Що таке лазер?

Лазер - найкорисніший винахід, що знайшов застосування у багатьох сферах життя. Щоб зрозуміти, як воно підкорило світ, простежимо історію появи лазерів, розглянемо їх види, а також спробуємо спрогнозувати, за яким напрямом ця технологія розвиватиметься надалі.

Лазер - найкорисніший винахід, що знайшов застосування у багатьох сферах життя. Щоб зрозуміти, як воно підкорило світ, простежимо історію появи лазерів, розглянемо їх види, а також спробуємо спрогнозувати, за яким напрямом ця технологія розвиватиметься надалі.

Лазери викликають захоплення та незмінно асоціюються з фантастичними фільмами та наукою майбутнього. Ці пристрої здаються надприродними, що вміло використовували творці таких популярних блокбастерів, як Люди X або Зоряні війни, де джедаї ефектно б'ються на лазерних мечах.

Проте лазери — це вже давно не фантастика, а робочий інструмент у багатьох галузях сучасної науки. Ці пристрої, будучи дуже функціональними, оточують сучасну людину у повсякденному житті.

Як розшифровується?

Англійське вираження Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation перекладається як «Посилення світла у вигляді вимушеного випромінювання». За першими буквами цього виразу утворена абревіатура LASER.

Простіше кажучи, лазер виробляє потік світла, що має надзвичайну концентрацію.

Хто винайшов лазер?

Перші відкриття, що подарували людству лазер, були зроблені ще на зорі XX століття.

Ейнштейн

Ще 1917 року Альберт Ейнштейн написав революційну роботу, у якій заклав основи квантово-механічного принципу дії лазера.Революційність полягала в тому, що автор передбачив нове явище у фізиці — вимушене випромінювання. З теорії Ейнштейна випливає, що світло може випромінюватись і поглинатися не тільки спонтанно. Існує також можливість вимушеного (чи стимульованого) випромінювання. Це означає, що можна «примусити» електрони випромінювати світло необхідної довжини хвилі в один і той же час.

Майман

Реалізувати цю ідею практично вдалося лише у 60-ті роки ХХ століття. Перший лазер створив каліфорнійський фізик Теодор Майман 16 травня 1960 року. У роботі цього лазера використовувалися кристал рубіна та резонатор Фабрі – Перо. Лампа-спалах була джерелом накачування. Робота лазера була імпульсною, хвиля мала довжину 694,3 нм.

Басів, Прохоров та Таунс

У 1952 році академіки з СРСР Микола Басов та Олександр Прохоров розповіли всьому світу, що можливе створення мікрохвильового лазера, що працює на аміаку. Ця ж ідея паралельно та незалежно розвивалася фізиком з Америки Чарлзом Таунсом. Він створив і показав, як працює такий лазер у 1954 році. Через десятиліття, 1964 року, усі троє удостоїлися за ці досягнення Нобелівської премії з фізики.

наші дні

Сьогодні ми можемо спостерігати дуже інтенсивний розвиток лазерів. Практично щороку винаходять нові види — хімічні, ексимерні, напівпровідникові, лазери на вільних електронах.

Принцип роботи лазера

Щоб зрозуміти, як працює лазер, подивимося на його структуру. Типовий лазер виглядає так: трубка, усередині якої розміщений твердий кристал, найчастіше рубін. З обох торців вона закрита дзеркалами: прозорим та не повністю прозорим. Під впливом електричної обмотки атоми кристала генерують світлові хвилі.Ці хвилі переміщаються від одного дзеркала до іншого до того моменту, поки не наберуть інтенсивність, достатню для проходження через не повністю прозоре дзеркало.

Як створюється лазерний промінь?

Електрони всіх атомів (на малюнку - чорні точки на внутрішніх колах) займають основний енергетичний рівень.

Під впливом енергії з розрядної трубки електрони переміщаються більш високі енергетичні орбіти (на малюнку — зовнішні кола).

Електрони починають залишати високі енергетичні орбіти та спускатися до основного рівня. При цьому вони починають випромінювати світло і спонукають до цього інші електрони. Утворюється загальний результуючий пучок світла з однаковою довжиною хвилі кожного джерела. Чим більше нових електронів повернеться до низьких орбіт, тим потужніше світло лазера.

Різкість фокусування

Довжина світлової хвилі в лазерному пучку лише одна, отже, і колір також один. Це світло чітко фокусується лінзою майже повністю в одній точці.

(Див. малюнок: ліворуч - світло лазера, праворуч - природне світло). Якщо порівняти світло лазера з природним світлом, буде видно, що останній не здатний мати настільки різкий фокус. Завдяки концентрації у вузькому промені величезної енергії лазер здатний передати цей промінь на гігантські відстані, уникаючи розсіювання та ослаблення, властивих кольоровому світлу - природному. Ці якості лазера перетворюють його на незамінний інструмент для людини.

Фізичне обґрунтування

Розберемо вищеописаний механізм роботи лазера докладніше. З'ясуємо, які саме фізичні закони уможливлюють його функціонування.

Активне середовище

Для лазерного випромінювання необхідне так зване «активне середовище». Тільки в ній вона може відбуватися. Як створюється активне середовище? Насамперед, потрібна спеціальна речовина, яка зазвичай складається з кристалів рубіну або алюмоітрієвого гранату. Власне, ця речовина і є активним середовищем. Сформований із нього циліндр або стрижень вставляють у резонатор. Резонатор складається з двох паралельних дзеркал. Переднє дзеркало наполовину прозоре, а заднє не пропускає світло. Поряд із стрижнем (циліндром) монтується імпульсна лампа. Циліндр та імпульсна лампа оточені дзеркалом. Воно найчастіше виготовлене із кварцу, на який нанесений шар металу. За допомогою дзеркала світло збирається на циліндрі.

Енергетичні рівні атомів

Важливий момент: склад активного середовища такий, що у кожного його атома є як мінімум три енергетичні рівні. У спокійному стані атоми активного середовища розміщуються на нижчому енергетичному рівні Е0. Як тільки вмикається лампа, атоми поглинають енергію її світла, піднімаються на рівень Е1 і досить довго перебувають у такому збудженому стані. Саме це забезпечує лазерний імпульс.

Інверсна заселеність

Інверсна заселеність – фундаментальне фізичне поняття. Це стан середовища, коли кількість частинок на якомусь верхньому енергетичному рівні атома (будь-якому з існуючих) більше, ніж на нижньому. Власне, активним і називається те середовище, в якому рівні інверсно заселені.

Фотони та світловий пучок

Електрони атома не розташовуються хаотично. Вони займають певні орбіти, які оточують ядро.Атом, що отримує квант енергії, з величезною ймовірністю переходить у стан збудження, що характеризується зміною орбіти електронами — з найнижчою (метастабільною або основною) на вищу енергію, що володіє більш високим. На такій орбіті тривале знаходження електронів неможливе, тому відбувається їхнє мимовільне повернення до основного рівня. У момент повернення кожен електрон випромінює хвилю світла, яка називається фотоном. Одним атомом запускається ланцюгова реакція, і електрони багатьох інших атомів також переміщуються на орбіти з нижчою енергією. Однакові світлові хвилі рухаються величезним потоком. Зміни цих хвиль узгоджені у часі та в результаті формують загальний потужний світловий пучок. Цей пучок світла і називається лазерним променем. Потужність променя в якихось лазерів настільки величезна, що можна розрізати камінь чи метал.

Класифікація лазерів

Існує кілька видів лазера, що відрізняються один від одного за принципом агрегатного стану активного середовища та за способом її збудження. Перелічимо основні.

Твердотільні лазери

З цих лазерів усе починалося. Активне середовище в них було твердим і складалося з кристалів рубіну та невеликої кількості іонів хрому. Накачування здійснювалося за допомогою імпульсної лампи. Найперший рубіновий лазер зібрав американець Т. Майман у 1960 році. Твердотільні лазери також виготовляють зі скла з домішкою неодиму Nd, алюмоітрієвого гранату Y2Al5O12 з домішкою хрому та неодиму - все це також речовини для активного середовища твердотільного лазера.

Газові лазери

У газових лазерах активне середовище формується з газів з дуже низьким тиском або їх сумішей. Гази заповнюють скляну трубку, в яку впаяно електроди. Американці А.Джаван, У. Беннетт та Д. Ерріот стали першими творцями газового лазера в 1960 році. Як накачування такого лазера зазвичай застосовують розряд електрики, що виробляється генератором високих частот. Випромінювання газового лазера відрізняється своєю безперервністю. Щільність газів невисока, тому потрібно досить довгий стрижень активного середовища. Інтенсивність випромінювання забезпечується у разі за рахунок маси активного речовини.

Газодинамічні, хімічні та ексімерні лазери

За великим рахунком, ці три види можна класифікувати як газові лазери.

• Газодинамічний лазер за принципом роботи схожий на реактивний двигун. У ньому по суті відбувається згоряння палива, яке додано частинки газів активного середовища. У процесі згоряння молекули газів приходять у збудження, а потім, будучи охолодженими надзвуковим перебігом, випромінюють потужне когерентне випромінювання, тим самим віддаючи енергію.
• У хімічному лазері імпульс випромінювання у результаті хімічної реакції. У найпотужнішому лазері цього працює атомарний фтор у реакції з воднем.
• Роботу ексимерних лазерів забезпечують спеціальні молекули, які завжди перебувають у збудженому стані.

Рідинні лазери

Перші рідинні лазери з'явилися майже тоді, коли і твердотілі — у 60-х роках XX століття. Для створення активного середовища у них використовуються різноманітні розчини органічних сполук. Щільність такої речовини вища, ніж у газу, хоч і нижча, ніж у твердих тіл. Тому такі лазери здатні генерувати досить сильне випромінювання (до 20 Вт), при тому обсяг їх активної речовини порівняно невеликий. Працювати вони можуть і в імпульсному, і безперервному режимах.Як накачування використовуються імпульсні лампи та інші лазери.

Напівпровідникові лазери

У 1962 році з'явилися і перші напівпровідникові лазери - в результаті паралельної роботи кількох вчених із США: Р. Холла, М.І. Нейтена, Т. Квіста та їх груп. Теоретично робота цього лазера було обгрунтовано раніше, 1958 року, російським фізиком Н.Г. Басовим.

У напівпровідниковому лазері як активне середовище використовується кристал-напівпровідник, наприклад арсенід галію GaAs. Тому на перший погляд його можна було б віднести до твердотільних лазерів. Однак він принципово відрізняється тим, що випромінювальні переходи в ньому відбуваються не між енергетичними рівнями атомів, а між енергетичними зонами чи підзонами кристала.

Накачування такого лазера проводиться постійним електричним струмом. Грані кристала-напівпровідника ретельно поліруються, і з них виходить чудовий резонатор.

Лазери у природі

У нашому Всесвіті вченими були знайдені лазери з природним походженням. Існують гігантські міжзоряні хмари, що створені конденсованими газами. Вони інверсна заселеність утворюється природним чином. Світло ближніх зірок або інші випромінювання в космосі виконують роль накачування, а газові хмари самі по собі є чудовим активним середовищем завдовжки кілька сотень мільйонів кілометрів. Виникає природний астрофізичний лазер, який потребує резонаторі, — вимушене електромагнітне випромінювання утворюється у яких мимоволі, щойно проходить хвиля світла.

Властивості лазерного випромінювання

Світло від лазера має особливі та дуже цінні властивості, що вигідно відрізняють його від світла звичайних, теплових джерел.

• Випромінювання лазера когерентно та практично повністю монохроматично. Раніше подібні властивості були лише у радіохвиль від добре стабілізованих передавачів.
• Поширення вимушеного випромінювання відбувається вздовж осі резонатора. У зв'язку з цим розширення лазерного променя дуже слабке, має майже непомітну розбіжність (кілька кутових секунд).
• Завдяки вищезгаданим властивостям лазерний промінь здатний фокусуватися в точку неймовірно маленького розміру. Енергія у точці його фокусу має величезну щільність.
• Через монохроматичність випромінювання та надзвичайну щільність енергії, лазерне випромінювання може досягати дуже високих температур. Наприклад, температура випромінювання імпульсного лазера потужністю системи петаватта (10 15 Вт) становить понад 100 мільйонів градусів.

Застосування лазерів

Властивості лазерного випромінювання є унікальними. Це перетворило лазери на незамінний для різних галузей науки і техніки інструмент. Крім цього, лазери широко використовуються в медицині, побуті, в індустрії розваг, у сфері транспорту.

Технологічні лазери

• Завдяки величезній потужності лазери безперервної дії активно використовуються для того, щоб розрізати, зварювати або спаювати деталі, виготовлені з різних матеріалів. За високої температури лазерного випромінювання стає можливим зварювати навіть ті матеріали, які не можна з'єднати між собою іншими методами. Наприклад, зварювання металу та кераміки для отримання нового матеріалу – металокераміки, що має унікальні властивості.
• Для того щоб виготовити мікросхеми, використовується лазерний промінь, який сфокусується в одну мізерну точку, що має діаметр порядку мікрона.
• Ще одна чудова властивість лазерного променя – його ідеальна прямота. Це дозволяє використовувати його як найточнішу «лінійку» у будівництві. Також у будівництві та геодезії за допомогою імпульсних лазерів проводять вимірювання великих відстаней на місцевості, засікаючи час, за який світловий імпульс просувається від однієї точки до іншої.

Лазерний зв'язок

Лазери, що з'явилися, вивели на принципово новий рівень техніку зв'язку та запису інформації.

Радіозв'язок, розвиваючись, поступово переходив на все більш короткі довжини хвиль, оскільки було доведено, що високі частоти (з найменшою довжиною хвилі) надають каналу зв'язку найбільшу пропускну здатність. Справжнім проривом стало розуміння того, що світло - це така сама електромагнітна хвиля, просто коротше в десятки тисяч разів. Отже, через лазерний промінь можна передавати обсяг інформації, що в десятки тисяч разів перевищує обсяг, що передається високочастотними радіоканалами. Внаслідок цього було вдосконалено різні види зв'язку по всьому світу.

Також за допомогою променя лазера записуються та відтворюються компакт-диски зі звуками – музикою, та зображеннями – фото та фільмами. Індустрія звукозапису, отримавши такий інструмент, зробила величезний крок уперед.

Застосування лазерів у медицині

Лазерні технології широко застосовуються як у хірургії, так і в терапевтичних цілях.

• Наприклад, завдяки його унікальним можливостям, промінь лазера можна легко ввести крізь очну зіницю і «приварити» сітківку, що відшарувалася, виправити в важкодоступній області очного дна існуючі дефекти.
• У сучасній хірургії при складних операціях використовують лазерний скальпель, який мінімізує пошкодження живих тканин.
• Лазерне випромінювання невеликої потужності прискорює регенерацію пошкоджених тканин. Воно також впливає, за властивостями схоже на акупунктуру, що практикується східною медициною, - лазерна акупунктура.
• У косметології активно використовуються діодні та пікосекундні лазери.

Сучасні наукові дослідження

• Оскільки енергія лазера має високу щільність, а випромінювання - величезну температуру, стають можливими дослідження речовин у такому екстремальному стані, в якому вони існують у розпечених зоряних глибинах.
• Сучасні вчені ставлять собі за мету створити термоядерну реакцію. Для цього лазерними променями необхідно стискати ампулу із сумішшю дейтерію з тритієм (так званий термоядерний синтез).
• Лазер незамінний у генній інженерії та нанотехнологіях (які працюють з об'єктами розміром близько мільйонної частки міліметра – 10 –9 м). За допомогою променів лазера долаються масштабні обмеження - розрізаються, пересуваються і з'єднуються між собою невидимі для ока складові генів, біологічних молекул і нанотехнологічні деталі.
• Лазерні локатори - лідори, що використовуються для досліджень властивостей атмосфери.

Військові лазери

У військових цілях спектр застосування лазерів дуже великий. Наприклад, їх використовують у розвідці — для пошуку цілей та зв'язку. Але все ж таки в першу чергу за допомогою лазерів винаходять і виготовляють нові види зброї. Промені хімічних або ексимерних лазерів наземного або орбітального базування мають колосальну потужність.Вони здатні без особливих зусиль знищувати або виводити з ладу ворожі бойові супутники та літаки під час воєнних дій. Вже сьогодні ведуться розробки та є приклади лазерних пістолетів, якими планується озброювати екіпажі військових орбітальних станцій. І це не сюжет фантастичного фільму, а найновіші наукові розробки!

Лазери в індустрії розваг

Лазери знайшли широке застосування у промисловості розваг. Багато хто знайомий з лазерним шоу: такі вистави часто супроводжують фестивалі, концерти, святкові заходи. Лазерне шоу може бути створене як усередині приміщення, так і на свіжому повітрі. Організатор здатний вибрати обладнання під свої завдання та проектувати зображення будь-якої складності в будь-якому колірному діапазоні.

Так, однією з найяскравіших і наймасштабніших подій, що супроводжувалося лазерним шоу, став концерт знаменитого музиканта Jean-Michel Jarre на Воробйових горах у 1995 році. Він був запрошений Юрієм Лужковим з нагоди відзначення 850-річчя Москви.

Музикант виступав перед будинком МДУ, під час заходу на фасад університету проектувалися фрагменти історії міста.

Але нині лазерним шоу нікого не здивуєш. У Нью-Йорку в листопаді 2012-го з'явилася короткочасна лазерна установка під назвою Global Rainbows - 35-кілометровим лазерним променем у небо. Установка являла собою

пучок із семи потужних лазерних променів всіх кольорів веселки, які могли бути спрямовані як в один бік, так і в різні. Конструкцію було встановлено після того, як на місто обрушився ураган «Сенді» у жовтні 2012 року. Гігантська веселка показувала: місто пережило катастрофу, і його життя продовжується.

Ще одним цікавим прикладом застосування лазера в індустрії розваг став лазерний костюм для вечірок, розроблений тайванським дизайнером Wei-Chieh Shih. Одяг є лазерною установкою і здатна висвітлювати все навколо червоним світлом, генеруючи промені, спрямовані в різні боки.

Лазери у сфері транспорту

Лазери можуть бути корисними і у сфері транспорту. Так, наприклад, у Нідерландах планують запровадити встановлення лазерних випромінювачів на локомотивах поїздів: це дозволить прибирати сміття та опале листя зі шляхів прямо під час руху. Адже всі сторонні предмети, що прилипли до колес, збільшують гальмівний шлях та підвищують ризик катастрофи.

Лазер може бути використаний і при їзді велосипедом. Велосипедні доріжки оснащені далеко не всі вулиці. А у темний час доби автомобілісти можуть не побачити розмітку. У розумних байках з'явилася незвичайна функція: вони можуть проектувати велосипедну доріжку за допомогою лазерної установки. Такий підхід підвищує безпеку: велосипедист стає видимим і для інших учасників дорожнього руху у темну пору доби.

Ще один подібний спосіб застосування лазера запропонували творці інноваційної системи вуличної безпеки Guardian. Сенс розробки — встановлення спеціальних випромінювачів на стовпах біля світлофорів. Коли світиться червоне світло для пішоходів, прохід закритий лазерним променем. Як тільки спалахує зелене, червоне світло закриває шлях автомобілістам. Система спрямована на підвищення безпеки на дорогах: вона працює як психологічний фактор, що стримує.

Лазерні гаджети

Лазер вбудований у деякі сучасні гаджети.Так, наприклад, пристрій Magic Cube здатний проектувати віртуальну клавіатуру на робочий стіл або іншу поверхню. Гаджет орієнтований на користувачів планшетів та смартфонів.

Застосування лазерів у спорті

Цікаве застосування лазера вигадала компанія Nike. Розробка є мобільною установкою, яка може проектувати поля для гри у футбол за допомогою лазерних променів. Майданчик можна створити на будь-якій рівній поверхні - як у місті, так і за його межами.

Висновки

Ми анітрохи не перебільшуємо, коли говоримо, що, з'явившись у середині XX століття, лазери відіграли в нашому житті таку ж значну роль, як електрика та радіо. Лазер проник практично у всі галузі діяльності людини, і якщо раптом вилучити його, то світ перестане бути таким звичним та комфортним. Навіть текст цієї статті, який ви читаєте сьогодні з комп'ютера або смартфона, доступний завдяки напівпровідниковим лазерам, що активно використовуються в новітніх оптичних засобах зв'язку. Без лазерів неможливо уявити комп'ютери, отже, і величезний пласт сучасного життя. Будучи дуже цікаво влаштованим, лазер відкриває перед сучасною наукою нові перспективи розвитку. Властивості його неймовірно багатогранні, і можна сміливо сказати, що лазерний промінь «висвічує» собі шлях абсолютно у всіх сферах людського життя, роблячи його якіснішим і щасливішим!

Поділіться цим із друзями!

Автор HiTecher із 2019 року, редактор, педагог. Має ступінь бакалавра з відзнакою англійської літератури, сертифікат PGCE у кваліфікації викладача PCET. Живе у Саутгемптоні (Великобританія).

Будьте першим, хто залишить коментар

Будь ласка, авторизуйтесь для можливості коментувати