Из чего состоит лазерный луч. Лазерный луч: принципы работы, свойства и применение

Что такое лазерный луч и как он создается. Какими уникальными свойствами обладает лазерное излучение. Где применяются лазеры в современном мире. Каковы перспективы развития лазерных технологий.

Что такое лазер и как он работает

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света посредством вынужденного излучения) — это устройство, генерирующее узконаправленный пучок когерентного монохроматического света. Принцип работы лазера основан на явлении вынужденного излучения, предсказанного Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году.

Как устроен и работает лазер:

1. Активная среда (кристалл, газ или полупроводник), в которой происходит усиление света
2. Система накачки для создания инверсной населенности уровней в активной среде
3. Оптический резонатор для формирования стоячей световой волны

При подаче энергии накачки в активной среде создается инверсная населенность — больше атомов находится в возбужденном состоянии, чем в основном. Это необходимое условие для усиления света. Световая волна, многократно проходя через активную среду в резонаторе, усиливается за счет вынужденного излучения возбужденных атомов. В результате формируется мощный направленный пучок когерентного излучения.

Уникальные свойства лазерного излучения

Лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств, которые отличают его от света обычных источников:

• Монохроматичность — излучение имеет очень узкий спектр
• Когерентность — все фотоны колеблются в одной фазе
• Направленность — излучение распространяется узким пучком
• Высокая плотность энергии — большая мощность в малом объеме

Благодаря этим свойствам лазерный луч может быть сфокусирован в пятно микронных размеров и передавать энергию на большие расстояния с минимальными потерями. Это открывает широчайшие возможности для применения лазеров в науке, технике и повседневной жизни.

Основные типы лазеров

Существует множество видов лазеров, различающихся по типу активной среды, способу накачки, режиму работы и другим параметрам. Основные типы лазеров:

• Твердотельные (рубиновый, неодимовый)
• Газовые (гелий-неоновый, аргоновый, CO2-лазер)
• Полупроводниковые (диодные лазеры)
• Жидкостные (лазеры на красителях)
• Волоконные
• Химические
• Эксимерные

Каждый тип лазеров имеет свои особенности и области применения. Например, газовые лазеры генерируют очень узкие спектральные линии, а полупроводниковые отличаются компактностью и эффективностью.

Применение лазеров в промышленности

Лазерные технологии произвели настоящую революцию во многих отраслях промышленности. Основные направления применения лазеров:

• Лазерная резка и раскрой материалов
• Лазерная сварка и пайка
• Лазерная маркировка и гравировка
• 3D-печать и аддитивные технологии
• Лазерная очистка поверхностей
• Лазерное упрочнение и легирование

Лазерная обработка позволяет добиться высочайшей точности, производительности и качества. Например, лазерная резка металлов обеспечивает ширину реза менее 0,1 мм при скорости до 10 м/мин. А лазерная сварка позволяет соединять самые тонкие и хрупкие детали.

Лазеры в медицине и косметологии

Медицина — одна из важнейших сфер применения лазерных технологий. Основные направления использования лазеров в медицине:

• Лазерная хирургия (офтальмология, онкология, стоматология)
• Фотодинамическая терапия
• Лазерная терапия и физиотерапия
• Лазерная диагностика
• Косметологические процедуры (эпиляция, омоложение кожи)

Лазерные методы позволяют проводить малоинвазивные операции с минимальным повреждением тканей. Например, лазерная коррекция зрения LASIK дает возможность избавиться от очков за 15 минут. А лазерное удаление опухолей позволяет сохранить здоровые ткани.

Лазеры в науке и исследованиях

Лазеры стали незаменимым инструментом в фундаментальных и прикладных научных исследованиях. Основные направления применения:

• Спектроскопия сверхвысокого разрешения
• Лазерное охлаждение атомов
• Генерация сверхкоротких импульсов
• Лазерный термоядерный синтез
• Голография
• Дистанционное зондирование

Современные лазерные системы позволяют изучать сверхбыстрые процессы с временным разрешением до аттосекунд, охлаждать атомы до температур близких к абсолютному нулю, получать экстремальные состояния вещества.

Лазеры в повседневной жизни

Лазерные технологии прочно вошли в нашу повседневную жизнь, хотя мы не всегда это осознаем. Где можно встретить лазеры в быту:

• Лазерные принтеры и сканеры
• Проигрыватели CD/DVD/Blu-ray
• Лазерные указки и нивелиры
• Лазерные дальномеры
• Сканеры штрих-кодов в магазинах
• Лазерные шоу и проекторы

Благодаря массовому производству полупроводниковых лазеров, эти устройства стали доступными и распространенными. Например, лазерные дальномеры позволяют быстро и точно измерять расстояния, что удобно при ремонте и строительстве.

Интересные факты о лазерах

Несколько любопытных фактов из истории и современности лазерных технологий:

• Первый лазер был создан в 1960 году Теодором Майманом
• Самый мощный лазер в мире — NIF в США, его мощность 500 тераватт
• Самый короткий лазерный импульс длится 43 аттосекунды (43 × 10^-18 с)
• Лазерный луч может преодолеть расстояние до Луны и обратно
• В современном смартфоне может быть до 4-5 лазеров

Развитие лазерных технологий продолжается стремительными темпами, открывая все новые перспективы применения в различных областях.

Как работают лазерные станки: основы| Trotec Laser FAQ

1. Trotec Laser
2. Обучение и поддержка
3. Часто задаваемые вопросы
4. Принцип работы лазерного луча

Как работает лазер — основы

В следующем видеоматериале мы в общих чертах покажем вам принципы работы и структуру лазера.

Термин «лазер»

ЛАЗЕР — это аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». То есть «усиление света посредством вынужденного излучения»- Говоря простым языком: частички света (протоны), возбужденные током, излучают энергию в форме света. Этот свет собирается в пучок. Таким образом образуются лазерные лучи.

Техническая структура лазера

Все лазеры состоят их трех компонентов, это:

1. Внешний источник накачки
2. Активная лазерная среда
3. Оптический резонатор.

Источник накачки направляет внешнюю энергию к лазеру.

Активная лазерная среда находится внутри лазера. В зависимости от конструкции активная лазерная среда может состоять из смеси газа (CO2-лазер), кристаллического тела (YAG-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). Когда энергия подается в активную лазерную среду через систему накачки, то это ведет к выделению энергии в форме излучения.

Активная лазерная среда находится между двумя зеркалами в так называемом «оптическом резонаторе». Одно из зеркал полупрозрачное. Излучение активной лазерной среды усиливается в резонаторе. В то же время определенная часть излучения может выходить из резонатора через полупрозрачное зеркало. Собранное в пучок излучение представляет собой лазерное излучение.

Свойства лазерного луча: монохроматичность и высокая когерентность

Лазерное излучение обладает тремя фундаментальными свойствами, а это:

1. Монохроматичность. Это значит, что излучение состоит только из волн одной длины.
2. Высокая когерентность и, следовательно, синфазность (совпадение фаз).
3. В связи с когерентностью волны лазера практически параллельны.

Благодаря этим свойствам лазерные лучи используются во многих областях современной обработки материалов. Интенсивность сохраняется на протяжении долгого времени благодаря когерентности, кроме того, лучи можно еще фокусировать при помощи линз. Лазерный луч попадает на поверхность материала, впитывается и нагревает таким способом материал. Благодаря этому тепловыделению материал удаляется или полностью испаряется. Таким образом предоставляется возможность гравировки, маркировки и резки множества материалов.

Так как индивидуальные запросы требуют индивидуальных рекомендаций!

Мы проконсультируем вас бесплатно.

Запросите 30-минутную встречу сейчас.

Связаться с нами

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

https://ria.ru/20171210/1510522571.html

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями — РИА Новости, 11.12.2017

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Без лазеров не обходится практически ни одна сфера нашей жизни. Их используют военные и врачи, строители и школьники. Лазеры работают в персональных… РИА Новости, 10.12.2017

2017-12-10T08:00

2017-12-10T08:00

2017-12-11T15:12

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150748/09/1507480982_0:137:3072:1865_1920x0_80_0_0_ff8777c73e0b71e66ce5de1a82f4260b.jpg

РИА Новости

1

5

4.7

96

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150748/09/1507480982_21:0:2752:2048_1920x0_80_0_0_572f61fd40d59626c67443821d76504c.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

Наука, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

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.

26 июня 2017, 18:02

Сверхъяркий лазер заставил электрон «нарушить» законы физики

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. 

© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаТак художник представил себе процессы поглощения и излучения фотона электроном

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина

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.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаСхема лазера

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина

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.

© Фото из архива НИЯУ МИФИЛауреат Нобелевской премии по физике Николай Геннадиевич Басов, 1960-е годы.

© Фото из архива НИЯУ МИФИ

«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. 

© Фото из архива НИЯУ МИФИМолекулярный квантовый генератор (мазер).

© Фото из архива 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.

2 января 2017, 14:42

Сибирские физики готовятся к нагреву плазмы свыше 10 миллионов градусов

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. 

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Руководство NIF по тому, как лазеры работают

«Лазер» — это аббревиатура для L Iight A Mplification на S Timeled E Миссия R Adiation

A Laser создается, когда Electron in the Electron in the Electron in the Electron in the атомы в оптических материалах, таких как стекло, кристалл или газ, поглощают энергию электрического тока или света. Эта дополнительная энергия «возбуждает» электроны настолько, что они переходят с орбиты с более низкой энергией на орбиту с более высокой энергией вокруг ядра атома.

Лазер использует квантовые свойства атомов, которые поглощают и излучают частицы света, называемые фотонами. Когда электроны в атомах возвращаются на свою нормальную орбиту — или в «основное» состояние — либо спонтанно, либо при «стимулировании» светом или другим источником энергии, в некоторых случаях даже другим лазером, они излучают больше фотонов.

Энергия света «возбуждает» электроны в атомах оптических материалов, и они переходят на орбиту с более высокой энергией. Когда электроны спонтанно возвращаются на свою нормальную орбиту или «стимулируются» светом или энергией, они испускают частицы света, называемые фотонами. Кредит: Джеймс Викболдт (Щелкните, чтобы развернуть, используйте клавиши со стрелками на клавиатуре, чтобы просмотреть все изображения.)

Свет движется волнами. Обычный видимый свет, скажем, от бытовой лампочки или фонарика, состоит из множества длин волн или цветов и является некогерентным, что означает, что гребни и впадины световых волн движутся на разных длинах волн и в разных направлениях.

В лазерном луче световые волны «когерентны», что означает, что луч фотонов движется в одном направлении на одной длине волны. Это достигается путем отправки возбужденных электронов через оптическую «усиливающую среду», такую ​​как твердый материал, такой как стекло, или газ.

Конкретная длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой, когда возбужденный электрон падает на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут быть адаптированы к материалу усиливающей среды для получения желаемого цвета луча.

Зеркало на одной стороне оптического материала лазера отражает фотон обратно к электронам. Пространство между зеркалами, или «полость», спроектировано таким образом, чтобы фотон, необходимый для определенного типа оптической усиливающей среды, возвращался обратно в среду, чтобы стимулировать излучение почти точного клона этого фотона. Они оба движутся в одном направлении и с одинаковой скоростью, чтобы отразиться от другого зеркала на другой стороне, чтобы повторить процесс клонирования.

Два становятся четырьмя, четыре становятся восемью и так далее, пока фотоны не будут достаточно усилены, чтобы все они могли двигаться мимо зеркал и оптического материала в идеальном унисоне. Думайте о них как о синхронизированных членах марширующего оркестра на Параде роз. И этот унисон придает лазеру его силу. Лазерные лучи могут оставаться четко сфокусированными на огромных расстояниях, даже до Луны и обратно.

1. Базовый лазер, такой как красный рубиновый лазер, состоит из стержня из кристаллов рубина с зеркалом на каждом конце и импульсной трубки.

2. Вспышка света от лампы-вспышки добавляет энергию внутри стержня, возбуждая атомы рубина и производя частицы света, называемые фотонами.

3. Фотоны ударяются об атомы, создавая все больше и больше фотонов, отражающихся между зеркалами внутри стержня.

4. Количество фотонов становится настолько большим, что они проходят через одно из зеркал, которое является частично отражающим, и появляется лазерный луч. Кредит: Марк Мембер и Джон Джетт

Лазеры повсюду

Лазеры существуют с 1960 года, хотя сама идея восходит к 1900 году (см. «Наследие пионеров лазеров и лазерного синтеза»).

Сегодня лазеры бывают разных размеров, форм, цветов и уровней мощности и используются для всего: от хирургии в больницах до сканеров штрих-кода в продуктовом магазине и даже для воспроизведения музыки, фильмов и видеоигр дома. . Возможно, вам сделали операцию LASIK, которая корректирует ваше зрение с помощью крошечного лазера для изменения формы роговицы вашего глаза.

Некоторые лазеры, такие как рубиновые лазеры, излучают короткие световые импульсы. Другие, такие как газовые гелий-неоновые лазеры или лазеры на жидких красителях, излучают непрерывный свет. NIF, подобно рубиновому лазеру, испускает световые импульсы длительностью всего лишь миллиардные доли секунды. Лазерный свет не обязательно должен быть видимым. Лучи NIF начинаются как невидимый инфракрасный свет, а затем проходят через специальную оптику, которая преобразует их в видимый зеленый свет, а затем в невидимый высокоэнергетический ультрафиолетовый свет для оптимального взаимодействия с целью.

Лазеры могут быть крошечными компонентами микрочипов или такими огромными, как NIF, самый большой и самый мощный лазер в мире, размещенный в здании высотой в 10 этажей и шириной в три футбольных поля.

Дополнительная информация:

Как работает NIF

45 лет лазерного лидерства

Видео: Празднование 60-летия лазера

Что такое лазер? | Космическое пространство НАСА — Наука НАСА для детей

Краткий ответ:

Лазер производит очень узкий пучок света, который используется во многих технологиях и инструментах. Буквы в слове лазер означают 9.0005 L свет A усиление на S стимулированное E миссия R излучение.

Буквы в слове лазер означают L свет A усиление на S стимулирование E миссия R излучение. Лазер — необычный источник света. Это сильно отличается от лампочки или вспышки. Лазеры производят очень узкий пучок света. Этот тип света полезен для многих технологий и инструментов, даже для тех, которые вы можете использовать дома!

Свет распространяется волнами, и расстояние между пиками волны называется длиной волны .

Каждый цвет света имеет свою длину волны. Например, синий свет имеет более короткую длину волны, чем красный свет. Солнечный свет — и типичный свет от лампочки — состоит из света с разными длинами волн. Наши глаза видят эту смесь длин волн как белый свет.

На этой анимации показаны различные длины волн солнечного света. Когда все разные длины волн (цвета) объединяются, получается белый свет. Изображение предоставлено: НАСА

Лазер отличается. Лазеров в природе не бывает. Однако мы придумали способы искусственного создания этого особого типа света. Лазеры производят узкий пучок света, в котором все световые волны имеют очень близкие длины волн. Световые волны лазера движутся вместе, их вершины выстраиваются в линию, или в фазе . Вот почему лазерные лучи очень узкие, очень яркие и могут быть сфокусированы в очень маленькое пятно.

Эта анимация представляет собой изображение синфазных лазерных световых волн. Изображение предоставлено: НАСА

Поскольку лазерный луч остается сфокусированным и не сильно рассеивается (в отличие от фонарика), лазерные лучи могут перемещаться на очень большие расстояния. Они также могут концентрировать много энергии на очень небольшой площади.

Эта анимация показывает, как лазер может сфокусировать весь свой свет в одной маленькой точке. Предоставлено: NASA

Лазеры имеют множество применений. Они используются в прецизионных инструментах и ​​могут резать алмазы или толстый металл. Они также могут быть разработаны для помощи в деликатных операциях. Лазеры используются для записи и извлечения информации. Они используются в коммуникациях и для передачи телевизионных и интернет-сигналов. Мы также находим их в лазерных принтерах, сканерах штрих-кода и DVD-плеерах.