Чем отличается лазер от света

Видео: Преимущества лазерных проекторов

Содержание

Основное отличие — обычный свет против лазерного

И обычный свет, и лазерный свет — это электромагнитные волны. Поэтому оба путешествуют со скоростью света в вакууме. Однако лазерный свет обладает очень важными и уникальными свойствами, которые невозможно увидеть в природе., Обычный свет расходится и некогерентен, в то время как лазерный свет имеет высокую направленность и когерентность. Обычный свет представляет собой смесь электромагнитных волн, имеющих различные длины волн. LСвет на руке, с одной стороны, однотонный. Это главный разница между обычным светом и лазерным светом. Эта статья посвящена различиям между обычным и лазерным излучением.

Что такое обычный свет

Солнечный свет, флуоресцентные лампы и лампы накаливания (вольфрамовые лампы накаливания) являются наиболее полезными обычными источниками света.

Согласно теории, любой объект с температурой выше абсолютного нуля (0 К) испускает электромагнитное излучение. Это основная концепция, используемая в лампах накаливания. Лампа накаливания имеет вольфрамовую нить. Когда колба включена, приложенная разность потенциалов вызывает ускорение электронов. Но эти электроны сталкиваются с атомными ядрами на более коротких расстояниях, так как вольфрам имеет высокое электрическое сопротивление. В результате столкновений электронов с атомными ядрами импульс электронов изменяется, передавая часть своей энергии атомным ядрам. Итак, вольфрамовая нить нагревается. Нагретая нить действует как черное тело и излучает электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Он излучает микроволны, ИК, видимые волны и т. Д. Нам полезна только видимая часть его спектра.

Солнце — это перегретое черное тело. Поэтому он излучает огромное количество энергии в форме электромагнитных волн, охватывающих широкий диапазон частот от радиоволн до гамма-лучей. Кроме того, любое нагретое тело испускает излучение, в том числе световые волны. Длина волны, соответствующая наибольшей интенсивности черного тела при данной температуре, определяется законом смещения Вина. Согласно закону смещения Вина, длина волны, соответствующая наибольшей интенсивности, уменьшается с ростом температуры. При комнатной температуре длина волны, соответствующая наибольшей интенсивности объекта, попадает в ИК область. Тем не менее, длина волны, соответствующая наибольшей интенсивности, может регулироваться путем повышения температуры тела. Но мы не можем остановить излучение электромагнитных волн других частот. Поэтому такие волны не являются монохроматическими.

Обычно все обычные источники света расходятся. Другими словами, обычные источники света испускают электромагнитные волны во всех направлениях случайным образом. Также нет связи между фазами испускаемых фотонов. Таким образом, они являются некогерентными источниками света.

В общем, волны, излучаемые обычными источниками света, являются полихроматическими (волны, имеющие много длин волн).

Что такое лазерный свет

Термин «ЛАЗЕР» является аббревиатурой от LIGHT уточнение по Stimulated Емиссия рadiation.

В целом, большинство атомов в материальной среде остаются в своих основных состояниях, поскольку основные состояния являются наиболее устойчивыми состояниями. Однако небольшой процент атомов существует в возбужденных или более высоких энергетических состояниях. Процентное содержание атомов в более высоких энергетических состояниях зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше атомов существует на данном уровне возбужденной энергии. Возбужденные состояния очень нестабильны. Итак, времена жизни возбужденных состояний очень короткие. Следовательно, возбужденные атомы восстанавливаются до своих основных состояний, немедленно высвобождая свою избыточную энергию в виде фотонов. Эти переходы являются вероятностными и не нуждаются в каких-либо стимулах извне. Никто не может сказать, когда данный возбужденный атом или молекула будет возбуждать. Фаза испускаемых фотонов является случайной, поскольку процесс перехода также является случайным. Проще говоря, излучение является спонтанным, и фотоны, испускаемые, когда происходят переходы, не в фазе (некогерентно).

Однако некоторые материалы имеют более высокие энергетические состояния с большим временем жизни (такие энергетические состояния называются метастабильными состояниями). Следовательно, атом или молекула, переведенная в метастабильное состояние, не сразу возвращается в свое основное состояние. Атомы или молекулы могут быть накачаны до метастабильных состояний путем подачи энергии извне. После накачки до метастабильного состояния они существуют долгое время, не возвращаясь на землю. Таким образом, процент атомов, которые существуют в метастабильном состоянии, может быть в значительной степени увеличен путем перекачки все большего количества атомов или молекул в метастабильное состояние из основного состояния. Эта ситуация полностью противоположна нормальной ситуации. Итак, эта ситуация называется популяционной инверсией.

Тем не менее, атом, который существует в метастабильном состоянии, может быть стимулирован для возбуждения падающим фотоном. Во время перехода новый фотон испускается. Если энергия входящего фотона точно равна разности энергий между метастабильным состоянием и основным состоянием, фаза, направление, энергия и частота новой фотографии будут идентичны энергии падающего фотона. Если материальная среда находится в состоянии инверсии населенности, новый фотон будет стимулировать другой возбужденный атом. Со временем этот процесс станет цепной реакцией, испускающей поток одинаковых фотонов. Они являются когерентными (по фазе), монохроматическими (одноцветные) и направленными (движутся в одном направлении). Это основное лазерное действие.

Уникальные свойства лазерного света, такие как когерентность, направленность и узкий частотный диапазон, являются ключевыми преимуществами, используемыми в лазерных применениях. В зависимости от типа генерирующих сред существует несколько типов лазеров, а именно твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на красителях и полупроводниковые лазеры.

Сегодня лазеры используются во многих различных приложениях, в то время как разрабатывается все больше новых приложений.

Разница между обычным светом и лазерным светом

Природа эмиссии:

Обычный свет спонтанное излучение.

Свет лазера является стимулированным излучением.

Согласованность:

Обычный свет бессвязно. (Фотоны, излучаемые обычным источником света, не в фазе.)

Свет лазера является связным. (Фотоны, излучаемые лазерным источником света, находятся в фазе.)

Направленность:

Обычный свет расходится.

Свет лазера очень направленный.

Монохромный / Полихроматическое:

Обычный свет является полихромным Он охватывает широкий диапазон частот. (Смесь волн, имеющих разные частоты).

Свет лазера является монохроматическим (Охватывает очень узкий диапазон частот.)

Приложения:

Обычный свет используется при освещении небольшой площади. (Там, где расхождение источников света очень важно).

Свет лазера используется в хирургии глаза, удалении татуировок, металлорежущих станках, проигрывателях компакт-дисков, в ядерных термоядерных реакторах, лазерной печати, считывателях штрих-кодов, лазерном охлаждении, голографии, волоконно-оптической связи и т. д.

Фокусировка:

Обычный светне может быть сфокусировано на резкое пятно, так как обычный свет расходится.

Свет лазера может быть сфокусирован на очень резкое пятно, так как лазерный луч очень направленный.

Чем отличается луч лазера от луча лампочки?

Тем, что лампочка, как правило, светит во всех, практически, направлениях (кроме того, с которого к её колбе присоединен цоколь), а лазерный луч характеризуется узкой направленностью, очень тонким, концентрированным пучком он светит.

К тому же, спектр света лампочки, как правило, опять же, видим для человеческого глаза, а вот свет лазера запросто может быть вне видимого диапазона, то есть, быть невидимым глазу.

Луч лазера отличается, во-первых, когерентностью излучения. Это значит, что волны всего диапазона производят колебания синхронно, это свойство света лазера позволяет фокусировать излучение в очень узкий пучок, который не рассеивается на большом расстоянии. И второе, чем отличается свет лазера — это очень узкий диапазон волн, что позволяет использовать лазер в голографии, сделать голограмму для обычного света намного труднее.

Излучение лампочки термодинамически равновесное, то есть распределение мощности по спектру описывается для него формулой Планка. И это излучение широкополосное — в нём присутствуют все возможные длины волн. Конечно о-очень коротких, как и о-очень длинных волн в нём практически нет, но "практически" означает лишь чрезвычайно малую долю, но не нулевую. Нагретая градусов до четырёхсот лампочка кажется совершенно тёмной, но в абсолютно тёмной комнате и дав глазам привыкнуть к темноте можно увидеть, что она всё-таки светится тусклым красным светом.

Излучение лазера не является термодинамически равновесным, и его спектр поэтому формуле Планка не подчиняется. Оно строго монохроматичное. Для хорошего лазера удаётся получить ширину полосы в десятки, а то и в единицы герц — при том, что частота излучения там сотни терагерц.

Как следствие "термодинамичности", излучение лампочки изотропно. То есть оно равномерно распределено по всем возможным направлениям. В частности, поэтому же солнечный диск представляется нам светящимся равномерно (это тоже "лампочка", просто температура повыше, но работает та же формула Планка). Излучение лазера остронаправленное, оно всё, целиком, сосредоточено в пределах очень маленького телесного угла. Величина этого угла зависит от геометрии лазера и от энергии накачки: чем больше отношение длины к ширине у оптического резонатора, в котором и генерируются световые колебания, тем это угол меньше. А чем больше энергия накачки — тем этот угол больше (для лазеров с непрерывным режимом работы; у лазеров с управляемой добротностью нет прямой связи между мощностью накачки и мощностью излучения в импульсе). Строго нулю этот угол равен быть не может, хотя б из того, что свет имеет и волновую природу. Нулевой угол расходимости получится только у лазера с бесконечно широкой выходной апертурой, что вряд ли возможно.

Излучение лампочки, опять же из-за своей термодинамической природы, некогерентное. Это означает, что даже у фотонов одинаковой энергии (= одинаковой длины волны) фазы не согласованы — они совершенно случайные. Лазерное излучение — когерентное. Фазы всех фотонов в нём согласованные (попросту равные). Разница между когерентным и некогерентным излучением примерно как между военным парадом и демонстрацией трудящихся: на параде все дружно печатают шаг, и эти шаги строго одинаковые: все идут в ногу, и глядя на одного солдата, можно сразу сказать, как идут все другие (в каком положении нога у ВСЕХ солдат в любой момент времени). Напротив, демонстранты идут все как бог на душу положит, их шаги "по фазе" (впрочем, кавычки тут необязательны. ) никак не согласованы

Разница между лазером и светом

Основное различие между лазером и светом состоит в том, что лазер называют когерентным, монохроматическим и сильно направленным светом, тогда как свет называют некогерентным и расходящимся из-за смеси электромагнитных волн, содержащих разные длины волн.

Лазер против света

Волны, возникшие из-за колебаний, возникающих между электрическим полем и магнитным полем, называются электромагнитными волнами. И лазер, и свет считаются электромагнитными волнами. По этой причине они движутся в вакууме со скоростью света. Тем не менее, лазерный свет обладает уникальными свойствами, которые невозможно увидеть в природе. Таким образом, считается, что он обладает очень важными свойствами.

Лазер и свет часто используются в физике и считаются двумя важными терминами этой научной дисциплины. Иногда мы принимаем лазер как форму света. Но на самом деле это световое усиление излучений, которые стимулируются во время их излучения. Обычно мы рассматриваем лазер и свет как бегущие фотоны. Оба они по-разному отличаются друг от друга.

Мы в основном различаем лазер и свет с точки зрения когерентности. Предлагается лазер с монохроматическим, когерентным и однонаправленным светом. Свет, присутствующий в обычных лампах накаливания, с другой стороны, излучает фотоны в зависимости от их пути распространения, длины волны и их поляризации. Лазер называется интенсивным светом, тогда как обычный свет не считается интенсивным светом.

Кроме того, принцип, на котором основан лазер, — это стимулированное излучение, при котором фотоны стимулируются, и они испускают фотоны, возвращаясь в свое исходное энергетическое состояние. Свет, с другой стороны, имеет направление движения и целый ряд энергий. Лазер — это тип электромагнитной волны, которая имеет очень специфический цвет. С другой стороны, свет считается типом электромагнитной волны, которая представляет собой сумму всех цветов.

Сравнительная таблица

Лазерный	Свет
Электромагнитная волна, имеющая вынужденное излучение, называется лазерной.	Тип электромагнитной волны, которая имеет спонтанное излучение, называется светом.
Согласованность
Лазер называют когерентной электромагнитной волной.	Свет называют некогерентной электромагнитной волной.
Монохроматический или полихроматический
Лазер называют монохроматической электромагнитной волной.	Свет называют полихроматической электромагнитной волной.
Направленность
Лазер считается сильно направленной электромагнитной волной.	Свет рассматривается как расходящаяся электромагнитная волна.
Диапазон частот
Лазер участвует в покрытии очень узкого диапазона частот.	Свет участвует в покрытии широкого диапазона частот.
Фокусировка
Поскольку лазер сильно направлен, мы можем сфокусировать его на очень четкой точке.	Поскольку свет расходится, мы не можем сфокусировать его на остром месте.
Цвет
Лазер — это электромагнитная волна очень определенного цвета.	Свет — это электромагнитная волна, состоящая из суммы всех цветов.
Интенсивность
Лазер называется интенсивным светом.	Обычный свет не считается интенсивным.
Приложения
Глазная хирургия, металлорежущие станки, CD-плееры, термоядерные реакторы, лазерная печать, удаление татуировок, считыватели штрих-кодов, лазерное охлаждение, голография, оптоволоконная связь и т. Д.	Свет имеет применение при освещении небольшой площади.

Что такое лазер ?

Термин «ЛАЗЕР» является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения». В основном атомы остаются в основном состоянии, потому что это стабильное состояние. Тем не менее, существует также небольшой процент атомов, которые находятся в возбужденном или более высоком энергетическом состоянии. Это температура, от которой зависит процентное содержание атомов в более высоких энергетических состояниях. Число атомов, присутствующих на данном возбужденном энергетическом уровне, увеличивается с увеличением температуры.

Продолжительность жизни возбужденного состояния атомов очень коротка из-за их нестабильности. В результате возбужденные атомы выделяют свою избыточную энергию в виде фотонов и сразу же переводятся в свое основное состояние. Эти переходы не требуют внешнего воздействия и поэтому называются вероятностными переходами. Невозможно оценить время, когда возбужденный атом или молекула выходит из возбуждения. Процесс перехода и испускание фотонов случайны. Можно сказать, что излучение спонтанное, а излучение фотонов при переходах не в фазе (некогерентно).

Тем не менее, некоторые материалы содержат состояния с более высокой энергией и более длительным сроком службы. Эти энергетические состояния называются метастабильными состояниями. Следовательно, атомы или молекулы, находящиеся в этом состоянии, не возвращаются в свое основное состояние немедленно. Мы также можем перекачивать атомы или молекулы в их метастабильные состояния, подавая им энергию извне. Они долго остаются в метастабильном состоянии, не возвращаясь на землю. В результате мы можем значительно увеличить процент атомов в метастабильном состоянии, переведя больше атомов или молекул из основного состояния в метастабильное. Эта ситуация называется инверсией населенности, потому что она полностью противоположна нормальной ситуации.

Однако мы можем стимулировать атом к девозбуждению в метастабильном состоянии с помощью падающего фотона. Во время перехода высвобождается новый фотон. Если энергия падающего фотона в точности равна разнице энергии между основным состоянием и метастабильным состоянием, тогда частота нового фотона, энергия, фаза и направление будут такими же, как и у падающего фотона. фотон. Новый фотон сможет стимулировать другой возбужденный атом, если состояние инверсии населенности является материальной средой. В конечном итоге процесс превратится в цепную реакцию, которая будет отвечать за испускание потока идентичных фотонов.

Излучаемые фотоны бывают монохроматическими (одноцветными), когерентными (синфазными) и направленными. Мы назвали это действие основным действием лазера. Узкий частотный диапазон, когерентность и направленность являются некоторыми уникальными свойствами лазерного света и считаются ключевыми преимуществами, которые используются в лазерных приложениях. В зависимости от типа лазерной среды существуют различные типы лазеров, такие как газовые лазеры, лазеры на красителях, твердотельные лазеры и полупроводниковые лазеры. Мы используем лазеры во многих различных приложениях, и в настоящее время разрабатываются различные новые приложения.

Что такое свет ?

Люминесцентные лампы, лампы накаливания, которые также называют лампами накаливания с вольфрамовой нитью, и, в основном, солнечный свет, являются наиболее полезными источниками обычного света. Согласно теориям, мы узнали, что любой объект, имеющий температуру выше 0K (абсолютный ноль), излучает электромагнитное излучение. Это называется основной концепцией, которая используется в лампах накаливания. В лампе накаливания есть вольфрамовая нить.

Когда мы включаем лампочку, приложенная разность потенциалов позволяет электронам ускоряться. Как мы все знаем, вольфрам имеет высокое электрическое сопротивление, поэтому электроны сталкиваются с атомными ядрами на более коротких пространствах. Из-за столкновений электронов с атомными остовами они участвуют в передаче части своей энергии остовам атомов, поскольку импульс электронов изменяется из-за столкновения. В результате этой передачи энергии вольфрамовая нить нагревается.

Нагретая нить накала участвует в излучении электромагнитных волн, которые покрывают широкий диапазон частот и превращаются в черное тело. Он отвечает за излучение ИК, видимых волн, микроволн и т. Д. Но полезной частью этого спектра является его видимая часть. Солнце называют перегретым черным телом. По этой причине он участвует в излучении огромного количества энергии, которая находится в форме электромагнитных волн и отвечает за охват широкого диапазона частот от радиоволн до гамма-лучей. Предполагается, что любое нагретое тело, излучающее излучение, также испускает световые волны.

При заданной температуре закон смещения Вина дает длину волны, которая соответствует максимальной интенсивности черного тела. Согласно этому закону длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, уменьшается с увеличением температуры. Считается, что длина волны, которая соответствует максимальной интенсивности объекта, попадает в ИК-диапазон при комнатной температуре. Тем не менее, мы можем отрегулировать длину волны, соответствующую максимальной интенсивности, увеличив температуру тела. Но излучение электромагнитных волн других частот не может быть остановлено. По этой причине такие волны не считаются монохроматическими.

Очевидно, что все обычные источники света относятся к расходящимся. Обычно мы можем сказать, что обычные источники света участвуют в случайном излучении электромагнитных волн во всех направлениях. Фазы испускаемых фотонов не имеют никакого отношения. Итак, это источники некогерентного света. Волны, излучаемые обычными источниками света, обычно считаются полихроматическими.

Ключевые отличия

Тип электромагнитной волны, которая имеет вынужденное излучение, называется лазером, тогда как тип электромагнитной волны, которая имеет спонтанное излучение, называется светом.
Лазер называют когерентной электромагнитной волной, потому что фотоны, испускаемые его источником, находятся в фазе, с другой стороны, свет упоминается как некогерентная электромагнитная волна, потому что фотоны, испускаемые его источником, находятся в противофазе.
Лазер называют монохроматической электромагнитной волной. И наоборот, свет называют полихроматической электромагнитной волной.
Лазер называют монохроматической электромагнитной волной; С другой стороны, свет называют полихроматической электромагнитной волной.
Лазер рассматривается как сильно направленная электромагнитная волна; с другой стороны, свет рассматривается как расходящаяся электромагнитная волна.
Лазер участвует в покрытии очень узкого диапазона частот, в то время как свет участвует в покрытии широкого диапазона частот.
Поскольку лазер сильно направлен, мы можем сфокусировать его на очень остром месте, с другой стороны, поскольку свет расходится, мы не можем сфокусировать его на остром месте.
Лазер — это электромагнитная волна, которая имеет очень специфический цвет, тогда как свет — это электромагнитная волна, которая включает в себя сумму всех цветов.
Лазер называется интенсивным светом; С другой стороны, обычный свет не считается интенсивным.
Лазер широко применяется в хирургии глаза, в металлорежущих станках, проигрывателях компакт-дисков, в термоядерных реакторах, лазерной печати, удалении татуировок, считывателях штрих-кодов, в лазерном охлаждении, голографии, в волоконно-оптической связи. и т. д., с другой стороны, свет используется для освещения небольшой площади.

Заключение

Все вышеизложенное приводит к выводу, что и лазер, и свет являются типами электромагнитных волн. Первая называется когерентной электромагнитной волной и имеет вынужденное излучение; с другой стороны, последняя называется некогерентной электромагнитной волной и имеет спонтанное излучение.

Что такое лазер?

Лазер — полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

Лазеры вызывают восторг и неизменно ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства кажутся сверхъестественными, что умело использовали создатели таких популярных блокбастеров, как «Люди X» или «Звездные войны», где джедаи эффектно сражаются на лазерных мечах.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

1-я стадия — выключенный лазер.

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

2-я стадия — момент после включения.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

3-я стадия — возникновение луча.

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Для лазерного излучения необходима так называемая « активная среда » . Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда. Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную « линейку » в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Современные научные исследования

Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10 –9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные. Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч « высвечивает » себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Чем отличается лазер от света