Какие бывают лазеры: Виды лазерной эпиляции — Лазерная эпиляция

Содержание

Виды лазерной эпиляции — Лазерная эпиляция

 Вид лазерной эпиляции называется по типу оборудования, с помощью которого проводят процедуру. Аппараты нового поколения отличаются мощностью и глубиной проникновения лазерного луча. Они уничтожают волосяной сосочек, который подпитывает фолликул. При этом лазерный луч не задевает кожный покров. Лазеры старого поколения, напротив, нагревают кожу, вызывая ожоги и пигментацию.
 
Уточняйте на каком типе лазера проводится процедура.
 

4 вида лазерной эпиляции:

 

1. Рубиновая

Оборудование: рубиновый лазер.
Этот вид лазерной эпиляции применяли в 90-е года. Именно с него началось развитие лазерных технологий в борьбе с нежелательным ростом волос. Рубиновый лазер удаляет только черный волос на белой коже. Луч не настроен на пигмент волоса, что вызывает ожог и пигментацию, поэтому во время процедуры человек испытывает сильную боль.

 

2. Александритовая

Оборудование: александритовый лазер.
Это следующий шаг в лазерных технологиях — лазер уже настроен на пигмент волоса, но не предусматривает встроенную систему охлаждения. Он удаляет темный волос на светлой коже. Однако для удаления светлого волоса еще не хватает мощности, что требует большего количества процедур, чем на диодном лазере. При этом в 65% случаев александритовый лазер провоцирует ожог и пигментацию на смуглой и загорелой коже.

 

3. Диодная

Оборудование: диодный лазер.
Современный аппарат для удаления волос навсегда. Различает степень загара и автоматически выстраивает необходимые параметры. При этом луч воздействует исключительно на пигмент волоса или просто рассеивается. Длина волны диодного лазера 800-900 нм., поэтому жар от луча доходит до основания волоса, разрушает только фолликул и волосяной сосочек. Длительность импульса до 30 мс. с частотой 1-10 Гц. защищает кожу от повреждений.
Более детально можно ознакомиться на странице «Диодная лазерная эпиляция».

 

4. Неодимовая

Оборудование: неодимовый лазер.
Неодимовый лазер в корне отличается от предыдущих аналогов, действующих на меланин и не удаляет фолликул. Он удаляет кровяные сосуды, питающие волосы и кожу. При этом тепловому воздействию поддаются все органы кожи на обрабатываемом участке. Благодаря длине волны от 1064 нм. луч проникает вплоть до костной ткани.

 

Длина проникновения лазерного луча

 


 

Сводная таблица характеристик лазеров:

 

Рубиновый лазер Александритовый лазер Диодный лазер Неодимовый лазер
Поколение 1960 — 1997
Устаревшее
1997 — 2005
Устаревшее
2005 — 2017
Новейшее
1999 — 2016
Нынешнее
Светлый или тонкий волос X X V V
Смуглый или темный цвет кожи (загорелый) Х Х V V
Количество процедур на участке 2х2 см. до полного удаления волос 10 8 5 5
Уровень болезненности Высокий Средний Низкий Высокий
Программа охлаждения Нет Есть Есть Есть
Возможные последствия Рубцы, ожоги Ожоги Отсутствуют Повреждение кровеносных сосудов
Мощность максимальная 15 — 18 Дж./см2 35 Дж./см2 50 — 60 Дж./см2 35 Дж./см2
Длина луча до 694 нм. 725 — 755 нм. 800 — 940 нм. от 1064 нм.
Частота повторений импульса 1 Гц. 1 — 5 Гц. 5 — 30 Гц. 5 — 10 Гц.
Площадь рабочего пятна насадки 15 — 18 Дж./см2 35 Дж./см2 50 — 60 Дж./см2 35 Дж./см2
Предназначен для лазерной эпиляции
V V V X

 

Будьте внимательны при выборе процедуры. Теперь вы знаете какие виды лазерной эпиляции существуют и чем отличаются.Желаем Вам гладкой и здоровой кожи!

 

 Чтобы узнать о нашем оборудовании перейдите по ссылке.

 

Какие расходные материалы бывают в диодных лазерах? — статьи Lasertech

Представим на минуту, что вы стали счастливым обладателем диодного лазера!

Вы прошли обучение на аппарате и приступили к работе.

А дальше хочется понимать, спустя какое время и что может подлежать замене в аппарате?

Это нужно, чтобы иметь полное представление о том, как будет проходить эксплуатация аппарата.

Здесь нет ничего сложного, но все же!)

Чтобы понять какие расходные материалы есть в диодном лазере, давайте для начала определим, из каких частей он состоит.

Из каких основных частей стоит диодный лазер?


В первую очередь лазер это не просто луч света, это техническое устройство, которое состоит из множества элементов.

У лазера есть «усиливающая среда».

Это диодная матрица, которая представлена слоями полупроводникового материала.

Фактически это источник свободных частиц света, фотонов.

Есть дополнительный источник света, например RF или ксеноновая лампа, а также мощный охлаждающий элемент, под названием Пельтье. Это нужно для того, чтобы контактное сапфировое стекло охлаждалось.

Рабочее тело или “усиливающая среда” тоже должна охлаждаться за счет магистрального водного канала внутри манипулы или сети каналов. В первом случае охлаждение называется — макро канальное, во втором случает — микроканальное.

Диодному лазеру быть лазером помогает и аппарат и гофра, которая соединяет манипулу с интеллектуальной системой управления самого аппарата!

Теперь давайте посмотрим,

Какие части диодного лазера являются расходными?

Расходной частью диодного лазера является манипула.


Ресурс манипулы у диодного лазера 20 000 000 вспышек. Ее замена происходит примерно раз в 5 лет после покупки аппарата и начала работы на нем.

Замена или ремонт манипулы, как правило производиться в сервисном центре компании, где вы его приобрели.

Теперь давайте посмотрим,

Какие материалы являются расходными при работе на диодном лазере?

Для того чтобы произвести работу не только качественно, но и комфортно во время процедуры вам понадобятся следующие материалы:

Перечислим их:

  • Ультразвуковой гель прозрачный средней вязкости

  • Шпатели одноразовые

  • Антисептик бесспиртовой

  • Простынь, шапочка, ватные диски, салфетки-необходимый одноразовый материал для сервиза клиента

  • Канцелярская штрих замазка для защиты родинок от светового воздействия

  • Медицинский пластырь для защиты татуировки во время воздействия света

  • Одноразовые бритвы с ограничителем, на случай если клиент пришел не подготовленный

  • Очки для специалиста, для клиента так же является расходным материалом, так как если они сломались, их необходимо заменить, так как они защищают глаза от света.

  • По истечению ресурса световых импульсов манипула также подлежит замене.

Пополнение расходных материалов осуществляется быстро и просто.

Чаще всего эти материалы заказываются в компании где вы приобретаете лазер.

Подведем итог:

Расходным материалом в диодном лазере является манипула с ее ресурсом вспышек. Замена манипулы производится в сервисном центре компании, где вы приобрели лазер.

Также во время работы вам понадобятся расходные материалы для проведения процедур. Они стандартные и легко приобретаются у поставщика.

Коллега, вот такие расходные материалы есть и используются в процессе работы на диодном лазере.

Забронируйте надежный диодный лазер для бизнеса в нашем каталоге продукции.

Разновидности аппаратов лазерной эпиляции, оборудование для лазерной эпиляции

Лазерная эпиляция – одна из самых доходных областей в аппаратной косметологии: на неё есть постоянный спрос, а стоимость процедур такова, что позволяет достичь окупаемости прибора за считанные месяцы. Далее аппарат работает исключительно на клинику.

Особенности эпиляции как процедуры удаления волос

Суть лазерной эпиляции заключается в избирательном поглощении энергии лазерного излучения меланином, содержащимся в волосяном фолликуле. Этот процесс сопровождается нагреванием фолликула и гибелью клеток, отвечающих за рост волоса.

Хотите узнать цену аппарата LightSheer DUET? Звоните нам 8 (800) 707-21-87!

Эпиляция одной области требует нескольких процедур для окончательного избавления от нежелательных волос. Количество повторов зависит от эффективности лазерного аппарата, от возможностей регулировки его мощности в процессе эпиляции, чтобы подобрать режим, наиболее подходящий в каждом конкретном случае.

Лазерная эпиляция достаточно болезненная процедура, поэтому аппараты лазерной эпиляции снабжают специальными модулями, обеспечивающими охлаждение подлежащей кожи. Чаще всего это контактные охлаждающие пластины или устройства воздушного охлаждения.

Очень важным параметром при выборе лазера для эпиляции является то, для каких фототипов кожи по Фитцпатрику он может использоваться. Согласно этой классификации выделяют шесть фототипов кожи, отличающихся по насыщенности эпидермиса меланином. Чем шире возможности лазера в этом направлении, тем более он универсален и может использоваться как у светлокожих людей со светлыми/тёмными волосами, так и у темнокожих.

Виды лазеров в аппаратах для эпиляции

В основе аппаратов лазерной эпиляции в настоящее время используются следующие виды лазеров:

  • александритовый,
  • неодимовый (Nd:YAG),
  • диодный.

Эпиляция на александритовом лазере наиболее болезненная, что, в сочетании с его ограниченностью при использовании на разных фототипов кожи, обуславливает его постепенное замещение другими типами лазеров. Ряд исследований показывают его эффективность только при фототипах I-III.

Неодимовый лазер был разработан специально для IV-VI фототипов кожи. Его использование также достаточно болезненно и нуждается в надёжном аппаратном обезболивании.

Диодный лазер является наиболее универсальным и может использоваться у лиц с I-VI фототипом кожи, даже с очень светлыми волосами, исключая волосы, совсем лишённые пигмента (седые и белые). При этом данный тип лазера наиболее эффективный, так как позволяет избавиться от роста в конкретной области всего за четыре процедуры.

Как найти идеальный аппарат лазерной эпиляции

Из аппаратов лазерной эпиляции на рынке обращает на себя внимание аппарат LightSheer DUET. Его принципиальное отличие от других аппаратов для лазерной эпиляции – это инновационная система обезболивания при удалении волос на обширных участках (спина, бёдра, ноги). С этой целью в LightSheer DUET насадка для эпиляции больших участков была оснащена вакуумным усилителем, который втягивает кожу в полость рукоятки и тем самым приближает ее к источнику лазерного излучения. Подтягиваясь вверх, кожа разглаживается, что делает волосяные фолликулы более доступными для удаления. Втягивание в полость рукоятки кожного покрова раздражает в нём нервные рецепторы таким образом, то происходит смена модальности болевого импульса. За счёт этого достигается хороший обезболивающий эффект.

Для эпиляции зон со сложным рельефом (лицо, подмышечная впадина) или с затруднённым доступом (зона бикини) в LightSheer DUET используется малый наконечник с контактной охлаждающей пластиной, дающей снижение температуры кожи до +4 С.

Благодаря надёжному обезболиванию процедура эпиляции на аппарате LightSheer DUET становится действительно комфортной. Дополнительными плюсами аппарата являются его универсальность в использовании для любых фототипов кожи и необходимость меньшего количества процедур по сравнению с александритовыми и неодимовыми лазерами.

Вам также могут быть интересны материалы на сайте:

Долговременное лазерное удаление волос: НОВОСТИ: VeLux Двойной эффект Александритового и Диодового лазера

Мировые стандарты депиляции

Удаление «нежелательных волосков»: лазерные технологии нового поколения

Многие из нас стараются удалить волоски в разных частях тела: под мышками, на руках, ногах, над верхней губой, на бороде. В моде депиляция области бикини. В каждой зарубежной стране существует своеобразная точка зрения на эстетику тела. В США депилированные ноги и руки такая же норма, как и здоровые зубы, а в Испании процветает культ выхоленных подмышек. В гигиеническом и эстетическом смысле у депиляции есть преимущества. Депиляция – составная часть элементарной гигиены тела.

В прошлое канул метод электроэпиляции, восковую депиляцию вытолкнули мощные лазеры и системы IPL. В их силах сделать так, чтобы мы забыли о волосках на несколько лет…

Как на волосы воздействует лазер по удалению волос?

Лазер генерирует луч волн интенсивного, концентрированного света одной длины, который при помощи ручного датчика направляется на необходимый участок.
Находящийся в волосах пигмент поглощает распространяемую лазером энергию, выделяется очень большая тепловая энергия, которая и уничтожает его луковицу. Нет луковицы, – не отрастают и волосы.

В чем особенность лазерного удаления волос по сравнению с другими способами?

Это способ удаления волос надолго. Его суть заключается в том, что луковица волоса уничтожается навсегда. Из уничтоженных луковиц волосы не отрастают. Этот способ менее болезненный, чем удаление волос путем применения электролиза, депиляции. Это намного более удобный, эффективный и быстрый метод.

Можно ли с применением этого способа удалять волосы в любой части тела?

Применяя этот способ можно удалять волосы в любой части тела. Женщинам чаще всего волосы удаляются с участка над верхней губой, в области бровей, подбородка, бикини, на ногах и подмышками. Мужчинам – с большого участка тела: спины или плеч.

Кому особенно подходят процедуры по лазерному удалению волос?

Особенно такие процедуры помогают тем, кто не может брить или депилировать волосы с применением обычных старых методов и тем, у кого волосы врастают в кожу после бритья или депиляции (формируются покрасневшие бугорки, начинается инфекция).

Необходима ли специальная подготовка перед процедурой по лазерному удалению волос?

В течение 4 недель до процедуры рекомендуется не выщипывать, не удалять волосы при помощи депиляционного крема, воска или электролиза (брить волосы можно). Постарайтесь, чтобы на день процедуры кожа была бы без загара. В течение 4 недель до процедуры не пользуйтесь активными косметическими средствами (которые делают кожу чувствительной к интенсивному свету) в той области, где Вы планируете удалять волосы лазером.
В день процедуры кожа должна быть чистой, не следует использовать макияж, кремы, духи и другие средства. Длина волоса должна быть 1-1,5 миллиметра над поверхностью кожи. Если Вы планируете удалять волосы в области «бикини», нижний трикотаж должен быть хлопчатобумажным.

Болезненна ли процедура по лазерному удалению волос?

Удаление волос при помощи лазера это безопасный, быстрый и мягкий способ. Хотя некоторые участки тела более чувствительны, чем другие, многие из пациентов ощущают только незначительное покалывание или совсем его не чувствуют. Чувствительным пациентам перед процедурой по удалению волос на особенно чувствительные участки мы наносим анестетические кремы.

Какие будут рекомендации после лазерного удаления волос?

После процедуры или на следующий день кожа может незначительно покраснеть или чесаться. Эти явления исчезнут через 1-2 дня. После лазерного удаления волос рекомендуется:

  • примерно два дня не загорать на солнце и в солярии;
  • 1-2 дня избегать пребывания в сауне, банях и других горячих процедур;
  • не принимать горячий душ;
  • не чесать, не тереть, не травмировать кожу;
  • избегать плавания, спортивных занятий, во время которых может быть травмирована подвергнутая процедуре кожа или занесена инфекция;
  • в течение суток после процедуры не пользоваться никакой косметикой в тех областях.

Всем ли подходит этот способ?

Уникальные свойства лазера предоставляют возможность работать с кожей и волосами разных типов. Специалисты в нашей GK Клинике индивидуально для Вас подберут лазерную систему по удалению волос, подберут сочетание несколькихлазеров и лазеров с аппаратами Интенсивного Импульсного Света. Во время консультации наш врач посоветует и скажет, является ли этот способ самым подходящим для Вас, и подберет самую эффективную комбинацию лечения.

Сколько понадобится процедур?

Количество процедур зависит от густоты волос, их количества, цикла роста. Волосы можно удалять только в фазе роста (в этой фазе волос вырастает из луковицы и появляется на поверхности кожи). Огромное количество факторов оказывает влияние на волосатость: этническое происхождение, гормоны, медикаменты, обмен веществ и т.д. Зачастую для достижения желаемого результата необходимо провести 4-6 процедур. Врачи нашей GK Клиники предложат Вам наиболее подходящий график процедур.

Какие бывают побочные эффекты при лазерном удалении волос?

Могут появиться кратковременные побочные эффекты, например: покраснение кожи, которое исчезает через несколько часов. После лазерного удаления волос в редких случаях появляются струпья или небольшие пузырьки, которые исчезнут через 5-7 дней. У темнолицых или у загорелых людей могут проявиться изменения пигментации кожи. Эти изменения пигментации кожи выравниваются в течение 3 месяцев.

В каких случаях не рекомендуется лазерное удаление волос?

Процедура не выполняется:

  • в случае употребления лекарственных препаратов, которые обладают фотосенсибилизирующими свойствами (т.е. делают кожу чувствительной к интенсивному свету, напр.: сульфаниламиды, системные противогрибковые препараты, хлорпромазин, тиазид, Roaccutane и др.)
  • выполнение процедуры не рекомендуется при склонности организма к образованию келоидных рубцов. ​

Необходимо перед процедурой всегда проконсультироваться с врачом. Только специалист может посоветовать, подходит ли Вам эта процедура.

Осложнения лазерной и фотоэпиляции читать

Наличие нежелательных волос является проблемой для многих людей, которых не устраивают давно существующие методы их удаления (бритье, восковая и химическая депиляция, электроэпиляция) в силу либо кратковременного результата, либо сильной болезненности, либо частых осложнений (например, образования рубцов после электроэпиляции). Изобретение селективного фототермолиза и создание различных лазерных систем с разными диапазонами длины волны сделали возможным эффективное и долгосрочное удаление волос. В настоящее время для удаления волос используют несколько видов лазерных и фотосистем: рубиновый лазер (694 нм), александритовый лазер (755 нм), диодный лазер (800 нм), IPL-системы (590—1200 нм), Nd:YAG-лазер (1064 нм).

Эпиляция происходит за счет разрушения волосяного фолликула, где основным пигментом является меланин, выступающий в роли хромофора — вещества, поглощающего излучение с определенной длиной волны. При оптимальном подборе длины волны, плотности потока энергии и длительности импульса меланин волосяного фолликула нагревается, и волосяная луковица разрушается. Окружающие ткани при этом не повреждаются.

По сравнению с уже существующими видами эпиляции и депиляции лазерная эпиляция разрушает волосяной фолликул быстро, прицельно и точно, чем объясняется ее высокий эстетический результат. Кроме того, эпиляция с применением лазеров и фотосистем позволяет быстро, практически безболезненно и с минимальным риском осложнений обработать большие поверхности кожи. Неслучайно она стала одной из самых востребованных среди всех эстетических процедур, осуществляемых с помощью квантовых технологий. Лазерные и IPL-системы, по словам фирм-производителей, помогают быстро, безопасно и эффективно удалять нежелательные волосы. Но многочисленные исследования показывают, что данные способы удаления волос все же не лишены побочных эффектов и осложнений.

В связи с растущей популярностью лазерного удаления волос лазеротерапевты, дерматологи, косметологи, врачи общей практики должны знать возможные осложнения и побочные эффекты данных процедур, чтобы правильно и вовремя их диагностировать и лечить.

Причины осложнений


Перечислим основные причины развития осложнений, характерных для всех видов процедур с использованием лазеров и IPL-систем.

  1. Профессиональные ошибки врача, которые включают в себя некачественное обучение; ошибки диагностики, особенно определения фототипа и состояния кожи; неправильный выбор типа лазера и его параметров излучения; непроведение тестового воздействия; несовершенство техники работы с лазером; неполная информированность пациента о процедуре, ее результатах и постпроцедурном уходе; отутствие средств защиты глаз у пациента или врача; отсутствие адекватного охлаждения кожи во время процедуры.
  2. Несоблюдение пациентами рекомендаций врача по постпроцедурному уходу.
  3. Состояние здоровья пациента во время проведения процедуры. Данный фактор влияет на эффективность самой процедуры и развитие осложнений в постпроцедурном периоде. Даже при качественном сборе анамнеза мы не можем в полной мере учесть наличие у пациента всех отягощающих факторов и заболеваний, так как он не всегда знает о них.

При сборе анамнеза важно учитывать склонность пациента к аллергическим реакциям, наличие у него гормональных нарушений, иммунодефицитных состояний, болезней соединительной ткани и опухолевых заболеваний, прием пациентом лекарственных средств, влияющих на функциональную активность меланоцитов.

Побочные эффекты лазерной эпиляции

Теперь перейдем к побочным эффектам процедуры лазерной и IPL-эпиляции и ее осложнениям. К побочным эффектам лазерной эпиляции относятся боль, перифолликулярный отек и эритема кожи обрабатываемой области. Перифолликулярный отек и эритема возникают через несколько минут после воздействия, проходят в течение нескольких часов и не требуют лечения.

Выраженность данных реакций зависит от цвета, толщины и густоты волос, а также от плотности потока энергии. Темные, толстые волосы во время процедуры поглощают много энергии и сильно нагреваются, в результате могут развиться перифолликулярный отек и эритема. При воздействии на тонкие волосы перифолликулярный отек обычно менее выражен. Сильный отек возникает также у пациентов с чувствительной реактивной кожей. Для уменьшения данных побочных эффектов важно использовать эффективные системы охлаждения кожи до, во время и, если требуется, после процедуры.

Необходимо правильно подбирать плотность потока энергии и при необходимости постепенно ее увеличивать до достижения клинического эффекта. Если отек и гиперемия ярко выражены, то после процедуры можно назначить крем с глюкокортикоидами или декспантенолом. При умеренно и слабо выраженных явлениях перифолликуляного отека достаточно использовать в домашних условиях успокаивающие гели и кремы, например те, что применяются после загара для снятия отека и эритемы.

В качестве средства, способствующего регенерации, можно порекомендовать восстанавливающий ALOE GEL (MedicControlPeel, Россия) с поливитаминным комплексом и экстрактами кипрея и ромашки, а также гидрорегулирующий гель для чувствительной и раздраженной кожи с декспантенолом и гиалуроновой кислотой Hydractive Mesaltera. 

Для скорейшего устранения признаков воспаления идеально подходит сверхрегенерирующий питательный крем Cytobi GERnetic (Франция). Эксклюзивная рецептура препарата состоит из пяти биологических комплексов, содержащих аминокислоты, пептиды, протеины, витамины и олигоэлементы. Данные компоненты необходимы для запуска важнейших биохимических реакций регенерации, увлажнения и питания кожи.

Сразу после процедуры лазерной эпиляции не рекомендуется проводить тепловые и физиотерапевтические процедуры, массаж обработанных зон, не следует также загорать.

Лазерное удаление волос — не безболезненная процедура; большинство пациентов испытывают во время нее (или сразу после) болевые ощущения. Для уменьшения боли важно использовать адекватный метод охлаждения кожи и, если требуется, местную наружную или инфильтрационную анестезию.

Осложнения лазерной эпиляции

Что касается осложнений лазерной и фотоэпиляции, то они бывают ранними, развивающимися сразу после процедуры или в течение первых дней после нее, и поздними, которые возникают на протяжении нескольких недель.

Ранние Осложнения

К ранним осложнениям относятся ожоги кожи разной степени тяжести, фолликулит, обострение акнеформных высыпаний, обострение герпетической инфекции, аллергические реакции, развитие фотобоязни, конъюктивита и увеита.

1. Ожоги возникают по нескольким причинам:

  • Использование высокой плотности потока энергии во время процедуры.
  • Загорелая кожа или IV—VI фототипы кожи по Фицпатрику.
  • Проведение эпиляции на участках с тонкой и чувствительной кожей, например в перианальной зоне или области половых губ, с использованием неподходящих параметров излучения.
  • Неправильная техника проведения процедуры (наложение импульсов, неполный контакт манипулы с кожей).
  • Неадекватная система охлаждения кожи во время процедуры или ее отсутствие.

Меры по предупреждению данного осложнения в первую очередь включают адекватный отбор пациентов. Не следует проводить процедуру лазерной эпиляции сразу после активной инсоляции, нужно подождать 2—4 недели, чтобы загар немного сошел. Особенно это важно при работе с рубиновым, александритовым, диодным лазерами и IPL-системами. В качестве альтернативы данным лазерам можно предложить использовать у загорелых пациентов и пациентов с IV—VI фототипами кожи Nd:YAG-лазер с длиной волны 1064 нм. Точкой приложения излучения этого лазера служит не меланин волосяного фолликула и эпидермиса, а оксигемоглобин, который находится в сосуде, питающем волосяной фолликул, поэтому повреждение кожи будет менее вероятным.

Во время процедуры важно не забывать об охлаждении эпидермиса. Меланин, содержащийся в эпидермисе, представляет собой конкурирующий хромофор, который тоже может нагреваться и повреждать целостность кожных покровов. Поверхностное охлаждение кожи, выполняемое до, во время и после процедуры, снижает температуру эпидермиса и уменьшает вероятность термической травмы кожи. В настоящее время на практике применяют разные виды охлаждения. Это и прикладывание к коже льда, и контактное охлаждение с помощью сапфирового окна с циркулирующей холодной водой (2—6°С), и использование криогенного спрея или систем с принудительным потоком холодного воздуха. Терапия ожогов кожи зависит от степени их тяжести и проводится по принятым стандартам.

2. Фолликулит (воспаление волосяного фолликула) может развиться после лазерной эпиляции у пациентов, страдающих гипергидрозом. Появление фолликулита возможно также в том случае, когда в промежутках между лечебными процедурами пациент посещает бассейн. Проблему гипергидроза можно решить методом химической денервации с использованием ботулотоксинов. Во время курса процедур следует ограничить посещение бассейна, особенно в первые дни после процедуры.

3. Акнеформные реакции, по данным одного многоцентрового исследования, составляют в среднем 6% всех осложнений лазерной эпиляции. Эти реакции чаще возникают у молодых пациентов обоих полов, преимущественно у лиц со II—V фототипами кожи, и при использовании Nd:YAG-лазера. Степень их выраженности незначительна. Высыпания быстро разрешаются и не требуют лечения.

4. Обострение герпетической инфекции встречается у пациентов с герпесом в анамнезе при проведении лазерной эпиляции в области верхней и нижней губы и в зоне глубокого бикини. Чтобы избежать данного осложнения, рекомендуется профилактический прием противовирусных препаратов (Валтрекс, Фамвир, ацикловир) за день до процедуры или в день ее проведения.

5. Аллергические реакции после лазерной и фотоэпиляции клинически могут проявляться в виде крапивницы, контактного аллергического дерматита, ливедо, интенсивного зуда. Причины их развития могут быть связаны с использованием топических форм местных анестетиков, применяемых перед процедурой для обезболивания. Имеются также данные о развитии аллергических реакций на охлаждающий газ. Кроме того, аллергические реакции возможны при использовании различных топических средств для ухода за кожей после эпиляции. Лечение включает в себя назначение антигистаминных препаратов, топических форм глюкокортикоидов. Если причина аллергической реакции не установлена, курс процедур лазерной эпиляции следует прекратить.

6. Катаральный конъюктивит, фотобоязнь, увеит, снижение остроты зрения — серьезные осложнения со стороны зрительного аппарата, возникающие при проведении лазерной эпиляции в области бровей. Они развиваются у пациентов, которые во время процедуры не использовали средства защиты глаз (очки, металлические контактныелинзы). При эпиляции бровей трудно достичь хорошей обработки всей зоны, если на глаза пациента надеты очки, поэтому многие врачи просят его просто прикрыть верхние веки пальцами. Как показывает практика, данный способ защиты глаз неэффективен и приводит к серьезным осложнениям. Исходя из вышесказанного следует вообще отказаться от лазерной эпиляции этой зоны или использовать металлические контактные линзы, так как тонкая кожа век не способна защитить глазное яблоко от лазерного повреждения.

Поздние осложнения

Если рассматривать группу поздних осложнений лазерной и фотоэпиляции, то можно выделить гипо- и гиперпигментацию, рубцы, парадоксальный гипертрихоз, лейкотрихию, бромгидроз, гипергидроз, малигнизацию или дисплазию невусов в области проведения процедуры.

1. Гипо- и гиперпигментация в основном являются следствием ожога кожи, возникающего при лазерной эпиляции. Они чаще всего встречаются у загорелых пациентов и лиц с III—VI фототипами кожи. Отмечено, что гипопигментация нередко возникает при I степени термического повреждения кожи, когда сходит образовавшаяся после ожога корочка. Гиперпигментация возникает у пациентов, которые не соблюдают правила постпроцедурного ухода и начинают загорать в первые 2 недели после эпиляции или не используют солнцезащитные средства на открытых участках кожи, подвергшейся лазерной обработке. Гипо- и гиперпигментация часто появляются в области постожоговых рубцов.

В качестве профилактики данных осложнений рекомендуется проводить лазерную эпиляцию у пациентов с III—VI фототипами кожи длинноимпульсными Nd:YAG-лазерами. Кроме того, эти пациенты за 2 недели до процедуры могут использовать отбеливающие кремы.

Во время процедуры важно правильно выбрать параметры излучения, использовать надежные и эффективные способы охлаждения эпидермиса, чтобы предотвратить термическую травму.

В большинстве случаев гипо- и гиперпигментация — обратимые явления, но если они держатся долго, используют медикаментозные средства. Для коррекции гиперпигментации назначают отбеливающие средства, содержащие гидрохинон, азелаиновую кислоту, гидроксикислоты, глюкокортикоиды. Для коррекции гипопигметации применяют препараты на основе меди, если же они не оказывают должного эффекта, можно прибегнуть к косметическому татуажу.

2. Рубцы являются следствием термического повреждения кожи на уровне ниже базальной мембраны. Если ожоговая рана в процессе реабилитации инфицируется, то практически в 100% случаев возникают грубые гипертрофические рубцовые изменения. Замечено, что постожоговые рубцы чаще всего образуются на шее и в нижнечелюстной области. В зависимости от анатомической локализации и генетической предрасположенности могут возникать атрофические, нормотрофические, гипертрофические и келоидные рубцы.

Так, Kluger и соавт. сообщили о случае развития келоидного рубца в зоне татуировки у 41-летнего пациента с фототипом кожи IIIВ после лазерной эпиляции волос в области грудной клетки. В анамнезе у него уже были келоидные рубцы, которые успешно лечились инъекциями триамцинолона. При анализе данного случая выяснилось, что пигменты татуировки выступили в качестве хромофора, конкурирующего с меланином волосяного фолликула. В результате поглощения лазерной энергии пигмент татуировки нагрелся, что привело к ожогу кожи и затем к возникновению келоидного рубца.

На сегодняшний день атрофические и нормотрофические рубцы лечатся консервативными методами, но с довольно низкой эффективностью; возможно их хирургическое лечение. Достаточно активно и с высокой степенью эффективности используется лазерный аблятивный и неаблятивный фракционный фототермолиз для выравнивания поверхности кожи в области рубца.

Патологические рубцы, к которым относятся гипертрофические и келоидные, лечат интрадермальными инъекциями в область рубца пролонгированных форм глюкокортикоидов (Кеналог, Дипроспан). Российскими учеными не так давно предложен новый и достаточно эффективный метод лечения патологических рубцов —  использование лазера на парах меди.

3. Парадоксальный гипертрихоз — усиление роста волос после процедур лазерной и фотоэпиляции. Согласно данным из различных источников, стимуляция роста волос происходит у женщин с III—VI фототипами кожи, в основном на лице и шее, на границе между обработанной и необработанной зонами. В развитии данного осложнения могут участвовать несколько механизмов:

  • Лечение с использованием низкой (подпороговой) плотности потока энергии, которая не разрушает волосяной фолликул, а оказывает стимулирующее воздействие на рост волос.
  • Термально-воспалительный эффект — активизация ≪спящих≫ фолликулов и стимуляция роста волос телогеновой фазы в зонах, граничащих с эпиляцией.

Профилактика данного осложнения — использование плотности потока энергии, достаточной для удаления волос. Для коррекции парадоксального гипертрихоза применяют длинноимпульсные Nd:YAG-лазеры.

4. Лейкотрихия, бромгидроз, гипергидроз. В 2009 г. было проведено одно интересное ретроспективное исследование. Согласно полученным данным, при лазерной эпиляции в области подмышечных впадин возможно развитие таких осложнений, как гипергидроз, бромгидроз и лейкотрихия. Гипергидроз наблюдался у 11% пациентов, в основном со II и V фототипами кожи, при использовании во время процедуры комбинации двух лазеров — диодного и александритового. В развитии бромгидроза (4% случаев) и лейкотрихии (2%) не было какой-либо существенной корреляции с возрастом, фототипом кожи и видом лазерного излучения.

5. Дисплазия и малигнизация невусов в области лазерной эпиляции. Не стоит забывать о возможности перерождения меланоцитарных невусов в зоне эпиляции. Меланин невусов является конкурирующим хромофором и поглощает лазерное излучение наряду с меланином волосяного фолликула. В результате многократного воздействия лазерного излучения или импульсного света (IPL-системы) происходит термическое повреждение меланоцитарных образований, активируется их рост, появляются атипичные клетки, что в итоге может приводить к развитию меланомы.

Профилактика данного осложнения — не подвергать лазерной эпиляции участки кожи с любыми новообразованиями. Если же в зоне воздействия имеются невусы, а эпиляция все-таки проводится, то невусы необходимо закрывать специальными защитными приспособлениями.

Итак, избежать осложнений и свести к минимуму побочные эффекты — одна из главных задач врача в эстетической медицине. При проведении лазерной эпиляции существует не только риск выбора высоких параметров излучения, ведущих к перегреву кожи и связанным с этим осложнениям, но и риск перестраховки — выбора параметров, недостаточных для решения проблемы у данного пациента и вследствие этого неэффективных, что может привести не просто к отсутствию желательного эффекта, а к появлению прямо противоположного. Лазерная эпиляция, кажущаяся такой простой процедурой, при некорректном проведении может давать серьезные осложнения. Для того чтобы этого избежать, следует вдумчиво относиться к назначению процедур и тщательно собирать анамнез. При выборе вида и параметров воздействия следуетучитывать индивидуальные особенности пациента, особенно наличие загара, фототип кожи и ее состояние в зоне воздействия. И конечно, очень важно профессионально владеть оборудованием, которое вы применяете в своей работе, знать специфику каждого лазера и каждой фотосистемы.

Литература
  1. Ключарева С. В., Селиванова О. Д. Коррекция побочных эффектов лазеротерапии и импульсных источников света в дерматологии и эстетической медицине. Российский журнал кожных и венерических болезней 2009; № 4:36—40.
  2. Поздеева Е. В. Ускорение роста волос при проведении процедур эпиляции с использованием световых методов: казус или закономерность? Косметика и медицина 2009; № 6:44—47.
  3. Alster T. S. Осложнения фототерапии с использованием лазерного и интенсивного импульсного света // Лазеро- и светолечение. — М.: Рид Элсивер, 2010. Т. 2, с. 135—137.
  4. Carter J. J., Lanigan S. W. Incidence of acneform reactions a. er laser hair removal. Lasers Med Sci 2006; 21:82—85.
  5. Chan H. H. L., Kono T. Лазерная терапия у пациентов с темной кожей // Лазеро- и светолечение. — М.: Рид Элсивер, 2010. Т. 2, с. 88—103.
  6. Choi C. M., Dover J. S. Лазерная эпиляция // Лазеро- и светолечение. — М.: Рид Элсивер, 2010. Т. 1, с. 134—153.
  7. Goldman M. P., Fitzpatrick R. E. Laser resurfaicing of neck with the erbium laser. Dermatol Surg 1999; 25:164—167.
  8. Greve B., Raulin C. Professional errors caused by lasers and intense pulsed light technology in dermatology and aesthetic medicine: preventive strategies and case studies. Dermatol Surg 2002; 28:156—161.
  9. Helou J., Soutou B., Jamous R., Tomb R. Novel adverse eff ects of laser-assisted axillary hair removal. Ann Dermatol Venereol 2009; 136:495—500.
  10. Kluger N., Hakimi S., Del Giudice P. Keloid occurring in a tattoo a. er laser hair removal. Acta Derm Venereol 2009; 89:334—335.
  11. Lim S. P., Lanigan S. W. A review of the adverse eff ects of laser hair removal. Lasers Med Sci 2006; 21:121—125.
  12. Rasheeed Al. Uncommonly reported side eff ects of hair removal. J Cosmet Dermatol 2009; 8:267—274.
  13. Shulman S., Bichler I. Ocular complications of laser-assisted eyebrow epilation. Eye 2009; 23:982—983.

Сравнение лазеров для эпиляции —

Сколько существует человечество, столько  оно борется (преимущественно, прекрасная его половина), с нежелательными волосами. И только с появлением лазерной эпиляции появилась возможность сделать этот процесс эффективным, безопасным  и практически безболезненным.  Для эпиляции разработаны несколько типов лазеров:

  • Рубиновый
  • Диодный
  • Александритовый
  • Неодимовый

Рубиновые лазеры появились самые первые, и в настоящее время практически не применяются.

Диодный лазер

Самый широко распространенный. По статистике,  80% клиник и салонов г. Киева для эпиляции используют именно его. Он компактный    (некоторые модели вполне помещаются на тумбочке), не требует расходных материалов. Обладает громадным преимуществом по отношению к другим лазерам: низкой стоимостью аппарата. Правда, на этом все его преимущества и заканчиваются. Для удобства, давайте рассмотрим его в сравнении с александритовой моделью.

Принцип действия и диодного и александритового лазера один: луч избирательно поглощается специальным пигментом – меланином, который находится в волосяной луковице и стержне волоса, и разрушает их. Но тут есть один важный нюанс: надо не допустить нагрева кожи, иначе может возникнуть ожог и нарушение пигментации.  Если длительность импульса  составляет больше 35 мс, то тепловая энергия рассеивается по окружающей коже. Следовательно, нам нужен мощный импульс (способный разрушить луковицу)  за очень короткий промежуток времени (чтобы кожа не нагрелась).

Пиковая мощность самого «продвинутого» диодного лазера составляет 500 Вт. Это его потолок, выше он не «прыгнет». Для сравнения: пиковая мощность твердотелого александритового лазера-2000 Вт. Для творцов «диодников» оставался единственный путь: им пришлось увеличивать продолжительность импульса, чтобы хватило энергии для разрушения фолликула.  А большая продолжительность импульса, как мы уже знаем, приводит к перегреву кожи со всеми вытекающими из этого неприятными последствиями. Именно благодаря длительному импульсу, эпиляция на диодном лазере, даже с применением анестезирующих спреев, достаточно болезненна.

Но это еще не все. Длина волны диодного лазера-810 нм, александритового-755 нм. Существует правило: чем больше длина волны, тем больше поглощается энергия окружающими тканями, и, соответственно, тем меньше она поглощается меланином.  Значит, даже максимально уменьшая длительность импульса, «диодник» все-таки большую часть энергии расходует на нагрев кожи.

Теперь сравним работу этих двух систем с точки зрения пациента. Мощность «диодника» столь мала, что она не может разрушить волос сразу. Поэтому  как пришел пациент с волосами, так он с ними и ушел. Волосы начнут выпадать где-то через неделю -вторую.  При эпиляции александритовой системой волосы «сгорают» мгновенно, а вот кожа почти не нагревается из-за короткого импульса. Согласитесь, заплатив определенную сумму за процедуру, человеку приятнее видеть гладкую кожу сразу.

Еще один важный момент: диаметр светового пятна.  Для самого современного «диодника» он составляет 9 мм. Для «александрита» площадь пятна составляет максимально 18 мм, т.е за 1 импульс можно обработать площадь в 2 раза больше. Значит, и процедура займет в 2 раза меньше времени.

Александритовый лазер

На сегодняшний день признан самым эффективным и безопасным лазером для эпиляции. Удаляет волосы мгновенно, практически безболезненно. Даже после 1 сеанса отмечается значительное уменьшение скорости роста волос. После курса процедур эффект сохраняется многие годы.

Подытожив сказанное, можно сравнить работу этих двух лазерных систем:

Диодный лазер 810 нм

Александритовый лазер 755 нм

Диаметр светового пятна 9 ммДиаметр светового пятна 18 мм
Болезненность процедурыПроцедура практически безболезненна
Вероятность ожогов и пигментации высокаяВероятность ожогов и пигментации низкая
Волосы выпадают в течение 1-2 недельВолосы исчезают мгновенно
Большая длительность процедурыДлительность процедуры короткая

 

Неодимовый лазер

Не является конкурентом александритового, а скорее дополняет его.  Генерирует луч длиной 1064 нм. Поглощается в основном красным кровяным пигментом- гемоглобином, вызывая «склеивание» капилляров, питающих волос. Так как луч слабо поглощается меланином, эпиляцию можно проводить даже на загорелой коже. Кроме того, эффективно лечит «сосудистые сеточки» и некоторые доброкачественные новообразования.

Вывод. Только с появлением александритовых лазеров процесс удаления волос стал не только безболезненным  и эффективным, но даже приятным.  Платформы, объединяющие в cебя александритовый и неодимовый лазеры, позволяют избавиться от ненужных волос на длительное время.

Автор: Врач-дерматолог, косметолог Атаманчук Каролина Васильевна

 

Оборудование для удаления волос Prime Laser

Лазерная эпиляция сейчас — это чрезвычайно популярный метод удаления нежелательных волос в салонах красоты и косметологических клиниках. В отличие от различных методов депиляции, эпиляцию практически невозможно, либо же крайне сложно  осуществить в домашних условиях, поэтому среди салонных процедур, именно эта является одной из наиболее востребованных.

Преимуществ у лазерной эпиляции довольно много. Самое главное — это долговечность эффекта. Если эффекта от депиляции бритвой хватает максимум на сутки, от крема — на двое-трое суток при огромном риске возникновения аллергии, от ваксинга и шугаринга — неделя-две, то лазерная же эпиляция обеспечивает наиболее стойкий результат при прочих равных способах удаления нежелательных волос. Поддерживающие процедуры необходимо делать 1-2 раза в 1-2 года.

Безусловно, важнейший залог успешного проведения процедур лазерной эпиляции — это использование наиболее качественных лазерных аппаратов.

Довольно часто можно встретить информацию о том, что процедуры лазерной эпиляции достаточно длительные и болезненные, но это совершенно не так. По времени в современных клиниках лазерная эпиляция нижних конечностей длится около пятнадцати минут, например. Миф о болезненности также не оправдан.  В современных аппаратах предусмотрены запатентованные системы обезболивания, такие как контактное охлаждение, фреон, обдув или вакуум. Этот миф, во многом, живет за счет того, что далеко не все салоны и косметологические клиники могут позволить себе качественное, современное оборудование.

Как работает лазерная эпиляция?

Лазерный луч воздействует исключительно на пигмент, содержащийся внутри волоса – меланин. Чем темнее волосы, тем быстрее лазер с ними справится. Максимальная глубина проникновения – это 4 мм, что является абсолютно безопасным расстоянием. Меланин разрушается, и волос спустя несколько дней выпадает. Сам фолликул повреждается и рост останавливается.  При этом, важно учитывать, что разрушаются в этот момент исключительно те волосы, которые находятся в стадии роста.  Волосы, которые разрушаются в процессе лазерной эпиляции, не восстанавливаются. Но это касается волос, которые в момент процедуры находятся на стадии активного роста. Для эпиляции остальных волосков требуется повторная процедура, которая проводится с интервалом 1-2 месяца. Именно поэтому для действительно успешной лазерной эпиляции необходимо сделать несколько сеансов. Долговременность эффекта зависит от индивидуальных факторов. Кому-то эффекта полной гладкости хватает на полгода, кому-то — на год, кому-то — на три.

Каким должен быть интервал между процедурами?

Как правило, необходимо четыре недели. Фаза роста волос длится месяц, плюс — после нескольких процедур волосы будут отрастать более тонкими и светлыми.  Первые процедуры необходимо делать строго раз в тридцать дней, плюс минус 2 дня, а далее интервал между процедурами должен определяться индивидуально специалистом.

Противопоказания к лазерной эпиляции: какие бывают?

Как минимум, очень нежелательно делать лазерную эпиляцию при беременности и лактации. Помимо этого, к противопоказаниям можно отнести наличие ссадин, ожогов, царапин и других повреждений кожи на обрабатываемых участках, сахарный диабет, различные дерматологические заболевания, онкологические заболевания. Не подойдет лазерная эпиляция также для обладательниц очень смуглой или очень загорелой кожи.

Какие бывают лазеры для удаления нежелательных волос?

Лазеры бывают диодные, неодимовые и александритовые. Разница состоит в том, что диодный лазер — контактный, то есть — он соприкасается с кожей клиента. И именно при использовании диодного лазера очень правильно принимать все меры по стерилизации и дезинфекции. Но стоит учитывать, что работа даже современных диодных лазеров — не самая быстра. Неодимовый лазер — это последнее поколение лазеров, такие лазеры бесконтактные и вызывают минимум болезненных ощущений при проведении процедур эпиляции. Александритовый лазер же сейчас используется достаточно редко, также его применение крайне нежелательно в летний период, когда солнце весьма активно; это может привести к ожогам в дальнейшем.

Какие лазеры наиболее безопасны и эффективны?

Конечно же, однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Во-первых, современные лазеры конструируются и разрабатываются таким образом, чтобы они было максимально безопасными для здоровья и современные лазеры действительно ощутимо безопаснее тех, что выпускались десять-пятнадцать лет назад.

Какие зоны можно обрабатывать лазером?

Исключений практически нет. Лазером успешно обрабатываются ноги — как голени, так и бедра, зона бикини и глубокого бикини, подмышки, волосы над верхней губой, руки, а также на животе, на шее, на спине и так далее.

Кому подойдет лазерная эпиляция?

Лазерная эпиляция идеально подходит обладательницам достаточно темных и толстых волос, грубо говоря, лазер их лучше “видит”. Для светлых же и толстых волос лазер может и не подойти; в этом случае лучше обратиться к ELOS-эпиляции.

Как работают лазеры | ОРЕЛ

Магия лазеров окружает нас повсюду: от высокоскоростных станков для резки до удаления татуировок, хирургии глаза, сканеров штрих-кода, список можно продолжить. Если бы это зависело от Доктора Зла, у нас были бы даже акулы с лазерами. Эта иногда невидимая технология часто воспринимается как загадка даже в нашей самой заветной научной фантастике, где что-то вроде Звезды Смерти использует супер-лазер для уничтожения целых планет. Но что такое лазер, как он работает и как мы используем его, чтобы делать удивительные вещи каждый день? Как и любая другая электронная технология, вы можете быть просто удивлены тем, насколько все это может быть просто.

Лазеры Определены

Вы можете думать о лазере как о машине, которая испускает триллионы световых частиц, называемых фотонами, в точный луч света. Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет стимулированного излучения . Двумя ключевыми словами здесь являются усиление света, вызванное процессом стимулированного излучения светового излучения. Мы рассмотрим это более подробно позже.

(Источник изображения)

По своей сути лазеры мало чем отличаются от других технологий, использующих свет электромагнитного спектра.Говорите ли вы о радиоволнах, рентгеновских лучах, инфракрасных лучах или лазерах, все они используют части как видимого, так и невидимого светового спектра для выполнения своей работы. Однако, в отличие от других световых технологий, у лазеров есть некоторые уникальные характеристики, в том числе:

  • Однотонный. Свет, излучаемый лазером, представляет собой свет с одной длиной волны, поэтому вы часто видите лазеры как красные или зеленые. Эта длина волны и получаемый в результате цвет, который мы воспринимаем, вызваны количеством энергии, высвобождаемой, когда электрон теряет энергию.
  • Когерентный. Световой узор от лазера также когерентный или организованный. Возьмем, к примеру, фонарик, который излучает конус фотонов с разными длинами волн во всех направлениях. В лазере все длины волн в каждом фотоне идеально совпадают друг с другом, как солдаты, марширующие по прямой линии.
  • Направленный. Свет от лазера направленный. По сравнению с фонариком, который испускает свет в различных направлениях, лазеры вместо этого предлагают точный и концентрированный луч электромагнитного излучения.

Три основных компонента обеспечивают работу каждого лазера, будь то массивный газовый лазер или миниатюрный полупроводниковый лазер. Сначала вам нужно большое количество атомов в какой-то среде , будь то твердое тело, жидкость или газ. Затем вам понадобится стимулятор , чтобы возбудить электроны в атомах среды. Этим стимулятором может быть что-то вроде лампы-вспышки, ксеноновой лампы-вспышки или даже другого лазера. Наконец, вам нужен набор из зеркал , которые будут отражать фотоны вперед и назад и, в конечном счете, через отверстие в одном из зеркал, чтобы создать характерный для нас лазерный свет.

Компоненты лазера, в том числе среда (рубиновый стержень), стимулятор (вспышка) и отражающие зеркала. (Источник изображения)

Как работает лазер

Чтобы понять, как работает лазер, вам сначала нужно знать, что электроны сидят на различных орбитах с энергетическими зонами внутри атома. Вы можете думать об этих полосах как об отдельных ступенях лестницы; может быть, у вас есть один в вашем доме.

В своем состоянии по умолчанию все электроны находятся на первой ступеньке этой лестницы, которая считается основным состоянием электрона .Если вы затем направите нужное количество энергии в электрон, вы сможете заставить его продвинуться на шаг вверх. Этот процесс называется поглощением , когда электрон поглощает направленную в него энергию, и в процессе его энергетический уровень повышается до следующей ступени или полосы.

Здесь мы видим две запрещенные зоны внутри атома, между которыми могут перемещаться электроны. (Источник изображения)

В этом более высоком энергетическом состоянии электрон считается возбужденным , но также и неуравновешенным.Чтобы восстановить баланс, электрон высвобождает первоначальный бит энергии, который он поглотил в виде фотона или частицы света. Это высвобождение энергии называется спонтанным излучением . Здесь электрон теряет первоначально полученную энергию и возвращается на первую ступеньку нашего лестничного пролета.

В результате самопроизвольного излучения электрон теряет энергию и испускает фотон. (Источник изображения)

Мы можем видеть, как атомы совершают этот спонтанный эмиссионный танец повсюду вокруг нас, переходя из состояния земли в состояние возбуждения и обратно в состояние земли в различных приложениях.Возьмем, к примеру, ваш тостер. Катушки горят ярко-красным, потому что атомы возбуждаются теплом и при этом испускают красные фотоны. Тот же процесс происходит в люминесцентных лампах, экранах компьютеров и т. д.

За пределами атомной

Теперь, когда мы понимаем, что происходит на атомном уровне, давайте объединим это в практическое применение лазера. Во-первых, какая-то среда, будь то твердое тело, жидкость или газ, на которую воздействует интенсивная вспышка света или электрический разряд.Этот процесс создает массивное скопление возбужденных электронов в среде. Когда в лазере больше возбужденных электронов, чем заземленных электронов, это состояние называется инверсией населенностей .

Все эти возбужденные электроны в возбужденном состоянии теперь начинают выделять энергию, которую они поглотили. Во время этого процесса электрон будет двигаться на несколько шагов вниз к своему исходному положению на земле, испуская фотоны определенной длины волны. Эти возбужденные электроны также стимулируют другие электроны к одновременному высвобождению накопленных ими фотонов.Этот процесс, когда один электрон вызывает цепную реакцию высвобождения фотонов в других электронах, называется вынужденным излучением .

Стимулированное излучение использует один фотон для получения двухфотонного выхода. (Источник изображения)

Теперь представьте, что у нас есть огромное количество электронов, чередующихся из состояний низкой энергии в состояния высокой и низкой энергии, и в процессе высвобождения фотонов. Если теперь вы поместите набор зеркал между одной стороной лазерного носителя и другой, вы сможете использовать и направлять эти фотоны для создания нашего характерного лазерного света.

Хитрость здесь с зеркалами заключается в том, что одно из зеркал должно отражать немного меньше, чем другое. Когда фотоны отражаются от одного зеркала, они затем попадают в слегка прозрачное зеркало, а через маленькое «отверстие» в зеркале проходит точный луч света. Наш лазерный свет рождается.

Вы можете взять нечто, называемое рубиновым лазером, и увидеть его в действии. Посмотрите на изображение ниже; это устройство содержит все компоненты, необходимые для работы лазера.У него есть среда в виде кристалла рубина, стимулятор импульсной лампы и набор зеркал на обоих концах, одно из которых более прозрачно, чем другое. Вот как этот процесс будет работать здесь:

Рубиновый лазер в действии с набором простых компонентов. (Источник изображения)

  1. Во-первых, электрический ток заставит лампу-вспышку включаться и выключаться, что возбуждает электроны в кристалле рубина.
  2. Эти возбужденные электроны в своем повышенном состоянии затем возвращаются в свое основное состояние и испускают фотон света в процессе спонтанного излучения .
  3. Эти фотоны проносятся по всей среде, отражаясь от зеркал и возбуждая другие электроны до повышенных состояний. Это вызывает испускание большего количества фотонов в процессе стимулированного излучения . Вскоре у вас будет больше возбужденных, чем заземленных электронов, что создаст инверсию населенности .
  4. Два зеркала заставляют фотоны отражаться взад-вперед в кристаллической среде , но одно из зеркал немного менее отражающее и пропускает часть фотонов.
  5. Вылетевшие фотоны попадают в мир в виде концентрированного и мощного луча лазерного света.

Типы лазеров

Существует множество лазеров, все из которых можно разделить на категории в зависимости от типа среды, в которой они используются. Это может быть твердое тело, газ, жидкость или полупроводник. Вот что нужно знать о каждом типе:

Твердотельные лазеры

Эти лазеры сделаны из твердой среды, такой как рубин или кристалл, с обернутой вокруг него лампой-вспышкой для возбуждения электронов.Как и полупроводники, твердотельные лазерные среды должны быть легированы примесями, которые излучают свет определенной частоты и длины волны. Обычно вы обнаружите, что эти лазеры используются для целевых систем в военных приложениях или для сверления отверстий в металлах.

Газовые лазеры

Эти лазеры обычно изготавливаются из гелия или гелий-неона и излучают характерный для нас красный лазерный свет. Существуют также CO2-лазеры, излучающие энергию в инфракрасном диапазоне. Эти мощные и эффективные лазеры обычно используются для промышленной резки и сварки.

(Источник изображения)

Лазеры на жидких красителях

В этих лазерах в качестве среды используются жидкие красители, такие как родамин в жидком растворе. Электроны возбуждаются дуговой лампой, лампой-вспышкой или другим лазером. В отличие от твердотельных или газовых лазеров, лазеры на жидких красителях могут создавать более широкую полосу световых частот и, как следствие, могут использоваться в различных приложениях.

(Источник изображения)

Полупроводниковые лазеры

Эти лазеры дешевы в производстве и используются в различных электронных устройствах, от лазерных принтеров до сканеров штрих-кода.Вы можете слышать, что эти лазеры называются диодными лазерами, поскольку они используют преимущества светодиода для генерации света в монохроматической схеме.

(Источник изображения)

Лазеры также могут быть классифицированы вне их общих категорий на основе конкретных длин волн, которые создает их среда. Наиболее распространенные лазеры и связанные с ними длины волн включают:

 

Лазерный тип Длина волны (нм)
Фторид аргона (УФ) 193
Криптонфторид (УФ) 248
Хлорид ксенона (УФ) 308
Азот (УФ) 337
Аргон (синий) 488
Аргон (зеленый) 514
Неоновый гелий (зеленый) 543
Гелий-неон (красный) 633
Краситель родамин 6G (перестраиваемый) 570-650
Рубин (CrAlO3) (красный) 694
Nd:Yag (NIR) 1064
Двуокись углерода (FIR) 10600

Существует также другая система классификации, основанная на возможном биологическом повреждении.Вы найдете эту классовую систему напечатанной на упаковке лазера, и это будет либо:

  • Класс I. Это лазеры, которые, как известно, не причиняют биологических повреждений. Лазеры класса I далее подразделяются на класс I.A, которые не предназначены для просмотра и включают в себя такие приложения, как сканер штрих-кода в вашем продуктовом магазине.
  • Класс II. Эти лазеры мощнее класса I, но их мощность излучения не превышает 1 мВт. Эта классификация делает их безопасными для использования людьми, поскольку наше естественное отвращение к яркому свету ограничивает воздействие.
  • Класс III. Эти лазеры работают в диапазоне 1–5 мВт и представляют опасность, если смотреть на луч прямо. Лазеры класса III делятся на класс III A, которые представляют собой лазеры средней мощности, и класс III B, которые представляют собой лазеры средней мощности.
  • Класс IV. Это мощные лазеры мощностью более 500 мВт; их также опасно просматривать при любых условиях. При прямом наблюдении лазеры класса IV представляют значительную опасность для кожи, а также могут вызвать пожар, если не обращаться с ними в контролируемом помещении.

Лазеры и их применение

Лазеры имеют множество применений, которые влияют на нашу повседневную жизнь. Некоторые из них видны, например, использование лазеров для удаления татуировок, в то время как другие лазеры работают за кулисами во всех наших электронных устройствах. Некоторые из наиболее распространенных применений лазеров включают:

Резка и заживление

Роботы с лазерным наведением используются для резки тканей и металлов, которые когда-то вырезались вручную. Возьмем, к примеру, джинсы, где роботы, управляемые лазером, могут разрезать ткань разной толщины одновременно.Вы также увидите, как лазеры используются в медицине для уничтожения раковых опухолей, прижигания сосудов и восстановления зрения путем восстановления отслоившейся сетчатки.

Общение

Лазеры составляют основу всех наших подключенных устройств и интернет-технологий. Лазерный сканер штрих-кода в вашем местном магазине делает покупку продуктов простой и эффективной. Кроме того, есть оптоволоконные кабели, которые используют фотоны для передачи огромных потоков данных через Интернет.

Защита

Военные вкладывают огромные средства в лазерные технологии и используют их для своего оружия и ракетных систем.Еще в 1980-х годах вы, возможно, слышали о «программе «Звездных войн», в которой американские военные планировали использовать рентгеновские лучи для уничтожения вражеских ракет. Сегодня военно-морской флот разработал успешную систему лазерного оружия (LaWS) для использования на своих линкорах. Эта система вооружения представляет собой твердотельный лазер, который возбуждает электроны светодиодами и может точно уничтожать объекты на внушительном расстоянии.

Кто изобрел лазер?

Это спорный вопрос. Для начала мы должны отдать должное Альберту Эйнштейну, который разработал квантовую теорию света и фотонов в 1905 году.Позже в 1917 году он продолжил теоретизировать механизм вынужденного излучения. Без этих двух открытий разработка лазеров была бы невозможна.

Более 30 лет спустя у нас появился первый намек на лазер в виде мазера. Это устройство было изобретено американскими физиками Чарльзом Таунсом и Артуром Шавлоу. Хотя мазер использовал те же принципы, что и лазер, он излучал микроволны и радиоволны вместо видимого света. Эти два изобретателя получили Нобелевскую премию по физике за свою работу в 1964 и 1981 годах.

Чарльз Таунс (слева) с первым мастером в 1955 году. (Источник изображения)

Сюжет сгущается. В 1957 году один из аспирантов Чарльза Таунса, Гордон Гулд, набросал в своем блокноте идею версии мазера для видимого света. К несчастью для Гулда, он так и не запатентовал свою идею и провел следующие 20 лет своей жизни, борясь за гонорары и патенты.

Так кто на самом деле изобрел лазер? Трудно сказать. Изобретение приписывают Таунсу и Шавлову, но первым, кто построил настоящий лазер, был Теодор Мейман, другой американский физик.Однако работа Маймана так и не получила полного признания, и две его номинации на Нобелевскую премию по физике остались непризнанными.

Теодор Мейман с первым работающим лазером видимого света.

Это своего рода внезапный конец истории; нам жаль говорить. Было много рук и умов, которые ушли на разработку лазерной технологии, которую мы используем сегодня. Некоторые говорят, что изобретение было просто коллективным усилием.

Лазер прочь

Как и любая другая форма электромагнитного излучения, лазеры используют как видимый, так и невидимый свет для резки металлов, проведения операций на глазах, сканирования продуктов, управляемых ракет и многого другого.Удивительно то, что в основе этой технологии лежит простой набор принципов. Независимо от того, используете ли вы газовый лазер для резки металла или полупроводниковый лазер в своей электронике, каждый из них использует возбуждающие электроны для получения необходимого света. С двумя простыми зеркалами вы можете направить фотоны в концентрированный луч, чтобы проделать удивительную работу. Итак, оглянитесь вокруг, можете ли вы обнаружить в своем окружении объекты, работающие от лазеров? Они обязательно где-то будут.

Хотите интегрировать лазеры в свой следующий проект в области электроники? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

лазеров, объяснение RP Photonics Encyclopedia; принцип работы, свойства лазерного излучения, применение, резонатор, лазерный луч, вынужденное излучение

Энциклопедия > буква Л > лазеры

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Обратитесь в RP Photonics за консультацией по любому аспекту лазеров. Вы также можете воспользоваться внутренними учебными курсами, адаптированными к вашим потребностям.

Определение: устройства, генерирующие видимый или невидимый свет на основе вынужденного излучения света

Более общий термин: источники света

Более конкретные термины: твердотельные лазеры, диодные лазеры, газовые лазеры, эксимерные лазеры, радиационно-сбалансированные лазеры, криогенные лазеры, лазеры видимого диапазона, безопасные для глаз лазеры, инфракрасные лазеры, ультрафиолетовые лазеры, рентгеновские лазеры, объемные лазеры, волоконные лазеры. лазеры, лазеры на красителях, апконверсионные лазеры, лазеры на свободных электронах, рамановские лазеры, мощные лазеры, узколинейные лазеры, перестраиваемые лазеры, импульсные лазеры, сверхбыстрые лазеры, промышленные лазеры, научные лазеры, юстировочные лазеры, медицинские лазеры

Немецкий: Лазер

Категория: лазерные приборы и лазерная физика

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Др.Рюдигер Пашотта

URL: https://www.rp-photonics.com/lasers.html

«Лазер» (редко пишется как l.a.s.e.r.) — это аббревиатура от «Усиление света за счет стимулированного излучения», придуманная в 1957 году пионером лазеров Гордоном Гулдом. Хотя это первоначальное значение обозначает принцип действия (использование вынужденного излучения возбужденных атомов или ионов), этот термин в настоящее время в основном используется для устройств, генерирующих свет на основе лазерного принципа. Более конкретно, обычно подразумевают лазерные генераторы , но иногда также включают устройства с лазерными усилителями, называемые усилителем мощности задающего генератора (MOPA).Еще более широкая интерпретация включает нелинейные устройства, такие как оптические параметрические генераторы и рамановские лазеры, которые также производят световые лучи, подобные лазеру, и обычно накачиваются лазером, но, строго говоря, сами не являются лазерами.

Лазерная технология лежит в основе более широкой области фотоники, главным образом потому, что лазерный свет обладает рядом особых свойств:

  • Обычно он излучается в виде хорошо направленного лазерного луча, который благодаря своей высокой пространственной когерентности может распространяться на большие расстояния без большого расхождения (часто ограниченного только дифракцией) и может быть сфокусирован в очень маленькие точки, где достигается высокая интенсивность.
  • Он часто имеет очень узкую оптическую полосу пропускания (высокая временная когерентность), тогда как, например. большинство ламп излучают свет с очень широким оптическим спектром. Однако существуют и широкополосные лазеры, особенно среди сверхбыстрых лазеров.
  • Лазерный свет может излучаться непрерывно или, альтернативно, в виде коротких или ультракоротких импульсов с длительностью от микросекунд до нескольких фемтосекунд. Временная концентрация энергии импульса — в дополнение к возможности сильного пространственного ограничения в фокусе луча — позволяет генерировать еще более высокие интенсивности.Особенно экстремальные значения интенсивности используются в физике высоких интенсивностей.

Эти свойства, которые делают лазерный свет очень интересным для целого ряда приложений, в значительной степени являются следствием очень высокой степени пространственной и/или временной когерентности лазерного излучения. В статьях о лазерном свете и лазерных применениях содержится более подробная информация.

Первым лазером был импульсный рубиновый лазер с ламповой накачкой (разновидность твердотельного лазера), продемонстрированный Теодором Мейманом в 1960 г. [2, 3].В том же году были изготовлены первый газовый лазер (гелий-неоновый лазер [5]) и первый лазерный диод. До этой экспериментальной работы Артур Шавлов, Чарльз Хард Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров опубликовали новаторскую теоретическую работу о принципах работы лазеров, а в 1953 году группа Таунса разработала микроволновый усилитель и генератор (мазер). Первоначально использовался термин «оптический мазер» (MASER = микроволновое усиление за счет стимулированного усиления излучения), но позже он был заменен на «лазер».

В лазерной технике используется широкий спектр оптических компонентов, таких как лазерные кристаллы, лазерные зеркала, поляризаторы, изоляторы Фарадея и перестраиваемые оптические фильтры; см. статью о лазерной оптике.

Как работает лазер

Основной принцип

Лазерный генератор обычно содержит оптический резонатор (лазерный резонатор, лазерный резонатор), в котором может циркулировать свет (например, между двумя зеркалами), и внутри этого резонатора усиливающую среду (например, лазерный кристалл), которая служит для усиления света.Без усиливающей среды циркулирующий свет становился бы все слабее и слабее в каждом круговом обходе резонатора, потому что он испытывает некоторые потери, например. при отражении в зеркалах. Однако усиливающая среда может усиливать циркулирующий свет, тем самым компенсируя потери, если коэффициент усиления достаточно высок. Усиливающая среда требует некоторой внешней подачи энергии – ее необходимо «накачивать», т.е. путем введения света ( оптическая накачка ) или электрического тока ( электрическая накачка полупроводниковые лазеры ).Принцип лазерного усиления заключается в вынужденном излучении.

Фигура 1: Установка простого твердотельного лазера с оптической накачкой. Лазерный резонатор состоит из сильно отражающего изогнутого зеркала и частично пропускающего плоского зеркала, выходного ответвителя, который извлекает часть циркулирующего лазерного света в качестве полезного выходного сигнала. Усиливающая среда представляет собой лазерный кристалл или стержень с боковой накачкой, т.е. светом от лазерных диодов или лампы-вспышки.

Лазер не может работать, если усиление меньше потерь в резонаторе; тогда устройство находится ниже так называемого лазерного порога и излучает лишь слабый люминесцентный свет.Значительная выходная мощность достигается только при мощностях накачки выше порога генерации, когда коэффициент усиления может достигать (или временно превышать) уровня потерь в резонаторе.

Экспоненциальный рост оптической мощности в лазере может быть чрезвычайно быстрым и привести к очень высокой пиковой мощности.

Если усиление больше потерь, мощность света в резонаторе лазера возрастает очень быстро, начиная, например, с с низким уровнем света от флуоресценции. Обратите внимание, что время прохождения резонатора туда и обратно обычно очень мало (т.грамм. несколько наносекунд, для компактных типов лазеров даже намного меньше), так что даже небольшое суммарное усиление в оба конца подразумевает быстрый экспоненциальный рост внутрирезонаторной мощности. Поскольку высокие мощности лазера насыщают усиление за счет извлечения энергии из усиливающей среды, мощность лазера в установившемся режиме достигает уровня, при котором насыщенное усиление равно потерям в резонаторе (→  фиксация усиления ). Прежде чем достичь этого стационарного состояния, лазер часто испытывает релаксационные колебания (лишь один аспект динамики лазера).Пороговая мощность накачки — это мощность накачки, при которой коэффициент усиления слабого сигнала как раз достаточен для генерации.

Некоторая часть световой мощности, циркулирующей в резонаторе, обычно передается частично прозрачным зеркалом, так называемым зеркалом выходного ответвителя. Результирующий луч представляет собой полезную мощность лазера. Передача зеркала выходного ответвителя может быть оптимизирована для достижения максимальной выходной мощности (см. также: коэффициент полезного действия). В большинстве случаев имеется только один выходной ответвитель.

Пространственная когерентность лазерного излучения

Как может лазерный свет иметь такую ​​высокую степень пространственной когерентности?

Высокая степень пространственной когерентности лазерного излучения может быть достигнута в основном за счет того, что излучение света инициируется (стимулируется) самим внутрирезонаторным излучением (т. . В процессе вынужденного излучения лазерно-активные ионы заставляют излучать свет в направлении уже существующего света, а также с той же оптической фазой.По сути, циркулирующий лазерный свет служит для сильной координации излучения многих атомов или ионов. Результирующий профиль амплитуды и фазы лазерного луча в значительной степени определяется свойствами лазерного резонатора, а не обычно активной средой лазера.

Как объяснялось выше, пространственная когерентность является физической основой для возможности формирования очень направленных лазерных лучей с малой расходимостью и для фокусировки света в очень маленькие пятна.

Временная когерентность

Темпоральная когерентность — это другой вопрос, и она имеет совершенно иное происхождение.Некоторые лазерные усиливающие среды могут излучать свет только в узком спектральном диапазоне. Однако, даже если это не так, лазер часто (особенно в непрерывном режиме) излучает свет только с точно определенной длиной волны или частотой, потому что условия таковы, что чистое нулевое двустороннее усиление возможно только для этого длина волны, а другие длины волн демонстрируют отрицательное суммарное усиление в оба конца. Лазер может быть настроен точно на желаемую длину волны (в пределах области излучения усиливающей среды), например.с помощью перестраиваемого внутрирезонаторного полосового фильтра, такого как фильтр Лио. Опять же, механизм стимулированного излучения имеет решающее значение: можно заставить лазерно-активные ионы излучать точно на оптической частоте уже существующего света. Чем меньше ширина линии излучения (т. е. уже оптический спектр излучаемого света), тем выше степень временной когерентности.

В крайних случаях ширину линии лазера можно довести до значений ниже 1 Гц (с помощью определенных средств лазерной стабилизации).Это на много порядков ниже средней частоты (сотни терагерц). В оптических часах используются такие высокостабилизированные лазеры.

Интересно, что даже ультракороткие импульсы могут демонстрировать очень высокую степень временной когерентности, в этом случае включая когерентность между последующими импульсами в регулярной последовательности импульсов. Это связано с формированием частотной гребенки в виде оптического спектра. Тогда как оптический спектр в целом может быть очень широким, каждая линия гребенки может быть чрезвычайно узкой и четко определенной по частоте.

Генерация световых импульсов

Некоторые лазеры работают непрерывно, тогда как другие генерируют импульсы, которые могут быть особенно интенсивными. Существуют различные (очень разные) методы генерации импульсов с помощью лазеров, позволяющие генерировать импульсы длительностью в микросекунды, наносекунды, пикосекунды или даже на несколько фемтосекунд (→  ультракороткие импульсы от лазеров с синхронизацией мод ). Часто лазерная среда может накопить некоторое количество энергии за некоторое время «накачки», чтобы затем высвободить ее за гораздо более короткое время.

Оптическая полоса пропускания (или ширина линии) непрерывно работающего лазера может быть очень маленькой, когда может генерироваться только одна мода резонатора (→  одночастотный режим ). В других случаях, особенно для лазеров с синхронизацией мод, полоса пропускания может быть очень большой — в крайних случаях она может охватывать около полной октавы. Центральная частота лазерного излучения обычно близка к частоте максимального усиления, но если потери в резонаторе сделать частотно-зависимыми, длину волны лазера можно настроить в пределах диапазона, в котором доступно достаточное усиление.Некоторые среды с широкополосным усилением, такие как Ti: сапфир и Cr: ZnSe, позволяют настраивать длину волны на сотни нанометров.

Лазерный шум

Из-за различных факторов выходной сигнал лазеров всегда содержит некоторый шум в таких свойствах, как выходная мощность или фаза. Для импульсных лазеров могут иметь значение дополнительные параметры, например временной джиттер. Подробнее см. в статье о лазерном шуме.

Типы лазеров

Лазерная технология представляет собой довольно разнообразную область, в которой используется широкий спектр очень разных типов лазерных усиливающих сред, оптических элементов и методов.Распространенные типы лазеров:

  • Полупроводниковые лазеры (в основном лазерные диоды) с электрической (или иногда оптической) накачкой, эффективно генерирующие очень высокую выходную мощность (но обычно с плохим качеством луча) или малую мощность с хорошими пространственными характеристиками (например, для применения в CD и DVD игроков) или импульсы (например, для телекоммуникационных приложений) с очень высокой частотой повторения импульсов. Специальные типы включают квантово-каскадные лазеры (для среднего инфракрасного излучения) и полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением (VCSEL, VECSEL и PCSEL).Некоторые из них также подходят для генерации импульсов большой мощности.
  • Твердотельные лазеры на основе кристаллов или стекол, легированных ионами ( легированные диэлектрические лазеры ), с накачкой газоразрядными лампами или лазерными диодами, генерирующие высокую выходную мощность или меньшую мощность с очень высоким качеством луча, спектральной чистотой и/или стабильность (например, для целей измерения) или ультракороткие импульсы пикосекундной или фемтосекундной длительности. Распространенными усиливающими средами являются Nd:YAG, Nd:YVO 4 , Nd:YLF, Nd:стекло, Yb:YAG, Yb:стекло, Ti:сапфир, Cr:YAG и Cr:LiSAF.Особый тип лазеров на ионно-легированном стекле:
  • Волоконные лазеры , основанные на оптических стеклянных волокнах, сердцевина которых легирована некоторыми активными для лазерного излучения ионами. Волоконные лазеры могут достигать чрезвычайно высокой выходной мощности (до киловатт) с высоким качеством луча, допускают работу с широкой перестройкой длины волны, работу с узкой шириной линии и т. д.
  • Газовые лазеры (например, гелий-неоновые лазеры, CO 2 лазеры, аргоновые ионные лазеры и эксимерные лазеры), основанные на газах, которые обычно возбуждаются электрическими разрядами.Часто используемые газы включают CO 2 , аргон, криптон и газовые смеси, такие как гелий-неон. Обычными эксимерами являются ArF, KrF, XeF и F 2 . Поскольку в лазерном процессе участвуют молекулы газа, такие лазеры называют также молекулярными лазерами.

Не очень распространены лазеры с химической и ядерной накачкой, лазеры на свободных электронах и рентгеновские лазеры.

Лазерные источники в более широком смысле

Аспекты безопасности

Работа с лазерами может вызвать серьезные проблемы с безопасностью.Некоторые из них напрямую связаны с лазерным излучением, в частности, с высокой достижимой оптической интенсивностью, но существуют и различные другие опасности, связанные с лазерными источниками.

Подробнее см. в статье о лазерной безопасности.

Лазерные приложения

Существует чрезвычайно широкий спектр приложений для самых разных лазерных устройств. Они в значительной степени основаны на различных особых свойствах лазерного света, многие из которых не могут быть достигнуты с помощью каких-либо других источников света.Особенно важными областями применения являются лазерная обработка материалов, оптическая передача и хранение данных, а также оптическая метрология. Обзор см. в статье о применении лазеров.

Тем не менее, многие потенциальные применения лазеров до сих пор не могут быть реализованы на практике, потому что лазеры относительно дороги в производстве, или, точнее, потому, что до сих пор они в основном изготавливались с использованием относительно дорогих методов. Большинство лазеров производятся в относительно небольших объемах и с ограниченной степенью автоматизации.Другой аспект заключается в том, что лазеры относительно чувствительны в различных отношениях, например, в отношении точной настройки оптических компонентов, механических вибраций и частиц пыли. Поэтому постоянно проводятся исследования и разработки для поиска более экономичных и надежных решений.

Для успеха в бизнесе часто важно не только разработать лазеры с высокой производительностью и низкой стоимостью, но и определить наиболее подходящие приложения или разработать лазеры, которые лучше всего подходят для конкретных приложений.Кроме того, знание деталей приложения может быть очень важным. Например, при лазерной обработке материалов очень важно точно знать требования к длине волны лазера, качеству луча, энергии импульса, длительности импульса и т. д. для получения оптимальных результатов обработки.

Поставщики

Руководство покупателя RP Photonics содержит информацию о 257 поставщиках лазеров. Среди них:

Edmund Optics

Edmund Optics предлагает широкий спектр лазерных источников, включая лазеры машинного зрения, лазеры для медико-биологических наук, метрологические лазеры, газовые лазеры, промышленные и точечные лазеры, а также лазеры для обработки материалов.

Alpes Lasers

Alpes Lasers предлагает широкий ассортимент лазеров с длиной волны от 4 до 14 мкм и мощностью до нескольких ватт. Сюда входят лазеры FP, DFB, THz, частотная гребенка и лазеры с внешним резонатором в среднем ИК-диапазоне. Кроме того, Alpes предлагает уникальные быстрые и широко настраиваемые лазеры в линейке продуктов ET и XT.

EKSPLA

EKPLA предлагает широкий спектр фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных лазеров, а также системы с перестраиваемой длиной волны для исследовательских и промышленных применений.

Megawatt Lasers

MegaWatt Lasers Inc. специализируется на импульсных лазерах с ламповой накачкой для широкого спектра применений. Наши конструкции насосных камер обеспечивают непревзойденную производительность, надежность и отсутствие утечек, чтобы удовлетворить строгие требования к конструкции вашей лазерной системы. Наши лазеры производят наносекундные импульсы мощностью в несколько джоулей на безопасной для глаз длине волны, т.е. на основе стержней Er:YAG или CTH:YAG. Мы также предлагаем Nd:YAG и александритовые лазеры.

Мы поддерживаем запас стандартных насосных камер для немедленной поставки, а модульная конструкция позволяет создавать экономичные индивидуальные решения.

Frankfurt Laser Company

Frankfurt Laser Company предлагает самый широкий диапазон длин волн для лазерных диодов на мировом рынке от 370 нм до 12 мкм, одномодовые и многомодовые, широкой площади, DFB и DBR, оптоволоконные стабилизированные брэгговские решетки, квантовые каскады, VCSEL , суперлюминесцентные диоды и светодиоды среднего ИК-диапазона. Мы предлагаем выбор длины волны и индивидуальную упаковку; Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования.

TOPTICA Photonics

Продукция TOPTICA обеспечивает сверхширокий диапазон длин волн лазера: 190 нм – 0.1 ТГц (соответствует 3 мм). Они обеспечивают широкий спектр требовательных приложений в области квантовой оптики, спектроскопии, биофотоники, микроскопии, испытаний и измерений, а также контроля материалов. Уникальный диапазон длин волн основан на трех основных категориях продуктов:

HÜBNER Photonics

HÜBNER PHOTONICS предлагает полный спектр высокоэффективных лазеров, включая одно- и многолинейные лазеры Cobolt, настраиваемые лазеры C-WAVE, лазерные объединители C-FLEX. Все наши лазеры производятся в чистых помещениях, квалифицированным персоналом и с высочайшим качеством.

CNI Laser

CNI предлагает широкий ассортимент лазеров, в том числе

  • лазерные диодные модули, напр. узкополосные DFB-лазеры, пикосекундные лазеры, юстировочные лазеры и др.
  • твердотельные лазеры с диодной накачкой, высокой стабильностью, низким уровнем шума, высокой выходной мощностью или энергией импульса, пикосекундные версии с модуляцией добротности и синхронизацией мод и т. д.
  • волоконные лазеры с оптоволоконным выходом SM или MM, длительностью импульса <200 пс, перестраиваемые версии с шириной импульса 1–250 нс, частотой модуляции до 1 МГц

и различные другие.Мы специализируемся на разработке и производстве лазеров на заказ и OEM для удовлетворения конкретных потребностей наших клиентов. На самом деле, 75% производимых лазеров связаны с тем или иным типом работы по индивидуальному заказу.

Активные оптоволоконные системы

AFS предлагает различные фемтосекундные лазерные платформы на основе волоконных усилителей, легированных иттербием или тулием, удлинителей OPCPA/OPA и XUV, охватывающих все диапазоны длин волн для компактных систем, вплоть до сложных многофункциональных пучков.

Класс 5 Photonics

Класс 5 Photonics предлагает сверхбыструю, мощную лазерную технологию с выдающимися характеристиками для продвижения требовательных приложений от биовизуализации до сверхбыстрого материаловедения и аттосекундной науки.Наши надежные оптические параметрические усилители чирпированных импульсов (OPCPA) обеспечивают мощные, настраиваемые фемтосекундные импульсы и просты в эксплуатации.

Stuttgart Instruments

Система Stuttgart Instruments Alpha представляет собой модульный лазер с перестройкой длины волны, охватывающий спектральный диапазон от 700 нм до 20 мкм. Он обеспечивает сверхбыстрые импульсы с частотой повторения МГц и мощностью от милливатта до ватта. Благодаря отличной пассивной долговременной стабильности, выдающимся характеристикам на пределе дробового шума и широкому спектральному диапазону он идеально подходит для чувствительных ИК-приложений.

Систему Alpha можно настроить оптимальным образом для вашего приложения. Его базовую версию можно настраивать в диапазоне от 1,35 мкм до 4,5 мкм, но ее можно модернизировать до большей мощности, до VIS (700–980 нм), NIR (1,1–1,4 мкм) и MIR-диапазона (4,5–20 мкм). Каждый модуль можно обновить на месте, а вся система полностью автоматизирована и управляется с помощью удобного графического интерфейса пользователя.

Lumibird

Lumibird производит широкий спектр лазеров благодаря своему опыту в трех ключевых технологиях: импульсные твердотельные лазеры (наносекундный диапазон), непрерывные и импульсные волоконные лазеры и волоконные усилители, а также лазерные диоды.Предназначены для различных областей применения: в промышленности (производство, лидарные датчики), науке (лаборатории и университеты), медицине (офтальмология) и обороне.

GWU-Lasertechnik

GWU-Lasertechnik имеет более чем 30-летний опыт работы с лазерами и нелинейной оптикой. Мы пионеры коммерческой технологии BBO OPO. Наши широко настраиваемые лазерные источники охватывают спектральный диапазон от глубокого УФ с длиной волны <190 нм до инфракрасной области с длиной волны >2700 нм. Мы предлагаем импульсные решения для нано-, пико- и фемтосекундных импульсов с лучшими характеристиками и высочайшей надежностью.

AdValue Photonics

AdValue Photonics разработала ряд промышленных волоконных лазеров, работающих в различных диапазонах длин волн и режимах длительности импульса или в непрерывном режиме. Они подходят для целого ряда промышленных применений, включая лазерную резку, сверление и абляцию.

См. также наш обзор продукции для волоконных лазеров!

NKT Photonics

NKT Photonics предлагает широкий спектр лазеров, начиная от импульсных диодных лазеров, сверхмалошумящих одночастотных волоконных лазеров и сверхбыстрых волоконных лазеров и заканчивая суперконтинуальными лазерами белого света.Каким бы ни был ваш лазер, у нас есть система для вас!

Kapteyn-Murnane Laboratories

Ti:sapphire является рабочей лошадкой сверхбыстрых лазеров благодаря своей широкой полосе усиления, позволяющей подавать самые короткие импульсы и масштабируемой до высокой энергии импульса и средней мощности. KMLabs предоставляет полный набор синхронизированных генераторов и интегрированных систем генератор-усилитель, охватывающих энергии импульсов от нДж до 30 мДж в импульсах от 15 фс до 40 фс.

Laser Quantum

Laser Quantum — мировой производитель высококачественных твердотельных и сверхбыстрых лазеров с диодной накачкой.

OEwaves

Лазер HI-Q™ содержит запатентованный драйвер/контроллер и лазерный источник OEwaves, основанный на микрорезонаторе с высоким коэффициентом добротности (Q) в режиме шепчущей галереи (WGM). Лазер можно масштабировать до различных длин волн в диапазоне 370–4500 нм.

Уникальная технология лазера OEwaves HI-Q™ использует самоинжекцию при блокировке подходящего имеющегося в продаже лазерного диода посредством резонансной оптической обратной связи от высокодобротного микрорезонатора WGM. Его монолитно-интегрированный подход, а также микромасштабная масса и объем делают лазер практически нечувствительным к вибрациям окружающей среды.

Thorlabs

Thorlabs производит широкий выбор непрерывных и импульсных лазерных систем, включая новый пикосекундный лазер с модуляцией добротности с импульсами в микроджоулях с частотой повторения в кГц и исключительным качеством луча.

RPMC Lasers

RPMC Lasers предлагает самый широкий выбор твердотельных лазеров в Северной Америке, включая импульсные и непрерывные источники с диапазоном длин волн от УФ до LWIR. Импульсные лазеры включают лазеры DPSS, лазеры с лампами-вспышками, волоконные лазеры, микролазеры/лазеры с микрочипами и сверхбыстрые лазеры.Кроме того, лазерные модули непрерывного действия, включая одномодовые и многомодовые лазерные и диодные модули DPSS, доступные как в конфигурациях с оптоволокном, так и в свободном пространстве, а также газовые и волоконные лазеры, линейные модули и многие типы лазерных диодов, включая суперлюминесцентные лазерные диоды, мультимодули. -волновые лазеры и QCW квантово-каскадные лазерные диоды. Приложения включают обработку материалов, LIDAR, микрообработку и многие другие.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставить вопросы и комментарии.Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

9
[1] Шавлов А.Л., Таунс Ч.Х. Инфракрасные и оптические мазеры // Физ. Rev. 112 (6), 1940 (1958), doi: 10.1103/PhysRev.112.1940 (новаторская работа; также содержит известное уравнение Шавлова – Таунса)
[2] Т. Х. Майман, «Вынужденное оптическое излучение в рубине», Nature 187, 493 (1960), doi:10.1038/187493a0 (первая экспериментальная демонстрация лазера), doi:10.1038/187493a0
[3] Т. Х. Майман, «Оптическое мазерное действие в рубине», Br. коммун. Электрон. 7, 674 (1960)
[4] Сорокин П.П., Стивенсон М.Дж. Вынужденное инфракрасное излучение трехвалентного урана // Физ. Преподобный Летт. 5 (12), 557 (1960), doi:10.1103/PhysRevLett.5.557 (первый четырехуровневый лазер)
[5] A. Javan, WR Bennett Jr.и Д. Р. Херриотт, «Инверсия населенностей и непрерывные оптические мазерные колебания в газовом разряде, содержащем смесь He-Ne», Phys. Преподобный Летт. 6 (3), 106 (1961), doi:10.1103/PhysRevLett.6.106
[6] Т. Томиясу, «Лазерная библиография», IEEE J. Quantum Electron. 1 (3), 133 (1965), doi:10.1109/JQE.1965.1072194
[7] Г. Смит, «Ранние лазерные годы в Hughes Aircraft Company», IEEE J. Quantum Electron. 20 (6), 577 (1984), doi:10.1109/JQE.1984.1072445
[8] Р. Е. Слушер, «Лазерная технология», ред. мод. физ. 71, S471 (1999), doi:10.1103/RevModPhys.71.S471
[9] Дж. М. Гилл, «Лазеры: 40-летняя перспектива», IEEE J. Quantum Electron. 6 (6), 1111 (2000), doi: 10.1109/2944.
[10] «Блестящая идея: первые лазеры», Американский институт физики (2010)
J 9 9159 [11] Хехт, «Краткая история развития лазеров», Opt.англ. 49, 0

(2010), DOI: 10.1364 / AO.49.000F99

[12]
[12]
[12]

[12] [12] A. E. Siegman, Lasers , Университетские науки, мельница Долина, CA (1986)
[13] O. Svelto, Principles of Lasers , Plenum Press, New York (1998)
[14] F. Träger (ed.), Handbook of Lasers and Optics , Springer, Berlin (2007)
[15] R. Paschotta, Полевое руководство по лазерам , SPIE Press, Bellingham, WA (2007)

(Предложите дополнительную литературу!)

См. также: лазерный свет, лазерная оптика, применение лазеров, лазерная физика, проектирование лазеров, лазерные резонаторы, лазерные кристаллы, лазерные усиливающие среды, лазеры с диодной накачкой, лазеры с ламповой накачкой, твердотельные лазеры, волоконные лазеры, волноводные лазеры, лазеры с преобразованием частоты, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры, молекулярные лазеры, рентгеновские лазеры, лазеры с синхронизацией мод, лазеры с модуляцией добротности, лазеры видимого диапазона, порог лазера, эффективность наклона, лазерный шум, ширина линии, когерентность, настройка длины волны, лазерная безопасность, лазер спецификации, научные лазеры
и другие статьи в категории лазерные устройства и лазерная физика


Поделитесь этим с друзьями и коллегами, e.грамм. через социальные сети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о лазерах

в
RP Photonics Encyclopedia

С изображением для предварительного просмотра (см. поле чуть выше):

   
alt ="статья">

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/lasers.html 
статья о «Лазерах» в Энциклопедии RP Photonics]

Типы лазеров — твердотельный лазер, газовый лазер, жидкостный лазер и полупроводниковый лазер

ЛАЗЕР расшифровывается как усиление света за счет стимулированного излучения Радиация.Лазер — это устройство, которое производит высоко направленный свет. Он излучает свет в результате процесса, называемого вынужденное излучение, увеличивающее интенсивность света.

А лазер отличается от обычных источников света четырьмя способами: когерентность, направленность, монохромность и высокая интенсивность.

световые волны обычных источников света имеют много длин волн.Следовательно, фотоны, испускаемые обычными источниками света, не фазы. Таким образом, обычный свет некогерентен.

Вкл. с другой стороны, световые волны лазерного излучения имеют только один длина волны. Следовательно, все фотоны, испускаемые лазерным светом находятся в фазе. Таким образом, лазерный свет является когерентным.

световые волны от лазера содержат только одну длину волны или цвет поэтому он известен как монохроматический свет.

лазерный луч очень узкий и может быть сконцентрирован на очень небольшая площадь. Это делает лазерный луч высоконаправленным.

лазерный свет распространяется в небольшой области пространства. Следовательно, все энергия концентрируется на узкой области. Поэтому лазер свет имеет большую интенсивность, чем обычный свет.

Типы лазеры

Лазеры делятся на 4 типа в зависимости от типа лазера используемый носитель:

  • Твердотельный лазер
  • Газовый лазер
  • Жидкость лазер
  • Полупроводник лазер
Твердотельный лазер

А твердотельный лазер — это лазер, который использует твердое тело в качестве лазера. средний.В этих лазерах используются стекло или кристаллические материалы. использовал.

ионов вводятся в виде примесей в основной материал, который может быть стекло или хрусталь. Процесс добавления примесей в вещество называется допингом. Редкоземельные элементы, такие как церий (Ce), эрбий (Eu), тербий (Tb) и т. д. чаще всего используются в качестве присадок.

Материалы такой как сапфир (Al 2 O 3 ), легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG), стекло, легированное неодимом (Nd: стекло) и стекло, легированное иттербием, используются в качестве основы. материалы для лазерной среды. Из них легированные неодимом чаще всего используется иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG).

Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер.Он до сих пор используется в некоторых приложениях. В этом лазере используется рубиновый кристалл. как лазерная среда.

В твердое состояние В лазерах в качестве источника накачки используется световая энергия. Светлый источники, такие как импульсная лампа, лампы-вспышки, дуговые лампы или лазер для накачки используются диоды.

Полупроводник лазеры не относятся к этой категории, потому что эти лазеры обычно с электрической накачкой и связаны с различными физическими процессы.

Газовый лазер

Газовый лазер — это лазер, в котором электрический ток разряжается через газ внутри лазерной среды для получения свет лазера. В газовых лазерах лазерная среда находится в газообразное состояние.

Газовые лазеры используются в приложениях, требующих лазерного излучения. с очень высоким качеством луча и большой длиной когерентности.

В газовом лазере лазерная среда или усиливающая среда состоит из смесь газов. Эта смесь фасуется в стакан трубка. Стеклянная трубка, наполненная смесью газов, действует в качестве активной среды или лазерной среды.

Газовый лазер — первый лазер, работающий по принципу преобразование электрической энергии в энергию света. Он производит лазерный луч в инфракрасной области спектра на 1.15 мкм.

Газовые лазеры бывают разных типов: гелиевые (He) – Неоновые (Ne) лазеры, аргоновые ионные лазеры, углекислотные лазеры (лазеры CO 2 ), лазеры на оксиде углерода (CO лазеры), эксимерные лазеры, азотные лазеры, водородные лазеры, и т. д. Тип газа, используемого для создания лазерной среды, может определить длину волны или эффективность лазеров.

Жидкостный лазер

Жидкостный лазер — это лазер, в котором жидкость используется в качестве лазера. средний.В жидкостных лазерах свет поставляет энергию лазеру. средний.

Примером жидкостного лазера является лазер на красителе. Лазер на красителе это лазер, использующий органический краситель (жидкий раствор) в качестве лазерная среда.

Лазер на красителе состоит из органического красителя, смешанного с растворителем. Эти лазеры генерируют лазерный свет из возбужденной энергии. состояния органических красителей, растворенных в жидких растворителях.Это производит лазерный луч в ближнем ультрафиолете (УФ) для ближней инфракрасной (ИК) области спектра.

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковые лазеры играют важную роль в нашей повседневной жизни. жизнь. Эти лазеры очень дешевы, компактны и потребляют малая мощность. Полупроводниковые лазеры также известны как лазеры. диоды.

Полупроводниковые лазеры отличаются от твердотельных лазеров.В твердотельные лазеры, в качестве источника накачки используется световая энергия тогда как в полупроводниковых лазерах используется электрическая энергия как источник помпы.

В полупроводниковых лазерах p-n соединение полупроводника диод образует активную среду или лазерную среду. оптическое усиление производится внутри полупроводникового материала.


Основы лазера. Знакомство с лазерами

В научно-фантастических фильмах 1950-х годов часто изображались монстры, испускающие из глаз смертоносные лучи света (рис. 1), но до изобретения лазера такие концентрированные и мощные энергетические лучи были лишь фантазией.Теперь можно модифицировать, исследовать или разрушать материю с помощью высокосфокусированного излучения источников энергии, известных как лазеры . Почти весь свет, который мы видим в нашей повседневной жизни, начиная от солнца, звезд, ламп накаливания и люминесцентных ламп и заканчивая даже нашими телевизорами, возникает спонтанно, когда атомы и молекулы избавляются от избыточной энергии.

Обычный естественный и искусственный свет высвобождается в результате энергетических изменений на атомном и молекулярном уровне, происходящих без какого-либо вмешательства извне.Однако существует второй тип света, и он возникает, когда атом или молекула сохраняет свою избыточную энергию до тех пор, пока не стимулирует излучать энергию в форме света. Лазеры предназначены для производства и усиления этой стимулированной формы света в интенсивные и сфокусированные лучи. Слово «лазер» было придумано как аббревиатура от L light A , усиленная S стимулированной миссией E излучения R . Особая природа лазерного излучения сделала лазерные технологии жизненно важным инструментом почти во всех аспектах повседневной жизни, включая связь, развлечения, производство и медицину.

Альберт Эйнштейн, возможно, непреднамеренно сделал первый шаг в развитии лазера, осознав, что возможны два типа излучения. В статье, опубликованной в 1917 г., он первым предположил существование вынужденного излучения . В течение многих лет физики думали, что спонтанное излучение света является наиболее вероятной и доминирующей формой и что любое вынужденное излучение всегда будет намного слабее. Лишь после Второй мировой войны начались поиски условий, необходимых для преобладания вынужденного излучения и для того, чтобы один атом или молекула стимулировали многие другие, вызывая эффект усиления излучаемого света.

Ученый из Колумбийского университета Чарльз Х. Таунс первым преуспел в усилении стимулированного излучения в начале 1950-х годов, но его работа была сосредоточена вокруг микроволн (с гораздо большей длиной волны, чем видимый свет), и он назвал свое устройство Мазер . Другие ученые создали успешные мазеры, и значительные усилия были сосредоточены на попытках получения вынужденного излучения на более коротких длинах волн. Многие из основных концепций создания лазера были разработаны примерно в то же время, в конце 1950-х годов, Таунсом и Артуром Шавлоу (из Bell Laboratories) и Гордоном Гулдом из Колумбийского университета.Гулд подал заявку на патент, а не опубликовал свои идеи, и хотя ему приписали слово «лазер» в его записных книжках, прошло почти 30 лет, прежде чем он получил несколько патентов. До сих пор существуют разногласия по поводу того, кто заслуживает похвалы за концепцию лазера. Два советских человека, Николай Басов и Александр Прохоров, разделили Нобелевскую премию по физике 1964 года с Таунсом за их новаторскую работу над принципами, лежащими в основе мазеров и лазеров. Шавлов был удостоен доли Нобелевской премии по физике 1981 года за свои лазерные исследования.

Аргон-ионные газовые лазеры

Узнайте, как газоразрядная трубка аргон-ионного лазера работает с ионизированным газом, создавая непрерывную волну световой энергии через выходное зеркало. В учебном пособии показано медленное накопление световой энергии внутри трубки до установления устойчивого состояния лазерного разряда.

Публикация работы Таунса и Шавлова стимулировала огромные усилия по созданию работающей лазерной системы. В мае 1960 года Теодор Мейман, работая в исследовательской лаборатории Хьюза, построил устройство с использованием синтетического рубинового стержня, которое считается первым лазером.Рубиновый лазер Меймана излучал интенсивные импульсы когерентного красного света с длиной волны 694 нанометра в плотно сфокусированном узком луче, что вполне типично для многих современных лазеров. В первом лазере использовался небольшой рубиновый стержень с посеребренными концами для отражения света, окруженный спиральной лампой-вспышкой, и он был достаточно мал, чтобы его можно было держать в руке. Интересно, что фотограф, которому Хьюз поручил опубликовать открытие, подумал, что настоящий лазер слишком мал, и заставил Меймана позировать с большим лазером, который не работал до последнего.Фотографии, изображающие Меймана с «более впечатляющим» лазером, до сих пор распространяются и используются во многих публикациях.

Хотя лазеры, излучающие видимый свет, являются наиболее распространенными, основные принципы применимы в большей части электромагнитного спектра. Первое вынужденное излучение было получено в СВЧ-диапазоне спектра, но в настоящее время имеются лазеры, излучающие ультрафиолетовый и инфракрасный свет, и ведутся работы по созданию лазеров для рентгеновского диапазона спектра.Фактические лазеры, используемые сегодня, имеют выходную мощность от менее милливатта до многих киловатт непрерывной мощности, а некоторые производят триллионы ватт в чрезвычайно коротких импульсах. На рис. 2 представлены некоторые примеры репрезентативных лазеров, которые сильно различаются по размеру и применению. Военные и другие исследовательские лаборатории построили лазеры, которые занимают целые здания, в то время как в наиболее распространенных лазерах используется полупроводниковое устройство размером с песчинку.

Понимание некоторых фундаментальных принципов необходимо для любого объяснения того, как возникает и усиливается вынужденное излучение.Первый из этих принципов необходим, потому что лазер по своей сути является квантово-механическим устройством, и для объяснения работы лазера необходимо использовать квантовую природу энергии. Классическая физика предполагает, что энергия может меняться непрерывно и плавно, а атомы и молекулы могут иметь любое количество энергии. Работа Эйнштейна, которая стала ключом к развитию квантовой механики, утверждает, что энергия существует в дискретных единицах или квантов и что атомы и молекулы (и, следовательно, все остальное) ограничены наличием только определенного дискретного количества энергии.

Несколько дополнительных концепций, которые возникают на фотонном и атомном уровне и выводятся из принципа квантования, необходимы для понимания работы лазера :

  • Квантование энергии в атоме приводит к дискретным уровням энергии, связанным с атомом .
  • Переходы с одного энергетического уровня на другой должны быть возможны, чтобы произошло излучение света.
  • Происходит несколько типов перехода, которые влияют на количество энергии, затрачиваемой на переход.
  • Возможно спонтанное и вынужденное излучение от энергетических переходов.
  • Инверсия населенностей между энергетическими уровнями должна быть достигнута для усиления вынужденного излучения энергии.

Если атом или молекула находятся в энергетическом состоянии, которое выше, чем самое низкое или основное состояние , они могут самопроизвольно упасть на более низкий уровень без какой-либо внешней стимуляции. Одним из возможных результатов перехода в состояние с пониженной энергией является высвобождение избыточной энергии (равной разнице двух энергетических уровней) в виде фотона света.Возбужденные атомы или молекулы имеют характерное время спонтанного излучения, которое представляет собой среднее время, в течение которого они остаются в возбужденном состоянии с более высокой энергией, прежде чем они перейдут на более низкий энергетический уровень и испустят фотон. Время излучения является важным фактором для получения вынужденного излучения второго типа, предложенного Эйнштейном.

Находясь в возбужденном состоянии, если атом освещается падающим фотоном, обладающим точно такой же энергией, что и переход, который произошел бы спонтанно, атом может быть стимулирован падающим фотоном, чтобы вернуться в более низкое состояние и одновременно испустить фотон при той же энергии перехода.Поэтому один фотон, взаимодействующий с возбужденным атомом, может привести к излучению двух фотонов. Если испускаемые фотоны рассматривать как волну, стимулированное излучение будет колебаться с частотой падающего света и будет синфазным (когерентным), что приведет к усилению интенсивности исходной световой волны. На рис. 3 показаны спонтанное (а) и вынужденное (б) излучение с двумя когерентными волнами, возникающими в последнем случае.

Основная проблема при получении вынужденного лазерного излучения состоит в том, что при нормальных условиях термодинамического равновесия заселенность или число атомов или молекул на каждом энергетическом уровне неблагоприятны для вынужденного излучения.Из-за тенденции атомов и молекул самопроизвольно переходить на более низкие энергетические уровни число атомов на каждом энергетическом уровне уменьшается по мере увеличения энергии. Фактически, при нормальных условиях для энергии перехода, соответствующей типичной оптической длине волны (порядка 1 электрон-вольта), отношение числа атомов или молекул в более высоком энергетическом состоянии к числу в более низком основном состоянии возможно, 10 E+17. Другими словами, практически все атомы или молекулы находятся в основном состоянии для энергетического перехода видимой длины волны.

Спонтанные и вынужденные процессы

Изучите спонтанное поглощение и излучение, а также вынужденное излучение, приводящее к переходам энергетических уровней, с помощью этого интерактивного учебного пособия. Эти фундаментальные процессы представляют собой важные концепции, необходимые для понимания работы лазера.

Причина того, что стимулированное излучение трудно осуществить, становится очевидной при рассмотрении вероятных событий, связанных с распадом электрона из возбужденного состояния с последующим спонтанным излучением света.Излучаемый свет может легко стимулировать излучение другого возбужденного атома, но его так мало, что излучение, скорее всего, сначала встретится с атомом в основном состоянии и вместо этого будет поглощено (рис. 3(c)). Поскольку число атомов в возбужденном состоянии настолько ничтожно по сравнению с числом в основном состоянии, излучаемый фотон имеет гораздо большую вероятность быть поглощенным, что делает вынужденное излучение незначительным по сравнению со спонтанным излучением (при термодинамическом равновесии).

Механизм, с помощью которого стимулированное излучение может стать доминирующим, состоит в том, чтобы иметь больше атомов в возбужденном состоянии, чем в состоянии с более низкой энергией, так что излучаемые фотоны с большей вероятностью стимулируют излучение, чем поглощаются. Поскольку это состояние является обратным нормальному равновесию, его называют инверсией населенностей . Пока атомов на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем, вынужденное излучение может доминировать, и в результате возникает каскад фотонов.Первый испущенный фотон будет стимулировать испускание большего количества фотонов, которые впоследствии будут стимулировать испускание еще большего количества фотонов и так далее. Результирующий каскад фотонов растет, что приводит к усилению излучаемого света. Если инверсия населенностей прекратится (населенность основного состояния станет доминирующей), спонтанное излучение снова станет предпочтительным процессом.

Во времена предложения Эйнштейна большинство физиков считали, что любое состояние, кроме термодинамического равновесия, нестабильно и не может поддерживаться.Только после Второй мировой войны серьезное внимание было уделено методам создания инверсий населенностей, необходимых для поддержания вынужденного излучения. Атомы и молекулы могут занимать множество энергетических уровней, и хотя некоторые переходы более вероятны, чем другие (в силу правил квантовой механики и по другим причинам), переход может происходить между любыми двумя уровнями. Минимальное требование для вынужденного излучения и усиления или лазерного воздействия состоит в том, что по крайней мере один более высокий энергетический уровень должен иметь большую населенность, чем более низкий уровень.

Инверсия населенности может быть произведена двумя основными механизмами: либо созданием избытка атомов или молекул в более высоком энергетическом состоянии, либо уменьшением населенности в более низком энергетическом состоянии. Также может быть выбрана система, нестабильная на нижнем уровне, но для непрерывной работы лазера обычно необходимо уделять внимание как заселению более высокого уровня, так и опустошению нижнего уровня. Если на нижнем энергетическом уровне скопится слишком много атомов или молекул, инверсия населенностей будет потеряна, и лазерное воздействие прекратится.

Наиболее распространенным подходом к созданию инверсии населенностей в лазерной среде является добавление энергии в систему для возбуждения атомов или молекул на более высокие энергетические уровни. Простого добавления энергии путем термического перемешивания среды недостаточно (в условиях термодинамического равновесия) для создания инверсии населенностей, потому что тепло только увеличивает среднюю энергию населенности, но не увеличивает количество видов в возбужденном состоянии по сравнению с количеством видов в возбужденном состоянии. нижнее состояние. Отношение числа атомов на двух энергетических уровнях (1 и 2) при термодинамическом равновесии определяется следующим уравнением E 1 ) / kT]

где N(1) и N(2) – число атомов на уровне 1 и уровне 2 соответственно, E(1) и E(2) ) — энергии двух уровней, k — постоянная Больцмана, T — температура в кельвинах.Как показано уравнением, при термодинамическом равновесии Н(2) может быть больше, чем Н(1) , только если температура является отрицательным числом. До того, как исследование, описывающее действие мазера и лазерного излучения, было опубликовано, физики называли инверсию населенности отрицательной температурой , что символизировало их мнение о том, что любое условие, кроме термодинамического равновесия, вряд ли будет поддерживаться.

Для получения необходимой инверсии населенностей для лазерной активности атомы или молекулы должны быть избирательно возбуждены до определенных энергетических уровней.Свет и электричество являются предпочтительными механизмами возбуждения для большинства лазеров. Либо свет, либо электроны могут обеспечить энергию, необходимую для возбуждения атомов или молекул на выбранные более высокие энергетические уровни, и передача энергии не требуется для прямого продвижения электронов на определенный верхний уровень лазерного перехода. Некоторые подходы могут быть довольно сложными, но они часто позволяют создавать более эффективные лазеры. Один из часто используемых подходов возбуждает атом или молекулу до более высокого энергетического уровня, чем требуется, после чего он падает на верхний лазерный уровень.Непрямое возбуждение можно использовать для возбуждения атомов в окружающей газовой смеси, которые затем передают свою энергию атомам или молекулам, ответственным за создание лазерного излучения.

Как обсуждалось ранее, время, проведенное атомом или молекулой в возбужденном состоянии, имеет решающее значение для определения того, будет ли он стимулироваться к излучению и участвовать в каскаде фотонов, или потеряет свою энергию в результате спонтанного излучения. Возбужденные состояния обычно имеют время жизни всего наносекунды, прежде чем они высвобождают свою энергию спонтанным излучением, период, который недостаточно велик, чтобы, вероятно, подвергнуться стимуляции другим фотоном.Таким образом, критическим требованием для лазерного действия является более долгоживущее состояние, подходящее для верхнего энергетического уровня. Такие состояния существуют для некоторых материалов и называются метастабильными состояниями (см. рис. 4). Среднее время жизни до того, как произойдет спонтанное излучение для метастабильного состояния, составляет от микросекунды до миллисекунды, что является довольно продолжительным периодом времени в атомной шкале времени. При таком длительном времени жизни возбужденные атомы и молекулы могут производить значительное количество вынужденного излучения.Лазерное воздействие возможно только в том случае, если популяция на верхнем энергетическом уровне растет быстрее, чем распадается, поддерживая популяцию большую, чем на нижнем уровне. Чем больше время жизни спонтанного излучения, тем больше подходит молекула или атом для лазерных применений.

Мазер, который Чарльз Таунс продемонстрировал до создания первого лазера, имел важное значение, поскольку для его работы требовалось создание инверсии населенностей, и поэтому он доказал многим скептически настроенным физикам, что такую ​​инверсию можно произвести.Его система представляла собой двухуровневый мазер, использующий только верхний и нижний уровни энергии. Таунс использовал новый подход в своей системе молекул аммиака для создания инверсии населенностей — метод молекулярного пучка, который отделял возбужденные молекулы аммиака от молекул в основном состоянии. Молекулы в основном состоянии отбрасывались, а отделившиеся возбужденные молекулы составляли требуемую инверсию населенностей. Для мазеров в настоящее время разработаны другие, более эффективные средства, и практические лазеры требуют использования трех, четырех и более энергетических уровней.

Уровни энергии лазера

Инверсия населенностей может быть произведена посредством двух основных механизмов: либо созданием избытка атомов или молекул в более высоком энергетическом состоянии, либо уменьшением населенности в более низком энергетическом состоянии. В этом руководстве рассматриваются метастабильные состояния как для трехуровневых, так и для четырехуровневых лазерных систем.

Простейшей функциональной структурой энергетических уровней для работы лазера является трехуровневая система, показанная на рис. 4(а). В этой системе основным состоянием является нижний лазерный уровень, и между этим уровнем и метастабильным состоянием с более высокой энергией создается инверсия населенностей.Большинство атомов или молекул первоначально возбуждаются до кратковременного высокоэнергетического состояния, которое выше метастабильного уровня. Из этого состояния они быстро распадаются на промежуточный метастабильный уровень, который имеет гораздо большее время жизни, чем более высокое энергетическое состояние (часто порядка 1000 раз). Поскольку время пребывания каждого атома в метастабильном состоянии относительно велико, населенность имеет тенденцию к увеличению и приводит к инверсии населенностей между метастабильным состоянием и более низким основным состоянием (которое постоянно опустошается до самого высокого уровня).Стимулированное излучение возникает из-за того, что в верхнем возбужденном (метастабильном) состоянии доступно больше атомов, чем в нижнем состоянии, где, скорее всего, произойдет поглощение света.

Хотя трехуровневая лазерная система работает для всех практических целей, примером чего является первый лазер Меймана, ряд проблем ограничивает эффективность этого подхода. Основная проблема возникает из-за того, что нижний лазерный уровень является основным уровнем, что является нормальным состоянием для большинства атомов или молекул.Чтобы произвести инверсию населенностей, большинство электронов в основном состоянии должны быть переведены на высоковозбужденный энергетический уровень, что требует значительного ввода внешней энергии. Кроме того, инверсию заселенностей сложно поддерживать в течение значительного времени, поэтому трехуровневые лазеры должны работать в импульсном режиме, а не в непрерывном.

Лазеры, использующие четыре или более уровней энергии, позволяют избежать некоторых проблем, упомянутых выше, и поэтому используются чаще.Рисунок 4(b) иллюстрирует четырехуровневый сценарий. Структура энергетических уровней аналогична трехуровневой системе, за исключением того, что после того, как атомы переходят с высшего уровня в метастабильное верхнее состояние, они не переходят в основное состояние за один шаг. Поскольку инверсия населенностей не создается между основным состоянием и верхним уровнем, в этой модели резко сокращается количество атомов или молекул, которые должны быть подняты. В типичной четырехуровневой лазерной системе, если только один или два процента атомов или молекул находятся на нижнем лазерном уровне (который находится выше основного состояния), тогда возбуждение только двух-четырех процентов от общего числа на более высокий уровень будет происходить. добиться требуемой инверсии населенностей.Другое преимущество отделения нижнего лазерного уровня от основного уровня заключается в том, что атомы нижнего уровня естественным образом переходят в основное состояние. Если нижний лазерный уровень имеет время жизни намного меньше, чем верхний уровень, атомы будут распадаться на основной уровень со скоростью, достаточной для того, чтобы избежать накопления на нижнем лазерном уровне. Многие из лазеров, разработанных с учетом этих ограничений, могут работать в непрерывном режиме для создания непрерывного луча.

Реально работающие лазеры обычно намного сложнее моделей, описанных выше.Верхний лазерный уровень часто представляет собой не одиночный уровень, а группу энергетических уровней, что позволяет в процессе работы изменять требуемую энергию возбуждения в широких пределах. Нижний уровень также может состоять из нескольких уровней, и если каждый из близко расположенных верхних уровней распадается на другой нижний уровень, один лазер может работать на нескольких переходах, создавая более одной длины волны. Например, гелий-неоновый лазер чаще всего используется для излучения одной длины волны красного цвета, но он также может работать на других переходах для получения оранжевого, желтого, зеленого и инфракрасного излучения.В конструкции практических лазеров существует множество других факторов, включая природу активной среды. Многократные газы или другие комбинации молекулярных видов часто используются для повышения эффективности захвата и передачи энергии или для облегчения заселения нижнего лазерного уровня.

До знаменательной демонстрации возможности производства мазеров и лазеров ученые упускали из виду тот факт, что естественные мазеры существуют в космическом пространстве (рис. 5). Даже после того, как Эйнштейн предсказал вынужденное излучение, большинство физиков считали, что создать инверсию населенностей настолько сложно, что вряд ли она может произойти в природе.По сути, ученые, по-видимому, серьезно не считали, что материя может существовать в состоянии, отличном от термодинамического равновесия. Так называемые космических мазеров включают в себя такие источники, как оболочки вокруг красных гигантских звезд, кометы, остатки сверхновых и другие молекулярные облака звездообразования. В газовом облаке, окружающем горячую звезду, испускаемое звездой излучение может возбуждать молекулы газа до более высоких энергетических уровней, которые затем распадаются до метастабильного состояния. Пока существует подходящий нижний лазерный уровень, может произойти инверсия населенностей, которая приведет к лазерному действию.Хотя этот процесс идентичен искусственным мазерам или лазерам, и может излучаться большое количество энергии, излучение звездного лазера или мазерной энергии не ограничивается лучом. Излучение, испускаемое космическим мазером, распространяется наружу во всех направлениях точно так же, как энергия любого другого межзвездного облака горячего газа.

Стимулированное излучение в резонаторе лазера

Усиление света с помощью вынужденного излучения является фундаментальной концепцией в базовом понимании действия лазера.В этом интерактивном учебном пособии показано, как происходит усиление лазера, начиная с спонтанного излучения первого фотона и заканчивая насыщением резонатора лазера и установлением состояния динамического равновесия.

Помимо создания инверсии населенностей, для усиления и концентрации света в лазерный луч требуется несколько других факторов. Свет от стимулированного излучения, производимого в лазерной среде, обычно имеет одну длину волны, но должен быть эффективно извлечен из среды с помощью некоторого механизма, включающего усиление.Эта задача выполняется в резонаторе , который отражает часть излучения обратно в лазерную среду и посредством множественных взаимодействий создает или усиливает интенсивность света. Например, после начального вынужденного излучения два фотона с одинаковой энергией и фазой, вероятно, столкнутся с возбужденными атомами, которые впоследствии будут излучать еще больше фотонов с той же энергией и фазой. Количество фотонов, создаваемых вынужденным излучением, быстро растет, и это увеличение прямо пропорционально расстоянию, которое свет проходит в лазерной среде.

На рис. 6 показано усиление или усиление, возникающее при увеличении длины пути в резонаторе благодаря зеркалам на каждом конце. На рис. 6(a) показано начало вынужденного излучения, которое усиливается на рис. 6(b)–рис. 6(g) по мере отражения света от зеркал, расположенных на концах резонатора. Часть света проходит через частично отражающее зеркало с правой стороны резонатора (рис. 6(б, г, е)) во время каждого прохода.Наконец, в равновесном состоянии (рис. 6(h)) резонатор насыщается вынужденным излучением.

Степень усиления, достигаемая в лазере, выраженная термином усиление , относится к количеству вынужденного излучения, которое фотон может генерировать при перемещении на заданное расстояние. Например, коэффициент усиления 1,5 на сантиметр означает, что фотон генерирует 1,5 дополнительных фотона на каждый пройденный сантиметр. Это приводит к увеличению коэффициента усиления с увеличением длины пути лазерного резонатора.Фактическое усиление является гораздо более сложным и зависит от флуктуаций в распределении населенности между верхним и нижним уровнями энергии лазера, среди других факторов. Важным моментом является то, что величина усиления резко возрастает с расстоянием, пройденным через лазерную среду.

В лазере с продольным резонансным резонатором, таком как рубиновый стержень или заполненная газом трубка, свет, проходящий по длине лазерной среды, генерирует гораздо большее вынужденное излучение, чем свет, излучаемый перпендикулярно длинной оси резонатора .Поэтому излучение света концентрируется по длине резонатора даже без использования зеркал, ограничивающих его путь в продольном направлении. Размещение зеркал на противоположных концах лазерного резонатора позволяет лучу двигаться вперед и назад, что приводит к увеличению усиления из-за большей длины пути через среду. Многократные отражения также дают узко сфокусированный пучок (важная характеристика лазера), потому что только фотоны, движущиеся параллельно стенкам резонатора, будут отражаться от обоих зеркал.Эта компоновка известна как генератор и необходима, потому что большинство лазерных материалов имеют очень низкий коэффициент усиления, а достаточное усиление может быть достигнуто только при большой длине пути через среду.

Большинство современных лазеров имеют зеркала на обоих концах резонатора для увеличения пути, который свет проходит через лазерную среду. Интенсивность излучения растет с каждым проходом света, пока не достигнет равновесного уровня, который устанавливается конструкцией резонатора и зеркала.Одно зеркало резонатора отражает почти весь падающий свет, а другое (выходное зеркало) отражает часть света и пропускает часть в виде лазерного луча. В лазере с низким коэффициентом усиления выходное зеркало выбирается таким образом, чтобы пропускать лишь небольшую часть света (возможно, всего несколько процентов) и отражать большую часть обратно в резонатор. В равновесии мощность лазера внутри резонатора выше, чем снаружи, и изменяется в зависимости от процента света, прошедшего через выходное зеркало.Увеличивая коэффициент пропускания выходного зеркала, можно уменьшить разницу в мощности между внутренней и внешней частью резонатора. Однако пока выходное зеркало отражает часть света обратно в резонатор, мощность внутри остается выше, чем в выходящем пучке.

Распространенное заблуждение о лазерах возникает из-за того, что весь излучаемый свет отражается туда и обратно внутри резонатора до тех пор, пока не будет достигнута критическая интенсивность, после чего некоторая часть «ускользает» через выходное зеркало в виде луча.В действительности выходное зеркало всегда пропускает постоянную часть света в виде луча, а оставшуюся часть отражает обратно в полость. Эта функция важна для того, чтобы позволить лазеру достичь равновесного состояния, при этом уровни мощности как внутри, так и снаружи лазера становятся постоянными.

Из-за того, что свет колеблется взад и вперед в резонаторе лазера, явление резонанса становится фактором усиления интенсивности лазера. В зависимости от длины волны вынужденного излучения и длины резонатора волны, отраженные от торцевых зеркал, будут либо конструктивно интерферировать и сильно усиливаться, либо деструктивно интерферировать и подавлять лазерную активность.Поскольку все волны в резонаторе когерентны и совпадают по фазе, они останутся в фазе при отражении от зеркала резонатора. Волны также будут совпадать по фазе при достижении противоположного зеркала, если длина резонатора равна целому числу длин волн. Таким образом, совершив одно полное колебание в полости, световые волны прошли путь, равный удвоенной длине полости. Если это расстояние является целым кратным длины волны, все волны будут добавляться по амплитуде за счет конструктивной интерференции.Когда резонатор не является точным кратным длине волны генерации, возникнет деструктивная интерференция, разрушающая лазерное действие. Следующее уравнение определяет условие резонанса, которое должно быть выполнено для сильного усиления в резонаторе лазера :

N • λ = 2 • (длина резонатора)

, где N — целое число, а λ — длина волны. Условие резонанса не столь критично, как может показаться, потому что фактические лазерные переходы в резонаторе распределяются по диапазону длин волн, называемому полосой пропускания усиления .Длина волны света чрезвычайно мала по сравнению с длиной типичного лазерного резонатора, и в целом полный путь прохождения через резонатор туда и обратно будет эквивалентен нескольким сотням тысяч длин волн усиливаемого света. Резонанс возможен при каждом целочисленном приращении длины волны (например, 200 000, 200 001, 200 002 и т. д.), и поскольку соответствующие длины волн очень близки, они попадают в полосу усиления лазера. На рисунке 7 показан типичный пример, в котором несколько резонансных значений N , называемых продольными модами лазера, укладываются в полосу усиления.

Лазерные лучи имеют некоторые общие характеристики, но также сильно различаются по размеру, расходимости и распределению света по диаметру луча. Эти характеристики сильно зависят от конструкции лазерного резонатора (резонатора) и оптической системы, управляющей пучком как внутри резонатора, так и на выходе. Хотя может показаться, что лазер создает однородное яркое пятно света при проецировании на поверхность, если интенсивность света измеряется в разных точках в поперечном сечении луча, она будет различаться по интенсивности.Конструкция резонатора также влияет на расходимость луча, показатель расширения луча по мере увеличения расстояния от лазера. Угол расходимости луча является важным фактором при расчете диаметра луча на заданном расстоянии.

В большей части предыдущего обсуждения предполагалось, что зеркала на обоих концах резонатора лазера плоские или плоские. Концептуально это самая простая конфигурация, но на практике реализовать ее может быть очень сложно. Если два зеркала не выровнены точно, возникнут чрезмерные потери света, которые могут привести к остановке работы лазера.Даже рассогласование на доли градуса после нескольких последовательных отражений может привести к значительным потерям света от сторон резонатора. Если одно или оба зеркала имеют криволинейную поверхность, потери света из-за смещения могут быть уменьшены или устранены. Из-за фокусирующих свойств изогнутого зеркала свет удерживается в полости, даже если зеркала не выровнены точно или если свет не излучается точно вдоль оси полости. Существует ряд вариантов дизайна, в которых используются различные комбинации плоских и изогнутых зеркал, чтобы гарантировать, что свет всегда фокусируется на противоположном зеркале.Конфигурация этого типа называется стабильным резонатором , потому что свет, отраженный от одного зеркала к другому, будет продолжать колебаться бесконечно, если нет других потерь.

Резонансные моды и ширина полосы усиления

Узнайте, как изменение соответствующих частот может изменить кривые выходной мощности, описывающие число мод резонатора и ширину полосы усиления типичной лазерной системы.

В лазерной среде с низким коэффициентом усиления стабильный резонатор очень важен для максимального использования вынужденного излучения.В лазере с высоким коэффициентом усиления небольшие потери со стороны резонатора некритичны. На самом деле, некоторые конструкции нестабильных резонаторов могут быть предпочтительными, потому что они часто имеют преимущество сбора энергии из большего объема внутри лазерной среды, даже если они допускают потери света. Зеркала в лазерах с высоким коэффициентом усиления часто более прозрачны, чем зеркала в лазерных системах с меньшим коэффициентом усиления, так что данный световой луч может пройти через резонатор только один раз, прежде чем попасть в луч.Следовательно, выравнивание зеркал не так критично, как в конструкции с низким коэффициентом усиления, где высокая отражательная способность выходного зеркала приводит к многократному отражению света, прежде чем он выйдет наружу.

Длина резонатора лазера и длина волны света взаимодействуют, создавая продольные моды распределения энергии в луче, но конструкция резонатора является ключевым фактором, определяющим распределение интенсивности по ширине луча и скорость, с которой луч расходится. Интенсивность поперек луча определяется поперечной модой луча.Возможные распределения интенсивности луча ограничены определенными так называемыми граничными условиями, но обычно пучок имеет один, два или более пиков в центре с нулевой интенсивностью по краям. Различные моды обозначены как TEM(mn) мод , что относится к T поперечной, E электрической и M магнитной мод соответственно, где m и n являются целыми числами. Целые числа указывают количество минимумов или точек с нулевой интенсивностью между краями луча в двух перпендикулярных направлениях ( Е-режим для первого и М-режим для второго).

Типичный лазерный луч имеет максимальную яркость в центре и падает по краям. Это представляет собой простейшую моду первого порядка , обозначенную как TEM(00) и имеющую профиль интенсивности поперек луча, который соответствует функции Гаусса. Рисунок 8 иллюстрирует несколько из множества возможных режимов TEM(mn). Хотя некоторые лазеры со стабильным резонатором, особенно рассчитанные на максимальную выходную мощность, работают в одной или нескольких модах более высокого порядка, обычно желательно подавить эти колебания.Мода первого порядка может быть легко получена в лазерах с низким коэффициентом усиления со стабильным резонатором и является предпочтительной модой, поскольку расширение луча из-за дифракции может приближаться к теоретическому минимальному значению.

Дифракция играет важную роль в определении размера лазерного пятна, которое можно проецировать на заданное расстояние. Колебание луча в полости резонатора создает узкий пучок, который впоследствии расходится под некоторым углом в зависимости от конструкции резонатора, размера выходной апертуры и результирующих эффектов дифракции на луче.Дифракцию обычно описывают как эффект расширения луча, возникающий в результате образования дифракционных колец (называемых кольцами Эйри ), которые окружают луч, когда световые волны проходят через небольшое отверстие. Эти дифракционные явления накладывают ограничение на минимальный диаметр световой точки после прохождения через оптическую систему. Для лазера луч, выходящий из выходного зеркала, можно рассматривать как отверстие или апертуру, а эффекты дифракции луча на зеркале будут ограничивать минимальную расходимость и размер пятна луча.Для лучей в режиме TEM(00) дифракция обычно является ограничивающим фактором расходимости луча. Номинальное значение расходимости луча определяется простым соотношением :

Расходимость (в радианах) = Постоянная • Длина волны / Диаметр луча

Если лазерный луч проходит через оптическую систему, соответствующее значение диаметра в приведенное выше уравнение относится к последнему элементу, через который проходит луч. Константа зависит от распределения интенсивности в пучке и по величине очень близка к единице.Соотношение ясно показывает, что расходимость луча увеличивается с увеличением длины волны и уменьшается с увеличением диаметра луча (или выходной линзы). Другими словами, пучок меньшего диаметра будет иметь большее расхождение и большее распространение с расстоянием, чем пучок большего диаметра.

Значения расходимости луча для данного лазера могут иметь огромное практическое значение. Гелий-неоновые и полупроводниковые лазеры стали стандартными инструментами в полевой съемке. При лазерной дальнометрии быстрый лазерный импульс направляется на угловой отражатель в месте, которое нужно нанести на карту, и точно измеряется задержка возвращения импульса, чтобы определить расстояние от местоположения лазера.На обычных коротких расстояниях расхождение луча не является существенной проблемой, но при измерениях на больших расстояниях чрезмерное расхождение может уменьшить интенсивность отраженного луча и затруднить обнаружение. Астронавты Соединенных Штатов во время миссий «Аполлон-11» и «Аполлон-14» разместили на Луне угловые отражатели, которые использовались для отражения света от мощного импульсного рубинового лазера в обсерватории Макдональда в Техасе. Несмотря на то, что луч распространился на поверхность Луны в радиусе 3 километров, отраженный свет все еще имел достаточную интенсивность, чтобы его можно было обнаружить на Земле.Расстояние от Луны до техасской обсерватории в этом эксперименте было измерено с точностью до 15 сантиметров, но с 1980-х годов технический прогресс увеличил точность до значения менее 2 сантиметров. В настоящее время предпринимаются усилия по использованию мощных телескопов для передачи и приема световых импульсов с использованием нескольких отражателей на Луне, чтобы еще больше уменьшить ошибку, возможно, до 1 миллиметра.

Поскольку механизм создания лазерного излучения включает перевод атомов или молекул в состояние высокого возбуждения для получения требуемой инверсии населенностей, очевидно, что в лазерную систему должна быть затрачена некоторая форма энергии.Фотоны можно использовать для обеспечения необходимой энергии в процессе, известном как оптическая накачка . Облучая лазерный материал светом с соответствующей длиной волны, излучающий атом или молекулу можно поднять на верхний энергетический уровень, откуда он затем опускается до метастабильного уровня и впоследствии стимулируется к излучению света. К счастью, в большинстве лазеров свет, используемый для накачки, не имеет конкретных требований к длине волны, в первую очередь потому, что лазер может иметь несколько верхних уровней, которые все могут распадаться до метастабильного уровня.Поэтому для оптической накачки лазеров часто можно использовать недорогой источник света, излучающий широкий диапазон длин волн, например, лампу накаливания или лампу-вспышку. Важным фактором, ограничивающим эффективность лазера, является то, что фотоны света накачки должны иметь более высокую энергию (или эквивалентно более короткую длину волны), чем лазерный свет.

Электрическая накачка — еще один механизм возбуждения, который обычно используется в газовых и полупроводниковых лазерах. В газовом лазере электрический ток, протекающий через газ, возбуждает атомы и молекулы до верхнего энергетического уровня, необходимого для начала распада или серии распадов, которые производят лазерное излучение.Некоторые газовые лазеры пропускают постоянный ток через газ для получения непрерывного вывода, в то время как другие используют импульсы тока для получения импульсного вывода лазера. В некоторых мощных лазерах для возбуждения даже используются пучки электронов, направленные в газ.

Полупроводниковые лазеры работают совершенно по-другому, но также полагаются на электрические токи для создания необходимой инверсии населённостей. В этих устройствах инверсия производится между населенностями носителей тока (электронами и электронно-дырочными парами) в плоскости перехода между разнородными областями полупроводника.Излучение света в полупроводниковом лазере концентрируется в плоскости перехода за счет обратной связи со сколотыми концами кристалла (рис. 9). Материал чипа имеет высокий показатель преломления и отражает достаточное количество света обратно в кристалл для достижения усиления. Сколотая поверхность также может быть отполирована для контроля отражательной способности. Обычно один конец кристалла покрыт отражающим материалом, так что излучение происходит только с одного конца, как показано на рис. 9. В полупроводниковых лазерах требуется гораздо более низкий электрический потенциал и ток по сравнению с газовыми лазерами.

Другие средства передачи энергии реже используются для питания лазерных переходов. Ядерные или химические реакции могут использоваться для генерации возбужденных частиц в некоторых лазерах. Газовые лазеры могут использовать комбинацию различных газов для выполнения лазерного процесса. В гелий-неоновом лазере атомы гелия захватывают энергию газового разряда, вызванного электрическим входом, который затем передается на очень близкие энергетические уровни, существующие в газе неон. Лазерный переход впоследствии происходит в газе неоне, чтобы произвести лазерное излучение.

Лазеры изначально неэффективны. Энергия должна подаваться к лазеру, и часть ее теряется при преобразовании в более высокоупорядоченную энергию в виде лазерного света. Как обсуждалось выше, для лазера с оптической накачкой выходной сигнал лазера всегда больше по длине волны, чем свет накачки. Другие потери энергии происходят при изменении энергетического уровня, происходящем в трехуровневых и четырехуровневых лазерах. После начального возбуждения на верхний уровень сам лазерный переход может высвободить только часть этой энергии, особенно остальная часть будет потеряна для других процессов.В некоторых системах с высокоэнергетическим лазерным переходом необходимо затратить много энергии только для того, чтобы поднять лазерные частицы до соответствующего уровня, намного выше основного состояния. Возбуждение, будь то электрическими или оптическими средствами, не является эффективным на 100% — энергия никогда полностью не поглощается лазерной средой. Все эти основные факторы, а также некоторые второстепенные, не упомянутые, серьезно ограничивают общую эффективность лазеров. Хотя наиболее эффективные полупроводниковые лазеры и некоторые газовые лазеры могут преобразовывать почти 10 процентов входной энергии в лазерный свет, типичный лазер имеет общий КПД 1 процент или меньше.

За несколько десятилетий, начиная с 1960-х годов, лазер превратился из научной фантастики в диковинку для лабораторных исследований, в дорогой, но ценный инструмент в эзотерических научных приложениях, в его нынешнюю роль неотъемлемой части повседневных задач, таких как обыденными, как чтение цен на продукты или измерение комнаты для обоев. В любом существенном списке основных технологических достижений двадцатого века лазер был бы в самом верху. Распространение лазера во всех областях современной жизни лучше всего можно оценить по целому ряду приложений, в которых используется лазерная технология.В самом конце этого диапазона находится военное применение, включающее использование лазеров в качестве оружия для возможной защиты от ракетных атак. На другом конце находятся повседневные занятия, такие как воспроизведение музыки на компакт-дисках и печать или копирование бумажных документов. Лазерные указки, которые когда-то стоили сотни долларов, продаются как недорогие аксессуары для цепочек для ключей, и даже столярные уровни и простые измерительные устройства включают лазеры.

Между фантастикой и обыденностью лазеры широко используются в медицине и хирургии, а также при резке и сварке всего, от ткани, используемой для одежды, до стали, резины и пластика, используемых в производстве автомобилей и бытовой техники.Тепло от лазеров используется для точечной сварки металлов и в таких деликатных медицинских процедурах, как повторное прикрепление сетчатки, отслоившейся в человеческом глазу. Другие высокоточные медицинские процедуры, такие как восстановление поврежденных сосудов, резка и сплавление тканей, обычно выполняются с использованием лазеров. Большая часть всемирной телефонной связи осуществляется путем отправки импульсных лазерных сигналов по оптоволоконному кабелю, а культурные артефакты, такие как древние картины, часто оцениваются на предмет дефектов и восстанавливаются с помощью лазеров.Наряду с компьютером, интегральной схемой и спутником лазерным технологиям, похоже, суждено стать более важными в нашей повседневной жизни, о чем еще несколько лет назад и не мечтали.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — Научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Томас Дж. Феллерс и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля Ист Пол Дирак, 18.00 , Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Блестящая идея: первые лазеры

Через пятьдесят лет после появления первого лазера в современном обществе найдется мало людей, на которых изобретение не повлияло.

Революция в области связи: В 1980-х годах телекоммуникационные системы полагались на громоздкие медные кабели, пропускная способность которых была на пределе, и они заполняли пространство воздуховодов под городскими улицами без возможности расширения. Лазерный луч, проходящий через одну нить стеклянного оптического волокна, тоньше человеческого волоса, может передавать более полумиллиона телефонных разговоров или тысячи компьютерных подключений и телевизионных каналов.Без оптоволокна Интернет, который приносит вам этот экспонат, не существовал бы.

Улучшение торговли, промышленности и развлечений: Одно из первых применений лазеров было в геодезии. Например, для туннеля под Ла-Маншем были начаты отдельные туннели с английской и французской сторон Ла-Манша. Лазерная съемка свела их вместе с рассогласованием всего в несколько дюймов на расстоянии 15 миль. Сегодня кассовые сканеры супермаркетов, компакт-диски, DVD-диски, лазерные голограммы для защиты кредитных карт и лазерные принтеры — это лишь некоторые из бесчисленных потребительских товаров, в которых используются лазеры.Промышленные лазеры режут, сверлят и сваривают различные материалы, от бумаги и ткани до алмазов и экзотических сплавов, гораздо эффективнее и точнее, чем металлические инструменты.

Безболезненная хирургия: Лазеры, ежегодно используемые в миллионах медицинских процедур, снижают потребность в общей анестезии. Тепло луча прижигает ткани по мере разреза, что приводит к почти бескровной операции и меньшему количеству инфекций. Например, отслоение сетчатки ежегодно приводит к слепоте тысяч людей.При раннем обнаружении лазер может «сварить» сетчатку на место до того, как произойдет необратимое повреждение. Оптические волокна также могут доставлять лазерные лучи внутрь тела, чтобы уменьшить потребность в более инвазивной хирургии.

Продвижение науки: Прежде, чем любое другое применение, лазеры использовались для научных исследований. Сначала их, как и мазеры, использовали для изучения атомной физики и химии. Но вскоре они нашли применение во многих областях. Например, сфокусированные лазерные лучи используются как «оптический пинцет» для манипулирования биологическими образцами, такими как эритроциты и микроорганизмы.Пять исследователей получили Нобелевскую премию за использование лазеров для охлаждения и захвата атомов, а также за создание странного нового состояния материи (конденсата Бозе-Эйнштейна), которое исследует самые фундаментальные законы физики. В долгосрочной перспективе ни одно из применений лазеров, вероятно, не будет более важным, чем их помощь в совершении новых открытий с непредвиденными собственными применениями.

Лазеры на каждый день: От игрушек для кошек до компьютерных мышей лазеры играют важную (и забавную) роль в нашей повседневной жизни. Обычные красные лазерные указки, например, являются отличным инструментом для презентаций и разминки вашей кошки.Но знаете ли вы, что в астрономии можно использовать высококачественные лазерные указки, желательно зеленого цвета? Более яркий и удобный для просмотра, мощный зеленый лазер можно использовать для обнаружения планет и созвездий в ночном небе. Основная причина, по которой зеленый лазер так хорошо выделяется, заключается в том, что он обеспечивает мощность не менее 5 милливатт.

Лазерные указки также играли политическую роль в недавней истории. Во время акции протеста в Чили в 2019 году скоординированные усилия с использованием сотен обычных лазерных указок привели к уничтожению беспилотника-разведчика.

Поп-культура и не-фантастика Научная фантастика: После изобретения лазера зрители-фантасты стали свидетелями бума лазерного оружия. В 1977 году в «Звездных войнах. Эпизод IV: Новая надежда» фанаты увидели, как «Звезда Смерти» использовала энергию лазера для уничтожения целой планеты. В некоторых ранних эпизодах «Звездного пути», таких как «Клетка» и «Куда не ступала нога человека», предпочтительным оружием был лазерный пистолет. В «Голдфингере» (1964) Джеймс Бонд должен избежать смерти с помощью лазерного луча, а в «Троне» (1982) лазерный луч служит транспортным средством для главного героя, Кевина Флинна, в цифровой мир.

В настоящее время это оружие остается в мире исследований и разработок, но несколько стран работают над тем, как использовать лазеры для обороны. Например, лучи света используются в военных приложениях для наведения и пассивного наблюдения.

Как работают лазеры — Лазеры в цехах

Лазеров невозможно избежать, и это не только потому, что никто не может пробежать 300 миллионов метров в секунду, чтобы обогнать световой луч. Лазеры есть везде.Они взрывают планеты в фильмах «Звездных войн» , обеспечивают ценные упражнения и развлечения для кошек и сканируют продукты в супермаркете.

Многие знают, что слово «лазер» — это аббревиатура, а некоторые даже знают, что оно означает: усиление света за счет стимулированного излучения. Однако очень немногие знают значение этой аббревиатуры, и это позор, потому что лазеры и физика, стоящая за ними, по-настоящему удивительны, несмотря на их повсеместное распространение.

Внутреннее устройство DVD-плеера показывает наличие внутри лазера красного света, который может считывать данные, необходимые для просмотра фильма, не выходя из дома.

Полезное изобилие

Каждое слово за лазером несет в себе удар, даже первое и, видимо, самое обыденное: свет . Свет — это, конечно же, электромагнитное излучение, которое мы, люди, можем видеть. Это ничем не отличается от микроволн, рентгеновских и гамма-лучей; он просто определяется определенным диапазоном длин волн от 380 до 760 нм.

Но почему мы можем это видеть? Потому что солнце генерирует обильное электромагнитное излучение в этом диапазоне и, по большому счету, земная атмосфера его не поглощает, поэтому оно повсюду вокруг нас.Человеческий глаз развился в ответ на это полезное изобилие.

С другой стороны, наши глаза определенно не приспособлены для того, чтобы справляться со светом любого, кроме самого крошечного из лазеров, потому что свет от лазера усиливается — и не только в том смысле, что его много. Лазерные лучи обладают высокой когерентностью.

Когерентный свет не рассеивается и не интерферирует сам с собой, как свет, скажем, от фонарика, потому что когерентный свет находится в фазе, а это означает, что существует фиксированное соотношение между пиками и впадинами волн (фотонов), которые создают его. вверх.В результате лазерный свет остается плотно упакованным даже на больших расстояниях.

Эксперимент НАСА по лазерной дальнометрии измеряет расстояние между Землей и Луной, направляя лазер на Землю на зеркало, размещенное на Луне астронавтами Аполлона. Такая возможность есть у различных телескопов, в том числе у обсерватории Лазурный Берег в Грассе, Франция.

Вынужденное излучение

Эти качества подводят нас к фундаментальному принципу, который делает возможным создание лазеров: вынужденное излучение. Вынужденное излучение возникает, когда атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое состояние из-за взаимодействия с падающим фотоном, энергия которого равна энергии, необходимой для первоначального возбуждения атома.

Стимулированное излучение дает новый фотон той же фазы и направления, что и исходный фотон, который не поглощается. Там, где раньше был один фотон, теперь два (когерентных) фотона. Повторение этого процесса приводит к постоянно увеличивающемуся количеству фотонов, находящихся в фазе и движущихся в одном и том же направлении.

Атомы естественным образом склонны к стабильности, поэтому атом в энергетическом состоянии имеет тенденцию распадаться в менее энергетическое — и более стабильное — основное состояние. При этом атом испускает фотон в процессе, называемом спонтанным излучением. Кроме того, энергия излучаемого фотона точно соответствует разнице в энергии между двумя состояниями, которая определяет длину волны (и, следовательно, цвет, если он находится в пределах видимого спектра) излучаемого света.

Следовательно, если испущенный фотон поглощается соседним атомом того же типа, этот атом возбуждается до вышеупомянутого энергетического состояния, поглощая фотон.Там, где раньше был один фотон, теперь их нет.

Создание лазера требует создания условий, в которых преобладает вынужденное излучение. Большинство атомов при комнатной температуре находятся в основном состоянии. Когда вводятся фотоны, атомы в основном состоянии поглощают фотоны и достигают энергетического состояния.

Набор атомов, большинство из которых находится в энергетическом, а не в основном состоянии, считается достигшим инверсии населенностей. Теперь, когда вводятся фотоны, происходит небольшое поглощение, и преобладает вынужденное излучение.

Вынужденное излучение возникает, когда атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое состояние из-за взаимодействия с падающим фотоном, энергия которого равна энергии, необходимой для первоначального возбуждения атома.

Эта трехуровневая диаграмма изображает инверсию населенностей, когда большинство атомов находятся в энергетическом, а не в основном состоянии.

Первый лазер

В мае 1960 года Теодор Х.Майман, используя синтетический кристалл рубина, построил первый лазер. Новаторская работа Маймана была проведена в Малибу, Калифорния, в Отделе атомной физики Hughes Research Laboratories, ранее Hughes Aircraft Co. Майман добился инверсии населенностей в своем лазере, возбудив атомы в своем кристалле до нестабильного энергетического уровня, с которого атомы быстро распадается посредством спонтанного излучения (или другими способами) на более низкий, «метастабильный» энергетический уровень.

Заряженные, но стабильные (спонтанное излучение было относительно маловероятным на метастабильном уровне), атомы были подготовлены для вынужденного излучения и каскада синфазных фотонов: лазер.Чтобы увеличить энергию луча, Мейман поместил свой кристалл в маленькую трубку с полностью отражающим зеркалом на одном конце и частично отражающим зеркалом на другом.

Фотоны в трубке Меймана отражались между зеркалами, вызывая все больше и больше стимулированных излучений. Те, что ускользнули через частичное зеркало, образовали лазерный луч.

В последующие полвека ученые и инженеры полагались на инверсию населённостей и вынужденное излучение для создания лазеров с использованием кристаллов, как это сделал Мейман, а также газов, жидкостей, полупроводников и даже пучков высокоэнергетических электронов.

Несмотря на то, что первоначальный прорыв Меймана был встречен с помпой, лазеры изначально рассматривались как «решение в поисках проблемы». Поиски, однако, оказались чрезвычайно плодотворными — мир, в котором мы живем, вряд ли был бы узнаваем без лазеров.

Лазеры на каждый день

Всего через два года после прорыва Маймана две команды, одна из General Electric, а другая из IBM, отдельно объявили, что каждая из них создала первый полупроводниковый лазер, также известный как лазерный диод.Достижения GE и IBM были, по сути, предшественниками лазеров, которые ежедневно работают почти в каждом доме и офисе в Америке и во всем мире. И они были очень компактны.

Ранние версии могли уместиться на булавочной головке, а сегодня они могут быть микроскопически малы. Лазерные диоды также долговечны и недороги, и сегодня они составляют основу технологий CD, DVD и Blu-ray.

Лазеры красного света читают компакт-диски и DVD-диски, а при небольшой дополнительной мощности записывают на них.Синие лазеры с их более высокой энергией и более короткими длинами волн могут считывать более точную, более плотно упакованную информацию, что позволяет хранить еще больше данных на диске того же размера, что и CD или DVD — отсюда и популярность технологии Blu-ray.

Точность лазерных лучей делает их идеальными для обнаружения, измерения и создания мелких деталей. Сканеры в супермаркете обнаруживают узоры отраженного лазерного луча от штрих-кодов и быстро преобразуют коды в информацию о продукте. Лазерные диоды также составляют основу всемирных телекоммуникационных сетей, посылая инфракрасные лучи по оптоволоконным кабелям с невероятной точностью и эффективностью.

Лазерные принтеры — еще один пример лазеров в повседневной жизни — проецируют лазерный свет на фотопроводники, которые притягивают чернила на путь лазера, а затем на бумагу, создавая четкое изображение. Геодезисты также используют лазерные указки для измерения углов. Расстояния тоже можно точно измерить с помощью лазеров.

Расстояние измеряется путем отражения лазерного импульса от зеркала и измерения времени его возвращения. Астронавты НАСА «Аполлон» разместили на Луне зеркало именно для этой цели, что позволило НАСА измерить расстояние Луны от Земли с точностью до нескольких дюймов на поразительном расстоянии в 239 000 миль.

Мощные лазеры — мощные символы научной фантастики, воплощенные в реальной жизни. Стратегическая оборонная инициатива, объявленная Рональдом Рейганом в 1983 году, включала (гипотетические) мощные орбитальные лазеры, предназначенные для защиты Америки путем уничтожения советских ядерных боеголовок, и справедливо скептически настроенная публика быстро окрестила ее «Звездными войнами». Физики-ядерщики и инженеры рассматривают мощные лазеры как многообещающее средство для создания чрезвычайно высоких давлений и температур, необходимых для выработки энергии с помощью неуловимого ядерного синтеза.

Между тем, обрабатывающая промышленность десятилетиями надежно использует практичные мощные лазеры. Они используются не только для создания точных разрезов, но и для получения чистых и эффективных сварных швов.

Независимо от того, для чего они используются, все лазеры основаны на одних и тех же простых, но загадочных свойствах. Поэтому в следующий раз, когда мы будем стоять в очереди в супермаркете, вместо того, чтобы гадать о цене продуктов на сканере, мы можем на мгновение удивиться потокам когерентных фотонов, которые заставляют его работать.

ЛазерФест | Лазерная четкость

Лазер — оптический усилитель — устройство, усиливающее световые волны. Некоторые лазеры имеют хорошо направленный очень яркий луч очень специфического цвета; другие лазеры подчеркивают другие свойства, такие как чрезвычайно короткие импульсы. Ключевой особенностью является то, что усиление делает свет очень четким и воспроизводимым, в отличие от обычных источников света, таких как солнце или лампа.

Эксперимент с волоконным лазером
Изображение предоставлено Max-Planck-Institut fur Quantenoptik

Слово «лазер» является аббревиатурой, обозначающей «усиление света с помощью стимулированное испускание излучения», и это точно отражает то, как первые пионеры лазеров рассматривали эти устройства.Свет состоит из быстро колеблющихся электрических и магнитных волн, причем разные цвета колеблются с разной скоростью (красный свет колеблется примерно 5 x 10 14 , или 500 миллионов миллионов раз в секунду). Вынужденное излучение, впервые предсказанное Эйнштейном в 1917 году, основано на квантово-механическом описании света как состоящего из частиц, называемых фотонами, каждая из которых имеет четко определенную энергию. Он использует запасенную в материале энергию (например, энергичные атомы или молекулы) для создания множества почти идентичных копий падающего фотона.

Источники вынужденного излучения были впервые продемонстрированы с помощью микроволнового излучения («мазера») в 1954 г. В 2010 г. исполняется пятидесятая годовщина демонстрации этого процесса с использованием видимого света (Тед Мейман в мае 1960 г.), которая поставила множество технических проблем, которые не были решены. присутствует с мазером. Большинство ранних лазеров действительно лучше понимали как «генераторы» (источники одной частоты, подобные камертону для звука), чем как источники «усиления», но тогда аббревиатура была бы намного менее привлекательной.

За последние пятьдесят лет наше теоретическое понимание действия лазера значительно расширилось, равно как и разнообразие и возможности современных лазерных систем. Размеры лазеров варьируются от меньшего, чем диаметр человеческого волоса, до большего, чем футбольный стадион. Запасенная энергия, используемая для усиления, может исходить от твердого тела, жидкости, газа или даже пучка электронов. Многие современные лазеры широко перестраиваемы; Лабораторные лазерные системы могут излучать инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый свет по запросу или даже рентгеновские лучи.На самом деле, для некоторых лазеров вынужденное излучение в том смысле, в каком его представлял себе Эйнштейн, играет лишь незначительную роль. Так что на практике современные лазеры легче распознать, чем дать им определение: лазер — это яркий источник света с очень четко определенными и воспроизводимыми характеристиками во времени, пространстве или в том и другом. Напротив, обычные источники света излучают волны, которые колеблются в зависимости от времени и положения, хотя эти колебания часто не видны невооруженным глазом.

Лазеры можно заставить работать непрерывно с одной четко определенной частотой и длиной волны с точностью лучше одной 10 16 .Это позволяет лазерному свету служить стандартом для шкал времени и длины. Он обеспечивает настолько спектрально чистый источник, что его можно настроить на очень узкие резонансы в атомах и молекулах, связывая настолько сильно, что внутренними состояниями атомов и молекул можно управлять с большой точностью, и позволяя настолько сильно замедлить их тепловое движение. что их температура может быть снижена с точностью до доли градуса абсолютного нуля. В качестве альтернативы их можно заставить давать очень короткие импульсы (длиной менее 10 -15 секунд), которые могут фиксировать сверхбыстрые процессы, такие как химические реакции; такие лазерные импульсы по своей сути создают широкий спектр длин волн одновременно.Лазеры могут быть сделаны с лучами, которые почти не расходятся, чтобы их отражение от зеркал, размещенных на Луне Аполлоном-11, можно было измерить на Земле, или их можно заставить равномерно освещать большие области для производственных приложений. Они могут быть достаточно мощными, чтобы вызвать ядерный синтез, достаточно точными, чтобы заменить скальпели, или достаточно мягкими, чтобы уменьшить нагрев высокоскоростного компьютерного процессора. Электрические и магнитные волны, которые они производят, могут быть очень простыми или могут быть структурированы в удивительно сложные узоры (как в пространстве, так и во времени) для таких приложений, как оптическая связь, медицинская визуализация и управление химическими реакциями.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.