Лазер - Laser


Из Википедии, свободной энциклопедии

Лазерный луч , используемый для сварки .
Красный (660 & 635 нм), зеленый (532 & 520 нм) и сине-фиолетовый (445 & 405 нм) лазеров

Лазерное устройство , которое испускает свет через процесс оптического усиления на основе вынужденного излучения от электромагнитного излучения . Термин «лазер» возник как акроним для « усиления света при индуцированном излучении ». Первый лазер был построен в 1960 году Теодор Х. Мейманом в Hughes Research Laboratories , основанная на теоретической работе Чарльз Хард Таунс и Шавлов .

Лазер отличается от других источников света , что она излучает свет когерентна . Пространственная когерентность позволяет лазеру быть сфокусирован в узком месте, позволяя приложениям , например, лазерной резки и литографии . Пространственная когерентность также позволяет лазерный луч оставаться узким на большие расстояния ( коллимации ), позволяя приложениям , например, лазерные указатели и лидара . Лазеры могут также иметь высокую временную когерентность , что позволяет им излучать свет с очень узким спектром , то есть, они могут излучать один цвет света. В качестве альтернативы, временная когерентность может быть использована для получения импульсов света с широким спектром , но длительности короче как фемтосекундные ( « сверхкороткими импульсы »).

Лазеры используются в оптических дисков , лазерные принтеры , сканеры штрих - кодов , секвенирования ДНК инструментов , волоконно-оптических и свободного пространства оптической связи , лазерной хирургии и лечения кожи, резки и сварки материалов, военных и правоохранительных устройств для маркировки целей и диапазона измерения и скорость, и в лазерных световых дисплеев для развлечений. Они были использованы для автомобильных фарах на роскошных автомобилях, с помощью синего лазера и люминофора для получения высокой направленности белого света.

содержание

основы

Современные телескопы используют лазерные технологии для компенсации эффекта размытия атмосферы Земли .

Лазеры отличаются от других источников света , по их согласованности . Пространственная когерентность , как правило , выражаются через выход будучи узким лучом, который является дифракционным ограниченным . Лазерные лучи могут быть направлены на очень маленькие пятна, достигая очень высокой освещенности , или они могут иметь очень низкую расходимость, чтобы сосредоточить свои силы на большом расстоянии. Временная (или продольного) когерентности означает поляризованный волну на одной частоте, фаза которого коррелируется на относительно большом расстоянии (The длина когерентности ) вдоль луча. Пучок производится с помощью термического или другого некогерентного источника света имеет мгновенной амплитуды и фазы , которые случайным образом изменяться в зависимости от времени и положения, таким образом , имеющий короткую длину когерентности.

Лазеры характеризуются в соответствии с их длиной волны в вакууме. Большинство «одной длины волны лазеров» на самом деле производят излучение в нескольких режимах с несколько различными длинами волн. Хотя временная когерентность означает монохроматичность, есть лазеры , которые излучают широкий спектр света или испускают различные длины волн света одновременно. Некоторые лазеры не одного пространственного режима и имеют световые лучи , которые расходятся больше , чем требуется по дифракционным пределом . Все такие устройства классифицируются как «лазеры» на основе их способ получения света, то есть, вынужденное излучение. Лазеры используются , где свет требуемой пространственной или временной когерентности не могут быть получены с использованием более простых технологий.

терминология

Лазерные лучи в тумане, отражается на лобовом стекле автомобиля

Слово лазера началось как аббревиатура для «усиление света посредством вынужденного излучения». При таком использовании, термин «свет» включает в себя электромагнитное излучение любой частоты, а не только видимый свет , поэтому условия инфракрасного лазер , ультрафиолетовый лазер , рентгеновский лазер и гамма-лазер . Поскольку СВЧ - предшественника лазера, мазера , был разработан во- первых, устройства такого рода , работающих в диапазоне сверхвысоких и радиочастот , называются «мазеров» , а не «микроволновых лазеров» или «радио» лазеров. В начале технической литературы, особенно в Bell Telephone Laboratories , лазер называется оптический мазер ; этот термин является устаревшим.

Лазерный свет , который производит сам по себе является технически оптическим генератором , а не оптический усилитель , как это было предложено аббревиатурой. Было отмечено , что юмористический акроним LOSER, для «легкого колебания путем вынужденного излучения», был бы более правильным. С широким использованием оригинальной аббревиатуры как нарицательное, оптические усилители пришли упоминаться как «лазерных усилителей», несмотря на кажущуюся избыточность в этом обозначении.

Назад сформированный глагол , чтобы генерирует излучение часто используется в этой области, что означает «для получения лазерного света» , особенно по отношению к активной среде лазера; когда лазер работает , он называется «лазерная генерация.» Дальнейшее использование слов лазера и мазер в широком смысле, а не со ссылкой на лазерную технологию или устройства, можно увидеть в использованиях , такие как астрофизический мазер и атомный лазер .

дизайн

Компоненты типичного лазера:
  1. Прирост среднего
  2. Лазерная энергия накачки
  3. высокий отражатель
  4. Выходной ответвитель
  5. Лазерный луч
Анимация объяснения вынужденного излучения и принципа лазерного

Лазер состоит из усиливающей среды , механизма для активизации его, и что - то , чтобы обеспечить оптическую обратную связь . Средний коэффициент усиления представляет собой материал со свойствами , которые позволяют ему усиливать свет посредством вынужденного излучения. Свет определенной длины волны , которая проходит через усиливающую среду усиливается (увеличение мощности).

Для усиления среды , чтобы усиливать свет, он должен быть снабжен энергии в процессе , называемом накачки . Энергия обычно поставляется в виде электрического тока , или как свет на другой длине волны. Насос свет может быть обеспечен с помощью импульсной лампы или другого лазер.

Наиболее распространенный тип лазера использует обратную связь от оптического резонатора -a пары зеркал на обоих концах усиливающей среды. Свет отскакивает назад и вперед между зеркалами, проходя через усиливающую среду и усиливаемый каждый раз. Как правило , один из двух зеркал, выходной ответвитель , частично прозрачный. Часть света выходит через это зеркало. В зависимости от конструкции полости (независимо от того зеркала является плоским или изогнутым ), свет , выходящий из лазера может распространяться или образует узкий луч . По аналогии с электронными генераторами , это устройство иногда называют лазерный генератор .

Большинство практических лазеры содержат дополнительные элементы, которые влияют на свойства излучаемого света, такие как поляризации, длины волны и форме луча.

Лазерная физика

Электроны и как они взаимодействуют с электромагнитными полями играют важную роль в нашем понимании химии и физики .

Вынужденное излучение

В классической точке зрения , энергия электрона на орбите атомного ядра больше для орбит дальнейших из ядра в качестве атома . Тем не менее, квантовые механические эффекты заставить электроны взять на дискретных позициях в орбиталях . Таким образом, электроны находятся в определенных энергетических уровнях атома, два из которых показаны ниже:

Вынужденное Emission.svg

Когда электрон поглощает энергию либо от света ( фотонов ) или тепла ( фононы ), он получает этот падающий квант энергии. Но переходы разрешены только между дискретными уровнями энергии , таких , как два , показанной выше. Это приводит к эмиссионным линиям и линиям поглощения .

Когда электрон возбуждается от низшего к более высокому уровню энергии, он не будет оставаться таким образом навсегда. Электронов в возбужденном состоянии может распадаться на более низкий энергетический уровень, который не занят, в соответствии с определенной постоянной времени , характеризующей этот переход. Когда такой электрон распадается без внешнего влияния, испуская фотон, который называется « спонтанное излучение ». Фаза , связанная с фотоном , который испускается является случайной. Материал с большим количеством атомов в таком возбужденном состоянии , таким образом , может привести к радиации , которая очень спектрально ограничена (центрированной вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь никакого общего отношение фазы и будут происходить в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и теплового излучения .

Внешнее электромагнитное поле на частоте , связанной с переходом может повлиять на квантово - механическое состояние атома. Так как электрон в атоме делает переход между двумя стационарными состояниями (ни один из которых показывает дипольное поле), он входит в переходном состоянии , которое делает имеет дипольное поле, и который действует как небольшой электрический диполь , и этот диполь осциллирует с характерная частота. В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте, вероятность атома , входящего в это переходное состояние значительно увеличивается. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями усиливаются за пределами , что из - за спонтанное излучение. Такой переход к более высокому состоянию, называется поглощение , и это разрушает падающий фотон (энергия фотона переходит в запитки повышенную энергию более высокого состояния). Переход от более высокого к более низкому энергетическому состоянию, однако, производит дополнительный фотон; это процесс вынужденного излучения .

Усиливающей среды и полость

Лазер гелий-неоновый демонстрация в лаборатории Kastler-Бросселем в Univ. Париж 6 . Розово-оранжевый свет проходит через центр трубки от электрического разряда , который производит некогерентный свет, так же , как в неоновой трубке. Эти светящиеся плазмы возбуждаются , а затем действуют в качестве усиливающей среды , через которую проходит внутренний пучок, как это отражено между двумя зеркалами. Выходная мощность лазера через переднее зеркало можно увидеть , чтобы произвести крошечную (около 1 мм в диаметре) интенсивное пятно на экране, справа. Несмотря на то, что это глубокий и чистый красный цвет, пятно лазерного луча настолько интенсивно , что камеры , как правило , передержаны и искажать их цвет.
Спектр гелий - неоновый лазер , иллюстрирующий его очень высокая спектральная чистота (ограничивается измерительной аппаратурой). Полоса пропускания 0,002 нм активной среды хорошо более чем в 10000 раз меньше спектральной ширины светоизлучающего диода (спектр которого показан здесь для сравнения), с пропускной способностью в одной продольной моды будучи значительно уже по- прежнему.

Среда усиления помещают в возбужденное состояние с помощью внешнего источника энергии. В большинстве лазеров эта среда состоит из атомов населения , которые были возбуждаемой в такое состояние с помощью внешнего источника света или электрического поля , которая поставляет энергию для атомов поглощать и быть преобразованы в их возбужденные состояния.

Усиливающая среда лазера обычно представляет собой материал контролируемой чистоты, размера, концентрации и формы, который усиливает луч в процессе вынужденного излучения , описанный выше. Этот материал может быть любым состояние : газ, жидкость, твердое вещество, или плазма . Средний коэффициент усиления поглощает энергию насоса, который поднимает некоторые электроны в более высокую энергию ( « возбужденный ») квантовые состояния . Частицы могут взаимодействовать со светом либо путем поглощения или излучающих фотонов. Излучение может быть спонтанным или стимулироваться. В последнем случае, фотон испускается в том же направлении, что и свет , который проходит мимо. Когда количество частиц в одном возбужденном состоянии превышает число частиц в каком - то более низком энергетическом состоянии, инверсия населенности достигается и количество вынужденного излучения света из - за который проходит через больше , чем величины поглощения. Таким образом, свет усиливается. Само по себе это делает оптический усилитель . Когда оптический усилитель расположен внутри резонансной оптической полости, можно получить лазерный генератор.

В некоторых ситуациях можно получить генерацию только один проход электромагнитного излучения через усиливающую среду, и это создает лазерный луч , без какой - либо необходимости в резонансную полость или отражающей (смотрите, например , азотный лазер ). Таким образом, отражение в резонансной полости обычно требуется для лазера, но не является абсолютно необходимым.

Оптический резонатор , иногда называют как «оптический резонатор», но это является неправильным: лазеры используют открытые резонаторы в отличие от буквального полости , которое будет использоваться в диапазоне сверхвысоких частот в мазера . Резонатора обычно состоит из двух зеркал , между которыми когерентный луч света движется в обоих направлениях, отражая назад на себя так , что в среднем фотон будет проходить через среду усиления многократно , прежде чем он излучается из выходной апертуры или утраченного дифракции или поглощения. Если коэффициент усиление (усиление) в среде больше , чем потери в резонаторе, то мощность рециркулирующего света может расти в геометрической прогрессии . Но каждый стимулируется событие излучения возвращает атом из возбужденного состояния в основное состояние, уменьшая коэффициент усиления среды. С увеличением мощности пучка чистый выигрыш (прибыль минус убыток) сводится к единице , а средний коэффициент усиления называется насыщенным. В непрерывной волны (CW) лазера, баланс мощности накачки против усиления насыщения и потерь резонатора производит равновесную величину мощности лазера внутри резонатора; это равновесие определяет рабочую точку лазера. Если приложенная мощность насоса слишком мала, прибыль никогда не будет достаточно , чтобы преодолеть потери полости, и лазерный луч не будет выпускаться. Минимальная мощность насоса необходимо , чтобы начать лазерное воздействие называется порогом генерации . Средний коэффициент усиления будет усиливать любые фотоны , проходящие через него, независимо от направления; но только фотоны в пространственной моде , поддерживаемый резонатор будут проходить более чем один раз через среду и получают значительное усиление.

Свет, испускаемый

В большинстве лазеров, генерация начинается с индуцированным излучением усиливающей случайных спонтанно испускаемых фотонов , присутствующих в усиливающей среде. Вынужденное излучение производит свет, соответствующий входной сигнал в длине волны, фазы и поляризации. Это, в сочетании с эффектом фильтрации оптического резонатора дает лазерный луч свою характерную последовательность, и может придать ему равномерную поляризацию и монохроматичность, в зависимости от конструкции резонатора. Некоторые лазеры используют отдельную инъекции сеялку , чтобы начать процесс выключения с пучком , который уже весьма последователен. Это может получить пучки с более узким спектром , чем это было бы возможно.

Многие лазеры производят луч , который может быть приближен как гауссов пучком ; такие пучки имеют минимальное расхождение возможного для данного диаметра пучка. Некоторые лазеры, особенно форсированные, производят многомодовые пучки с поперечными модами часто аппроксимируется с помощью Эрмита - Гаусс или Лагерры -Gaussian функции. Некоторые лазеров высокой мощности используют с плоской вершиной профиль , известный как « Tophat луча ». Нестабильные лазерные резонаторы (не используется в большинстве лазеров) производят фрактальные-образные балки. Специализированные оптические системы могут производить более сложные геометрические формы пучка, такие как Бессель пучки и оптические вихри .

Рядом с «талией» (или фокальной области ) лазерный лучом, весьма коллимированный : волновые фронты являются плоскими, по нормали к направлению распространения, без расходимости пучка в этой точке. Однако из - за дифракции , которые могут только оставаться верными хорошо в пределах диапазона Рэлея . Луч одной поперечной мода (гауссов пучок) лазера в конечном счете расходится под углом , который изменяется обратно пропорционально диаметр пучка, в соответствии с требованиями дифракционной теорией. Таким образом, «карандаш пучок» непосредственно порождается общим гелий-неонового лазера будет распространено до размера , возможно , 500 километров , когда освещал Луны (с расстояния земли). С другой стороны, свет от полупроводникового лазера , как правило , выходит из крошечного кристалла с большой расходимостью: до 50 °. Однако даже такое расходящийся пучок может быть преобразован в аналогично коллимированный пучок с помощью линзы системы, как и всегда входит, например, в указателе лазера , свет исходит от лазерного диода . Это возможно из - за свет , являющиеся одной пространственной моды. Это уникальное свойство лазерного света, пространственной когерентности , не могут быть воспроизведены с использованием стандартных источников света ( за исключением того , отбрасывая большую часть света) , как можно оценить путем сравнения луч от фонарика (горелки) или внимания к этому практически любого лазера.

Профилировщик лазерный луч используется для измерения профиля интенсивности, ширины и расходимость лазерного луча.

Диффузное отражение лазерного луча от поверхности матовой производит спекл с интересными свойствами.

Quantum по сравнению с классическими процессами выбросов

Механизм получения излучения в лазере опирается на вынужденное излучение , в котором энергия извлекается из перехода в атоме или молекуле. Это квантовый феномен обнаружен Эйнштейн , который вывел зависимость между коэффициентом A , описывающим спонтанным излучением и коэффициентом B , который относится к поглощению и вынужденное излучение. Тем не менее, в случае лазера на свободных электронах , атомные энергетические уровни не участвуют; представляется , что работа этого довольно экзотического устройство может быть объяснена без ссылки на квантовую механику .

Непрерывные и импульсные режимы работы

Лидарные измерения лунной топографии , сделанные Клементина миссии.
Laserlink точки к точке оптической беспроводной сети
Mercury Laser Altimeter (MLA) из MESSENGER космического аппарата

Лазер может быть классифицированы как действующие в любом непрерывном или импульсном режиме, в зависимости от того, по существу , непрерывной в течение долгого времени выходной мощности , или его выход принимает форму импульсов света на одной или другой временной шкале. Конечно , даже лазер, выход которого , как правило , непрерывный может быть преднамеренно включается и выключается с определенной скоростью, чтобы создать импульсы света. Когда частота модуляции находится на временных масштабы гораздо медленнее , чем срок службы полости и период времени , в течение которого энергия может быть сохранена в активной среде или насосный механизме, то он по - прежнему классифицируются как «модулированный» или «импульсный» волна лазер непрерывного. Большинство лазерных диодов , используемых в системах связи попадают в эту категорию.

операция непрерывной волны

Некоторые применения лазеров зависят от пучка, выходная мощность постоянна в течение долгого времени. Такой лазер называется непрерывной волны ( CW ). Многие типы лазеров могут быть выполнены с возможностью работы в режиме непрерывной волны , чтобы удовлетворить такую заявку. Многие из этих лазеров на самом деле LĀSE в нескольких продольных мод одновременно, и биений между слегка различными оптическими частотами этих колебаний будет, по сути, производить изменения амплитуды во временных масштабах меньше времени туда-обратно (обратной величины частоты расстояние между между режимами), как правило , несколько наносекунд или меньше. В большинстве случаев эти лазеры все еще называют «непрерывную волну» , как их выходной мощность устойчиво при усреднении любых более длительных периодов времени, с очень высокой частотой колебания мощности , имеющими практически никакого влияния на предполагаемом применении. (Тем не менее, этот термин не применяется к синхронизацией мод лазеров, где намерение состоит в создании очень короткие импульсы со скоростью времени туда-обратно) .

Для непрерывной работы волн, требуется для инверсии населенности в усиливающей среде, чтобы быть постоянно пополняется за счет постоянного источника накачки. В некоторых генерационные СМИ, это невозможно. В некоторых других лазеров, это потребует накачки лазера на очень высоком уровне мощности непрерывного который был бы непрактичным или уничтожить лазер, производя избыточное тепло. Такие лазеры не могут работать в непрерывном режиме.

Импульсный режим

Импульсный режим лазеров относится к любому лазеру , не классифицированный как непрерывная волна, так что оптическая сила появляется в виде импульсов некоторой длительности в некоторой частоте повторения. Это включает в себя широкий спектр технологий адресация ряда различных мотивов. Некоторые лазеры импульсно просто потому , что они не могут работать в непрерывном режиме.

В других случаях применение требует производств импульсов , имеющих столь же большую энергию , насколько это возможно. Так как энергия импульса равна средней мощности , разделенной на частоте повторения, иногда эта цель может быть удовлетворено за счет снижения скорости импульсов так , что больше энергии может быть построена в период между импульсами. В лазерной абляции , например, небольшой объем материала на поверхности обрабатываемой детали может быть выпаривали , если она нагревается в течение очень короткого времени, при одновременной подаче энергии постепенно позволило бы тепла , чтобы быть поглощенными в основную массу часть, никогда не достичь достаточно высокой температуры в конкретной точке.

Другие приложения полагаются на пиковой мощности импульса (а не энергию в импульсе), особенно для получения нелинейных оптических эффектов. Для заданной энергии импульса, это требует создание импульсов кратчайшего срока с использованием методов , такие как Q-коммутация .

Оптическая ширина полосы импульса не может быть более узким , чем величина , обратная длительности импульса. В случае очень коротких импульсов, что предполагает генерацию над значительной пропускной способностью, совершенно противоположно очень узких полос частот , характерных для CW лазеров. Лазерной генерации в некоторых средних лазеров на красителях и вибронными твердотельных лазеров производит оптическое усиление в широкой полосе частот, что делает возможной лазер , который может , таким образом , генерировать импульсы света , как короткий , как несколько фемтосекунд (10 -15 с).

Добротности

В добротности лазера, инверсия допускается наращивать путем введения потери внутри резонатора, который превышает коэффициент усиления среды; это также может быть описано как уменьшение коэффициента качества или «Q» полости. Затем, после того, как энергия накачки находится в лазерной среде подошла максимально возможный уровень, введенный механизм потерь (часто электро- или акустооптический элемент) быстро удаляются (или, что происходит сам по себе в пассивном устройстве), позволяя лазерную генерацию для начала, быстро получает накопленную энергию в усиливающей среде. Это приводит к коротким импульсом, включающего эту энергию, и, следовательно, высокой пиковой мощности.

Режим-замок

Лазерный режим автоподстройки способен излучать чрезвычайно короткие импульсы от порядка десятков пикосекунд до менее чем 10 фемтосекунд . Эти импульсы будут повторяться на время прохождения, то есть время , которое требуется , чтобы завершить свет один туда и обратно между зеркалами , содержащих резонатор. Из - за предела Фурье (также известный как энергия времени неопределенности ), импульс такой короткий временной длины имеет спектр распространения через значительную пропускную способность. Таким образом , такая усиливающая среда должна иметь ширину полосы усиления достаточно широкую , чтобы усилить эти частоты. Пример подходящего материала является титан -легированным, искусственно выращен сапфир ( Ti: сапфир ) , который имеет очень широкую полосу частот усиления и , таким образом , может генерировать импульсы лишь несколько длительностей фемтосекунд.

Такой режим автоподстройки лазеры являются наиболее универсальным инструментом для исследования процессов , происходящие на очень короткие временные масштабы (известный как фемтосекундный физики, фемтосекундная химию и сверхбыстрая наука ), для максимального эффекта нелинейности в оптических материалах (например , в генерации второй гармоники , параметрических преобразование с понижением частоты , оптических генераторов параметрических и тому подобное). Из - за большую пиковую мощность и способность генерировать поезда фазы стабилизированных сверхбыстрых лазерных импульсов, режим блокировки сверхбыстрых лазеров лежат в основе прецизионной метрологии и спектроскопию приложений.

Импульсная накачка

Другой способом достижения импульсного лазера является операция для накачки материала лазера с источником , который сам импульсным, либо через электронные зарядки в случае импульсных ламп или другого лазера , который уже импульсен. Импульсная накачка исторически использовалась с лазерами на красителях , где перевернутый продолжительность жизни населения молекулы красителя была настолько короткой , что высокая энергия, была необходима быстрая работа насоса. Способ преодолеть эту проблему был заряжать большие конденсаторы , которые затем перешли на разряжаться через лампы, производя интенсивную вспышку. Импульсная накачка также требуется для лазеров три уровня , в котором нижний уровень энергии быстро становится очень заселен предотвращением дальнейшей генерации до тех пор , пока эти атомы релаксировать в основное состояние. Эти лазеры, такие как эксимерного лазера и лазера на парах меди, никогда не может работать в непрерывном режиме.

история

устои

В 1917 году Альберт Эйнштейн установил теоретические основы для лазера и мазера в бумажной Цур Quantentheorie дер Strahlung (О квантовой теории излучения) с помощью повторного вывода Макса Планка закона «s излучения, концептуально основаны на коэффициенты вероятности ( коэффициенты Эйнштейна ) для поглощения, спонтанного излучения и вынужденного излучения электромагнитного излучения. В 1928 году Рудольф У. Ладенбург подтвердил существование явлений вынужденного излучения и отрицательного поглощения. В 1939 году Валентин А. Фабрикант предсказал использование вынужденного излучения для усиления «коротких» волн. В 1947 году Уиллис Э. Лэмб и Ризерфорда нашли очевидное стимулированное излучение в спектрах водорода и осуществляют первую демонстрацию вынужденного излучения. В 1950 году Кастлер (Нобелевская премия по физике , 1966) был предложен метод оптической накачки , экспериментально подтверждено, два года спустя, Бросселем, Кастлером, и зимой.

мазер

В 1951 году Джозеф Вебер представил документ об использовании стимулированной эмиссии , чтобы микроволновый усилитель к июня 1952 года Институт радиоинженеров Vacuum Tube научно -практической конференции в Оттаве , Онтарио, Канада. После этой презентации, RCA попросил Weber дать семинар по этой идее, и Чарльз Таунс Hard попросил у него копию бумаги.

В 1953 году Чарльз Таунс Hard и аспиранты Джеймс П. Гордон и Герберт Дж Zeiger выпустил первый микроволновый усилитель, устройство работает на тех же принципах лазеру, но усиливающая микроволнового излучения , а не инфракрасное или видимое излучение. Мазер Таунса был не в состоянии непрерывного производства. Между тем, в Советском Союзе, Николай Басов и Александр Прохоров были независимо друг от друга работают над квантовым осциллятором и решить проблему непрерывного вывода систем с использованием более двух уровней энергии. Эти усиления СМИ могут выпустить вынужденное излучение между возбужденным состоянием и нижним возбужденным состоянием, а не состоянием, облегчая поддержание инверсии . В 1955 году Прохоров и Басов предложил оптическую накачку системы многоуровневой в качестве способа получения инверсии населенностей, позже основной метод лазерной накачки.

Таунс сообщает , что несколько выдающихся физиков-среди них Нильс Бор , Джон фон Нейман , и Ллевеллин Томас -argued мазер нарушил Гейзенберга принцип неопределенности и , следовательно , не может работать. Другие , такие как Исидор Раби и Куш ожидается , что было бы непрактично и не стоит усилий. В 1964 году Таунс Николай Басов и Александр Прохоров разделили Нобелевскую премию по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера-лазера».

лазер

Внешний аудио
«Человек, Миф, лазерный» , дистилляция Podcast, истории науки Институт

В 1957 году Чарльз Таунс Hard и Шавлов , затем в Bell Labs , началось серьезное исследование инфракрасного лазера. По мере развития идеи, они отказались от инфракрасного излучения , чтобы вместо того, чтобы сконцентрироваться на видимый свет . Концепция первоначально называлась «оптический мазер». В 1958 году Bell Labs подала патентную заявку на их планируемом оптического квантового генератора; и Шавлов и Таунс представил рукопись своих теоретических расчетов в Physical Review , опубликованной в том же году в томе 112, выпуск № 6.

ЛАЗЕР ноутбук: Первая часть ноутбука , в котором Гордон Гулд придуман ЛАЗЕР аббревиатура, и описан элементы для построения устройства.

Одновременно, в Колумбийском университете , аспирант Гордон Гулд работал над докторской диссертацией об уровнях энергии возбужденного таллия . Когда Гулд и Таунс встретились, они говорили о радиационной эмиссии , в качестве общего субъекта; после этого, в ноябре 1957 года, Гулд отметил свои идеи для «лазера», в том числе с использованием открытого резонатора (впоследствии существенным компонентом лазерного устройства). Кроме того, в 1958 году, Прохоров независимо предложил использовать открытый резонатор, первый опубликованный внешний вид (в СССР) этой идеи. В другом месте, в США, Шавлы и Таунс согласились на конструкцию лазера с открытым резонатором - по- видимому , не знают публикации Прохорова и неопубликованной лазерную работы Гулд.

На конференции в 1959 году, Гордон Гулд опубликовал термин ЛАЗЕР в работе лазера, усиление света при индуцированном излучении . Лингвистическое намерение Гулда было с помощью «-aser» слово частицы в качестве суффикса - точно обозначить спектр света , испускаемый лазерное устройство; Таким образом , X-лучи: Xaser , ультрафиолетовое: uvaser , и так далее; ни один не зарекомендовал себя в качестве дискретного термина, хотя «Raser» был кратко популярным для обозначения радиочастотных излучающих устройств.

Примечания Гулда включены возможные приложения для лазера, таких как спектрометрия , интерферометрии , радиолокации и ядерного синтеза . Он продолжает развивать идею, и подал заявку на патент в апреле 1959 года Патентное ведомство США отклонило его просьбу, и получил патент на Bell Labs , в 1960 г. Это спровоцировало двадцать-восемь год в суде , с участием научного престижа и денег , как Ставки. Гулд выиграл свой первый второстепенный патент в 1977 году, но оно не было до 1987 года , что он выиграл первую существенный патент иск победу, когда федеральный судья приказал Патентное ведомство США выдавать патенты на Gould для оптической накачки и в газоразрядных лазерных устройствах. Вопрос о том , как назначить кредит на изобретение лазера остается нерешенными историками.

16 мая 1960 года, Теодор Х. Maiman выполнил первый функционирующий лазер на Hughes Research Laboratories , Малибу, штат Калифорния, в преддверии нескольких исследовательских групп, в том числе Таунс , в Колумбийском университете , Артур Шавлов , в Bell Labs , и Гулд, в ТТГ (технический Research Group) компании. Функциональная лазерная Меймана используется твердотельный ламповой -pumped синтетический рубиновый кристалл , чтобы произвести красный лазерный свет, при длине волны 694 нм; Однако, устройство было только способно импульсным режим, из - за его трехуровневую схему проектирования насосного. Позже в том же году иранский физик Али Джаван , и Уильям Р. Беннет и Дональд Herriott , построил первый газовый лазер , используя гелий и неон , который был способен непрерывно работать в инфракрасном диапазоне (патент США 3149290); позже, яванский получил премию Альберта Эйнштейна в 1993 году Басовым и яванский предложил полупроводниковый лазерный диод концепции. В 1962 году Роберт Н. Холл продемонстрировал первый лазерный диод устройство, которое было сделано из арсенида галлия и выбрасываемого в ближней инфракрасной области спектра при 850 нм. Позже в том же году, Холоньяк младший продемонстрировал первый полупроводниковый лазер с видимым излучением. Этот первый полупроводниковый лазер может быть использован только в режиме импульсного пучка, и при охлаждении до жидкого азота температур (77 К). В 1970 году Жорес Алферов , в СССР и Исуо Хайяши и Мортон Панишем из Bell Telephone Laboratories также независимо друг от друга разработали комнатной температуры, постоянно-операции диодных лазеров, используя гетеропереход структуру.

Последние инновации

График, показывающий историю максимальной интенсивности лазерного импульса в течение последних 40 лет.

С раннего периода лазерной истории, лазерное исследование произвело множество улучшенных и специализированных типов лазеров, оптимизированных для различных целей деятельности, в том числе:

  • новые полосы длин волн
  • Максимальная средняя мощность
  • максимальный пик импульса энергии
  • максимальный пик импульса мощности
  • Минимальная длительность выходного импульса
  • минимальная ширина линии
  • максимальная эффективность питания
  • минимальная стоимость

и это исследование продолжается и по сей день.

В 2017 году исследователи TU Delft продемонстрировали переход Джозефсона микроволновый лазер. Поскольку лазер работает в сверхпроводящем режиме, он более стабилен , чем другие лазеры на основе полупроводников. Устройство имеет потенциал для применения в квантовых вычислениях . В 2017 году исследователи ТУ Мюнхен продемонстрировали наименьший блокирующий режим лазер , способный испускать пар фазовой автоподстройки пикосекундных лазерных импульсов с частотой повторения до 200 ГГц.

В 2017 году исследователи из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (РТВ) , вместе с американскими исследователями из JILA , Объединенный институт Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо Боулдер , установил новый мировой рекорд по разработке эрбиевый волоконный лазер с шириной линии всего 10 миллигерц.

Типы и принципы работы

Длины волн коммерчески доступных лазеров. Типы лазера с различными лазерными линиями показаны над полосой длин волн, в то время как ниже показано, лазеры, которые могут излучать в диапазоне длин волн. Цвет шифрует тип материала лазера (см описания фигуры для более подробной информации).

Газовые лазеры

После изобретения газового лазера HeNe, многие другие разряды газа были найдены , чтобы усиливать свет когерентно. Газовые лазеры , использующие много различных газов, были построены и используются для многих целей. Гелий-неоновый лазер (He - Ne) может работать на нескольких различных длинах волн, однако подавляющее большинство из них спроектированы , чтобы при 633 генерируют излучение нм; эти относительно низкая стоимость , но очень когерентные лазеры чрезвычайно распространены в области оптических исследований и учебных лабораториях. Коммерческий диоксид углерода (СО 2 ) лазеры могут излучать много сот ватт в одной пространственной моде , которые могут быть сосредоточены в крошечное пятно. Это излучение находится в тепловом инфракрасном диапазоне 10,6 мкм; такие лазеры регулярно используются в промышленности для резки и сварки. Эффективность СО 2 лазера необычно высока: более 30%. Аргон-ионные лазеры могут работать при ряде генерационных переходов между 351 и 528,7 нм. В зависимости от оптической конструкции , один или более из этих переходов могут быть одновременно генерации; наиболее часто используемые линии 458 нм, 488 нм и 514,5 нм. Азотом , поперечный электрический разряд в газе при атмосферном давлении (TEA) лазера представляет собой недорогой газовый лазер, часто самодельный энтузиастами, которая производит довольно некогерентного УФ - света при 337.1 нм. Металлические ионные лазеры газовые лазеры , которые генерируют глубокие ультрафиолетовые длины волн. Гелий -серебра (HEAG) 224 нм и неона - медь (NECU) 248 нм приведены два примера. Как и во всех газовых лазерах низкого давления, усиливающие среды этих лазеров имеют достаточно узкие колебания с шириной менее 3 ГГц (0,5 пм ), что делают их кандидат для использования в флуоресценции подавленного спектроскопии комбинационного рассеяния света .

Химические лазеры

Химические лазеры работают на химической реакции , разрешающего большое количество энергии , чтобы быть освобожден быстро. Такие лазеры очень высокие мощностей особенно представляют интерес для военных, однако непрерывные волны химических лазеров на очень высоких уровнях мощности, подаваемых потоками газов, были разработаны и имеют некоторые промышленные применения. В качестве примеров в лазер фтористого водорода (2700-2900 нм) и лазер фторида дейтерия (3800 нм) реакция представляет собой комбинацию из водорода или дейтерия газа с продуктами сгорания этилена в трифторида азота .

Эксимер лазеры

Эксимерные лазеры представляют собой особый вид газового лазера на питании от электрического разряда , в котором генерации среда представляет собой эксимерную , точнее эксиплекс в существующих конструкциях. Эти молекулы , которые могут существовать только с одним атомом в возбужденном электронном состоянии . Как только молекула передает свою энергию возбуждения фотона, его атомы больше не связаны друг с другом , и молекула распадается. Это значительно сокращает население более низкое энергетическое состояние , таким образом , значительно облегчает инверсной населенности. Эксимеры используемые в настоящее время все благородные газовые соединения ; благородные газы химически инертны и могут образовывать только соединение , в то время как в возбужденном состоянии. Эксимерные лазеры обычно работают при ультрафиолетовых длинах волн с основными приложениями , включая полупроводниковой фотолитографии и LASIK глазной хирургии. Обычно используемые эксимерные молекулы включают ARF (эмиссии при 193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм) и XeF (351 нм). Молекулярного фтора лазер, излучающий на 157 нм в вакуумной ультрафиолетовой области иногда называют эксимерного лазера, однако это , как представляется, является неправильным , поскольку Р 2 представляет собой стабильное соединение.

Твердотельные лазеры

50 Вт Fasor , на основе Nd: YAG лазер, используемый в Starfire оптическом диапазоне .

Твердотельные лазеры используют кристаллический или стеклянный стержень , который является «легированный» с ионами , которые обеспечивают требуемые энергетические состояния. Например, первый рабочий лазер был рубиновый лазер , сделанный из рубина ( хрома , легированных ионами корунд ). Инверсной заселенности фактически сохраняется в легирующей примеси. Эти материалы закачивают оптический с помощью более короткой длину волны , чем длина волны генерации, часто из или из ксеноновой лампы-вспышки другого лазера. Использование термина «твердотельный» в лазерной физике является более узким , чем в обычном использовании. Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) , как правило , не упоминаются как твердотельные лазеры.

Неодима является общей легирующей примеси в различных твердотельных лазерных кристаллов, в том числе ванадат иттрия ( Nd: YVO 4 ), иттрия фторида лития ( Nd: YLF ) и иттрий - алюминиевого граната ( Nd: YAG ). Все эти лазеры могут производить большие мощности в ИК - спектре при длине волны 1064 нм. Они используются для резки, сварки и маркировки металлов и других материалов, а также в спектроскопии и для накачки лазеров на красителе . Эти лазеры также обычно с удвоенной частотой , в три раза или четыре раза с получением 532 нм (зеленый, видимый), 355 нм и 266 нм ( УФ ) пучков, соответственно. Удвоением частоты с диодной накачкой твердотельные (DPSS) лазеры используются , чтобы сделать яркие зеленые лазерные указатели.

Иттербий , гольмий , туллий и эрбий и другие общие «легирующие» в твердотельных лазерах. Иттербий используется в кристаллах , такие как Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: МАЛЬЧИКИ, Yb: CaF 2 , как правило , работает примерно 1020-1050 нм. Они являются весьма эффективными и высокими мощностью из - за небольшой квантовый дефект. Чрезвычайно высокие силы в сверхкоротких импульсов может быть достигнуто с Yb: YAG. Гольмиевый легированных ионами кристаллы YAG излучают на 2097 нм и образуют эффективный лазер , работающий на инфракрасных длинах волн сильно поглощается водоносных тканей. Хо-YAG обычно работает в импульсном режиме, и пропускает через волоконно - оптическую хирургические устройства всплывать суставы, удалить гниль от зубов, испарить рак, и распылить почки и желчные камни.

Титан -легированный сапфир ( Ti: сапфир ) , получается очень перестраиваемый инфракрасный лазер, обычно используемый для спектроскопии . Следует также отметить , для использования в качестве режима автоподстройки лазерных получения сверхкоротких импульсов чрезвычайно высокой пиковой мощностью.

Тепловые ограничения в твердотельных лазерах возникают из непрореагировавшей мощности накачки , который нагревает среду. Это тепло, в сочетании с высоким термо-оптическим коэффициентом (д н / д Т ) может вызвать тепловое линзирование и уменьшить квантовую эффективность. Диодной накачкой тонкие лазеры диск преодолеть эти проблемы путем иметь усиливающую среду, которая намного тоньше , чем диаметр пучка накачки. Это позволяет более равномерной температуры в материале. Тонкие лазеры на диске было показано , что лучи производят до одного киловатт.

волоконные лазеры

Твердотельные лазеры или лазерные усилители , где свет направляются из - за полное внутреннее отражение в одномодовом оптическом волокне , вместо этого называют волоконные лазеры . Направляющий свет позволяет очень длинные участки усиления обеспечивают хорошие условия охлаждения; волокна имеют высокую площадь поверхности к объему , что позволяет эффективное охлаждение. Кроме того, Волноводные свойства волокна имеют тенденцию уменьшить тепловое искажение луча. Эрбий и иттербий ионы являются общими активными видами в таких лазерах.

Довольно часто, волоконный лазер выполнен в виде волокна с двойной оболочкой . Этот тип волокна состоит из сердцевины волокна, внутренней оболочки и внешней оболочки. Индекс из трех концентрических слоев выбирают так , чтобы сердечник волокна выступает в качестве одномодового волокна для лазерного излучения во время внешней оболочки , действует как высоко многомодовое ядро для лазера накачки. Это позволяет насосу распространить большое количество энергии в и через активную область внутреннего сердечника, при этом имея высокую числовую апертуру (NA) , чтобы иметь легкие условия запуска.

Свет насос может быть использован более эффективно путем создания волоконно - дискового лазера , или стопку таких лазеров.

Волоконные лазеры имеют фундаментальный предел в том , что интенсивность света в волокне не может быть настолько высокой , что оптические нелинейности , вызванные локальной напряженностью электрического поля могут стать доминирующими и предотвратить работу лазера и / или привести к разрушению материала волокна. Этот эффект называется фотопотемнением . В объемных лазерных материалах, охлаждение не так эффективно, и это трудно отделить эффекты фотопотемнения от тепловых эффектов, но эксперименты в волокнах показывают , что фотопотемнения можно отнести к образованию долгоживущих центров окраски .

Фотонные кристаллические лазеры

Фотонные кристаллические лазеры лазеры на основе нано-структур, обеспечивающих удержание режима и плотности оптических состояний (DOS) структуру , необходимую для обратной связи , чтобы иметь место. Они характерны микрометр размера и перестраиваемый на полосах фотонных кристаллов.

Полупроводниковые лазеры

5,6 мм «закрыто может» коммерческий лазерный диод, вероятно , с компакт - диска или DVD - плеер

Полупроводниковые лазеры диоды , которые электрически накачкой. Рекомбинация электронов и дырок , созданные приложенный ток вводит оптическое усиление. Отражение от концов кристалла образует оптический резонатор, хотя резонатор может быть внешним по отношению к полупроводнику в некоторых конструкциях.

Коммерческие лазерные диоды излучают в диапазоне длин волн от 375 нм до 3500 нм. От низкого до средней мощности лазерных диодов используются лазерные указки , лазерные принтеры и CD / DVD - проигрыватель. Лазерные диоды также часто используется для оптически насоса других лазеров с высокой эффективностью. Самые высокие мощности промышленной лазерные диоды с мощностью до 20 кВт, используются в промышленности для резки и сварки. Внешним резонатором полупроводниковые лазеры имеют полупроводниковую активную среду в большей полости. Эти устройства могут генерировать мощные выходы с хорошим качеством пучка, длина волны перестраиваемого узко- ширины линии излучения, или сверхкоротких лазерных импульсов.

В 2012 году , Nichia и OSRAM разработаны и изготовлены коммерческие высокой мощности зеленые лазерные диоды (515/520 нм), которые конкурируют с традиционными диодной накачкой твердотельных лазеров.

Вертикальная полость поверхностно-излучающие лазеры ( ВИЛ ) являются полупроводниковыми лазерами излучения которых направление перпендикулярно к поверхности пластины. VCSEL устройство обычно имеет более круглый выходной луч , чем обычные лазерные диоды. В 2005 году только 850 нм вИЛ широко доступны, при длине волны 1300 нм лазеров VCSEL начинают быть коммерчески, и 1550 нм устройств область исследований. VECSELs являются вИЛ внешним резонатором. Quantum каскадных лазеров являются полупроводниковыми лазерами , которые имеют активный переход между энергетическими поддиапазонами электрона в структуре , содержащую несколько квантовых ям .

Развитие кремния лазера играет важную роль в области оптических вычислений . Кремний является материалом выбора для интегральных схем , так и электронные и кремниевые фотонные компоненты (такие как оптические межсоединения ) могут быть изготовлены на том же чипе. К сожалению, кремний является сложной лазерной генерации материала , чтобы иметь дело с, так как она обладает определенными свойствами , которые блокируют генерации. Тем не менее, в последнее время команда произвела кремниевые лазеры с помощью методов , таких как изготовление генерационного материала из кремния и других полупроводниковых материалов, такие как индий (III) , фосфид или галлий (III) , арсенид , материалы , которые позволяют когерентный свет , чтобы быть изготовлен из кремния. Это так называемые гибридным кремний лазера . Недавние события также показали , что применение монолитно интегрированных нанопроводов лазеров непосредственно на кремнии для оптических межсоединений, что открывает путь для приложений уровня чипа. Эти гетероструктуры нанопроволок лазеры , способные оптических межсоединений в кремнии также способны испускать пар фазовой автоподстройки пикосекундных импульсов с частотой повторения до 200 ГГц, что позволяет для обработки оптического сигнала на чипе. Другой тип представляет собой рамановский лазер , который принимает преимущество комбинационного рассеяния для получения лазера из материалов , такие как кремний.

Генерация без сохранения среды , возбуждаемой в инверсной населенности была продемонстрирована в 1992 году в натрия газа и снова в 1995 году в рубидия газа различными международными командами. Это было достигнуто с помощью внешнего мазера , чтобы вызвать «оптическую прозрачность» в среде пути введения и деструктивно мешая наземные электронные переходы между двумя путями, так что вероятность для наземных электронов , чтобы поглотить любую энергию была отменена.

лазеры на красителях

Крупным планом лазера на красителе столешницей на основе родамина 6G

Лазеры на красителях использовать органический краситель в качестве усиливающей среды. Широкий спектр усиления доступных красителей или смесей красителей, позволяет эти лазеры , чтобы быть очень перестраиваемыми, или для получения очень кратковременных импульсов ( от порядка нескольких фемтосекунд ). Хотя эти перестраиваемые лазеры в основном известны в их жидкой форме, исследователи также продемонстрировали узкую ширину линии перестраиваемого излучение в диспергирующих конфигурациях генератора , включающих твердотельные носители усиления красителя. В наиболее распространенной форме эти твердотельные лазеры на красителе с помощью красителя , легированного полимеры в качестве лазерных сред.

Лазеры на свободных электронах

Лазер на свободных электронах FELIX в ФОМ Институт физики плазмы Rijnhuizen, Ньювегейн

Лазеры на свободных электронах , или ЛСЭ, генерировать когерентное излучение, высокой мощности, которое широко перестраиваемый, в настоящее время в диапазоне длин волн от микроволн через терагерцового излучения и инфракрасного до видимого спектра, чтобы мягкого рентгеновского излучения. Они имеют широкий частотный диапазон любого типа лазера. В то время как FEL балки разделяют одни и те же оптические черты других лазеров, такие как когерентное излучение, работа FEL совершенно иная. В отличии от газа, жидкости или твердотельных лазеров, которые опираются на связанных атомных или молекулярных состояниях, ЛСЭ использовать релятивистский электронный пучок в качестве активной среды, отсюда термин свободного электрона .

Экзотические СМИ

Стремление к высокой квантовой энергии лазера с использованием переходов между изомерными состояниями в качестве атомного ядра было предметом широкого научного исследования с началом 1970 - х лет. Многое из этого суммированы в трех обзорных статьях. Это исследование было международного масштаба, но в основном базируется в бывшем Советском Союзе и Соединенных Штатах. Хотя многие ученые сохраняют оптимизм , что прорыв близок, оперативная гамма-лазер еще не реализован.

Некоторые из ранних исследований были направлены на коротких импульсов нейтронов возбуждающих верхнего состояния изомера в виде твердого вещества , так что переход гамма-излучения может извлечь выгоду из линейного сужению эффекта Мессбауэра . В сочетании, несколько преимуществ , как ожидали от двухступенчатой накачке трехуровневой системы. Было высказано предположение о том , что ядро атома, встроенный в ближнем поле лазерного управляемой когерентно-осциллирующего электронного облака будет испытывать большее дипольное поле , чем у задающего лазера. Кроме того, нелинейность осциллирующего облака будет производить как пространственные и временные гармоники, так что ядерные переходы высшего многополярности также могут приводиться в движении , кратной частоте лазера.

В сентябре 2007 года BBC News сообщил , что было предположение о возможности использования позитронии уничтожения вбить очень мощные гамма - лазер. Д - р Дэвид Кэссиди из Калифорнийского университета, Риверсайд предложил , что одного такого лазер может быть использован , чтобы зажечь термоядерную реакцию, заменив банки сот лазеров в настоящее время работает в УТС с инерционными удержанием экспериментов.

Космические рентгеновские лазеры с накачкой ядерным взрывом также были предложены в качестве противоракетного оружия. Такие устройства будут иметь один-выстрел оружие.

Живые клетки были использованы для получения лазерного света. Клетки генной инженерии для получения зеленого флуоресцентного белка (GFP). GFP используется в качестве «носителя получить» лазера, где усиление света происходит. Клетки затем помещали между двумя крошечными зеркалами, всего 20 миллионных долей метра в диаметре, которые действовали как «резонатор лазера» , в котором свет может отскакивает много раз через ячейку. После купания в клетку с синим светом, то можно было бы увидеть , чтобы излучать направленный и интенсивный зеленый лазерный луч.

Пользы

Лазеры в диапазоне размеров от микроскопических диодных лазеров (вверху) с многочисленными приложениями, чтобы футбольное поле размером неодимовых лазеров на стекле (внизу) , используемых для инерционного удержания синтеза , ядерного оружия исследований и других экспериментов по физике высоких плотностей энергии.

Когда лазеры были изобретены в 1960 году, они были названы «решение ищет проблемы». С тех пор они стали повсеместно, находя полезность в тысячах чрезвычайно различных применений в каждой части современного общества, в том числе бытовой электроники , информационных технологий, науки, медицины, промышленности, правоохранительных органов , развлечений и военных . Волоконно-оптические системы связи с использованием лазеров является ключевой технологией в современных средствах связи, позволяя такие услуги, как Интернет .

Первое использование лазеров в повседневной жизни населения в целом был супермаркет сканер штрих - кода , введенный в 1974 году лазерных дисков плеер, введенный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом включить лазер , но проигрыватель компакт - дисков был первый лазер -equipped устройство стало обычным, начиная с 1982 года последовали вскоре на лазерных принтерах .

Некоторые другие виды использования:

В 2004 году, за исключением диодных лазеров, приблизительно 131000 лазеры были проданы на сумму $ 2190 млн долларов США. В том же году, около 733 млн диодных лазеров, на сумму 3,20 млрд $, были проданы.

В медицине

Лазеры имеют множество применений в медицине, в том числе лазерной хирургии (особенно глазной хирургии ), лазерное исцеление, мочекаменной лечение, офтальмоскопии и косметические процедуры кожи , таких как акне лечение, целлюлита и стрий сокращения и удаления волос .

Лазеры используются для лечения рака , уменьшая или уничтожение опухоли или предраковые новообразования. Они наиболее часто используются для лечения поверхностных видов рака , которые находятся на поверхности тела или слизистой оболочки внутренних органов. Они используются для лечения базально - клеточного рака кожи и очень ранние стадии других , как шейки матки , полового члена , вагинальный , вульвы и немелкоклеточного рака легкого . Лазерная терапия часто сочетается с другими методами лечения, такими как хирургия , химиотерапия или лучевая терапия . Лазерно-индуцированная интерстициальная термотерапия (ЛИТТ), или интерстициальной лазерной фотокоагуляции , использует лазеры для лечения некоторых видов рака с помощью гипертермии, которая использует высокую температуру , чтобы уменьшить опухоль от повреждения или уничтожения раковых клеток. Лазеры являются более точными , чем традиционные методы хирургии и вызывают меньше повреждений, боли, кровотечение , отек и образование рубцов. Недостатком является то, что хирурги должны иметь специальную подготовку. Это может быть более дорогим , чем другие виды лечения.

Как оружие

Американо-израильский оружие Tactical High Energy используется , чтобы сбивать ракеты и артиллерийские снаряды.

Многие типы лазеров потенциально могут быть использованы в качестве нейтрализующего оружия, благодаря их способности производить временную или постоянную потерю зрения , когда направлено на глазах. Степень, характер и длительность нарушения зрения , вызванное воздействием глаз лазерного света изменяется в зависимости от мощности лазера, длина волны (с), то коллимация пучка, точная ориентация пучка, а продолжительность воздействия. Лазеры даже долей ватта мощности может привести к немедленной, постоянные потери зрения при определенных условиях, что делает такие лазеры потенциальных нелетального , но нейтрализующих видов оружия. Крайнее гандикап , который представляет собой лазер-индуцированной слепота делает использование лазеров даже в качестве нелетального оружия морально противоречивым, и оружие , предназначенное , чтобы вызвать постоянную слепоту, было запрещено Протоколом об ослепляющем лазерном оружии . Оружие , разработанные , чтобы вызвать временную слепоту, известный как dazzlers , используются военными , а иногда и правоохранительных органов. Инциденты пилотов подвергаясь лазеры во время полета побудил авиационные власти осуществлять специальные процедуры для решения таких опасностей. См Лазеры и авиационной безопасности для больше по этой теме.

Лазерное оружие , способное непосредственно повреждения или уничтожения цели в бое все еще находится в экспериментальной стадии. Общая идея лазерного луча оружия, чтобы попасть в цель с поездом коротких импульсов света. Быстрое испарение и расширение поверхности вызывают ударные волны , которые повреждают цель. Мощность , необходимая для проекта мощного лазерного луча такого рода выходит за границами текущей технологии мобильной энергии, таким образом в пользу химически питание газодинамических лазеров . Примеры экспериментальных систем включают Miracl и Tactical High Energy Laser .

Боинг YAL-1. Лазерная система смонтирована в башне, прикрепленной к носу самолета

На протяжении 2000 - х годов ВВС США работали на Boeing YAL-1 , бортовой лазер , установленный в Boeing 747. Он предназначен для использования , чтобы сбивать входящие баллистические ракеты над вражеской территорией. В марте 2009 года Northrop Grumman заявил , что инженеры в Редондо - Бич был успешно построен и испытан с электрическим приводом , твердотельный лазер , способный производить 100-киловаттный луч, достаточно мощный , чтобы уничтожить самолет. По словам Брайана Стрикленд, менеджер для армии Соединенных Штатов твердотельный лазер программы Joint High Power «s, с электрическим приводом лазер с возможностью установки на самолет, судно или другое транспортное средство , потому что он требует гораздо меньше места для его вспомогательного оборудования , чем химический лазер. Однако источник такой большой электрической мощности в мобильном приложении остается неясным. В конечном счете, проект считается неосуществимым, и был отменен в декабре 2011 года с Boeing YAL-1 прототип хранится и в конечном итоге разобрали.

ВМС США разрабатывают лазерное оружие упоминается как оружие система лазерной или Законы.

Хобби

В последние годы некоторые аквариумисты принимали интересы в лазерах. Лазеры , используемые энтузиастами , как правило , из класса IIIa или IIIb (см безопасности ), хотя некоторые из них сделали свои собственные типы IV класса. Однако, по сравнению с другими радиолюбителями, лазерные аквариумисты гораздо реже, из - за стоимости и потенциальные опасности , связанные с . Из - за стоимости лазеров, некоторые любители используют недорогие средства для получения лазеров, таких как лазерные диоды утилизации из разбитых DVD плееры (красный), Blu-Ray проигрыватели (фиолетовый), или даже более высокие мощности лазерных диодов с компакт - диска или DVD горелки .

Любители также принимали избыточные импульсные лазеры от отставных военных приложений и их модификацией для импульсной голографии . Импульсный рубин и импульсные лазеры YAG были использованы.

Примеры по мощности

Применение лазеров в астрономической адаптивной оптики изображения

Различные приложения требуют лазеров с различными выходными мощностями. Лазеры , которые производят непрерывный пучок или серию коротких импульсов можно сравнить на основе их средней мощности. Лазеры , которые производят импульсы могут быть также охарактеризованы на основе пиковой мощности каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше , чем его средняя мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше потребляемой мощности.

Непрерывная или средняя мощность, необходимая для некоторых видов применения:
Мощность использование
1-5 мВт Лазерные указатели
5 мВт CD-ROM диск
5-10 мВт DVD - проигрыватель или диск DVD-ROM ,
100 мВт Высокоскоростной CD-RW горелки
250 мВт Потребитель 16 × DVD-R горелки
400 мВт Жжение через футляр , включая диск в течение 4 секунд
DVD-24 запись × двухслойной
1 Вт Зеленый лазер в Голографический универсальный диск разработки прототипа
1-20 Вт Выход большинства коммерчески доступных твердотельных лазеров используется для микро обработки
30-100 Вт Типичные запечатаны CO 2 хирургические лазеры
100-3000 Вт Типичные запечатанные CO 2 лазеров , используемых в промышленной лазерной резке

Примеры импульсных систем с высокой пиковой мощностью:

безопасности

Европейский предупреждающий символ лазерного
США предупреждение лазерная метка
Слева: Европейский предупреждающий символ лазерного излучения, необходимый для 2 класса лазеров и выше. Справа: предупреждение лазер США ярлык, в этом случае для лазера класса 3B

Даже первый лазер был признан потенциально опасным. Теодор Мейман охарактеризовал первый лазер как имеющая мощность одного «Gillette» , как это может сжечь через один Gillette бритву лезвия. Сегодня принято считать , что даже маломощные лазеры с только несколько милливатт выходной мощности могут быть опасны для человеческого зрения , когда луч попадает в глаз непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. При длинах волн , которые Роговица и объектив могут сосредоточиться хорошо, согласованность и малая расходимость лазерного излучения означают , что он может быть сфокусирован на глазе в чрезвычайно малое пятно на сетчатке , что приводит к локализованному горению и постоянному повреждению в секундах или даже меньше время.

Лазеры обычно маркируется с классом безопасности номер, который определяет, насколько опасно лазер:

  • Класс 1 по своей сути безопасным, как правило, потому что свет, содержащийся в корпусе, например, в проигрыватели компакт-дисков.
  • Класс 2 является безопасным во время нормальной эксплуатации; рефлекс моргания глаз предотвратит повреждение. Обычно до 1 мВт, например , лазерных указателей.
  • Класс 3R (ранее IIIa) лазеры, как правило, до 5 мВт и включают небольшой риск повреждения глаз в момент мигания рефлекса. Вглядываясь в такой пучок в течение нескольких секунд могут вызвать повреждение пятна на сетчатке.
  • Класс 3B может вызвать повреждение глаз сразу же после воздействия.
  • Класс 4 лазеров могут обжечь кожу, а в некоторых случаях, даже рассеянный свет может вызвать раздражение глаз и / или повреждение кожи. Многие промышленные и научные лазеры в этом классе.

Указанные полномочия для видимого света, непрерывная волна лазеров. Для импульсных лазеров и невидимых длин волн, другие ограничения мощности применяются. Люди, работающие с классом 3B и 4-го класса лазеров могут защитить свои глаза защитные очки, которые предназначены для поглощения света определенной длины волны.

Инфракрасные лазеры с длиной волны длиннее , чем приблизительно 1,4 мкм, часто называют как «безопасный для глаз», так как роговица имеет тенденцию поглощать свет на этих длинах волн, защищая сетчатку от повреждений. Метка «безопасный для глаз» может ввести в заблуждение, однако, поскольку это относится только к относительно низкой мощности непрерывных волновых пучков; высокой мощности или добротности лазера на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз, и даже умеренные лазеры мощности могут повредить глаз.

Лазеры могут представлять опасность для гражданской и miliatary авиации, в связи с потенциалом , чтобы временно отвлечь или слепые пилот. См Лазеры и авиационной безопасности для больше по этой теме.

Камеры на основе приборов с зарядовой связью могут быть более чувствительны к повреждению лазера , чем биологические глаза.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

книги
  • Bertolotti, Марио (1999, пер. 2004). История Лазера . Институт физики. ISBN  0-7503-0911-3 .
  • Бромберг, Джоан Лиза (1991). Лазер в Америке, 1950-1970 . MIT Press. ISBN  978-0-262-02318-4 .
  • Csele, Марк (2004). Основы источников света и лазеров . Wiley. ISBN  0-471-47660-9 .
  • Koechner, Вальтер (1992). Твердотельный Лазерная техника . 3 - й изд. Springer-Verlag. ISBN  0-387-53756-2 .
  • Siegman, Энтони Е. (1986). Лазеры . Университет Наука Книги. ISBN  0-935702-11-3 .
  • Silfvast, Уильям Т. (1996). Лазерные Основы . Cambridge University Press. ISBN  0-521-55617-1 .
  • Svelto, Орацио (1998). Принципы лазеров . 4 - й изд. Сделка Дэвид Ханна. Springer. ISBN  0-306-45748-2 .
  • Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: Изобретатель, нобелевский лауреат, и тридцать лет патентные войны . Нью - Йорк: Simon & Schuster. ISBN  978-0-684-83515-0 .
  • Уилсон, Дж & Hawkes, JFB (1987). Лазеры: Принципы и применение . Prentice Hall International Series в оптоэлектронике, Prentice Hall . ISBN  0-13-523697-5 .
  • Ярив Амнон (1989). Квантовая электроника . 3 - й изд. Wiley. ISBN  0-471-60997-8 .
периодические издания

внешняя ссылка