая когерентность излучения лазера; можно считать, что генерируемые лазером световые волны имеют практически форму идеальных синусоид — со строго определенной частотой и плоским фронтом. По сравнению с лазерным излучением других, обычных источников света является существенно неупорядоченным; его можно рассматривать как «оптический шум».

Высокая когерентность излучения лазера объясняется   особенностями    вынужденного создания электрического напряжения на контакте двух  полупроводников  разного  типа.

Среди твердотельных лазеров отметим, кроме лазера на гранате с неодимом, лазер на рубине. Активными центрами в нем являются ионы хрома. Из газоразрядных лазеров широко применяют на практике гелий-неоновый лазер и СОг-лазер. В первом активная газовая среда состоит из атомов гелия и неона; роль активных центров играют атомы неона. Во втором активная среда состоит в основном из молекул азота и углекислого газа; последние являются активными центрами. Укажем длины волн наиболее интенсивных спектральных линий, генерируемых различными лазерами: на гранате с неодимом — 1,06 мкм, на рубине — 0,69 мкм (красная линия), на гелии и неоне — 3,39, 1,15, 0,63 мкм (красная линия), на углекислом газе — 9,4 и 10,4 мкм.

Лазерное излучение отличается необычайно высокой монохроматичностью — отношение разброса длин волн, «представленных» в лазерном луче, к средней длине волны крайне мало; оно составляет всего 10~6— 10^8, а специальными мерами может быть уменьшено даже до 10~10. Излучение лазера характеризуется также исключительной н а-правленностью — угол расходимости испускания света — тем фактом, что все вынужденно испущенные фотоны имеют одинаковую частоту и одинаковое направление движения. В свою очередь, когерентность лазерного излучения объясняет те богатые возможности, которые оно обнаруживает при практическом использовании (см. Лазерная технология).

Приведем всего два примера. Первый касается возможности использования лазерного луча для передачи информации. В частотном диапазоне, соответствующем дециметровым волнам (частоты от 108 до 109 Гц), «умещается» около 100 телевизионных программ; в этом же диапазоне могли бы работать около 100 000 радиостанций. Использование когерентного лазерного излучения с частотой 1015 Гц могло бы значительно повысить информационную емкость канала связи. Другой пример касается возможности сильной концентрации световой энергии в лазерном луче. Существующие мощные лазеры могут непрерывно генерировать световую мощность порядка 1кВт. При диаметре светового пучка 1 мм интенсивность такого излучения оказывается равной 105 Вт/см2. Этого достаточно, чтобы плавить многие металлы. Благодаря когерентности лазерный световой пучок можно сильно сфокусировать — в пятно диаметром, скажем, 30 мкм. Тогда интенсивность окажется порядка 1010 Вт/см2. Это позволяет испарить любой материал.

Первый лазер появился в 1960 г. Однако историю рождения лазерной техники следует отсчитывать от начала 50-х годов. Дело в том, что способ усиления излучения при помощи вынужденного испускания был сначала реализован не в оптическом, а в сверхвысокочастотном — СВЧ-диапазоне. Соответствующие генераторы излучения (их назвали мазерам ; буква «М» означает здесь «микроволновой») были созданы в 1955 г. одновременно  (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров) и в США (Ч.Таунс). В создании мазеров и лазеров большую роль сыграли советские ученые: Н.Г.Басов, А.М.Прохоров. В.А.Фабрикант, Б.М.Вул, О.Н.Крохин, Ю.М.Попов и другие.

enciklopediya-tehniki.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о