Лазер
-
История и терминология
- Лазер был создан в 1960 году Теодором Мейманом.
- Слово «лазер» происходит от аббревиатуры «усиление света путем вынужденного испускания излучения».
- Лазеры отличаются когерентным светом, что позволяет использовать их в различных областях.
-
Физические основы
- Лазеры работают на основе вынужденного излучения, когда фотон вызывает испускание фотона атомом.
- Лазеры используют активную лазерную среду, которая остается возбужденной длительное время.
- Лазеры характеризуются пространственной и временной когерентностью.
-
Конструкция и принцип работы
- Лазер состоит из усиливающей среды, механизма подачи энергии и устройства обратной связи.
- Обратная связь позволяет усиливать свет на пике кривой зависимости усиления от частоты.
- Лазеры используют накачку для обеспечения энергии усиливающей среде.
-
Применение лазеров
- Лазеры используются в оптической связи, лазерной резке, литографии, лазерной хирургии и других областях.
- Полупроводниковые лазеры используются в автомобильных фарах и других устройствах.
-
Лазерная физика
- Лазеры основаны на квантово-механических эффектах, которые заставляют электроны занимать дискретные энергетические уровни.
- Лазеры могут быть одномодовыми или многомодовыми, в зависимости от длины волны и свойств излучения.
-
Механизм поглощения и излучения света
- Фотоны с правильной длиной волны могут заставить электрон перейти на более высокий энергетический уровень.
- Электрон, переходя на более высокий уровень, испускает фотон с энергией ΔE.
- Спонтанное излучение происходит, когда электрон переходит на более низкий уровень, испуская фотон с той же длиной волны.
-
Усиливающая среда и полость
- Усиливающая среда приводится в возбужденное состояние внешним источником энергии.
- Усиливающая среда поглощает энергию накачки и переводит электроны в возбужденные состояния.
- В инверсном населенности состоянии скорость вынужденного излучения больше, чем поглощения, что усиливает свет.
-
Оптический резонатор
- Резонатор состоит из двух зеркал, которые многократно отражают свет через усиливающую среду.
- Коэффициент усиления среды уменьшается с увеличением мощности луча, достигая насыщения.
- Лазерное излучение имеет когерентность и монохроматичность благодаря резонатору.
-
Излучаемый свет
- Генерация начинается со спонтанного излучения, которое затем усиливается стимулированным излучением.
- Стимулированное излучение создает свет, соответствующий входному сигналу по направлению, длине волны и поляризации.
- Лазерный луч имеет узкую ширину линии и может быть аппроксимирован гауссовым лучом.
-
Режимы работы лазеров
- Лазеры могут работать в непрерывном или импульсном режиме.
- Лазеры с непрерывным излучением (CW) имеют постоянную выходную мощность.
- Лазеры с импульсным режимом могут быть модулированы для создания световых импульсов.
-
Режимы работы лазеров
- Лазеры могут работать в нескольких продольных режимах одновременно.
- Колебания между частотами вызывают изменения амплитуды.
- Непрерывноволновые лазеры стабильны при усреднении, но не подходят для синхронизации режимов.
-
Импульсный режим
- Импульсный режим требует постоянного пополнения инверсии населенности.
- Некоторые лазеры не могут работать в непрерывном режиме.
- Импульсы могут быть короткими для достижения высокой пиковой мощности.
-
Модуляция добротности
- Лазеры с модуляцией добротности усиливают инверсию населенности за счет потерь.
- После накопления энергии потери удаляются, вызывая короткий импульс.
-
Блокировка режима
- Лазеры с синхронизацией режимов генерируют короткие импульсы.
- Импульсы повторяются за время прохождения света между зеркалами.
- Такие лазеры используются в фемтосекундной физике и химии.
-
Импульсная накачка
- Импульсная накачка используется для лазеров с коротким временем жизни молекул.
- Импульсная накачка также требуется для трехуровневых лазеров.
-
История лазеров
- Альберт Эйнштейн заложил основы в 1917 году.
- В 1950 году Альфред Кастлер предложил метод оптической накачки.
- В 1953 году Чарльз Таунс создал первый микроволновый усилитель.
- В 1955 году Николай Басов и Александр Прохоров предложили оптическую накачку.
- В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию за работы в области квантовой электроники.
-
Лазеры и мазеры
- В 1957 году Таунс и Шаулоу начали изучать оптические мазеры.
- В 1958 году Bell Labs подала заявку на патент на оптический мазер.
- В том же году Прохоров предложил использовать открытый резонатор.
-
История лазера
- Гордон Гулд впервые использовал аббревиатуру «ЛАЗЕР» в 1959 году.
- Гулд подал заявку на патент, но получил отказ.
- В 1960 году Теодор Мейман использовал первый действующий лазер.
-
Развитие лазеров
- В 1962 году Роберт Холл продемонстрировал первый полупроводниковый лазер.
- В 1970 году Жорес Алферов и другие разработали диодные лазеры.
- В 2015 году создан белый лазер с модулированным светом.
-
Типы лазеров
- Газовые лазеры: HeNe, CO2, аргон-ионные, TEA, лазеры на ионах металлов.
- Химические лазеры: фтористый водород, фтористый дейтерий.
- Эксимерные лазеры: ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF.
- Твердотельные лазеры: рубиновый лазер, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:YAG, Yb:YAG.
-
Современные инновации
- В 2017 году создан микроволновый лазер на джозефсоновском переходе.
- В 2017 году продемонстрирован самый маленький лазер с синхронизацией мод.
- В 2017 году установлен мировой рекорд по ширине линии волоконного лазера.
-
Лазеры Ho-YAG
- Используются в хирургии для восстановления суставов, удаления гнили с зубов и измельчения камней
- Работают в импульсном режиме
-
Лазеры на тонких дисках
- Используют усиливающую среду тоньше диаметра пучка накачки
- Генерируют лучи мощностью до одного киловатта
-
Волоконные лазеры
- Свет направляется за счет полного внутреннего отражения в оптическом волокне
- Обеспечивают большие области усиления и эффективное охлаждение
- Используют ионы эрбия и иттербия
-
Лазеры на фотонных кристаллах
- Используют наноструктуры для ограничения мод и обратной связи
- Настраиваются на диапазонах фотонных кристаллов
-
Полупроводниковые лазеры
- Используют электрическую накачку для оптического усиления
- Коммерческие лазерные диоды излучают на длинах волн от 375 до 3500 нм
- Используются в лазерных указках, принтерах и CD/DVD-плеерах
-
Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением
- Направление излучения перпендикулярно поверхности пластины
- Имеют более круглый выходной луч
- Используются в промышленности для резки и сварки
-
Квантовые каскадные лазеры
- Обеспечивают активный переход между энергетическими поддиапазонами электрона
- Используются в оптических вычислениях
-
Лазеры на красителях
- Используют органический краситель в качестве усиливающей среды
- Легко настраиваются и генерируют импульсы очень короткой длительности
-
Лазеры на свободных электронах
- Генерируют когерентное излучение высокой мощности
- Работают на релятивистском электронном пучке
-
Экзотические средства массовой информации
- Исследования по созданию гамма-лазера продолжаются
- Аннигиляция позитрония может быть использована для создания мощного гамма-лазера
- Живые клетки могут производить лазерное излучение
-
Естественные лазеры
- Облученные планетарные или звездные газы могут усиливать свет
- Примеры: Марс, Венера и MWC 349
-
История и применение лазеров
- Лазеры были изобретены в 1957 году Гулдом.
- Лазеры нашли широкое применение в различных областях, включая связь, медицину, промышленность, военные и правоохранительные органы.
- Волоконно-оптическая связь основана на использовании лазеров для передачи данных.
-
Лазеры в медицине
- Лазеры используются в лазерной хирургии, лечении рака, офтальмоскопии и косметических процедурах.
- Лазерная терапия часто сочетается с другими методами лечения.
- Лазеры более точны и вызывают меньше повреждений, чем традиционные методы.
-
Лазерное оружие и хобби
- Лазерное оружие используется в военных целях.
- Любители создают лазеры, используя диоды из DVD-плееров и военные устройства.
-
Безопасность лазеров
- Лазеры могут быть опасны для зрения и кожи.
- Лазеры маркируются по классам безопасности, определяющим их опасность.
- Лазеры класса 3B и 4 требуют защитных очков.
-
Примеры и мощности
- Лазеры с разной выходной мощностью используются в различных применениях.
- Примеры мощных лазеров включают 700 ТВТ и 10 PW.
-
Рекомендации и дальнейшее чтение
- Книги и периодические издания по истории и применению лазеров.
- Внешние ссылки на ресурсы по лазерам и их безопасности.
-
Мощный лазер
- Самый яркий свет во Вселенной
- Создает ударные волны, подобные вспышкам сверхновой
- Возможно создание антивещества
-
Основы лазерной техники
- Онлайн-курс Ф. Балембуа и С. Забывать
-
Тактический лазер Firestrike
- Мощность 15 кВт
- Пресс-релиз Northrop Grumman
-
50-летие лазеров
- Веб-сайт APS, OSA, SPIE
- Видеоинтервью, статьи, плакаты, DVD-диски
-
История лазеров
- Первые лазеры представлены в 2012 году
- Аудиозаписи интервью
-
Программное обеспечение для моделирования
- Бесплатное программное обеспечение для моделирования лазерной динамики
-
Видеодемонстрации
- Видеодемонстрации по лазерам и оптике от MIT
- Эффекты в реальном времени
-
Видеолекция MIT
- Что такое лазеры и волоконно-оптические технологии
-
Виртуальный музей истории лазеров
- Представлен на выставке SPIE
-
Веб-сайт с анимацией
- Анимация, приложения и исследования о лазерах и квантовых явлениях
- Основан на квантовой физике, Universite Paris Sud