Что такое лазер? Открытие и использование лазера

Лазеры прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы используем CD/DVD-приводы, сканеры штрихкодов, лазерные указки и даже проходим лазерные операции на глазах. Но что же такое лазер на самом деле и как он работает? Давайте разберемся!

Что такое лазер

Лазер - это устройство, которое генерирует узкий пучок света с особыми свойствами:

• Высокая степень когерентности (все волны колеблются синхронно)
• Монохроматичность (одна длина волны и частота)
• Хорошая направленность (малый угол расходимости)

Эти свойства достигаются за счет использования так называемого вынужденного излучения. Когда атом поглощает фотон света определенной энергии, он излучает фотон той же энергии. Этот новый фотон усиливает исходный луч света.

Для непрерывной генерации необходимо создать инверсию населенности - когда больше атомов находится в возбужденном состоянии. Это достигается с помощью накачки различными источниками энергии.

Другая важная часть лазера - это резонатор, образованный двумя зеркалами. Он создает обратную связь, усиливая определенные длины волн света.

История создания лазера

Идея усиления света с помощью вынужденного излучения была выдвинута Альбертом Эйнштейном еще в 1917 году. Однако первый рабочий квантовый генератор - мазер - появился лишь в 1953 году. В нем использовались микроволны.

Первый оптический квантовый генератор, то есть лазер, был создан в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом.

В качестве активной среды он использовал синтетический рубин, а в качестве накачки - импульсы излучения ксеноновой лампы-вспышки.

После этого последовали неторые открытия и разработки лазеров на гелий-неоне, полупроводниках, жидкостях и газах. К концу 1970-х годов лазерные технологии активно применялись на практике.

Принципы работы разных типов лазеров

В настоящий момент существует большое разнообразие конструкций лазеров. Рассмотрим подробнее, как работают некоторые из них.

Твердотельные лазеры

В таких лазерах активной средой являются редкоземельные элементы, введенные в кристаллическую решетку (рубин, неодимовое стекло). Накачка производится лампами-вспышками или другими лазерами. Твердотельные лазеры могут работать в непрерывном и импульсном режиме. Они компактны и обладают хорошим качеством луча.

Газовые лазеры

В качестве активной среды здесь используется пара различных газов - углекислый газ, аргон, гелий-неон и другие. Накачка осуществляется электрическим разрядом. Пучок такого лазера обычно непрерывный. Газовые лазеры применяют для научных целей.

Полупроводниковые лазеры

Они используют электроны в полупроводниковом p-n переходе. Накачка осуществляется пропусканием электрического тока через переход. Полупроводниковые лазеры миниатюрны и эффективны, широко используются в бытовой технике.

Жидкостные лазеры

В качестве активной среды в них выступает раствор органических красителей или других веществ в жидкости - чаще всего этиловом спирте или воде. Накачка обычно оптическая. Такие лазеры дешевы и просты в эксплуатации, поэтому широко используются в учебных целях.

Химические лазеры

Их работа основана на использовании энергии химических реакций. В активной среде протекает активная химическая реакция между газообразными веществами, причем одним из продуктов реакции является рабочее тело лазера в возбужденном состоянии. Это позволяет получить очень большую мощность лазерного излучения.

Принцип действия лазера основан на использовании вынужденного, или стимулированного излучения. Когда атом поглощает фотон света определенной энергии, он переходит в возбужденное состояние, а затем испускает другой фотон точно такой же энергии. Этот второй фотон усиливает исходный луч света.

Примеры использования лазера

В настоящее время лазеры активно используются в самых разных областях:

• CD/DVD/Blu-ray устройства для записи и считывания информации
• Лазерные принтеры и сканеры
• Хирургические лазерные скальпели
• Лазерная резка и обработка материалов
• Голографические проекторы
• Волоконно-оптическая связь
• Научные лазерные микроскопы

Различные типы лазерных установок установок

Существует несколько основных типов лазерных установок, которые отличаются используемой активной средой и способом накачки:

1. Твердотельные лазеры (на рубине, стекле с неодимом и др.)
2. Газовые лазеры (гелий-неоновый, аргоновый, СО2 и др.)
3. Полупроводниковые лазеры
4. Жидкостные лазеры (на красителях)
5. Химические лазеры

Преимущества лазерного излучения

Лазерное излучение обладает уникальными свойствами, которые отличают его от обычного света и открывают широкие возможности практического применения:

• Высокая направленность и малая расходимость пучка
• Возможность фокусировки в очень малые пятна
• Однородность и монохроматичность излучения
• Высокая яркость и энергетическая плотность
• Когерентность волн и возможность модуляции

Эти качества позволяют использовать лазеры для точной резки, сварки и наплавки материалов, высокоточных измерений, передачи информации и во многих других областях.

Перспективы развития лазерных технологий

На данный момент лазеры активно совершенствуются в нескольких направлениях:

1. Разработка лазеров большей мощности и энергоэффективности
2. Создание лазеров с улучшенным качеством пучка
3. Поиск новых активных сред для генерации излучения
4. Разработка полупроводниковых лазеров в видимом и ультрафиолетовом диапазонах
5. Создание недорогих и компактных лазеров для бытового применения

В будущем лазеры могут найти применение в новых областях, таких как высокоскоростные волоконно-оптические линии связи, лазерные дисплеи, голографические 3D-проекторы, аддитивное производство методом посекционной лазерной плавки.

Правила безопасной работы с лазерным оборудованием

Несмотря на очевидные преимущества, лазерное излучение может быть опасным. Даже слабый лазер при неосторожном обращении способен нанести вред зрению. Поэтому существуют определенные правила работы с лазерной техникой:

• Использование защитных очков при работе с лазером
• Установка лазера так, чтобы избежать случайного попадания луча в глаза
• Применение защитных экранов и ограждений в зоне действия лазера
• Использование предупредительных знаков и надписей
• Регулярный инструктаж по технике безопасности

Соблюдение этих простых правил позволит максимально обезопасить работу с лазерной техникой.

Лазеры в медицине

Одно из перспективных направлений использования лазеров - медицина. Благодаря высокой направленности и точности воздействия, лазерный луч применяют для:

• Хирургических разрезов и коагуляции тканей
• Лечения заболеваний сетчатки и хрусталика глаза
• Удаления новообразований
• Остановки кровотечений
• Заживления ран и ожогов
• Пластических операций и лазерной шлифовки кожи

Надеемся, теперь вы лучше понимаете, что такое лазер и где он используется.