Лазеры, виды, принцип работы и применение
Что такое лазер?
"Лазер - это устройство, которое создает мощный луч света путем стимулированного излучения фотонов атомами и молекулами, возбужденными в процессе усиления света..."
Содержание:
1. Виды лазеров
2. Принцип работы
3. Характеристики
4. Устройство
5. Применение
Виды лазеров
Существует несколько классификаций лазеров, основанных на разных параметрах. Вот некоторые из них:
Активная среда
- Газовые лазеры - активная среда состоит из газа.
- Полупроводниковые лазеры - активная среда представляет собой полупроводниковый кристалл.
- Жидкостные лазеры - в качестве активной среды используется специальная жидкость.
- Твердотельные лазеры - активной средой является твердое тело (кристалл или стекло с примесью).
- Эксимерные лазеры - используют экзотические молекулы, образующиеся при высоком давлении.
Длина волны
- Инфракрасные лазеры (IR)
- Видимые лазеры (VIS)
- Ультрафиолетовые лазеры (UV)
- Рентгеновские лазеры (X-ray)
Режим работы
- Непрерывные лазеры (CW) - излучают свет постоянно.
- Импульсные лазеры (PW) - излучают короткие световые импульсы.
Степень опасности для глаз
- Класс 1 (безопасные) - лазеры, которые не представляют угрозы для глаз.
- Класс 2 (малоопасные) - могут вызвать временное ослепление при прямом взгляде.
- Класс 3 (опасные) - способны вызвать необратимое повреждение глаз при прямом взгляде.
Принцип работы лазера
Принцип работы лазера заключается в использовании стимулированного излучения атомов, ионов или молекул, что приводит к усилению света и созданию когерентного луча. Процесс основан на следующих основных этапах:
- Создание инверсной населенности. В активном элементе лазера (например, газе, жидкости или твердом теле) используется система накачки для создания инверсной населенности энергетических уровней – состояние, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. Это достигается путем введения дополнительной энергии в систему с помощью различных методов, таких как электрический разряд, химическая реакция, оптический или электронный пучок.
- Ускорение электронов. В случае газового лазера электроны ускоряются напряжением, приложенным к электродам, и сталкиваются с атомами газа, передавая им свою энергию. В результате этого процесса атомы переходят на более высокие энергетические уровни.
- Релаксация. Атомы, которые находятся на высоких энергетических уровнях, спонтанно возвращаются на свои основные энергетические уровни, излучая фотоны. Некоторые из этих фотонов вызывают возбуждение других атомов, переводя их на верхние энергетические уровни и создавая таким образом лавину фотонов.
- Усиление. Фотоны, генерируемые в процессе релаксации, распространяются через активный элемент, вызывая стимулированное излучение у других атомов. Этот процесс создает усиление света, которое приводит к формированию когерентных лазерных лучей.
- Отбор частоты и направления. Лазерные резонаторы, состоящие из двух зеркал, установленных под углом друг к другу, обеспечивают отбор частоты и направление пучка излучения. В них происходит многократное прохождение света через активную среду, в результате чего происходит усиление только тех фотонов, которые распространяются в нужном направлении и имеют нужную частоту.
В результате этих процессов лазеры создают когерентный свет, который может быть использован для различных применений, таких как лазерная резка, маркировка, медицинские процедуры, научные исследования и многие другие.
Характеристики лазера
1) Тип лазера - разный прибор определяет его длину волны, мощность, стабильность и другие характеристики.
2) Длина волны - определяет цвет лазера. Она может варьироваться от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона.
3) Мощность – это количество энергии, которое лазер излучает в единицу времени. Мощность измеряется в ваттах или милливаттах.
4) Расходимость луча показывает, насколько широкий лазерный луч после выхода из источника. Чем меньше расходимость, тем точнее лазерный луч.
5) Частота повторения импульсов - это количество импульсов, которые лазер может генерировать в секунду. Измеряется в герцах (Гц) или килогерцах (кГц).
6) Длительность импульса - это продолжительность лазерного импульса. Она обычно измеряется в пикосекундах (пс) или наносекундах (нс).
7) Качество луча - определяется степенью когерентности и астигматизма лазерного излучения. Луч с высоким качеством имеет минимальную расходимость и минимальную аберрацию.
8) Стабильность частоты - показывает, насколько точно лазер может поддерживать свою длину волны.
9) Поляризация - указывает на направление вектора электрического поля в лазерном луче. Лазеры могут быть линейно или эллиптически поляризованы.
10) Пространственное качество луча - описывает качество поперечного профиля лазерного излучения. Оно включает в себя такие параметры, как M2-фактор, конфокальность и качество пучка.
Устройство лазера
Устройство лазера включает в себя несколько ключевых компонентов, каждый из которых играет важную роль в создании лазерного излучения. Основные части устройства лазера включают:
1. Источник энергии. Этот компонент обеспечивает необходимую энергию для работы лазера. Это может быть электрический ток, химическая реакция, или другой источник энергии.
2. Активный элемент. Это основной компонент лазера, который определяет его длину волны и свойства излучения. Он содержит вещество, которое имеет способность к усилению света на определенной длине волны, обычно в виде стержня или трубки.
3. Оптический резонатор. Этот компонент состоит из двух зеркал, одно из которых полностью отражает свет (называемое "глухое зеркало"), а другое - частично (называемое "выходное зеркало"). Оптический резонатор создает условия для обратной связи и усиления света, проходящего через активный элемент.
4. Система охлаждения. Большинство лазеров требуют активного охлаждения для поддержания оптимальной температуры активного элемента и других компонентов.
5. Оптика и коллиматоры. Эти компоненты используются для формирования и управления лазерным пучком. Они могут включать линзы, зеркала, фильтры и другие элементы.
6. Блок питания и контроля. Этот компонент управляет источником энергии и контролирует работу лазера, включая регулировку мощности, частоты и других параметров излучения.
Применение лазера
- Медицина. Лазерная хирургия, лечение различных заболеваний, таких как варикоз, сосудистые мальформации, удаление татуировок, коррекция зрения и т.д.
- Косметология. Омоложение кожи, эпиляция, удаление родинок, татуировок и других дефектов.
- Стоматология. Лечение кариеса, удаление зубного налета и зубного камня, а также отбеливание зубов.
- Промышленность. Маркировка и гравировка изделий, лазерная резка и сварка металлов, обработка поверхностей.
- Оптоволоконные коммуникации. Передача данных с помощью лазерных лучей.
- Военное дело. Лазерное оружие, системы наведения и прицеливания.
- Научные исследования. Физика, химия, биология, астрономия.
- Безопасность. Лазерные датчики, системы контроля доступа, противопожарные системы.
- Авиация и космонавтика. Навигационные системы, системы ориентации и стабилизации космических аппаратов.
- Спорт. Лазертаг - вид активного отдыха и спорта, основанный на использовании лазерных пистолетов и жилетов с датчиками.
- Развлечения. Лазерное шоу, дискотеки, аттракционы.
- Сельское хозяйство. Облучение растений для стимуляции роста, уничтожение вредителей.
- Строительство. Лазерная нивелировка и разметка.