Оптический квантовый генератор

Лазер (лаборатория НАСА)

Ла́зер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «Усиление света с помощью вынужденного излучения») — устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.

Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям. Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников обычно не обладает фиксированной поляризацией. Напротив, монохроматичное излучение лазера когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также определённую поляризацию.

С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10⁻¹⁵ с) с помощью синхронизации мод.

Лазеры созданы на стыке двух наук — квантовой механики и термодинамики, но, фактически, многие типы лазеров были созданы методом проб и ошибок.

Принцип работы и история изобретения

На схеме обозначены:
1. Рабочая среда
2. Энергия накачки лазера
3. Непрозрачное зеркало
4. Полупрозрачное зеркало
5. Лазерный луч

Основная статья: Устройство лазера

Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой, который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.

Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела энергией, подводящейся к нему, например, в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Инверсия электронной населённости также лежит в основе работы мазеров, которые принципиально похожи на лазеры, но работают в микроволновом диапазоне. Первые мазеры были сделаны в 1953—1954 гг. Н. Г. Басовым и А.М. Прохоровым, а также независимо от них американцем Ч. Таунсом и его сотрудниками. В отличие от квантовых генераторов Басова и Прохорова, которые нашли выход в использовании более чем двух энергетических уровней, мазер Таунса не мог работать в постоянном режиме. В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс получили Нобелевскую премию по физике «За основополагающую работу в области квантовой электроники, позволившую создать генераторы и усилители, основанные на принципе мазера и лазера».

Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер вследствие дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом. Например, луч небольшого лабораторного гелий-неонового лазера разойдётся всего примерно на 1,5 километра на расстоянии от Земли до Луны. Конечно, некоторые лазеры, особенно полупроводниковые, благодаря малым размерам, создают сильно расходящийся луч. Однако эту проблему можно решить применением линз.

Влияние дифракции можно обойти, применяя волноводы, в данном случае оптоволоконные линии.

Использование лазеров

Применение лазеров в качестве светового сопровождения музыкальных произведений.

Основная статья: Применение лазеров

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых важных изобретений XX века.

Исключительно широкое использование лазеров в науке и промышленности объясняется их уникальными свойствами — когерентностью, монохроматичностью и возможностью достижения высочайшей плотности мощности излучения. Например, когерентность лазерного луча позволяет сфокусировать его в точку, практически совпадающую по размеру с дифракционным пределом, который для видимого спектра составляет всего несколько сотен нанометров. Это позволяет лазерным записывающим устройствам хранить гигабайты информации на оптических дисках, например, формата лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимовым легированием в режиме удвоения частоты работает на длине волны 532 нм (зелёный участок спектра) и при мощности всего 10 Ватт позволяет достичь энергий порядка нескольких мегаватт на квадратный сантиметр.

Популярные заблуждения

Современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно так же, как лучи солнца видны в запыленной атмосфере или в тумане. Однако лучи очень высокой мощности все же могут быть видны в чистом воздухе благодаря рэлеевскому или рамановскому рассеянию.

Кроме того, в фантастических фильмах луч распространяется довольно медленно, так что его движение можно проследить глазом, совсем как трассирующий снаряд^[1]. На самом деле, луч лазера распространяется со скоростью света и мы должны увидеть его сразу по всей длине.

Ещё пример — во многих фильмах герой обнаруживает и обходит контур лазерной защиты, распыляя какое-либо вещество в воздухе. На самом деле, инфракрасные лазерные диоды сделать проще и дешевле, чем излучающие видимый свет. Именно поэтому использовать лазеры с видимым излучением в охранных системах совершенно бессмысленно.

В кинофильмах лазер, как правило, способен резать любые материалы, при этом не используя какой-либо защиты для глаз. В реальности же мощности отражённого луча, взрезающего стальные двери, вполне достаточно, чтобы повредить сетчатку глаза взломщика, не надевшего защитные очки.

Безопасность лазеров

Даже маломощные лазеры (с выходной мощностью несколько милливатт) могут быть опасны для зрения. Для видимых длин волн (400—700 нм), которые хорошо пропускаются и фокусируются хрусталиком, попадание лазерного луча в глаз, даже на несколько секунд, может привести к частичной или даже полной потере зрения. А лазеры большей мощности могут приводить даже к повреждению кожных покровов.

Лазеры делятся на 4 класса безопасности, от 1 — практически безопасный, до 4, у которого даже рассеянный луч может стать причиной ожога глаза или кожи.

• 

  Наклейка на CD-рекордере, предупреждающая об использовании в устройстве полупроводникового лазера Класс 1
  Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать уровень мощности, превышающий максимально разрешённое облучение. Лазеры и лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому глазу.

• Класс 2. Маломощные лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы.

• Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп).

• Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча.

• 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 воспламеняющие и горючие материалы.

Классификация лазеров

Основная статья: Виды лазеров

• Газовые лазеры
  • Гелий-неоновые лазеры (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 мкм, 3,39 мкм)
  • Аргоновые лазеры (458 нм, 488 нм или 514,5 нм)непрерывный газовый лазер, который способен излучать свет в различных длинах волн синего и зеленого диапазонов.
• Молекулярные лазеры
  • Лазеры на углекислом газе (9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для резки и сварки материалов, имеют мощность до 100 кВт
  • Лазеры на монооксиде углерода. Требуют дополнительного охлаждения, однако имеют большую мощность — до 500 кВт
  • Эксимерные газовые лазеры, дающие ультрафиолетовое излучение. Используются при производстве микросхем(фотолитография) и в установках коррекции зрения. F₂ (157 нм), ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм)
• Твердотельные лазеры
  • рубиновые (694 нм), александритовые (755 нм), Nd:YAG (1064 нм), Ho:YAG (2090 нм), Er:YAG (2940 нм). Используются в медицине.
  • Алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG) — инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов
  • Кристаллические лазеры с иттербиевым легированием, такие как Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, или на основе иттербиевого стекловолокна; обычно работают в диапазоне 1020—1050 нм; потенциально самые высокоэффективные благодаря малому квантовому дефекту; наибольшая мощность сверхкоротких импульсов достигнута на Yb:YAG-лазере. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт)
  • алюмо-иттриевые с эрбиевым легированием, 1645 нм
  • алюмо-иттриевые с тулиевым легированием, 2015 нм
  • алюмо-иттриевые с гольмиевым легированием, 2096 нм, Эффективный ИК-лазер, излучение поглощается влажными материалами толщиной менее 1 мм. Обычно работает в импульсном режиме и используется в медицине.
  • Титан-сапфировые лазеры. Хорошо перестраиваемый по длине волны инфракрасный лазер, используемый для генерации сверхкоротких импульсов и в спектроскопии
  • Лазеры на эрбиевом стекле, изготавливаются из специального оптоволокна и используются как усилители в оптических линиях связи.
  • Микрочиповые лазеры. Компактные интегрированные импульсные твердотельные лазеры, наиболее широко используются в сверхъярких лазерных указках
• 

  Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера

  полупроводниковые лазерные диоды

  • Самый распространенный тип лазеров: используются в лазерных указках, лазерных принтерах, телекоммуникациях и оптических носителях информации(CD/DVD). Мощные лазерные диоды используются для накачки современных твердотельных лазеров.
• Лазеры с внешним резонатором (External-cavity lasers), используются для создания высокоэнергетических импульсов
• Лазеры на красителях Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор органических красителей в этиловом спирте или этиленгликоле. Позволяют осуществлять пререстройку длины волны излучения в диапазоне от 350 нм до 850 нм (в зависимости от типа красителя). Применение — спектроскопия, медицина (в том числе фотодинамическая терапия), фотохимия.
• Лазеры с квантовым каскадом
• Лазеры на свободных электронах
• Лазер с солнечным возбуждением
• Волоконные лазеры

Расшифровка обозначений

• YAG — алюмо-иттриевый гранат
• KGW — калий-гадолиниевый вольфрамат
• YLiF — фторид иттрия-лития

См. также

• Применение лазеров
• Устройство лазера
• Виды лазеров
• Лазерный гироскоп
• Мазер
• Лазерная указка
• AMPL (конференция)
• Лазерный целеуказатель
• Квантовая электроника

Ссылки

• Длины волн распространённых лазеров
• Лазерные системы отвода тепла
• Sam's Laser FAQ (на английском языке)
• История изобретения Лазера
• Обзор технологий где используется лазер

Примечания