Лазер

Содержание
  1. Свойства лазеров и лазерного излучения: длина волны, цвет, мощность, интенсивность, спектр
  2. Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
  3. Физические свойства излучения
  4. Длина волны лазера
  5. Частота импульсов лазера
  6. Мощность лазера
  7. Длина волны лазерного излучения
  8. Видимый спектр
  9. Инфракрасный диапазон
  10. Интенсивность лазерного излучения
  11. Физика для
  12. Что такое лазер?
  13. Вынужденное излучение
  14. Как это явление работает в лазерах?
  15. Что такое лазер? И зачем он нужен?
  16. Так что же такое лазер?
  17. Как работает лазер?
  18. Типы лазеров:
  19. Применение лазеров.
  20. Все о Лазерах
  21. Почему лазеры опасны
  22. 650нм – красный
  23. 532нм – зеленый
  24. 405нм – фиолетовый
  25. 780нм – инфракрасный
  26. 10мкм – инфракрасный, CO2
  27. Применения лазеров
  28. Лазер, принцип действия и его устройство
  29. Лазер:
  30. Принцип действия (работы) лазера:
  31. Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:
  32. Конструкция лазера:
  33. Технические характеристики лазера:

Свойства лазеров и лазерного излучения: длина волны, цвет, мощность, интенсивность, спектр

Лазер

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света.

Оно вырабатывается специальными приборами – оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation – LASER).

Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

  • Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
  • Когерентность (синфазность) – совпадение фаз электромагнитных колебаний.
  • Поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
  • Направленность – малая расходимость потока излучения.

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность лазера

Мощность излучения – средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ – Ватт (Вт). Плотность мощности – отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ – Вт/см2.

Доза облучения – энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ – Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Видимый спектр

  • Фиолетовый 400-450 нм.
  • Синий 450-480 нм.
  • Голубой 480-510 нм.
  • Зелёный 510-575 нм.
  • Жёлтый 575-585 нм.
  • Оранжевый 585-620 нм.
  • Красный 620-760 нм.

Инфракрасный диапазон

  • Ближняя область 760 нм -15 мкм.
  • Дальняя область 15-30 мкм.

В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

  1. Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
  2. Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
  3. Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).

Кандидат медицинских наук, физиотерапевт, косметолог, автор многочисленных книг и методических пособий по аппаратной косметологии, руководитель и методолог учебного центра АЮНА.

Источник: https://www.ayna-spb.ru/actual/laser-cosmetology/properties-laser-emission.html

Физика для

Лазер

Лазеры давно вошли в нашу жизнь повседневную жизнь. С одной стороны, почти у каждого дома или на работе есть лазерный принтер, к которому все привыкли.

С другой – лезерные мечи все так же будоражат воображение тех, кто первый раз (да и не первый тоже) смотрит Звездные Войны.

В данной статье мы на элементарном уровне разберем, что такое лазер, а также рассмотрим физические основы работы этого хитрого понятия.

Что такое лазер?

Интересный факт: знаете ли Вы, что до появления лазеров были мазеры?

Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны (волны сантиметрового диапазона)

Мазер – это аббревиатура, от английского microwave amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает “усиление микроволн с помощью вынужденного излучения”. Мазер был изобретен в 1950-х годах, на несколько лет раньше лазера.

Мазеры и лазеры работают по одному и тому же принципу. Отличие состоит в том, что мазеры усиливают волны разного диапазона. Мазер – это усиление микроволн, а лазер – усиление света, то есть волн видимого диапазона.

Лазерные мечи

Лазер (от ight amplification by stimulated emission of radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения») – устройство, которое преобразует энергию накачки в энергию монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Среди всех этих умных слов для понимания принципа работы лазера нужно выделить два – «вынужденного излучения». Это именно то, что лежит в основе работы лазера.

Именно явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера. В чем суть?

Вынужденное излучение

Мы знаем, что  атом может находиться в разных энергетических состояниях. В самом простом случае состояний всего два – основное и возбужденное. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам, которые соответствуют определенным энергиям.

При определенных условиях электрон может как бы перескакивать с одной орбиты на другую и обратно. Т.е. электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут переходить с одного энергетического уровня на другой. Причем если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на нижний, выделяется энергия.

Для перехода с нижнего уровня на верхний или наоборот, энергию электрону нужно сообщить.

Излучение атома

А теперь представим, что у нас есть атом в возбужденном состоянии, и на него налетает фотон с энергией, равной разности энергий уровней атома. В таком случае наш атом испустит точно такой же фотон, а электрон с высшего уровня энергии перейдет на более низкий. Это и есть вынужденное излучение. Различают также спонтанное излучение, когда возбужденный атом самопроизвольно испускает фотон.

Как это явление работает в лазерах?

Представим себе самый простой лазер, состоящий из системы накачки, рабочей среды и оптического резонатора. Система накачки необходима, чтобы сообщить рабочей среде энергию, которая будет преобразована в энергию излучения, и создать инверсию населенностей энергетических уровней.

Например, если рабочим телом нашего лазера являются атомы с всего двумя энергетическими состояниями, то для работы лазера необходимо, чтобы возбужденные атомы превышали по количеству невозбужденные. Инверсия населенностей – основа того, чтобы генерация излучения в лазере могла начаться.

Как сделать презентацию в ворде вы можете в обзорной статье наших авторов.

Твердотельный лазер

Рабочим телом лазера могут быть как твердые тела, так и жидкости с газами. Физическая суть работы всех этих приборов остается одной и той же. Кстати, первый в мире лазер был рубиновым, т.е. имел в качестве рабочего тела кристалл рубина.

Когда инверсия населенностей достигнута, возбужденные атомы рабочей среды начинают излучать фотоны (спонтанное излучение). Чтобы процесс не «угас», необходимо обеспечить обратную связь.

В простейшем случае роль оптического резонатора играют два зеркала, одно из которых пропускает часть фотонов (полупрозрачно), а второе – отражает.

Таким образом, определенная часть испущенных фотонов остается в рабочем пространстве, индуцируя излучение все новых и новых атомов, от чего процесс начинает развиваться лавинообразно и лазер светит.

Работа лазера

Надеемся, Вы стали чуточку эрудированнее после прочтения этой статьи. Если у Вас есть более глубинные и фундаментальные вопросы по теме «лазеры», помните – среди наших авторов есть люди, готовые в любой момент ответить на них.

Удачи, и да прибудет с Вами сила!

Источник: https://Zaochnik.ru/blog/fizika-dlya-chajnikov-osnovy-raboty-lazerov/

Что такое лазер? И зачем он нужен?

Лазер

Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Сегодня лазеры получили такое широкое распространение в нашей жизни, что тяжело представить, что с момента их изобретения прошло всего 50 лет!

А если быть точнее, то первый лазер был создан 16 мая 1960 года физиком из Калифорнии Теодором Мейнманом (Theodore H. Maiman).  Этот лазер работал на кристалле рубина с резонатором Фабри-Перо, а в качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. Лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм.

В основу этого изобретения легла теория вынужденного излучения, выдвинутая  Эйнштейном в 1917 г. Согласно теории, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно.

Так что же такое лазер?

Ла́зер (от англ.

 LASER —  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее  энергию  накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

То есть, это луч света, испускаемый синхронными источниками, в узком направленном диапазоне. Такой чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Как работает лазер?

Принцип работы лазера основан на  явление вынужденного (индуцированного) излучения.

Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения.

При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Типы лазеров:

Лазеры могут определяться на основе множества признаков, но чаще всего используется классификация

по принципу агрегатного состояния лазерного вещества:

  1. Газовые;
  2. Жидкостные;
  3. Лазеры на свободных электронах;
  4. Твердотельные.

По способу возбуждения лазерного вещества:

  1. Газоразрядные лазеры (в тлеющих, дуговых разрядах, в разрядах на полых электродах);
  2. Газодинамические лазеры (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов)
  3. Инжекционные, или диодные лазеры (с возбуждением за счет прохождения тока в полупроводнике);
  4. Лазеры с оптической накачкой (возбуждение с помощью лампы-вспышки, лампы непрерывного горения, другого лазера, светодиода);
  5. Лазеры с электронно-лучевой накачкой (специальные типы газовых и полупроводниковых лазеров)
  6. Лазеры с ядерной накачкой (с возбуждением посредством излучения из атомного реактора или в результате ядерного взрыва);
  7. Разные лазерные системы обладают разными уникальными свойствами и находят свое особенное применение.
  8. Химические лазеры (с возбуждением на основе химических реакций).

Применение лазеров.

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту.

  1. Передача информации по стекловолокнам
  2. Лазерная обработка материалов:
    • маркировка и художественная гравировка
    • резка
    • сварка
  3. В микроэлектронике для прецизионной обработки материалов (резка полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в печатных платах).
  4. для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости.
  5. Лазеры в медицине и биофотонике
    • лазерная хирургия
    • биофотоника и медицинская диагностика
    • офтольмология (лечение катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.).
  6. Косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).
  7. Термоядерная реакция с применением лазеров
  8. В военных целях:
    • как средство наведения и прицеливания.
    • ракетное оружие на основе лазерного излучения
  9. Астрономия:
    • Лидар: уточнил значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и параметры космической навигации, расширил представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы.
    • В астрономических телескопах, с адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.
  10. Использование лазеров в области научных исследований
  11. Голография и интерферометрия
  12. Метрология и измерительная техника. Измерение: расстояния (лазерные дальномеры), времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.
  13. Лазерная химия. Для запуска и анализа химических реакций Лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему.
  14. Лазеры в приборах и оборудовании
    • Устройства считывания штриховых кодов
    • В лазерной мыши и лазерной клавиатуре
    • Audio-CD, CD-ROM, DVD, Blu-ray disc
    • Лазерные принтеры
    • Лазерные пико-проекторы

Ранее по теме:

Источник: http://xn--80akfo2a.xn--p1ai/2015/11/19/19/

Все о Лазерах

Лазер

Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего.

А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.

Почему лазеры опасны

Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась.

Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения.

И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё.

Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог. Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения.

Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер. Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров. Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера.

Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» — смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение. Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны. PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил ;-)

650нм – красный

Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше).

На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше).

Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» — но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус.

Шарики, картон, серая бумага…

Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» — настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус — то что нужно для роботов, автоматики.

И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат — я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»). Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод. В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.

Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (~10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.

Самая простая схема с резистором описанная в предыдущей статье – лишь чуть-чуть проще, но с ней убить диод элементарно. Дело в том, что в таком случае ток/мощность через лазерный диод будет сильно зависеть от температуры.

Если например при 20C у вас получился ток 50мА и диод не сгорает, а потом во время работы диод нагреется до 80С, ток возрастет (такие они коварные, эти полупроводники), и достигнув допустим 120мА диод начинает светить уже только черным светом. Т.е.

такую схему все-таки можно использовать, если оставить по меньшей мере трех-четырехкратный запас по мощности.

И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) — любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.

А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко

532нм – зеленый

Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги.

Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны — от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.

Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый).

Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.

Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется — и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт. Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.

405нм – фиолетовый

Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е.

пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение.

Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело.

Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться ;-)

780нм – инфракрасный

Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого.

Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.

Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки — 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.

10мкм – инфракрасный, CO2

Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W — рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.

com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания.

Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).

Применения лазеров

В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно.

Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.

Из более серьёзного — целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен

Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый :-) (ну и 200мВт красный, если хочется жечь)

Вопросы/мнения/комментарии – в студию!

Хабы:

Источник: https://habr.com/ru/post/117008/

Лазер, принцип действия и его устройство

Лазер

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов.

Лазер

Принцип действия (работы) лазера

Инверсная заселенность. Создание когерентного лазерного излучения

Конструкция лазера

Технические характеристики лазера

Лазер:

XX век подарил человечеству множество изобретений и открытий, и одним из величайших среди них считается лазер. Если несколько десятков лет назад он был воплощением произведений фантастов, то сегодня его использование актуально во многих сферах и отраслях промышленности, медицины, производства.

Свое название изобретение получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (light amplification by stimulated emission of radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Впервые возможность создания лазера как устройства была предсказана еще Альбертом Эйнштейном в 1916 году.

Ученый спрогнозировал, что атомы молекул при достаточном воздействии из вне способны изменять свое энергетическое состояние и переходить с высшего энергетического состояния на низшее.

В результате такого перехода определенная часть энергии переходит в свободное состояние – это и есть вынужденное излучение, являющееся основой работы лазеров.

По своей сути лазер или оптический квантовый генератор – это устройство, где на квантово-механический эффект, коим является вынужденное излучение, воздействует внешнее электромагнитное излучение, в результате чего освободившаяся энергия (тепловая, световая, электрическая, химическая и прочая) образует световой луч. Он (световой луч) тоже представляет собой энергию, и превращается в потоки излучения:

– когерентного, т.е. согласованного (скоррелированного) протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты;

– монохроматического, т.е.  обладающего очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны);

– поляризованного, т.е. с направленным колебанием векторов напряженности электрического и магнитного полей;

– и узконаправленного характера.

Потоки света и излучение лазера имеют две формы:

– непрерывную (с неизменной амплитудой и постоянной мощностью);

– импульсную (экстремально высокие – пиковые мощности достигаются постепенно).

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10-9 до 10-3 м.

Принцип действия (работы) лазера:

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.

Если кратко, то суть данного явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения.

При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света.

Этим явление вынужденного (индуцированного) излучения отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Теперь объясним данное явление более подробно.

Как известно, строение атома схоже со строением Солнечной системы: в центре расположена большая звезда (в данном случае – ядро с положительным зарядом), а вокруг нее по соответствующим орбитам вращаются планеты (отрицательно заряженные электроны). Если электроны находятся в спокойном состоянии, их расположение соответствует низкому энергетическому уровню E0 (т.н.

основное состояние), где затраты энергии минимальны и им достаточно просто поглощать попадающее на них излучение. Как только атом подвергается воздействию постороннего излучения, возникает дополнительная энергия, возбуждающая электроны и заставляющая переходить их на более высокий энергетический уровень или уровни (E1, E2 … En).

Поглощение энергии происходит не хаотично, а строго определенными дозами – квантами, при этом атом старается избавиться от ее излишков и начинает отдавать энергию, чтобы вновь вернуться в состояние покоя, на низкий энергетический уровень. Отдача, как и поглощение, тоже проводится порциями.

Эти порции – кванты или фотоны света – обладают собственной энергией – разницей между энергиями выделения и поглощения. Так возникает как спонтанное, так и вынужденное (индуцированное) излучение.

Следует иметь в виду, что атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10–8 секунды), в какой-то момент времени он самостоятельно вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон.

Излучение энергии атомом возможно:

– самостоятельно, если он возбужден;

– под воздействием излучения извне.

При этом потоки света, образующиеся в обоих случаях, схожи между собой, а значит, длина волны, вызвавшая возбуждение атома, равна самой вызванной (индуцированной) волне. И чем больше будет воздействие на атом, тем больше электронов перейдут на высший энергетический уровень и тем выше окажется индуцированное излучение.

Существуют сосредоточения атомов, чье большое количество электронов находится на высоком энергетическом уровне. Оно (сосредоточение атомов) представляет собой инверсную систему.

Ее уникальностью является тот факт, что излучение в данной системе гораздо сильнее поглощения, и именно эта особенность предоставила ученым возможность создать лазер посредством искусственного образования подобных систем.

Вне инверсной системы случайные кванты также способны как провоцировать излучение атомов находящихся в возбужденном состоянии, так и поглощаться ими, если те «спокойны».

Однако для получения нужного индуцированного и когерентного потока света необходимо, чтобы число возбужденных частиц имело превосходящее количество (существовала инверсионная заселенность), что в состоянии, когда все макроскопические величины постоянны (т.е. когда все атомы находятся в состоянии покоя), исключено. Получить нужное возбужденное состояние атомов и соответственно создать вынужденное (индуцированное) когерентное излучение позволяют системы накачки активной среды лазера.

Накачка воздействует на активную среду лазера, коими могут выступать различные вещества, дающие ему итоговое название:

– твердые – некоторые драгоценные камни (рубин, гранат), стекла, включающие неодим;

– жидкие – растворы солей неодимов, анилиновых красителей;

– газообразные – гелий и неон, углекислый газ, аргон, а также водяной пар низкого давления;

– плазма;

– полупроводниковые материалы.

Активная среда при этом помещается между параллельными друг другу зеркальными стеклами резонатора.

Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:

Перемещаясь по уровням атома, электроны создают (выделяют) его энергию: чем они выше, тем она больше, а опускаясь – поглощают ее. Чем выше энергия атома, тем больше он возбужден, но это отражается и на его устойчивости – она слабеет.

В определенный момент времени электроны все же изменят уровень на более низкий, выделив фотон – электромагнитное излучение.

Учитывая, что такой переход спонтанный, выделяемое излучение происходит разобщенно, поэтому и образующийся луч является несогласованным.

Если же излучение (выделение энергии) проводится направленно, при воздействии электромагнитной волны, чья частота близка к частоте перехода атома, возникнет иной эффект. Полученный резонанс дестабилизирует атом и все электроны «упадут» с верхних «ярусов» на нижние. При таком спровоцированном воздействии световая волна будет идентична первичной волне по всем трем параметрам:

– частоте;

– направленности;

– фазе.

Все образующиеся волны имеют согласованное (когерентное) направление, и суммарно они увеличивают интенсивность излучения, т.е. количество его квантов.

Заселенность – это количество атомов на определенном энергетическом уровне (En). Если заселенность более высокого уровня (Е2) выше, чем ниже расположенного (Е1), образуется инверсная заселенность. Так и активное вещество – это среда, где возбужденных атомов больше, чем тех, что находятся в состоянии покоя.

Если подобная среда будет подвержена воздействию электромагнитной волны, электроны поднимутся на выше расположенные уровни, и возникнет усиленное этим воздействием излучение. Причина проста – каждый квант электромагнитной волны порождает идентичный фотон, эти два образуют четыре фотона, те – восемь и так далее.

Все это приводит к появлению фотонной лавины.

Однако данная ситуация весьма условна и возможна лишь в идеальных условиях. В реальных же существуют факторы, провоцирующие утрату электромагнитной волной энергии: ее поглощают примеси, которые содержит активная среда, она рассеивается в ее неоднородных слоях и т.д.

Усилить же ее можно путем продления длины пробега в активной среде, что возможно весьма условно.

Поэтому был создан резонатор: многократно отражаясь от двух параллельно расположенных зеркал, волна проходит достаточное расстояние для получения нужного уровня усиления, но при условии, что сохранится инверсионная заселенность.

Обеспечивать нужное число электронов на высоких уровнях возможно при использовании отдельного источника энергии – что означает, что необходимо проводить накачку активной среды источниками энергии. Подобные источники энергии могут быть самыми разными: протекающая химическая реакция, установленная электрическая лампа, направленный разряд электроэнергии и прочие. Есть и определенные условия:

– накопление электронов на верхних слоях атомах. Их должно скопиться не менее половины от общего числа;

– уровень энергии. Он должен превысить определенные показатели, иначе потери превысят накачку, что приведет к малой мощности на выходе.

После достижения состояния инверсии, некоторые электроны начнут спонтанный спуск на более низкий энергетический уровень, при котором возникнут кванты (фотоны).

Те фотоны, которые были выпущены под углом к оси резонатора, вызовут короткий цикл излучений в выбранном направлении и исчезнут из активной среды.

Те фотоны, чье движение будет направлено вдоль оси резонатора, смогут бесконечное количество раз отразиться в зеркалах резонатора, что и приведет к появлению согласованного (когерентного) излучения.

Конструкция лазера:

Независимо от названия, все лазеры имеют три основных составляющих:

1. активная среда – рабочее вещество, чей состав позволяет создать инверсионную заселенность;

2. система накачки – это источник энергии, непосредственно увеличивающий число электронов на верхних уровнях атома. Исходя из типа активной среды это:

– газоразрядные лампы-вспышки и устройства с фокусированным солнечным излучением – для лазеров с твердыми веществами и полупроводниковыми материалами;

– электрический разряд – для жидких сред и газов;

– химические реакции – химические генераторы;

– сильный прямой ток сквозь электронно-дырочный переход или пучок электронов – для полупроводниковых лазеров;

3. оптический резонатор – устройство, представляющее собой два параллельно расположенных зеркала, одно из которых непрозрачно, а другое – полупрозрачно. В случае если лазер функционирует в режиме усилителя, данная составляющая все же может отсутствовать.

Рис. 1. Конструкция лазера

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер

На Рис. 1 приведена конструкция (схема) лазера. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — система накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Технические характеристики лазера:

Параметрами, характеризующими работу оптического квантового генератора – лазера являются:

– длина излучаемой волны (ДВ) в микрометрах (мкм);

– режим работы (РР);

– мощность излучения (МИ) в милливаттах (мВт), ваттах (Вт), киловаттах (кВт), мегаваттах (МВт), гигаваттах (ГВт);

– частота повторения импульсов (ЧПИ) в герцах (Гц);

– длительность импульса (ДИ) в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс), пикосекундах (пс), фемтосекундах (фс);

– расходимость излучения (РИ) в миллирадианах (мрад), градусах (град);

– коэффициент полезного действия (КПД) в процентах (%).

Сравнительную характеристику основных лазеров можно оценить по данным таблицы.

Тип лазераАктивная средаДВ, мкмРРМИЧПИДИРИКПД, %
ГазовыйГелий-Неон0,63непрерывный0,5-50 мВт0,7-3,5 мрад0,01-0,1
Двуокись углерода – Азот10,6непрерывный1 – 1,5·104 Втдо 25 мраддо 20
10,6импульсный10 – 5·103 Вт (средняя)до 2,5·104 Гц0,006-100 мксдо 7 мраддо 6
Аргон0,33-0,53непрерывный0,01-20 Вт0,5-1,5 мрад0,01-0,1
Фторид криптона

(эксимерный)

0,249импульсный20-250 Вт (средняя)до 103 Гц4·10-3 – 1 мкс0,1-6 мрад0,03-2
ЖидкостныйОрганические красители0,25-1,01импульсный0,1-3 Вт (средняя)108 Гц

Источник: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/lazer-printsip-deystviya-i-ego-ustroystvo/

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: