Что такое лазер?

• Принцип работы лазера 
• Компоненты лазера
• Типы лазеров
•      Твердотельный лазер
•      Газовые лазеры
•      Эксимерные лазеры
•      Лазеры на красителях
•      Волоконный лазер
•      Полупроводниковые лазеры
• Что такое длина волны лазера? 
• Классификации опасности лазеров
• Применение лазеров

Принцип работы лазера 

Лазер - это устройство, которое управляет преобразованием энергии накачки (световой, электрической, тепловой, химической) в энергию  излучения. "Лазер" - это аббревиатура, означающая усиление света путем стимулированного излучения.

В лазере излучающая среда "накачивается", чтобы привести атомы в возбужденное состояние. Очень интенсивные вспышки света или электрические разряды накачивают излучающую среду и создают большое количество атомов в возбужденном состоянии (атомы с электронами более высокой энергии). Атомы возбуждаются до уровня, который на два или три уровня выше основного состояния. Это увеличивает степень инверсии населенности. Инверсия населенности - это отношение числа атомов в возбужденном состоянии к числу атомов в основном состоянии.

Рис. 1. Накачка лазера 

После накачки люминесцентной среды появляется набор атомов с электронами, находящимися на возбужденных уровнях. Возбужденные электроны обладают большей энергией, чем спокойные электроны. Так же как электрон поглощает некоторое количество энергии, чтобы достичь этого возбужденного уровня, он также высвобождает эту энергию. Электрон может просто расслабиться и избавиться от некоторого количества энергии. Эта излучаемая энергия приходит в виде фотонов (световая энергия). Испускаемый фотон имеет очень специфическую длину волны (цвет), которая зависит от состояния энергии электрона в момент испускания фотона. Два одинаковых атома с электронами в одинаковых состояниях будут испускать фотоны с одинаковой длиной волны.

Спонтанное излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Лазерный свет сильно отличается от обычного и обладает следующими свойствами:

Испускаемый свет является монохроматическим. Он содержит одну конкретную длину волны света (один конкретный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе электрона на более низкую орбиту.

Испускаемый свет когерентен. Он "организован" - каждый фотон движется одновременно с другими. Это означает, что все фотоны имеют волновые фронты, которые запускаются вместе.

Лазерный свет имеет очень узкий и концентрированный луч. Для того чтобы эти три свойства проявились, требуется так называемое стимулированное излучение. Этого не происходит в обычном фонаре, в нем  все атомы выпускают свои фотоны случайным образом. В стимулированном излучении испускание фотонов организовано.

Рис. 2. Фокусировка лазерного луча в одной точке

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состояниями. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого электрон находится в таком же возбужденном состоянии, может произойти стимулированное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызвать эмиссию атома таким образом, что последующий испущенный фотон (от второго атома) будет колебаться с той же частотой и в том же направлении, что и входящий фотон.

Рис. 3. Изображение фазовых лазерных световых волн

Компоненты лазера

Каждое лазерное устройство состоит из трех основных компонентов. К ним относятся:

• Лазерный материал или активная среда;
• Внешний источник энергии;
• Оптический резонатор;

Активная среда возбуждается внешним источником энергии (источником накачки) для создания инверсии населенности. В среде усиления происходит спонтанное и стимулированное излучение фотонов, что приводит к появлению оптического усиления, или амплификации. Полупроводники, органические красители, газы (He, Ne, CO2 и т.д.), твердые материалы (YAG, рубин) обычно используются в качестве материалов усиления.

Рис. 4. Компоненты лазера 

Источник накачки обеспечивает энергию, необходимую для инверсии населенности и стимулированного излучения в системе. Накачка может осуществляться двумя способами - методом электрического разряда и оптическим методом. Примерами источников накачки являются электрические разряды, лампы-вспышки, дуговые лампы, свет от другого лазера, химические реакции и т.д.

Оптический резонатор обеспечивает наведение имитируемого процесса излучения. Он индуцируется высокоскоростными фотонами и генерирует лазерный луч. Фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. В большинстве систем он состоит из двух зеркал. Одно зеркало является полностью отражающим, а другое - частично отражающим. Оба зеркала установлены на оптической оси, параллельно друг другу. Активная среда используется в оптической полости между обоими зеркалами. Такое расположение фильтрует только те фотоны, которые пришли вдоль оси, а остальные отражаются зеркалами обратно в среду, где они могут быть усилены стимулированным излучением. 

Типы лазеров

Существует множество различных типов лазеров. Лазерная среда может быть твердой, газовой, жидкой или полупроводниковой. Лазеры обычно обозначаются по типу используемого излучающего материала.

Твердотельный лазер

В твердотельных лазерах излучающий материал распределен в твердой матрице (например, лазеры на рубине или неодим:иттрий-алюминиевом гранате "Yag"). Неодимовый Yag-лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1064 нанометра (нм). Нанометр - это 1х10-9 метра.

Рис. 5. Волна со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени

Газовые лазеры

Газовые лазеры (гелиевые и гелий-неоновые, He-Ne, - наиболее распространенные газовые лазеры) излучают в основном видимый красный свет. CO2-лазеры излучают энергию в дальнем инфракрасном диапазоне и используются для резки твердых материалов.

Эксимерные лазеры 

Эксимерные лазеры (название происходит от терминов "возбужденный" и "димер") используют реактивные газы, такие как хлор и фтор, смешанные с инертными газами, такими как аргон, криптон или ксенон. При электрической стимуляции образуется псевдомолекула (димер). При освещении димер излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне.

Рис. 6. Эксимерный лазер 

Лазеры на красителях

Лазеры на красителях используют сложные органические красители, такие как родамин 6G, в жидком растворе или суспензии в качестве излучающей среды. Они перестраиваются в широком диапазоне длин волн.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры не являются твердотельными лазерами. Данные устройства обычно небольшого размера и потребляют мало энергии. Они могут быть встроены в большие массивы, такие как источник записи в некоторых лазерных принтерах или проигрывателях компакт-дисков.

Волоконный лазер

Волоконный лазер — это тип твердотельного лазера в котором усиливающей средой является оптическое волокно. Это активный модуль (как активный электронный компонент в электронике), который необходимо питать и который использует свойства оптического усиления редкоземельных ионов. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

Что такое длина волны лазера? 

Длина волны лазера - это расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Волна – смена состояния среды или поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Конкретная длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе возбужденного электрона на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут быть подобраны в зависимости от материала среды усиления для получения желаемого цвета луча.

Рубиновый лазер является твердотельным лазером и излучает на длине волны 694 нм. Некоторые лазеры очень мощные, например, CO2 лазер, который может разрезать сталь. Причина, по которой CO2-лазер так опасен, заключается в том, что он излучает лазерное излучение в инфракрасной и микроволновой области спектра. Инфракрасное излучение - это тепло при котором лазер расплавляет практически все, на что он направлен.

 Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение проходит от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от сферы использования применяются разные виды.

Диодные лазеры, очень слабые и используются в современных карманных лазерных указках. Эти лазеры генерируют красный луч света с длиной волны от 630 нм до 680 нм. 

Различные типы лазеров и длины волн их излучения (в нанометрах):

• Фторид аргона (УФ): 193;
• Фторид криптона (УФ): 248;
• Хлорид ксенона (УФ): 308;
• Азот (УФ): 337;
• Аргон (синий): 488;
• Аргон (зеленый): 514;
• Гелий неоновый (зеленый): 543;
• Гелий неоновый (красный): 633;
• Краситель родамин 6G (перестраиваемый): 570-650;
• Рубин (CrAIO3) (красный): 694;
• Nd:Yag (NIR): 1064;
• Диоксид углерода (инфракрасный): 10600.

Классификации опасности лазеров

Лазеры классифицируются по четырем широким областям в зависимости от возможности нанесения биологического ущерба. Лазер должен быть промаркирован одним из этих четырех классов:

Класс I - эти лазеры не могут испускать лазерное излучение с известными уровнями опасности.

Класс I.A. - это специальное обозначение, которое применяется только к лазерам, "не предназначенным для просмотра", таким как лазерный сканер в супермаркете. Верхний предел мощности для класса I.A. составляет 4,0 мВт.

Рис. 7. Устройство лазера 

Класс II - это маломощные видимые лазеры, которые излучают выше уровня класса I, но мощность излучения не превышает 1 мВт. Концепция заключается в том, что реакция отвращения человека к яркому свету защитит его.

Класс IIIA - это лазеры средней мощности (cw: 1-5 мВт), которые опасны только для внутрилучевого наблюдения. К этому классу относится большинство пероподобных лазеров для наведения.

Класс IIIB - Это лазеры умеренной мощности.

Класс IV - Это мощные лазеры (cw: 500 мВт, импульсные: 10 Дж/см2 или предел диффузного отражения), которые опасны для наблюдения при любых условиях (прямое или диффузное рассеяние), а также представляют потенциальную опасность пожара и опасность для кожи. Для лазерных установок класса IV требуются значительные меры контроля.

Для получения дополнительной информации о лазерах и связанных с ними темах перейдите по следующим ссылкам.

Применение лазеров

Лазеры бывают разных размеров, форм, цветов и уровней мощности и используются для разных целей - от хирургических вмешательств в больницах до сканеров штрих-кодов в продуктовом магазине и даже для воспроизведения музыки, фильмов и видеоигр дома. 

Рис. 8. Лазерная спектроскопия 

Существует множество областей применения лазерной технологии, включая следующее:

• Лазерная измерительная техника;
• Обработка информации дисков (устройства DVD и Blu-Ray);
• Лазерная спектроскопия;
• Сканеры штрихкодов;
• Лазерная маркировка;
• Лазерная резка;
• Создание голограмм;
• Лазерная коррекция зрения;
• Лазерная очистка;
• Медицина и хирургия;
• Голографическое формирование изображений;
• Лазерная спектроскопия;
• Лазерная сварка.