что такое лазерный луч простыми словами
Лазерный мир
Что такое лазер? И зачем он нужен?
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:
По способу возбуждения лазерного вещества:
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.
лазер
Полезное
Смотреть что такое «лазер» в других словарях:
ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл. магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» аббревиатура слов англ. выражения … Физическая энциклопедия
Лазер — в научной лаборатории. ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор; аббревиатура от начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission Radiation усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор; аббревиатура от начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission Radiation усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического когерентного излучения,… … Современная энциклопедия
ЛАЗЕР — (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation усиление света искусственным излучением), оптический МАЗЕР, источник интенсивного, когерентного, с одинаковыми длинами волн узкого луча света… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЛАЗЕР — [англ. laser, сокр. Словарь иностранных слов русского языка
ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор) (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation усиление света в результате вынужденного излучения) источник оптического когерентного излучения, характеризующегося… … Большой Энциклопедический словарь
ЛАЗЕР — [зэ ], а, муж. (спец.). 1. Оптический квантовый генератор, устройство для получения мощных узконаправленных пучков света. Импульсный л. Л. непрерывного действия. 2. Пучок света, луч, получаемый при помощи такого генератора. Лечение лазером.… … Толковый словарь Ожегова
лазер — сущ., кол во синонимов: 3 • луч (11) • нанолазер (1) • хемолазер (1) Словарь синонимов ASIS … Словарь синонимов
Лазер — источник электромагнитных волн видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов, основанный на принципе вынужденного (индуцированного) излучения квантовых систем атомов, молекул и др. В иностранных ВС применяется для локации, связи,… … Морской словарь
лазер — – лазерный стенд развала. EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь
ЛАЗЕР — (англ. laser аббревиатура словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation усиление света с помощью вынужденного излучения) оптический квантовый генератор, источник оптического когерентного излучения, характеризующегося… … Российская энциклопедия по охране труда
Что такое лазер? Принцип работы и применение.
Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер», однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.
За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?
Что такое лазер?
Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.
Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.
Принцип функционирования лазера
Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.
Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.
Классификация лазеров
По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:
В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:
Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.
Практическое использование лазеров
На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:
Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.
Виды лазеров: 4 метода классификации
Лазер называют «самым быстрым ножом, самым ярким светом и самой точной линейкой»:
По сравнению с естественным светом лазер обладает такими характеристиками, как высокая интенсивность, хорошая монохроматичность, хорошая когерентность и хорошая направленность.
Частота, фаза, направление распространения и состояние поляризации фотонов, испускаемых стимулированным излучением, и посторонних фотонов абсолютно одинаковы, поэтому лазер имеет характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности.
Схематическая диаграмма перехода на атомный энергетический уровень
Схематическая диаграмма процесса стимулированного излучения
Особенности лазеов:
История создания лазерного оборудования
История развития лазерных технологий
Два вида применения лазера:
Характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности определяют два сценария применения лазера:
Лазер обладает хорошей монохроматичностью и направленностью. Он подходит для передачи информации (оптическая связь) и измерения расстояния (оптическое измерение). По сравнению с традиционной электрической связью, оптическая связь имеет такие преимущества, как большая емкость, большое расстояние, хорошая конфиденциальность и легкий вес.
Оборудование для лазерной обработки
Лазерная обработка является представителем технологии точной обработки. Основной движущей силой роста является замещение традиционных методов обработки:
По сравнению с другими методами обработки, лазерная обработка имеет преимущества высокой эффективности, высокой точности, низкого потребления энергии, малой деформации материала и простоты управления.
Эти преимущества тесно связаны с двумя характеристиками бесконтактной обработки и высокой плотностью энергии лазерной обработки:
Работа лазера полностью завершается за счет тепла, выделяемого при взаимодействии лазера с материалом.
Во время всего процесса нет контакта между обрабатывающим инструментом и материалом, поэтому обрабатываемый материал не подвергается силовому воздействию, а остаточное напряжение относительно невелико.
Поскольку диаметр луча можно контролировать до очень малого, точность также высока;
Высокая плотность энергии:
Плотность мощности лазерной обработки может достигать более 107 Вт/см, в тысячи и даже десятки тысяч раз превышая плотность мощности пламени, дуги и других методов обработки.;
Более высокая плотность мощности означает, что лазер может обрабатывать очень маленькую область на объекте обработки, не затрагивая материалы вокруг микрообласти, поэтому точность обработки и эффективность обработки выше.
Лазер: основной блок лазерного оборудования
Основная структурная схема лазера
Типы лазеров
Существует множество методов классификации лазеров, среди которых наиболее часто используются четыре наиболее часто используемые:
По рабочему веществу:
По рабочему веществу лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, жидкостные (на красителях), полупроводниковые, эксимерные и т.д;
Ионы металлов, способные производить стимулированное излучение, легируются в кристалл и используются в качестве рабочих материалов. Обычно используемые кристаллы включают рубин, корунд, алюминиевый гранат (широко известный как YAG), тунгстат кальция, фторид кальция, алюминат иттрия и бериллат лантана, среди которых YAG является наиболее распространенным кристаллом в настоящее время.
Лазер на красителях:
В качестве рабочего вещества используется раствор, образующийся при растворении некоторых органических красителей в жидкостях, таких как этанол, метанол или вода.
Также известны как лазерные диоды, в качестве рабочего вещества используются полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CDS), фосфид индия (INP), сульфид цинка (ZnS) и т.д.
Оптоволоконный лазер:
Волоконный лазер имеет отличные характеристики и известен как лазер третьего поколения:
Форма выходного сигнала энергии (рабочий режим):
По форме выходного сигнала лазеры можно разделить на непрерывный, импульсный и квазинепрерывный. Импульсный лазер можно дополнительно разделить на миллисекундный лазер, микросекундный лазер, наносекундный механизм, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, аттосекундный лазер и т.д.;
Непрерывно выдают стабильную форму волны энергии в течение рабочего времени, с высокой мощностью, и могут обрабатывать материалы с большим объемом и высокой температурой плавления, такие как металлические пластины;
По ширине импульса импульсные лазеры могут быть далее разделены на миллисекундные лазеры, микросекундные лазеры, наносекундные механизмы, пикосекундные лазеры, фемтосекундные лазеры и аттосекундные лазеры;
Фемтосекундные и аттосекундные лазеры называются сверхбыстрыми лазерами.
Мощность импульсного лазера намного ниже, чем у непрерывного лазера, но точность обработки выше, чем у непрерывного лазера. Как правило, чем меньше ширина импульса, тем выше точность обработки;
Помимо непрерывного лазера и импульсного лазера, высокоэнергетический лазер может быть выведен многократно в течение определенного периода.
Выходная длина волны (цвет):
По длине выходной волны лазеры можно разделить на рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, видимые и т.д;
Мощность:
Можно разделить на лазеры низкой мощности 100 Вт, лазеры средней мощности 100-1500 Вт и лазеры высокой мощности больше 1500 Вт.
Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!
Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями
МОСКВА, 10 дек — РИА Новости. Без лазеров не обходится практически ни одна сфера нашей жизни. Их используют военные и врачи, строители и школьники. Лазеры работают в персональных компьютерах, на спутниках. С их помощью в лабораториях получают потоки энергии, по мощности сравнимые с ядерным взрывом, и охлаждают среду до сверхнизких температур. Изобретение лазера настолько значимо, что за работы, послужившие этому, ученые получили Нобелевские премии. Одному из научных отцов лазера, советскому физику Николаю Геннадиевичу Басову 14 декабря исполнилось бы 95 лет.
К изобретению лазера привели исследования процессов, происходящих в атоме. Электроны в нем могут занимать разные энергетические уровни — чем выше уровень, тем дальше он расположен от ядра. Точнее, существует вероятность обнаружить электрон на том или ином месте, и «находится» он там, где она наиболее высока.
При переходе электронов на уровень выше или ниже соответственно поглощается или выделяется квант света — фотон, обозначающий самую малую порцию энергии электромагнитной волны. Причем если излучение будет вынужденным, то есть порожденным внешним воздействием, некоторые параметры колебаний фотонов будут тождественны. За счет этого достигается узость диапазона длин волн, характерная для лазерного света.
Чтобы атом излучал фотоны, электроны должны переходить на уровень ниже. А для этого их нужно сначала загнать на более высокие уровни с помощью внешнего воздействия. Физики называют этот процесс накачкой. Атом, в котором электроны занимают более высокие уровни, именуют возбужденным.
Возбужденные атомы будут испускать свет непрерывно, если обеспечить обратную связь. Вынужденное излучение, раз возникнув, должно вновь и вновь вызывать прыжок электронов на уровень выше после того, как они испустят фотоны. Для этого излучательную среду, например кристалл, помещают в оптический резонатор, который представляет собой систему двух зеркал. Резонатор обеспечивает многократное продуцирование световых волн, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, то есть увеличивается количество фотонов.
От мазера к лазеру
В 1916 году Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном (индуцированном) испускании и поглощении фотонов. Спустя два десятка лет советский физик Валентин Фабрикант указал на возможность использовать вынужденное испускание для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество.
В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии Николай Басов и его научный руководитель Михаил Прохоров сделали доклад о том, что есть возможность использования вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн. Практически одновременно такое предположение высказал в Колумбийском университете американский физик Чарльз Таунс.
«В июле 1954 года в журнале Physics Review Letters была опубликована статья Чарльза Таунса, Дж. Гордона и Г. Цайгера, полученная редакцией 5 мая 1954 года. В статье сообщалось о том, что «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Это было первое сообщение о реализации молекулярного генератора — мазера», — рассказывает Евгений Проценко, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ.
Первый источник электромагнитного излучения, работающий на переходах молекулы аммиака, испускал волну света длиной 1,25 сантиметра. Устройство назвали «мазер», сократив фразу «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Предшественник лазера создали одновременно и независимо две научные группы — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством Николая Басова и Михаила Прохорова и в Колумбийском Университете в США под руководством Чарльза Таунса.
«Обе группы предложили и создали аммиачный мазер в самом деле одновременно, о чем и свидетельствует Нобелевская премия. Поразительно, что при огромной разнице стартовых условий — мирная жизнь в США и военные и послевоенные годы в СССР — научные группы все же «сравняли счет» и одновременно сделали открытие, вознагражденное согласно его значимости», — делится воспоминаниями доктор физико-математических наук Иосиф Зубарев, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, работавший вместе с Николаем Басовым.
Собственно, лазер (сокращение от фразы light amplification by stimulated emission of radiation, что по-русски означает «усиление света посредством вынужденного излучения») появился на свет лишь спустя шесть лет после создания мазера. Это время было потрачено на поиск материалов и технологий, которые позволили достичь диапазона волн лазерного излучения — от 0,1 до 1000 микрометров.
«Шестнадцатого мая 1960 года в Лаборатории Хьюза (Калвер-Сити, Калифорния, США) физик Теодор Мейман реализовал условия для возникновения вынужденного излучения. Ученый использовал импульсную газоразрядную лампу, окружающую кристалл рубина длиной 1,5 сантиметра и около одного сантиметра в поперечнике. Спектр излучения рубина немного сузился, что свидетельствовало о вынужденном излучении света. Это было днем рождения лазера», — комментирует Андрей Кузнецов, исполняющий обязанности директора Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.
Николай Басов, выпускник МИФИ, известного раньше как Московский механический институт, организовал и возглавил там в 1978 году кафедру квантовой электроники. С 2016 года работу, начатую нобелиатом, продолжают в Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ, объединившем несколько кафедр.
Группа теоретиков ЛаПлаз и университета Бордо в 2015-2017 годах предсказала возможность создания сверхмощными лазерными импульсами магнитных полей с напряженностью до сотен миллионов Гаусс и выше, «вмороженных» в плазму. Такие поля на порядки превышают достижимые в настоящее время другими методами. Способ генерации основан на взаимодействии с мишенями особенной геометрии, устроенной таким образом, что токи ускоренных лазерным излучением частиц образуют мощнейший соленоид.
И совсем недавно, в октябре 2017 года, это предсказание получило подтверждение. На эксперименте, который проводился международной командой в Германии на установке PHELIX в GSI (Институт тяжелоионных исследований, Дармштадт), работали, в том числе, и студенты НИЯУ МИФИ. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями и открывают новые перспективы в фундаментальных и прикладных исследований, связанных так или иначе с магнитными полями и замагниченной плазмой.
Поскольку новый метод использует энергию лазерного излучения, то есть является «оптическим», особенно перспективным он выглядит в лазерно-физических исследованиях. В первую очередь речь идёт о задачах так называемой лабораторной астрофизики, то есть явлениях, которые впервые наблюдались в космосе. Астрофизическая плазма часто оказывается сильно замагниченной, что при пересчёте на параметры лабораторной плазмы соответствует магнитным полям свыше миллионов или даже миллиардов Гаусс, для генерации которых новый метод окажется незаменимым.