Что такое лазер?

Название «лазер» произошло от первых букв слов Light Amplification by Stimulated Emisson Radiation, что в переводе означает: усилитель микроволн с помощью вынужденного излучения. Впервые разработкой лазера занимались в СССР А. Прохоров и Н. Басов. Вначале работали с радиочастотами. В 1956 г. Н. Г. Басов написал и защитил докторскую диссертацию: "Молекулярный генератор", в которой рассматривались возможности применения принципов и методов квантовой радиофизики на оптический диапазон частот, были созданы принципиально новые квантовые генераторы и усилители радиочастотного диапазона - мазеры, первым из них был мазер на молекулах аммиака. В 1959 году Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия за открытие нового принципа генерации и усиления электромагнитного излучения на основе квантовых систем. Эти открытия и исследования, а так же, примерно в то же время, проводимые в США Ч. Таунсом, дали рождение и развитие новой области физики - квантовой электроники.
Первый рабочий лазер на основе искусственного рубина представил американский физик Теодор Майман 7 июля 1960 года. В 1962 году Н. Г. Басов и О. Н. Крохин высказывают идею о создании термоядерного синтеза при нагревании мишени излучением лазера. Так появилось новое научно-техническое направление - лазерный термоядерный синтез (ЛТС), что привело к созданию различных типов лазеров ( на тот момент были только твердотелые лазеры с энергией в импульсе меньше джоуля и непрерывные газовые лазеры с малой мощностью –меньше ватта).
В 1964 году Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс (США) стали лауреатами Нобелевской премии за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, прибор который излучает узкий пучок света. Он открывает небывалые возможности передачи энергии на любые расстояния со скоростью света. Обычный свет, который дают различные источники можно характеризовать, как небольшие пучки света, разлетающиеся в разных направлениях. Их можно сконцентрировать вогнутым зеркалом или линзой и даже разжечь костер, но энергия такого светового потока не сравнится с энергией лазерного луча.
Лазерный луч состоит из квантовых частиц света, это достигается путем принудительной активации атомов прозрачной среды, которая является основой лазерного излучения. Для того, чтобы вызвать лавинообразное излучение в рубиновом стержне, нужно ударить по атомам этого вещества энергией другого источника, например светом, образующимся при взрыве. Соударяясь с веществом рубина каждый внешний фотон выбьет из его атомов новый фотон, который будет двигаться с той же силой и в том же направлении и, столкнувшись с новым атомным ядром выбьет новую частицу света. За счет полированных стенок рубина, которые действуют как отражающие зеркала, поток фотонов много раз пройдет этот путь, достигая большой плотности. В этот момент наклон зеркальной поверхности может быть изменен и луч большой энергетической мощности выстреливается наружу. Чтобы добиться испускания лазерного излучения, необходимо к рабочему веществу лазера подключить источник энергии, вызывающий возбуждение атомов. Этот источник называется «накачка». В лазерах с газовой активной средой накачка – это тлеющий электрический заряд, для твердотелых лазеров применяется импульсная лампа, для жидкостных можно использовать свет дополнительного лазера, для полупроводниковых - электрический ток.
И соответственно, лазерные устройства делятся на: твердотелые лазеры, газовые лазеры, лазеры на красителях, эксимерные, на парах металла, полупроводниковые, на свободных электронах, химические, волоконные.

Первыми в мире были созданы твердотельные лазеры. У них луч рождается внутри стекол, кристаллов, драгоценных камней. Эти кристаллы и камни не добываются на карьерах, а выращиваются в лабораториях, внутри специальных камер идет химическая реакция, под действием высокой температуры ( около 2500 град С) день за днем, микрон за микроном, в результате появляются синтетические кристаллы – активная среда для твердотельных лазеров.
Из твердотелых лазеров раньше всех были разработаны рубиновые лазеры. Лазерный луч - это усиленный или концентрированный свет, а кусочек рубина играет роль такого усилителя, он называется – активная среда. Если с двух сторон рубина поместить зеркала и создать мощную вспышку, свет будет бегать между ними, отражаясь по многу раз и при этом, усиливаясь в активной среде, пока не превратится в лазерный луч. В активной среде лазерный луч рождается когерентным, т.е. частицы света в нем не мешают друг другу и летят параллельно, у них одна длина волны и узкий спектр излучения. Чтобы выпустить лазерный луч наружу - одно зеркало делают полупрозрачным. Вместо рубиновой активной среды может использоваться другая, из множества перечисленных выше вариантов.

Газовые лазеры – используют в качестве активной среды – смесь газов и паров. Плотность газа в лазере невелика, создается оптическая однородность, свет не рассеивается и световой луч не искажается, что позволяет увеличить расстояние между зеркалами, но высокой мощности достичь не получается, так как в газе содержится меньшее количество возбужденных атомов, излучающих свет по сравнению с твердым телом. Существуют три типа газоразрядных лазеров: ионные лазеры, лазеры на нейтральных атомах, молекулярные лазеры.
Различаются они диапазоном генерируемых волн и механизмом образования инверсии населенности (т.е. когда кол-во атомов активной среды, которые находятся в возбужденном состоянии, становится больше кол-ва атомов с низкой энергией, происходит инверсия).
Лазеры на красителях. Активная среда - органические красители на основе бензола. Мощность излучения измеряется десятками Ватт, достигается непрерывное излучение, и могут быть ультракороткие импульсы.

Эксимерные лазеры – разновидность газовых. Активная среда - смесь инертных газов. Используются энергетические переходы эксимерных молекул, способные существовать лишь некоторое время в возбужденном состоянии, создающих короткоживущие соединения.
Лазеры на парах металла. Могут использоваться 27 видов металла, ионы и атомы которых имеют соответствующую структуру для создания инверсной населенности энергетических слоев. Например: лазеры на парах меди излучают зеленый свет, и мощность достигает 40 Вт, длина волны 510,4 и 578,2 нм.
Полупроводниковые – активная среда - полупроводниковые кристаллы, имеют широкий диапазон длины волны, обладают малой когерентностью, образуются избыточные электроны или их недостатки (дыры), при их рекомбинации энергия электрического тока преобразуется в излучение. Накачка проводится электротоком, электронами, световыми пучками. Имеют большой КПД и маленькие размеры, мощность в импульсе до 1МВт, могут работать и в непрерывном режиме. Длина волны от 0,3 до 40 мкм.
Лазеры на свободных электронах. Используется излучение электронов, которое колеблется под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Диапазон волны от 6 нм (рентгеновское излучение) до СВЧ излучения 12,25 см. Частота излучения таких лазеров плавно может меняться в широком диапазоне при изменении скорости движения электронов.
Химические лазеры. В качестве активной среды обычно используют смесь фтора с молекулярным водородом. Происходят экзотермические химические реакции (т.е. с выделением тепла). Могут работать в импульсном или непрерывном режиме.

Волоконные лазеры. Активная среда – оптическое волокно, накачка – широкополостные светодиоды или лазерные диоды. Оптическое волокно изготавливается из кварца, высокая прозрачность которого обеспечивает насыщенное состояние энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые в кварц, превращают его в поглощающую среду, создавая инверсное (неоднородное) состояние заселенности энергетических уровней при определенной (подобранной экспериментально) мощности накачки. Обладают высоким оптическим качеством излучения, обладают небольшими размерами, можно встраивать в волоконные линии.

 

Применение лазеров. Излучение лазера обладает уникальными свойствами, которые нашли применение в различных отраслях науки и техники, в быту, промышленности и военном деле.
Полупроводниковые лазеры используют для прицелов оружия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, для освещения в мощных прожекторах, маяках. Газовые лазеры применяют в геодезических целях (исследования состояний земной породы), в метрологии, для записи голограмм. Лазеры на красителях используют для зондирования атмосферы. Лазеры на парах металла применяют в промышленности для резки, сварки, различной обработке материалов. Эксимерные лазеры – в медицине для терапевтического и хирургического лечения. Волоконные – для тонких, точных работ, - таких как гравировка, резка металлов, маркировка товара. А так же лазеры широко используются в информационных технологиях, в шоу программах.

 

Применение лазера в промышленности. Лазеры в промышленности применяют для обработки всех видов современных материалов: резка пластика, металла, стекла, дерева. При этом применяется дополнительно сфокусированный луч с помощью линзы, которая превращает луч в очень тонкий, с высокой концентрацией энергии, что позволяет значительно сэкономить мощность потребляемой энергии. Под воздействием луча (при сверхвысоких температурах) вещество плавится и испаряется, при такой технологии нет большого количества отходов, края получаются без неровностей и заусениц и не требуют дополнительной обработки. Широко используется в промышленности лазерная гравировка, которую можно сделать на любом материале. Преимущества лазерной гравировки – это долговечность (устойчивость к стиранию, воздействию внешней среды), точная передача рисунка будь то логотип, фотография, узоры, любые изыски дизайнеров.

Широко применяется лазер в медицине. Благодаря использованию широкого диапазона длины волн и энергии воздействия лазер нашел применение в терапии, хирургии, диагностике, косметологии. Лазерный скальпель может воздействовать на ткань для коагуляции (сворачивания крови) при лечении сосудистых, пигментных дефектов кожи, шлифовке и полировке кожи. Более мощное воздействие - это лазеры испаряющие ткань для неглубокого воздействия. И есть мощные - глубоко режущие. Для дробления камней в человеческом теле – используется лазерный литотриптер. При контакте конца волокна с камнем, излучение образует искру, выходная мощность лазера при этом достигает 1,6 Вт, разрушает камень, оставляя целыми мягкие ткани (что достигается правильным подбором длины волны). При этом практически нет ударной волны, и камень не отлетает, травмируя при этом ткани. В диагностике используется лазерный сканер, который пропускает лучи через ткани тела и по степени рассеивания светового потока определяют наличие или отсутствие заболевания.

 

В информационных технологиях – это вычислительная техника, лазерный принтер, оптическая цифровая память, лазерно-оптическое считывание информации, системы связи. Основной принцип работы этих устройств это преобразование и взаимодействие между электрическими сигналами, цифровыми носителями и световыми импульсами.
В шоу программах применяются лучи лазера различных цветов. Лазерный свет монохроматичен, т.е. состоит из излучения одной частоты, в отличие от обычного цвета, который состоит из многих цветов, что легко проверить, пропустив свет через призму. Обычный свет разложится на спектр цветов, а лазерный луч при выходе из призмы будет таким же. Цвет луча можно создать при помощи красителей (родамин - оранжевая краска позволяет получить луч лазера от желто-зеленого до красного цвета, диэтиламинометил-кумарин – луч интенсивного голубого цвета). Лазерные указки бывают красного, зеленого, желтого, фиолетового, синего цвета. Разные цвета получаются в зависимости от цвета лазерного диода и путем комбинации частот при использовании различных кристаллов.

 

В военной сфере для убийства и разрушения лазер, к счастью, не удается (пока!) использовать, несмотря на миллиарды долларов, потраченных для этих целей. Но для ослепления, например, наводчиков, и выжигания матриц оптической аппаратуры, в советской армии были разработаны лазерные установки на самоходном бронированном шасси. В земной атмосфере лазерный луч неэффективен, т.к. атмосфера легко рассеивает и поглощает лазерное излучение. Например: мощная лазерная установка, которая на расстоянии 1 м. проделает дыру в деревянном бруске, на 10 м уже менее эффективна. В свое время были предложены даже такие страшные идеи, - использовать для накачки лазера ядерный взрыв, но от нее отказались, как от нецелесообразной. И действительно, в мире и так уже существует много способов уничтожить человечество, и с таким количеством накопленного оружия, что с его помощью, можно это сделать несколько раз.
Лазер эффективен в космическом безвоздушном пространстве. Кстати, в космосе луч увидеть невозможно, луч виден только в какой-то среде (туман, дым, пыль и пр.). Поэтому космические войны выглядели бы в реальности не так красочно, как в фантастических фильмах.

Первый лазерный пистолет был создан в СССР в 1970 гг. Для защиты космических станций, спутников: если подлетает необитаемый корабль, то достаточно воздействовать лучем на его оптико- электронику, а если человек в скафандре – луч с 4-х метров прожигает глазное яблоко, на расстоянии 20 м ослепляет на пару секунд, ближе 20 м возможны ожоги, полная или частичная потеря зрения. Фоточувствительные датчики оптических систем тоже выходят из строя. Энергия выстрела такого пистолета - в пределах 10 Джоулей, что сравнимо с пулей, выпущенной из мощной пневматической винтовки.

В военном деле так же применяется лазерная локация, лазерные навигационные системы.
Лазерным технологиям за полвека удалось проникнуть почти во все сферы деятельности человека, это одно из самых значительных изобретений. И хотелось бы, чтобы высокий потенциал и нераскрытые возможности лазера и в будущем использовались только для исцеления, созидания и творчества.

Т. Клименко