Все о Лазерах
Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего. А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру
А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.
Почему лазеры опасны
Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась. Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения. И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё. Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог.
Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения. Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер.
Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров.
Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера. Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» — смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение.
Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны.
PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил 😉
650нм – красный
Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше). На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше). Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» — но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус. Шарики, картон, серая бумага…
Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» — настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус — то что нужно для роботов, автоматики.
И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат — я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»).
Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод.
В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.
Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (
10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.
Самая простая схема с резистором описанная в предыдущей статье – лишь чуть-чуть проще, но с ней убить диод элементарно. Дело в том, что в таком случае ток/мощность через лазерный диод будет сильно зависеть от температуры. Если например при 20C у вас получился ток 50мА и диод не сгорает, а потом во время работы диод нагреется до 80С, ток возрастет (такие они коварные, эти полупроводники), и достигнув допустим 120мА диод начинает светить уже только черным светом. Т.е. такую схему все-таки можно использовать, если оставить по меньшей мере трех-четырехкратный запас по мощности.
И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) — любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.
А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко 
532нм – зеленый
Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги. Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны — от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.
Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый). Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.
Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется — и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт.
Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.
405нм – фиолетовый
Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е. пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение. Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело. Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться 😉
780нм – инфракрасный
Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого. Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.
Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки — 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.
10мкм – инфракрасный, CO2
Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W — рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания. Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).
Применения лазеров
В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно. Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на YouTube – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.
Из более серьёзного — целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен
Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый 🙂 (ну и 200мВт красный, если хочется жечь)
Лазерное излучение — красный и зеленый лазер, безопасность лазеров
Лазер — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что дословно переводится «усиление света посредством вынужденного излучения» — это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока излучения.
Существует большое количество различных типов лазеров. Их можно разделять на группы по источнику накачки, рабочему телу, области применения. Т.к. в данной статье лазеры будут рассмотрены в контексте безопасности работы с лазерными нивелирами и дальномерами, то внимание будет обращено на такие параметры, как рабочая длина волны (нм) и мощность излучения (мВт).
Длина волны, если она находится в видимом диапазоне, обуславливает цвет лазерного луча. Мощность излучения обуславливает яркость луча, те или иные возможности (прицеливание, демонстрация оптических эффектов, считывание штрих-кодов, резка и сварка материалов, лазерная хирургия, накачка других лазеров).
Излучение в лазерных нивелирах и дальномерах работает как обычная лазерная указка — портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. Изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Мощность их излучения не превышает 1,0 мВт.
Лазерное излучение представляет существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка, что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.
Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.
| Класс 1 Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. К классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса |
| Класс 2 Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 мВт |
| Класс 2a Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено |
| Класс 3a Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 мВт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования |
| Класс 3b Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 мВт |
| Класс 4 Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами ( < 0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы |
Требования к конструкции и техническим характеристикам, правила безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории Республики Беларусь регламентируются СанПиН 2.2.4.13-2-2006 «Лазерное излучение и гигиенические требования при эксплуатации лазерных изделий» и СТБ IEC 60825-1-2011 «Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования» — национальный стандартом Республики Беларусь, который является идентичным международному стандарту IEC.
Значительная часть производимой в мире лазерной техники выпускается и маркируется в соответствие с нормами, опубликованными американской организацией «Center for Devices and Radiological Health» (CDRH).
Лазерные нивелиры и дальномеры являются лазером класса 2 в соответствии с данной классификацией, что позволяет использовать их выполняя следующие меры предосторожности:
— не смотрите на лазерный луч, лазерный луч может повредить глаза, даже если Вы смотрите на него с большого расстояния;
— не направляйте лазерный луч на людей и животных;
— лазер должен быть установлен выше уровня глаз;
— используйте прибор только для замеров;
— не вскрывайте прибор;
— держите прибор в недоступном для детей месте;
— не используйте прибор вблизи взрывоопасных веществ.
 | Когда в 2007 году у производителей появилась возможность использовать зеленые диоды, то все думали, что зеленый лазер неминуемо в скорости полностью заменит красный. Прошло 7 лет, и что же мы видим? У редких производителей среди всей линейки остались 1-2 модели с зеленым лазером. Зеленому лазеру не удалось сместить лазер красный. Возможно, он не дал того эффекта, которого от него ждали. Чтобы разобраться, необходимо обратиться к физической стороне вопроса и выяснить, в чем различия и сходства красного и зеленого луча. |
Устроены зеленые лучи более сложно: первый лазер, инфракрасный, длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — и получается 532 нм.
 | Главный плюс зеленых лазеров – 532 нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка или плоскость, так и сам луч очень хорошо видны. Даже 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на фото). Однако у зеленых лазеров есть и большая опасность. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же, как и зеленое и представляет основную опасность при попадании в глаз на большой дистанции, тогда как излучение 808 нм сильно расфокусировано и опасно только на расстоянии нескольких метров. Иными словами, поражающая способность зеленого лазера для глаза намного больше, чем кажется. |
В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но это значительно увеличивает цену прибора, значит может присутствовать только в дорогих моделях. Так же стоит заметить, что зеленые диоды, устройства которые излучают зеленый луч, значительно дороже при производстве (в несколько раз по причине большего числа брака по сравнению с красным). А рабочий ресурс зеленого диода значительно ниже. Суммарно это отражается на конечной стоимости нивелира лазерного. В итоге получается следующая картина. Нивелир лазерный с зеленым лучом строит проекции, которые лучше видны, ресурс такого прибора ниже, стоимость выше (порой у один производитель за одинаковые модели отличающиеся лишь лазером выставляет цену отличающуюся в 1,5-2 раза).
Следует отметить, что по заявленным производителями нивелиров характеристикам мощность такого лазера до 2,7 мВт (у красного до 1,0 мВт), а безопасность по классу 3 (у красного 2).
Подведем итог, зеленый цвет лазера действительно лучше виден в условиях дневного света, чем красный, но нельзя забывать о том, что он значительно небезопаснее и неоправданно дорог.
Свойства лазерного излучения
Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.
Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.
Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.
Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.
Физические свойства излучения
- Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
- Когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний.
- Поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
- Направленность — малая расходимость потока излучения.
Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.
Длина волны лазера
Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).
Частота импульсов лазера
Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.
Мощность лазера
Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.
Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.
Длина волны лазерного излучения
Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.
Спектр лазерного излучения (цвет лазера)
Ультрафиолетовый диапазон
- От 180 до 400 нм.
Видимый спектр
- Фиолетовый 400-450 нм.
- Синий 450-480 нм.
- Голубой 480-510 нм.
- Зелёный 510-575 нм.
- Жёлтый 575-585 нм.
- Оранжевый 585-620 нм.
- Красный 620-760 нм.
Инфракрасный диапазон
- Ближняя область 760 нм -15 мкм.
- Дальняя область 15-30 мкм.
В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.
Многообразие лазеров, часть 1.
Аббревиатура LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет вынужденного излучения. В этой статье мы поговорим о том, как лазеры устроены, и о том, что влияет на одну из основных характеристик лазера – его длину волны, а во второй части рассмотрим всевозможные типы лазеров и узнаем, каковы их длины волн и где они применяются.
История лазеров началась с предсказания Эйнштейном в 1916 году эффекта вынужденного излучения. О том, что это такое мы поговорим чуть позже. К 1928 году этот эффект был подтвержден на практике, а к 1940 родилась идея использовать его для усиления света. В 1954 году Басов, Прохоров и Таунс создали первый мазер, работающий на том же принципе, что и лазер, но излучающий волны микроволнового диапазона (отсюда и буква М в его названии). Первый же лазер как таковой (излучающий вблизи оптического диапазона, конкретно в этом случае – на длине волны 0.694 мкм) был создан в 1960 году Мейманом. Это был твердотельный лазер на рубине с оптической накачкой с помощью газоразрядной лампы.
На сегодняшний день лазеры работают в суммарном диапазоне длин волн от долей ангстрема (лазеры на свободных электронах) до десятков микрометров (например, CO2 лазер излучает на длине волны 10.6 мкм), что многократно превышает видимый спектр, составляющий всего от 0.38 до 0.74 мкм. Однако, существующие лазеры не полностью заполняют весь этот промежуток.
Устройство лазера
Чем же лазер отличается от обычного источника света, например, газоразрядной лампы? Принципиальных различия два: во-первых, лазер, в отличии от лампы, излучает очень узкие линии (рекорд, если не ошибаюсь, составляет ширину линии в сотые доли Герца на фоне 10^15 Герц несущей), а во-вторых, он излучает волны высокой когерентности.
Необходимо остановиться на этих двух понятиях – спектре и когерентности.
Электромагнитный спектр – это распределение энергии электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.
На следующих изображениях показаны спектры излучения солнца, ртутной лампы и гелий-неонового лазера. Видно, насколько сильно они различаются – практически сплошной спектр у Солнца (лишь несколько изрезанный), множество линий у ртутной лампы и одна-единственная узкая линия у лазера.
Спектр излучения Солнца.
Спектр излучения ртутной лампы.
Спектр излучения гелий-неонового лазера.
Когерентность излучаемого света означает, что электромагнитные колебания в разных точках лазерного пучка (как по пространству, так и по времени) происходят взаимосвязано, с постоянной разницей фаз. Наличие когерентности приводит к наблюдению такого явления как интерференция, когда складываются амплитуды волны, а не их интенсивности (пропорциональные квадрату амплитуды), как это происходит с некогерентным светом. При интерференции волны могут как усиливать, так и гасить друг друга – это, в частности, проявляется в виде интерференционных полос, появляющихся в плоскости интерференции. Энергия при этом, разумеется, никуда не пропадает (при гашении) и не появляется из ниоткуда (при усилении) – она перераспределяется между областями максимумов и минимумов когерентности.
Типов лазеров великое множество: газовые, твердотельные, волоконные, жидкостные, на парах металлов, на свободных электронах, полупроводниковые, на центрах окраски, газодинамические, эксимерные, химические и даже лазеры с накачкой ядерным взрывом.
Но все они построены по одному и тому же принципу генератора — усилителя с положительной обратной связью. В качестве усилителя работает так называемая активная среда лазера — рабочее тело, в котором создана инверсия населенности, а в качестве положительной обратной связи используется система зеркал (в основной массе), образующая резонатор. Энергию в активную среду передает система накачки.
По сути, свет, зародившийся в активной среде выходит из нее, частично отражается зеркалами резонатора обратно, вновь проходит через активную среду, где усиливается, снова выходит из нее и отражается обратно, и так до бесконечности. В конце концов, лазер (непрерывный) выходит на установившийся режим, при котором усиление равно потерям – сколько энергии за один обход светом выходит резонатора из лазера, столько же энергии добавляется в свет за один проход через активную среду.
Усиление света.
Основной процесс, приводящий к усилению света в лазерах, называется вынужденным излучением. Его суть в следующем.
Существует среда, в которой какая-то доля атомов находится в возбужденном состоянии (на т.н. верхнем лазерном уровне), при этом в атоме (или молекуле) существует еще один, более низкий уровень энергии (нижний лазерный уровень), на который электрон способен перейти с излучением кванта света (т.н. разрешенный переход). Если в такую среду снаружи прилетает квант света, имеющий ту же энергию, что и разница энергий между этими уровнями, то существует вероятность, что один из возбужденных электронов «свалится» с верхнего лазерного уровня на нижний за счет «взаимодействия» с налетающим фотоном, при этом он излучит еще один квант света, имеющий ту же энергию, что и налетающий фотон (и равную разнице энергий между уровнями), и будет с ним когерентен (т.е. разница фаз их колебаний остается постоянной). Слово «взаимодействие» я взял в кавычки, так как в этом процессе налетающий фотон никак не изменяется. В этом месте можно привести цитату из учебника Нагибиной Ирины, которую из года в год закрашивали в старых учебниках: «и фотоны, как груши, падающие с дерева, увлекают друг друга в полёт».
Существует и другой процесс, с которого стартует излучение лазера – спонтанное изучение, при котором электроны сваливаются с верхнего лазерного уровня на нижний самопроизвольно, излучая фотон со случайной фазой.
Процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучения.
Активная среда.
Усиление света происходит в активной среде – веществе, в котором создана инверсия населенностей. Населенность означает доли атомов, находящихся на тех или иных уровнях энергии. В тепловом равновесии населенность распределяется по закону Больцмана, т.е. чем выше энергия уровня, тем экспоненциально меньше атомов находится на нем. При инверсии населенностей с помощью внешнего источника энергии создается обратная ситуация – на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем.
Распределение атомов при тепловом равновесии и инверсии населенностей.
Именно активная среда в основном определяет, какую длину волны будет иметь лазер. У каждой активной среды имеется спектр люминесценции, т.е. излучения света, энергия для которого получена с помощью внешнего источника (накачки) – электричества, другого света, химического возбуждения или, например, резкого расширения газа в газодинамических лазерах.
Спектр люминесценции рубина.
Резонатор в лазере выполняет сразу две функции – создание положительной обратной связи и частотной селекции.
Простейший резонатор образован парой зеркал. Обычно одно из них полностью отражающее, а второе – частично отражающее и частично пропускающее (прошедшее излучение и есть выходное). Свет, отражаясь от зеркал резонатора попадает обратно в активную среду, где далее усиливается. Так реализуется положительная обратная связь.
Резонатор назван так, поскольку в нем происходит резонанс – сложение волн одной частоты, при котором они усиливают друг друга. Резонатор обладает своим собственным спектром длин волн, которые в резонаторе складываются конструктивно. Волны, не попадающие в спектр резонатора, гасят сами себя. При этом этот спектр является бесконечным числом равноотстоящих линий. Так как одно из зеркал резонатора частично прозрачно, то эти линии не бесконечно узкие, а имеют некоторую ширину.
Спектр лазерного резонатора накладывается на спектр люминесценции активной среды, и происходит частотная селекция – выбор узкой полосы излучения (с шириной, обычно равной ширине линии резонатора) из всего (довольно широкого) спектра люминесценции активной среды. При этом в генерацию вылезает та из линий резонатора, которая соответствует наибольшей величине люминесценции. Иногда линий, имеющих одинаковое усиление несколько, и тогда между ними начинается конкуренция, и энергия постепенно перераспределяется между ними.
Наложение спектра резонатора на спектр люминесценции.
Управление длиной волны
Как мы выяснили, длина волны излучения определяется, во-первых, активной средой лазера, а во-вторых – его резонатором. Однако, существуют методы управления длиной волны.
Самым простым видом управления длиной волны является установка внутри резонатора дополнительных фильтров, которые изменяют его частотный спектр – например, с помощью поглощения света с ненужными длинами волн. При этом для отфильтрованных длин волн возрастают потери, и доминирующими линиями генерации становятся другие.
Основные типы таких фильтров – это, разумеется, поглощающие вещества (например, ячейка с газом). Следующим типом фильтра является дифракционная решетка – пластинка, на которой с некоторой периодичностью нанесены отражающие штрихи. В зависимости от угла падения света на пластинку она отражает обратно ту или иную длину волны, все прочие же уходят в сторону и не возвращаются в активную среду. Аналогичным образом используется и призма. Наконец, в некоторых резонаторах устанавливают специальный прибор – интерферометр. За счет эффекта интерференции он отфильтровывает определённый набор длин волн, внося в резонатор дополнительные потери, распределенные по основному спектру резонатора. Простейшим из таких приборов является плоскопараллельная пластинка, расположенная под углом к направлению распространения света.
Лазер с дифракционной решеткой.
Другим способом управления длиной волны является метод преобразования частоты излучения (или деления длины волны, что одно и то же). При этом в лазере устанавливается дополнительный элемент, осуществляющий это преобразование – специальный нелинейный кристалл (такой, в котором взаимодействие вещества со светом нелинейно зависит от поля, например, кристалл KDP).
Самая частая используемая разновидность такого явления это т.н. генерация второй (или более высоких) гармоники, при которой частота излучения удваивается (длина волны уменьшается в два раза). Электромагнитное поле, возникающее в кристалле и переизлучающееся в свет при этом пропорционально квадрату поля падающего света, что приводит к появлению компоненты с удвоенной частотой (квадрат синуса, описывающего волну, представляется как сумма постоянной величины и величины, колеблющейся на удвоенной частоте). Такие кристаллы установлены, например, в китайских зеленых лазерных указках. Вообще говоря, это поистине hi-tech устройство: такая указка является полноценным твердотельным лазером с продольной диодной накачкой и генерацией второй гармоники. В излучении таких указок можно найти как компоненту, собственно, зеленого цвета (0.53 мкм), так и остаточное излучение основной гармоники (1.06 мкм), и излучение диодного лазера накачки (0.808 мкм).
В нелинейных кристаллах так же возможна генерация суммарной (или разностной) частоты. Происходит это, опять же, благодаря нелинейным явлениям. При этом из двух взаимодействующих в кристалле фотонов возникает один, с частотой, являющейся суммой частот исходных фотонов. Такой подход позволяет заполнить лазерным излучением ультрафиолетовый диапазон, в котором обычных лазерных источников практически не существует.
Плавная перестройка частоты в некотором пределе возможна благодаря параметрическому усилению света в нелинейных кристаллах (явление основано на генерации суммарной и разностных частот). При этом сам нелинейный кристалл накачивается интенсивным светом какой-либо длины волны (генерируемой лазером), а этот свет внутри него преобразуется в две (или более) волн другой длины, свет которых гуляет по дополнительному резонатору. Таким образом получаются как бы два лазера внутри одного. При этом перестройка по длине волны осуществляется путем поворота или нагрева кристалла, что меняет условия нелинейного взаимодействия для разных длин волн за счет зависимости коэффициента преломления кристалла от угла и температуры.
6.7K постов 73.1K подписчика
Правила сообщества
ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.
Основные условия публикации
— Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.
— Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.
— Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.
— Видеоматериалы должны иметь описание.
— Названия должны отражать суть исследования.
— Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.
Не принимаются к публикации
— Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.
— Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.
— Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.
Наказывается баном
— Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.
— Попытки использовать сообщество для рекламы.
— Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.
— Нарушение правил сайта в целом.
Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.
Тяжело читать, как будто на лекции сижу. Куча параметров лазера, при этом ни слова о том, где, какие, и почему применяются. Почему важно было достичь какой-то определенной характеристики, зачем использовать лазеры с таким широким спектром (далеко за пределами человеческого восприятия). Вобщем, нужно больше уклона в стиль канала Discovery и чуть меньше сухой теории — тогда плюсов будет больше.
Правда ли, что чтение с экрана портит зрение?
Распространено мнение, что чтение с компьютера, планшета или смартфона ухудшает зрение и ведёт к близорукости. Мы решили проверить, есть ли научные подтверждения этой точки зрения.
(Для ЛЛ: нет никаких доказательств того, что чтение с экранов портит зрение сильнее, чем чтение с бумажных носителей)
Для начала попробуем разобраться, чем отличается с точки зрения физики чтение с бумажного и электронного носителя. Как известно из школьных уроков, видимым предмет становится тогда, когда он отражает или испускает элементарные частицы света — фотоны, которые попадают на светочувствительные клетки сетчатки, а от них сигнал по цепочке нейронов доходит до мозга. Фотоны от солнца или искусственного источника освещения попадают на книжный лист, чёрные буквы фотоны поглощают, а белые промежутки отражают их прямо нам на сетчатку. С точки зрения физики правильнее было бы даже говорить не столько «я вижу буквы», а скорее «я не вижу буквы, а вижу промежутки между ними». В случае с электронным носителем отражённый свет нам не обязателен, встроенная подсветка экрана сама испускает необходимое количество фотонов, чтобы мы могли воспринимать текст или изображение.
При недостаточности освещения человеческий глаз имеет возможности для адаптации. Когда мы пытаемся рассмотреть что-то в сумерках, наш зрачок расширяется, чтобы большее количество света попадало на сетчатку. При возвращении более яркого освещения зрачок сужается. Если же силами организма достаточной яркости достичь не удалось, мы используем внешние возможности регулировки: подстраиваем освещение под потребности нашего зрения (включаем более яркий свет, пересаживаемся ближе к источнику света), а в случае с электронным носителем регулируем мощность подсветки. Важно отметить, что опасение, будто чтение при недостаточном освещении навредит зрению, абсолютно беспочвенно. По меткой аналогии нью-йоркского офтальмолога Ричарда Розена, «это всё равно что сказать, будто фотографирование при плохом освещении повредит ваш фотоаппарат».
Самым крупным исследованием влияния чтения с экранов на зрение, пожалуй, можно назвать труд учёных из Университета штата Огайо. В 1989 году они отобрали 4512 детей в возрасте от 6 до 13 лет разных этнических групп без признаков близорукости и на протяжении 21 года наблюдали за их зрением. При разработке дизайна исследования среди потенциальных факторов риска учёные выделили время, проводимое за экраном телевизора, а позже и компьютера. Исследование показало, что этот фактор в итоге не сыграл значимой роли в развитии близорукости, в отличие от, например, такого неочевидного на первый взгляд параметра, как время игр на свежем воздухе. Карла Задник, руководитель этого исследования, подчёркивает, что «несмотря на то, что время, проведённое у экрана, считалось важным фактором в развитии близорукости на протяжении почти 100 лет, наша большая и этнически репрезентативная выборка не продемонстрировала никакой связи». С Задник согласен её коллега, доктор Дональд Мутти: «Нет убедительных доказательств того, что работа за компьютером увеличивает риск возникновения или прогрессирования близорукости у взрослых по сравнению с другими формами работы, связанными с напряжением зрения».
Однако некоторая связь между количеством времени, проводимым за чтением, и развитием близорукости существует. Ухудшение зрения вследствие длительной работы за монитором вызывается тем, что многие не соблюдают правила безопасной работы вблизи, а именно пренебрегают необходимым расстоянием между текстом и глазами и не делают необходимых пауз для отдыха глаз. Самым важным правилом офтальмологи называют «правило 20–20–20»: каждые 20 минут работы необходимо делать перерыв и на протяжении 20 секунд переводить взгляд на объект, находящийся на расстоянии 20 футов (около 6 м). Соблюдая его, мы даём глазам необходимый отдых и можем продолжать работу, не испытывая неприятных симптомов и не нанося вред своему зрению. Пренебрежением этим правилом, скорее всего, и объясняется «экранная близорукость» пациентов доктора Дэвида Алламби.
Интересно также отметить: в 2019 году учёные пришли к выводу, что чтение белых букв с чёрного фона стимулирует необычные для нашего глаза пути передачи информации и представляет собой профилактику появления близорукости, в отличие от стандартного чтения чёрных букв с белого фона. Стоит также упомянуть наблюдение японских учёных: жевание жевательной резинки во время напряжённого чтения с экрана, задействуя различные мышцы лица, снижает такие симптомы усталости глаз, как сухость, ощущение песка в глазах, двоение и боль.
Таким образом, нет никаких доказательств того, что чтение с экрана компьютера, планшета или смартфона сильнее портит зрение, чем чтение с бумажного носителя. Однако важно помнить, что вне зависимости от того, книга перед вами или мобильный телефон, следует соблюдать некоторые правила безопасной работы и, возможно, следуя советам японских учёных, расслаблять мышцы лица, параллельно с чтением жуя жевательную резинку.