Лазер устройство и принцип действия: Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Содержание

Принцип работы лазера. Основные виды лазеров.

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания  «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии,  и могут  только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию,  излучая ее  тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются  на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом  поглощением.   Инверсные системы атомов  и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах. Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера.   Именно от активной среды зависят основные  характеристики лазеров –  мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация)  может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника.  Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

  1) Активная рабочая среда

  2) Источник энергии или система накачки

  3) Устройство для усиления излучаемого света — система зеркал (оптический резонатор)

Основные виды лазеров

Газовые лазеры (СО2)

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность,  то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

Жидкостные лазеры.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии  и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов – в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

 Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

Твердотельные лазеры.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время ~ 10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации  в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат,  а активатором — ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок.  Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают  в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ : Nd  (лазер на иттриево-алюминиевом  гранате с неодимом) достигает 0,5 – 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

Что такое лазер, принцип работы лазеров и их применение

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 (1015 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!

как устроены, физика, виды, принцип действия и области использования

Еще 30-40 лет назад слово «лазер» ассоциировалось с фантастическими фильмами и голливудскими спецэффектами. Сейчас эта технология прочно вошла в повседневную жизнь людей. Рассказываем, как и где она применяется.

Что такое лазер

Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, которое предназначено для преобразования электрической, тепловой и других видов энергии в узконаправленное излучение, характеризующееся когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью.

Названа эта технология по первым буквам англоязычного выражения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) и переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Изобретение лазера — это не одномоментное открытие, над ним работали многие ученые с начала XX века. Самые известные из них — Эйнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.

Альберт Эйнштейн в 1917 году презентовал научную работу, в которой предсказал основной принцип работы оптического квантового генератора — вынужденное излучение. Гений был уверен в возможности заставить электроны излучать свет необходимой человеку длины волны. 

Теодору Майману, калифорнийскому физику, в мае 1960 года удалось претворить эту идею в жизнь. Лазер, в работе которого использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо работал импульсно, длина волны составляла 694,3 нм.

В СССР также активно велись исследования на эту тему. В 1952 году два советских академика Александр Прохоров и Николай Басов выяснили, что возможно создание лазера, который будет работать на аммиаке. В 1954 году американец Чарлз Таунс создал такой генератор и показал принцип его работы.

Принцип работы лазера

Заключается в создании интенсивного светового луча, который имеет одинаковую длину волны в одно и то же время. Чтобы понять, как этот процесс происходит, рассмотрим конструкцию устройства.

Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:

  1. Активная среда. Важнейший компонент для обеспечения лазерного излучения. Активной средой является специальное вещество, в качестве которого могут быть использованы твердые кристаллы, газы или жидкости, сформированные в стержень (цилиндр).
  2. Источник энергии. В этом качестве, как правило, выступает импульсная лампа, которая устанавливается рядом с активной зоной — цилиндром или стержнем.
  3. Резонатор (кроме тех случаев, когда лазер используют как усилитель). Это устройство представляет собой два параллельных друг другу зеркала. Переднее наполовину прозрачное, заднее не пропускает свет.

Как создается лазерный луч

Лазерный луч создается внутри корпуса генератора. Так называется трубка, закрытая с одной стороны обычным зеркалом, с другой — не полностью прозрачным зеркалом. Внутри корпуса находится твердый кристалл (чаще всего используют рубин). Под воздействием электрообмотки атомы кристалла создают световые волны. Эти волны двигаются внутри корпуса от одного зеркала к другому до тех пор, пока не наберут такую интенсивность, которой будет достаточно, чтобы пройти через не полностью прозрачное зеркало.

Источник: light-fizika.ru

Свойства лазерного излучения

Основными свойствами являются:

  1. Монохроматичность. Так как длина волны света в лазере одинаковая, весь пучок также будет одного цвета.
  2. Когерентность. Пучок света считается когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между напряженностью электромагнитного поля в разных точках пространства или в разное время.
  3. Сфокусированность. В сравнении с естественным светом, который обладает рассеиванием и ослаблением в зависимости от расстояния, лазерное излучение четко сфокусировано в одном интенсивном пучке света и не слабеет при передаче на большие расстояния. 
  4. Высокая температура. Это происходит из-за монохроматичности излучения и большой плотности энергии. Так, температура излучения импульсного лазера мощностью 1015 Вт составляет более 100 миллионов градусов.

Типы лазеров

Существует классификация оптических квантовых генераторов по агрегатному состоянию лазерного вещества и способу его возбуждения. Так, лазеры делятся на:

  1. Твердотельные.
  2. Газовые.
  3. Жидкостные.
  4. Полупроводниковые.

Твердотельные появились самыми первыми. В них активная среда состояла из кристаллов, а источником энергии служила импульсная лампа. В настоящее время твердотельные оптические квантовые генераторы бывают:

  • рубиновыми;
  • титан-сапфировыми;
  • александритовыми;
  • оптоволоконными;
  • на алюмоиттриевом гранате;
  • на неодимовом стекле;
  • на фториде кальция и др.

Газовыми называют генераторы, в которых активная среда формируется из газов или их смесей с очень низким давлением. Источником энергии выступает разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Газовый генератор характеризуется непрерывностью излучения. В таких лазерах используется длинный стержень активной среды, это связано с невысокой плотностью газов. Интенсивность излучения обеспечивает масса активного вещества.

Газовые лазеры подразделяются на:

  1. Газодинамические. Принцип работы этого вида генератора похож на работу реактивного двигателя. В нем происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе горения, а затем охлаждения молекулы отдают энергию, создавая мощное излучение. 
  2. Химические. Импульс появляется в результате реакции. Самый мощный лазер этого типа работает на атомарном фторе в реакции с водородом.
  3. Эксимерные. Действие обеспечивают молекулы благородных газов, способных существовать лишь в возбужденном состоянии.

Современные газовые лазеры бывают:

  • гелий-неоновыми;
  • криптоновыми;
  • ксеноновыми;
  • азотными;
  • кислородно-йодными;
  • углекислотными и др.

В жидкостных генераторах для создания активной среды применяют растворы органических соединений. Их плотность выше, чем плотность газа, и ниже, чем плотность твердых тел. Такие лазеры могут создавать излучение до 20 Вт, при этом объем активного вещества остается сравнительно небольшим. Лазеры данного типа работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве источника энергии используют импульсные лампы или другие лазеры.

Для полупроводниковых лазеров в качестве активной среды используют кристалл со свойствами полупроводника (чаще всего, арсенид галлия GaAs). От твердотельных они отличаются тем, что излучательные переходы здесь происходят не на уровне атомов, а между зонами кристалла. Источником энергии таких генераторов является постоянный электрический ток. Кристалл-полупроводник выполняет роль резонатора.

Области применения лазерных технологий

Открытие лазерного излучения имеет огромное значение для человечества. Благодаря уникальным свойствам, использовать лазеры можно в разных сферах жизни:

  • в промышленности;
  • в военных разработках;
  • в медицине;
  • в развлекательной индустрии;
  • в быту.

Технологические лазеры непрерывного действия активно используют в промышленности, чтобы разрезать или спаивать детали. Благодаря применению технологии стало возможным сваривание металла и керамики, в результате чего получился новый материал — металлокерамика. Также лазерный луч активно используют в изготовлении микросхем.

В военных целях при помощи технологии разрабатываются новые виды оружия. Лучи газовых лазеров наземного или орбитального базирования способны вывести из строя как спутники, так и самолеты вражеской стороны. Также их можно использовать в разведке. Во многих странах активно ведутся разработки лазерных пистолетов.

В медицине технология уже много лет применяется в офтальмологии, при проблемах пациентов с сетчаткой глаза и коррекции зрения. В хирургии доктора используют лазерные скальпели, которые наносят минимальные повреждения живым тканям. Освоила технологию косметология.

Источник: alternativa-mc.ru

Лазерные шоу — неотъемлемая часть концерта, выступления звезды и других праздничных мероприятий. Эти технологии давно и активно используют в сфере развлечений. 

Сами того не осознавая, мы каждый день пользуемся лазерами, которые вывели на новый уровень технику записи информации. Именно при помощи луча записываются и воспроизводятся файлы на компакт-дисках с музыкой, фото и фильмами.

Строение и назначение лазеров — сложная тема. Поэтому важно, чтобы в любой момент можно было обратиться за помощью к надежному источнику. Как раз такими качествами и обладает сервис Феникс.Хелп.

Лазер — устройство и принцип действия


Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Английское слово LASER образовано от сокращения «light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения». И здесь что ни слово – то скрытый физический смысл.


Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Если говорить человеческим языком, то это означает следующее:

  • Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
  • Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
  • Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Устройство лазера.

Толку от самого физического понятия о лазере было бы немного, если бы его не умели создавать. Основой устройства служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, химическую, тепловую или какую-то другую энергию, производит лазерный луч. А производит он его посредством вынужденного или, как еще говорят, индуцированного излучения – то есть когда атом, в который попадает фотон (частица света), не поглощает его, а излучает еще один фотон, являющийся точной копией первого (когерентный). Таким образом, происходит усиление света.

Лазеры как правило состоят из трех частей:

  • Источник энергии или механизм накачки;
  • Рабочее тело;
  • Система зеркал или оптический резонатор.



За что отвечает каждая из этих частей:

Источник энергии, что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное  энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному — не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Ну и, соответственно, вариантов тут очень много: все агрегатные состояний (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.




Применение лазер находит всюду, лишь бы хватило инженерной мысли додуматься как в тех или иных случаях применить эту технологию. Им есть место и в медицине, и в промышленности, и в быту, и в военном деле, и даже для передачи информации.


Принцип образования и работы лазерного луча в стоматологии: Стоматология Столица

18.08.2021 07:41

Принцип образования лазера. Основным физическим процессом, который определяет действие лазера является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона. Простейший принцип работы заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

Основным физическим процессом, который определяет действие лазерных аппаратов, является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия, атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона.

Простейший принцип работы стоматологического лазера заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

*Flash tube = энергия накачки

Mirrored Surface = непрозрачное зеркало

Partially Mirrored Surface = частично прозрачное зеркало

Atoms = атомы

Атомы испускают фотоны, некоторые из этих фотонов двигаются в направлении, параллельном оси трубки, и они «отскакивают» назад от непрозрачного зеркала, а часть выводится в виде лазерного пучка.

Лазеры в стоматологии

Активному посреднику (газ, жидкость или твердое вещество) передается возбуждение от источника энергии, результат — монохромная (одного цвета), коллимированная (передающаяся в одном направлении), когерентная (все световые волны синхронны) лазерная энергия.

ЛАЗЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

МОНОХРОМНАЯ – ПРАКТИЧЕСКИ ОДНОГО ЦВЕТА

КОЛЛИМИРОВАННАЯ — ПЕРЕДАЕТСЯ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

КОГЕРЕНТНАЯ — ВСЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ СИНХРОННЫ

Активный посредник определяет такие характеристики лазера, как цвет и длина волны. Существует четыре типа лазеров:
Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим — YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 микрометра. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10-9 метра) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам. Например, CO2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера — это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров — это их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе — это Родами 6G, который обеспечивает настраиваемость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).
Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами. Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча и временных характеристик энергии луча. Процессы, которые могут при этом происходить — поглощение, передача, отражение и рассеивание.

Поглощение — атомы и молекулы, которые составляют ткань, преобразовывают лазерную световую энергию в высокую температуру, химическую, акустическую или нелазерную световую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.

Передача — лазерная энергия проходит через ткань неизмененной.

Отражение — отраженный лазерный свет не влияет на ткань.

Рассеивание — индивидуальные молекулы и атомы принимают лазерный луч и отклоняют силу луча в направлении, отличном от исходного. В конечном счете, лазерный свет поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

— Познакомьтесь как применяется лазер в нашей стоматологии

— Познакомьтесь как происходит лечение пародонтита при помощи лазера

— Познакомьтесь как происходит отбеливание зубов при помощи лазера

Основные типы взаимодействия лазера с тканью

ФОТОТЕРМИЧЕСКОЕ

Под микроскопом фототермические процессы могут быть представлены как поглощение фотона органической молекулой, которая при этом переходит в состояние вибрационного вращения, с последовательным раздражением, полученным от анелестического удара о соседнюю молекулу, к которой, таким образом, перейдет ее кинетическая энергия. Этот процесс безизлучательных потерь происходит в пределах самого короткого промежутка (1 — 100 в сек.), а последующее быстрое нагревание повысит окружающую температуру. Макроскопические, биологические эффекты фототермического типа могут быть классифицированы согласно некоторым отличиям термодинамических процессов, главным гистологическим изменениям, отображенным в таблице ниже:

ФОТОХИМИЧЕСКОЕ

— Запуск химических реакций — фотополимеризация (например, активация системы лазерного отбеливания)

— Разрушение химических связей в молекулах, вызванное лазерным излучением

Фотодинамическая терапия: создание биохимических реактивных форм кислорода

БИОСТИМУЛЯЦИЯ

Обеспечивает избавление от боли

— Стимулирует заживление ран

— Видоизменяет биологический процесс

— Поглощение лазерной энергии биологическими тканями

Пример: поглощение лазерной энергии различных типов лазеров в коже

После возбуждения, источник лазера излучает электромагнитное излучение с очень высокой направленностью и большой спектральной чистотой, с возможностью концентрации очень высокой энергии на ограниченных поверхностях. Чтобы добиться желательного клинического эффекта, излучение лазера должно поглощаться целевой тканью. Взаимодействие ткани с лазером зависит от характеристик используемого лазера, длины его волны, его эффективной мощности, форм облучения, таких как интенсивность излучения и продолжительность обработки, и от характеристик целевой ткани, количества содержания в ткани воды, гемоглобина и пигментов. Использование лазера в медицине, в частности в стоматологии, базируется на точном поглощении лазерной радиации водой, содержавшейся в тканях, гемоглобином, содержавшимся в крови и пигментами, которые находятся в некоторых тканях. Вода поглощает инфракрасное излучение, с максимальным поглощением около 3000 нм; гемоглобин представляет спектр поглощения от ультрафиолетового до видимого (немного меньше чем 640 нм), пигменты и хромофоры представляют спектр поглощения, расширенный от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

*Absorption — поглощение

Wavelength — длина волны (нм)

Когда лазерный луч направлен на ткани, то вода, что составляет высокий процент ткани, поглощает энергию, преобразовывая ее в высокую температуру. С интенсивностью в несколько Вт на квадратный миллиметр, вода, находящаяся в ткани, мгновенно закипает и испаряется. Если перемещать наконечник по ткани, то луч ведет себя как скальпель, формируя разрез, глубина которого зависит от интенсивности луча и скорости движения.

Система подачи лазерного луча

Лазерная энергия от источника может подаваться к ткани с помощью различных систем доставки. В медицинских стоматологических лазерах применяются оптоволоконная и шарнирная системы подачи лазерного луча. В стоматологических лазерах DOCTOR SMILE™ для передачи используется оптоволоконная система подачи, имеющая ряд преимуществ перед шарнирной:

— гибкость, возможность применения в труднодоступных участках, эргономичность

— полное сохранение качества лазерного излучения

— не требуется сложного технического обслуживания (например, выравнивания зеркал при ударе у лазеров с шарнирной системой подачи излучения)

Классификация лазеров и безопасность

Существуют четыре класса лазеров. Вся продукция компании Lambda Scientifica относится к четвертому классу лазеров.

Лазеры класса 1. Не представляют опасности при непрерывном наблюдении или разработаны так, чтобы предотвратить попадание биоткани под лазерное излучение (например, лазерные принтеры)

Видимые лазеры класса 2. (от 400 до 700 нм). Лазеры, излучающие видимый свет, который из-за естественной человеческой отрицательной реакции обычно не представляют опасности, но могут представлять, если смотреть прямо на лазерное излучение в течение продолжительного времени

Лазеры класс 3a. Лазеры, которые обычно не причиняют вред при кратковременном попадании в глаза, но могут представлять опасность при наблюдении с использованием собирающей оптики (волоконно-оптическая лупа или телескоп)

Лазеры класс 3b. Лазеры, которые представляют опасность для глаз и кожи при прямом попадании лазерного излучения. Лазеры класса 3b не генерируют опасное диффузное отражение, за исключением попадания с близкого расстояния

Лазеры класса 4. Лазеры, которые представляют опасность для глаз в результате прямого, зеркального и диффузионного отражений. Кроме того, такие лазеры могут быть пожароопасными и вызывать ожоги на коже

Необходимые меры безопасности:

— Персонал, уполномоченный работать должен носить предоставленные защитные очки

— Запрещается направлять лазер в глаза

— Запрещается смотреть непосредственно в отверстие, где находится оптический световод

— Отверстие световода оптического диодного соединителя должно всегда оставаться закрытым, световод должен быть или вставлен или на нем должен быть защитный колпачок

— Удалите с места работы все отражающие и металлические объекты, включая личные вещи, например часы и кольца, поскольку они могут отразить лазерное излучение

— Запрещается направлять лазер на одежду

— Рекомендуется использовать только абсолютно сухую одежду соответственного цвета

— Удалить все потенциально огнеопасные материалы

— Никогда не используйте огнеопасный газ во время лазерного излучения

Что такое лазер? Принцип работы и применение.

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер», однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.

За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

  • газовыми;
  • жидкостными;
  • твердотельными;
  • на свободных электронах.


В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

  • при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
  • при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
  • при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
  • путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
  • путём электронно-лучевой накачки среды;
  • ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
  • при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

  • резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
  • нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
  • сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
  • формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
  • передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
  • выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
  • косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
  • наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
  • создание и использование голографических методов;
  • применение в различных научно-исследовательских работах;
  • измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
  • запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.


Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

Устройство и принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктурой

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциаль­ными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжек —

Цию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентра­ция инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав­новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запре­щенной зоны базы, а показатель преломления и зависит от ширины запрещенной зоны. В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как усло­вие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в шири­не запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры дости­гается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней кван­товой эффективности.

Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 105 А/см2 при 300 К и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за актив­ной областью /»-«-перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запре­щенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного огра­ничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 104 А/см2 при комнатной температуре. Еще лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГС). Разра­ботан ДГС-лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порогового тока всего 1600 А/см2. Лазер выполнен на основе тройного полупроводникового соединения СаА1Аз. Активный слой из р — ОэАб с узкой запрещенной зоной имеет, толшину значи­тельно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями ОахА1|_хА5 с широкой запрещен­ной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое 8Ю2, осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскры­вают окно под металлический контакт. Благодаря этому накачке подвергается только часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с полоской шири­ной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, ла­зеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на одной частоте, тогда как первые инжекционные лазеры характеризовались многомодовым спектром.

В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной вол­ны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширя­ет спектр и ухудшает направленность излучения.

Лазер с гетероструктурой (рис. 5.15), кроме активного слоя (например, ОэАб), содержит слои (например, АКЗаАз), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещен­ной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной об­ласти, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличи­вается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев. В результате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутрен­нее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излуче­ния. Как видно из рис. 5.15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде узкой полоски.

Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в ос­новном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одно­модовых оптических волокон.

Рис. 5.15. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: / — длина резонатора

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все из­быточные носители зарядов сосредоточиваются в активной средней области, их проникно­вение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, спо­собствующий концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного сред­него слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший кпд, что, в свою очередь, позво­ляет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo — полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Условные обозначения

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран­ Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

Список Сокращений

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

лазеров, объяснено энциклопедией RP Photonics; принцип действия, свойства лазерного излучения, применение, резонатор, лазерный луч, вынужденное излучение

Энциклопедия> буква L> лазеры

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием продукта.

Обратитесь к RP Photonics за советом по любому аспекту лазеров. Вы также можете воспользоваться курсами обучения внутри компании, адаптированными к вашим потребностям.

Определение: устройства, генерирующие видимый или невидимый свет на основе вынужденного излучения света

Более общий термин: источники света

Более конкретные термины: твердотельные лазеры, диодные лазеры, газовые лазеры, эксимерные лазеры, сбалансированные по излучению лазеры, криогенные лазеры, лазеры видимого диапазона, безопасные для глаз лазеры, инфракрасные лазеры, ультрафиолетовые лазеры, рентгеновские лазеры, объемные лазеры, волоконные лазеры, лазеры на красителях, лазеры с повышающим преобразованием, лазеры на свободных электронах, рамановские лазеры, мощные лазеры, узкополосные лазеры, перестраиваемые лазеры, импульсные лазеры, сверхбыстрые лазеры, промышленные лазеры, научные лазеры, юстирующие лазеры, медицинские лазеры

Немецкий: Laser

Категория: лазерные устройства и лазерная физика

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/lasers.html

«Лазер» (редко пишется как l.a.s.e.r.) — это аббревиатура от «Усиление света за счет стимулированного излучения излучения», введенная в 1957 году пионером лазеров Гордоном Гулдом. Хотя это первоначальное значение обозначает принцип действия (использование стимулированного излучения возбужденных атомов или ионов), в настоящее время этот термин в основном используется для устройств , генерирующих свет на основе лазерного принципа. Более конкретно, обычно подразумевают лазерные генераторы , но иногда также включают устройства с лазерными усилителями, называемые усилителями мощности задающего генератора (MOPA).Еще более широкая интерпретация включает нелинейные устройства, такие как оптические параметрические генераторы и рамановские лазеры, которые также создают лазерные световые пучки и обычно накачиваются лазером, но, строго говоря, сами лазеры не являются.

Лазерные технологии лежат в основе более широкой области фотоники, главным образом потому, что лазерный свет имеет ряд очень особых свойств:

  • Обычно он излучается в виде хорошо направленного лазерного луча, который благодаря своей высокой пространственной когерентности может распространяться на большие расстояния без большого расхождения (часто ограничивается только дифракцией) и может быть сфокусирован в очень маленькие точки, где достигается высокая интенсивность.
  • Он часто имеет очень узкую оптическую полосу пропускания (высокая временная когерентность), тогда как, например, большинство ламп излучают свет с очень широким оптическим спектром. Однако есть и широкополосные лазеры, особенно среди сверхбыстрых лазеров.
  • Лазерный свет может излучаться непрерывно или, альтернативно, в форме коротких или ультракоротких импульсов с длительностью импульса от микросекунд до нескольких фемтосекунд. Временная концентрация энергии импульса — в дополнение к возможности сильного пространственного ограничения в фокусе луча — позволяет генерировать даже гораздо более высокие интенсивности.Особенно экстремальные значения интенсивности используются в физике высоких интенсивностей.

Эти свойства, которые делают лазерный свет очень интересным для ряда приложений, в значительной степени являются следствием очень высокой степени пространственной и / или временной когерентности лазерного излучения. Статьи о лазерном свете и лазерных приложениях дают более подробную информацию.

Первым лазером был рубиновый лазер с импульсной ламповой накачкой (разновидность твердотельного лазера), продемонстрированный Теодором Майманом в 1960 году [2, 3].В том же году были изготовлены первый газовый лазер (гелий-неоновый лазер [5]) и первый лазерный диод. Перед этой экспериментальной работой Артур Шавлов, Чарльз Хард Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров опубликовали новаторские теоретические работы о принципах работы лазеров, а в 1953 году группой Таунса были разработаны микроволновый усилитель и генератор (мазер). Первоначально использовался термин «оптический мазер» (MASER = микроволновое усиление путем вынужденного усиления излучения), но позже он был заменен на «лазер».

В лазерной технологии используется широкий спектр оптических компонентов, таких как лазерные кристаллы, лазерные зеркала, поляризаторы, изоляторы Фарадея и перестраиваемые оптические фильтры; см. статью о лазерной оптике.

Как работает лазер

Основной принцип

Лазерный генератор обычно содержит оптический резонатор (лазерный резонатор, лазерный резонатор), в котором свет может циркулировать (например, между двумя зеркалами), и внутри этого резонатора усиливающую среду (например, лазерный кристалл), которая служит для усиления света.Без усиливающей среды циркулирующий свет будет становиться все слабее и слабее при каждом обходе резонатора, потому что он испытывает некоторые потери, например при отражении в зеркалах. Однако усиливающая среда может усиливать циркулирующий свет, тем самым компенсируя потери, если усиление достаточно велико. Усиливающая среда требует некоторого внешнего источника энергии — ее нужно «накачивать», например путем инжекции света ( оптическая накачка ) или электрического тока ( электрическая накачка → полупроводниковые лазеры ).Принцип лазерного усиления — вынужденное излучение.

Фигура 1: Схема простого твердотельного лазера с оптической накачкой. Резонатор лазера состоит из изогнутого зеркала с высокой степенью отражения и плоского частично пропускающего зеркала, выходного ответвителя, который извлекает часть циркулирующего лазерного света в качестве полезного выхода. Усиливающая среда представляет собой лазерный кристалл или стержень с боковой накачкой, например светом от лазерных диодов или лампы-вспышки.

Лазер не может работать, если коэффициент усиления меньше потерь в резонаторе; тогда устройство находится ниже так называемого лазерного порога и излучает лишь слабый свет люминесценции.Существенная выходная мощность достигается только при мощностях накачки выше лазерного порога, когда усиление может достигать (или временно превышать) уровень потерь резонатора.

Экспоненциальный рост оптической мощности в лазере может быть чрезвычайно быстрым и приводить к очень высокой пиковой мощности.

Если усиление больше, чем потери, мощность света в лазерном резонаторе очень быстро возрастает, начиная, например, с низким уровнем света от флуоресценции. Обратите внимание, что время обхода резонатора обычно очень мало (например,г. несколько наносекунд, а для компактных типов лазеров даже намного меньше), так что даже небольшой чистый коэффициент двустороннего усиления подразумевает быстрый экспоненциальный рост мощности внутри резонатора. Поскольку высокая мощность лазера приводит к насыщению усиления за счет извлечения энергии из усиливающей среды, мощность лазера в установившемся режиме достигнет уровня, при котором насыщенное усиление просто равно потерям в резонаторе (→ ограничение усиления ). Прежде чем достичь этого стационарного состояния, лазер часто испытывает релаксационные колебания (только один аспект лазерной динамики).Пороговая мощность накачки — это мощность накачки, при которой усиления слабого сигнала как раз достаточно для генерации.

Некоторая часть световой мощности, циркулирующей в резонаторе, обычно передается частично прозрачным зеркалом, так называемым выходным зеркалом ответвителя. Результирующий луч представляет собой полезный выходной сигнал лазера. Передача выходного зеркала ответвителя может быть оптимизирована для достижения максимальной выходной мощности (см. Также: дифференциальная эффективность). В большинстве случаев используется только один выходной соединитель.

Пространственная когерентность лазерного излучения

Как может лазерный свет иметь такую ​​высокую степень пространственной когерентности?

Может быть достигнута высокая степень пространственной когерентности лазерного излучения, в основном потому, что излучение света запускается (стимулируется) внутрирезонаторным излучением (то есть светом, циркулирующим в лазерном резонаторе), а не возникает спонтанно и нескоординированно. . В процессе вынужденного излучения активные ионы с лазерной активацией заставляют излучать свет в направлении уже существующего света, а также с той же оптической фазой.Фактически, циркулирующий лазерный свет служит для сильной координации излучения многих атомов или ионов. Результирующие амплитуда и фазовый профиль лазерного луча в значительной степени определяются свойствами лазерного резонатора, а не обычно усиливающей средой лазера.

Как объяснялось выше, пространственная когерентность является физической основой возможности формирования очень направленных лазерных лучей с малой расходимостью и фокусировки света в очень маленькие точки.

Временная когерентность

Временная согласованность — это другой вопрос, и он имеет совершенно другое происхождение.Некоторые лазерные усиливающие среды могут излучать свет только в узком спектральном диапазоне. Однако, даже если это не так, лазер часто (особенно при работе в непрерывном режиме) излучает свет только с точно определенной длиной волны или частотой, поскольку условия таковы, что чистый нулевой коэффициент передачи туда и обратно возможен только для этого. длина волны, и другие длины волн показывают отрицательный чистый коэффициент передачи туда и обратно. Лазер может быть настроен на точную желаемую длину волны (в пределах области излучения усиливающей среды), напримерс помощью настраиваемого внутрирезонаторного полосового фильтра, такого как фильтр Лио. Опять же, решающее значение имеет механизм стимулированного излучения: активные ионы с лазерным излучением можно заставить излучать точно с оптической частотой уже существующего света. Чем меньше ширина линии излучения (т.е. чем уже оптический спектр излучаемого света), тем выше степень временной когерентности.

В крайних случаях ширина линии лазера может быть увеличена до значений ниже 1 Гц (с определенными средствами стабилизации лазера).Это на много порядков ниже средней частоты (сотни терагерц). В оптических часах используются такие высокостабилизированные лазеры.

Интересно, что даже ультракороткие импульсы могут демонстрировать очень высокую степень временной когерентности, в этом случае включающую когерентность между последующими импульсами в регулярной последовательности импульсов. Это связано с формированием частотной гребенки как оптического спектра. Тогда как оптический спектр в целом может быть очень широким, каждая линия гребенки может быть чрезвычайно узкой и хорошо определенной по частоте.

Генерация световых импульсов

Некоторые лазеры работают в непрерывном режиме, тогда как другие генерируют импульсы, которые могут быть особенно интенсивными. Существуют различные (очень разные) методы генерации импульсов с помощью лазеров, позволяющие генерировать импульсы длительностью микросекунды, наносекунды, пикосекунды или даже несколько фемтосекунд (→ ультракоротких импульсов от лазеров с синхронизацией мод ). Часто лазерная среда может накапливать некоторое количество энергии в течение некоторого времени «накачки», чтобы затем высвободить ее за гораздо более короткое время.

Оптическая полоса пропускания (или ширина линии) непрерывно работающего лазера может быть очень маленькой, когда может генерироваться только одна мода резонатора (→ одночастотный режим ). В других случаях, особенно для лазеров с синхронизацией мод, полоса пропускания может быть очень большой — в крайних случаях она может охватывать около полной октавы. Центральная частота лазерного излучения обычно близка к частоте максимального усиления, но если потери в резонаторе становятся частотно-зависимыми, длину волны лазера можно настраивать в пределах диапазона, в котором доступно достаточное усиление.Некоторые широкополосные усиливающие среды, такие как Ti: сапфир и Cr: ZnSe, позволяют настраивать длину волны на сотни нанометров.

Лазерный шум

Из-за различных влияний выходной сигнал лазера всегда содержит некоторый шум в таких свойствах, как выходная мощность или фаза. Для импульсных лазеров могут быть задействованы дополнительные параметры, например, временное дрожание. Подробнее читайте в статье о лазерном шуме.

Типы лазеров

Лазерные технологии — это довольно разнообразная область, в которой используется широкий спектр самых разных типов лазерных усиливающих сред, оптических элементов и методов.Распространенные типы лазеров:

  • Полупроводниковые лазеры (в основном лазерные диоды) с электрической (или иногда оптической) накачкой, эффективно генерирующие очень высокую выходную мощность (но обычно с плохим качеством луча) или малую мощность с хорошими пространственными характеристиками (например, для применения в CD и DVD плееры) или импульсы (например, для телекоммуникационных приложений) с очень высокой частотой повторения импульсов. К специальным типам относятся квантовые каскадные лазеры (для среднего инфракрасного диапазона) и полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением (VCSEL, VECSEL и PCSEL).Некоторые из них также подходят для генерации импульсов большой мощности.
  • Твердотельные лазеры на основе ионно-легированных кристаллов или стекол ( лазеры на легированных изоляторах ) с накачкой газоразрядными лампами или лазерными диодами, генерирующими высокую выходную мощность или более низкую мощность с очень высоким качеством луча, спектральной чистотой и / или стабильность (например, для целей измерения) или ультракороткие импульсы пикосекундной или фемтосекундной длительности. Обычными усиливающими средами являются Nd: YAG, Nd: YVO 4 , Nd: YLF, Nd: стекло, Yb: YAG, Yb: стекло, Ti: сапфир, Cr: YAG и Cr: LiSAF.Особым типом лазеров на ионном легированном стекле являются:
  • Волоконные лазеры на основе стекловолокон, легированных некоторыми лазерно-активными ионами в сердцевине волокна. Волоконные лазеры могут достигать чрезвычайно высокой выходной мощности (до киловатт) с высоким качеством луча, обеспечивать широкую перестройку длины волны, работу с узкой шириной линии и т. Д.
  • Газовые лазеры (например, гелий-неоновые лазеры, CO 2 лазеры, лазеры на ионах аргона и эксимерные лазеры), основанные на газах, которые обычно возбуждаются электрическими разрядами.Часто используемые газы включают CO 2 , аргон, криптон и смеси газов, такие как гелий-неон. Обычными эксимерами являются ArF, KrF, XeF и F 2 . Поскольку в лазерном процессе участвуют молекулы газа, такие лазеры также называют молекулярными лазерами.

Не очень распространены лазеры с химической и ядерной накачкой, лазеры на свободных электронах и рентгеновские лазеры.

Лазерные источники в более широком смысле

Аспекты безопасности

Работа с лазерами может вызвать серьезные проблемы с безопасностью.Некоторые из них напрямую связаны с лазерным светом, в частности с достижимой высокой оптической интенсивностью, но существуют также различные другие опасности, связанные с лазерными источниками.

Подробнее см. В статье о лазерной безопасности.

Лазерные приложения

Существует чрезвычайно широкий спектр приложений для самых разных лазерных устройств. Они в значительной степени основаны на различных особых свойствах лазерного света, многие из которых не могут быть достигнуты с помощью каких-либо других источников света.Особенно важными областями применения являются лазерная обработка материалов, оптическая передача и хранение данных, а также оптическая метрология. См. Статью о лазерных приложениях для обзора.

Тем не менее, многие потенциальные применения лазеров пока не могут быть реализованы на практике, потому что лазеры относительно дороги в производстве — или, точнее, потому, что они пока в основном производятся относительно дорогими методами. Большинство лазеров производятся в относительно небольших объемах и с ограниченной степенью автоматизации.Другой аспект заключается в том, что лазеры относительно чувствительны в различных отношениях, например, в отношении точной юстировки оптических компонентов, механических колебаний и частиц пыли. Поэтому постоянно ведутся исследования и разработки для поиска более экономичных и надежных решений.

Для успеха в бизнесе часто жизненно важно не только разрабатывать лазеры с высокими характеристиками и низкой стоимостью, но и определять наиболее подходящие приложения или разрабатывать лазеры, которые лучше всего подходят для конкретных приложений.Также очень важно знать детали приложения. Например, при лазерной обработке материалов жизненно важно знать точные требования с точки зрения длины волны лазера, качества луча, энергии импульса, длительности импульса и т. Д. Для получения оптимальных результатов обработки.

Поставщики

Справочник покупателя RP Photonics содержит информацию о 258 поставщиках лазеров. Среди них:

AdValue Photonics

Компания AdValue Photonics разработала ряд промышленных волоконных лазерных устройств, работающих в различных диапазонах длин волн и в различных режимах длительности импульса или в непрерывном режиме.Они подходят для целого ряда промышленных применений, включая лазерную резку, сверление и абляцию.

См. Также наш обзор продуктов для волоконных лазеров!

HÜBNER Photonics

HÜBNER PHOTONICS предлагает полный спектр высокоэффективных лазеров, включая однолинейные и многолинейные лазеры Коболта, настраиваемые лазеры C-WAVE, лазерные комбайнеры C-FLEX. Все наши лазеры производятся в чистом помещении квалифицированным персоналом и с высочайшим качеством.

Фотоника класса 5

Фотоника класса 5 обеспечивает сверхбыструю, мощную лазерную технологию с выдающимися характеристиками для решения сложных задач от биоизображения до сверхбыстрого материаловедения и аттосекундной науки.Наши надежные оптические усилители с параметрическими чирпированными импульсами (OPCPA) обеспечивают мощные настраиваемые фемтосекундные импульсы и удобны в эксплуатации.

Мегаваттные лазеры

Мегаваттные лазеры Inc. специализируются на импульсных лазерах с ламповой накачкой для широкого спектра применений. Наши конструкции насосных камер обеспечивают непревзойденную производительность, надежность и герметичность, чтобы удовлетворить строгие требования, предъявляемые к конструкции вашей лазерной системы. Наши лазеры генерируют импульсы наносекундной длительности мультиджоулей на безопасной для глаз длине волны, напримерна основе стержней Er: YAG или CTH: YAG. Мы также предлагаем лазеры на Nd: YAG и на александрите.

Мы поддерживаем инвентарь стандартных насосных камер для немедленной доставки, а модульная конструкция позволяет создавать экономичные индивидуальные решения.

Thorlabs

Thorlabs производит широкий выбор непрерывных и импульсных лазерных систем, включая новый пикосекундный лазер с модуляцией добротности с импульсами микроджоульного уровня с частотой повторения кГц и исключительным качеством луча.

NKT Photonics

NKT Photonics предлагает широкий спектр лазеров, от импульсных диодных лазеров до сверхмалошумящих одночастотных волоконных лазеров и сверхбыстрых волоконных лазеров до суперконтинуумных лазеров белого света.Независимо от того, что вам нужно, у нас есть система для вас!

Лазеры RPMC

Лазеры RPMC предлагают самый широкий выбор твердотельных лазеров в Северной Америке, включая как импульсные, так и непрерывные источники с длиной волны от УФ до ИК. Импульсные лазеры включают в себя лазеры DPSS, лазеры с импульсными лампами, волоконные лазеры, микролазеры / лазеры на микрочипах и сверхбыстрые лазеры. Кроме того, лазерные модули CW, включая одномодовые и многомодовые DPSS-лазер и лазерные диодные модули, доступные как в конфигурации с оптоволоконной связью, так и в конфигурации с свободным пространством, а также газовые и волоконные лазеры, линейные модули и многие типы лазерных диодов, включая суперлюминесцентные лазерные диоды, многоуровневые лазерные диоды. -длинноволновые лазеры и квантово-каскадные лазерные диоды с квантово-каскадными ямами.Приложения включают обработку материалов, лидары, микрообработку и многие другие.

TOPTICA Photonics

Продукция TOPTICA обеспечивает сверхширокий диапазон длин волн лазера: 190 нм — 0,1 ТГц (соответствует 3 мм). Они позволяют решать самые разнообразные сложные задачи в квантовой оптике, спектроскопии, биофотонике, микроскопии, тестировании и измерениях, а также при контроле материалов. Уникальный диапазон длин волн основан на трех основных категориях продуктов:

Laser Quantum

Laser Quantum — производитель высококачественных твердотельных и сверхбыстрых лазеров с диодной накачкой мирового класса.

EKSPLA

EKPLA предлагает широкий спектр фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных лазеров, а также системы с настраиваемой длиной волны для исследовательских и промышленных приложений.

Kapteyn-Murnane Laboratories

Ti: сапфир — это рабочая лошадка сверхбыстрых лазеров из-за его высокой полосы усиления, обеспечивающей доставку самых коротких импульсов и масштабируемой до высокой энергии импульса и средней мощности. KMLabs предоставляет полный набор генераторов с синхронизацией мод и интегрированных систем генератор-усилитель, охватывающих энергию импульсов от диапазона нДж до 30 мДж в импульсах от 15 фс до 40 фс.

Alpes Lasers

Alpes Lasers предлагает широкий спектр лазеров с длинами волн от 4 до 14 мкм и мощностью до нескольких ватт. Сюда входят лазеры FP, DFB, THz, частотные гребенки и лазеры с внешним резонатором в среднем ИК диапазоне. Кроме того, Alpes предлагает уникально быстрые и широко настраиваемые лазеры с линейкой продуктов ET и XT.

Frankfurt Laser Company

Frankfurt Laser Company предлагает самый широкий на мировом рынке диапазон длин волн для лазерных диодов от 370 нм до 12 мкм, одномодовые и многомодовые, широкополосные, DFB и DBR, стабилизированные оптоволоконной решеткой Брэгга, квантовый каскад, VCSEL. , суперлюминесцентные диоды и светодиоды среднего ИК диапазона.Мы предлагаем выбор длины волны и индивидуальную упаковку; свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования.

FYLA LASER

В FYLA мы разрабатываем импульсные волоконные лазеры с длительностью импульса в диапазоне наносекунды, пикосекунды и фемтосекунды. Наши лазеры используются во многих областях, от микроскопии (двухфотонная микроскопия, SHG, SPIM, OCT) до определения характеристик полупроводников, обеспечивая более высокий уровень надежности, более длительный срок службы и экономичное решение.

Edmund Optics

Edmund Optics предлагает широкий спектр лазерных источников, включая лазеры машинного зрения, лазеры для медико-биологических наук, метрологические лазеры, газовые лазеры, промышленные и точечные лазеры, а также лазеры для обработки материалов.

OEwaves

В лазере HI-Q ™ находится запатентованный драйвер / контроллер и лазерный источник OEwaves, который основан на микрорезонаторе с высоким коэффициентом качества (Q) в режиме шепчущей галереи (WGM). Лазер масштабируется до множества длин волн в диапазоне 370–4500 нм.

Уникальная технология лазера OEwaves HI-Q ™ использует самоинжекцию при синхронизации подходящего серийно выпускаемого лазерного диода через резонансную оптическую обратную связь от высокодобротного микрорезонатора WGM. Его монолитно-интегрированный подход, а также микромасштабная масса и объем делают лазер практически нечувствительным к вибрациям окружающей среды.

Lumibird

Lumibird производит широкий спектр лазеров благодаря своему опыту в трех ключевых технологиях: импульсных твердотельных лазерах (наносекундный диапазон), непрерывных и импульсных волоконных лазерах и волоконных усилителях, а также лазерных диодах. Рассматриваются различные области применения в промышленности (производство, лидарные датчики), науке (лаборатории и университеты), медицине (офтальмология) и обороне.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии.Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1] А. Л. Шавлов и К. Х. Таунс, «Инфракрасные и оптические мазеры», Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958), DOI: 10.1103 / PhysRev.112.1940 (новаторская работа; также содержит знаменитое уравнение Шавлоу – Таунса)
[2] TH Maiman, «Стимулированное оптическое излучение. в рубине », Nature 187, 493 (1960), doi: 10.1038 / 187493a0 (первая экспериментальная демонстрация лазера), doi: 10.1038 / 187493a0
[3] Т. Х. Майман, «Оптическое действие мазера в рубине», Br. Commun. Электрон. 7, 674 (1960)
[4] П. П. Сорокин и М. Дж. Стивенсон, «Вынужденное инфракрасное излучение трехвалентного урана», Phys. Rev. Lett. 5 (12), 557 (1960), doi: 10.1103 / PhysRevLett.5.557 (первый четырехуровневый лазер)
[5] A. Javan, W. R. Bennett Jr., и Д. Р. Херриотт, “Инверсия населенностей и непрерывные оптические мазерные колебания в газовом разряде, содержащем смесь He – Ne”, Phys. Rev. Lett. 6 (3), 106 (1961), DOI: 10.1103 / PhysRevLett.6.106
[6] Т. Томиясу, «Лазерная библиография», IEEE J. Quantum Electron. 1 (3), 133 (1965), DOI: 10.1109 / JQE.1965.1072194
[7] Г. Смит, «Первые годы работы с лазером в Hughes Aircraft Company», IEEE J. Quantum Electron. 20 (6), 577 (1984), DOI: 10.1109 / JQE.1984.1072445
[8] R. E. Slusher, «Laser technology», Rev. Mod. Phys. 71, S471 (1999), DOI: 10.1103 / RevModPhys.71.S471
[9] Дж. М. Гилл, «Лазеры: 40-летняя перспектива», IEEE J. Quantum Electron. 6 (6), 1111 (2000), DOI: 10.1109 / 2944.9
[10] «Яркая идея: первые лазеры», Американский институт физики (2010)
[11] J А. Хехт, “Краткая история развития лазеров”, Опт.Англ. 49, 0

(2010), DOI: 10.1364 / AO.49.000F99
[12] AE Siegman, Lasers , University Science Books, Mill Valley, CA (1986)
[13] O. Svelto, Principles of Lasers , Plenum Press, New York (1998)
[14] F. Träger (ed.), Handbook of Lasers and Optics , Springer, Berlin (2007)
[15] R. Paschotta, Field Guide to Lasers , SPIE Press, Bellingham, WA (2007)

(Предложите дополнительную литературу!)

См. Также: лазерный свет, лазерная оптика, лазерные приложения, лазерная физика, дизайн лазеров, лазерные резонаторы, лазерные кристаллы, средства усиления лазера, лазеры с диодной накачкой, лазеры с ламповой накачкой, твердотельные лазеры, волоконные лазеры, волноводные лазеры, лазеры с повышающим преобразованием, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры, молекулярные лазеры, рентгеновские лазеры, лазеры с синхронизацией мод, лазеры с модуляцией добротности, лазеры видимого диапазона, лазерный порог, дифференциальная эффективность, лазерный шум, ширина линии, когерентность, настройка длины волны, безопасность лазера, лазер технические характеристики, научные лазеры
и другие статьи в категории лазерные устройства и лазерная физика


Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о лазерах

в
Энциклопедия фотоники RP

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/lasers.html 
, статья «Лазеры» в энциклопедии RP Photonics]

Принципы работы лазера

Принципы работа лазера

В В лазерах фотоны взаимодействуют с атомами тремя способами:

  • Поглощение излучения
  • Спонтанный выброс
  • Стимулированный выброс

Поглощение излучения

Поглощение из излучение — это процесс, при котором электроны в земле государство поглощает энергию от фотонов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.

электроны движущиеся по орбите очень близко к ядру имеют более низкую энергию уровень или более низкое энергетическое состояние, в то время как электроны вращаются по орбите дальше от ядра находятся на более высоком энергетическом уровне. Электроны на нижнем энергетическом уровне нуждаются в дополнительной энергии. прыгнуть на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия обеспечивается от различных источников энергии, таких как тепловая, электрическая поле или свет.

Пусть Рассмотрим два уровня энергии (E 1 и E 2 ) электронов. E 1 — основное состояние или ниже энергетическое состояние электронов и E 2 — возбужденное состояние или более высокое энергетическое состояние электронов. Электроны в основное состояние называют электронами с более низкой энергией или землей. состояние электронов, тогда как электроны в возбужденном состоянии называемые электронами более высокой энергии или возбужденными электронами.

В в общем, электроны в состоянии с более низкой энергией не могут прыгать в более высокое энергетическое состояние. Им нужно достаточно энергии в порядок прыжка в более высокое энергетическое состояние.

Когда фотонов или световой энергии, равной разности энергий два энергетических уровня (E 2 — E 1 ) на атоме, электроны в основном состоянии набирают достаточную энергию и прыгают из основного состояния (E 1 ) в возбужденное состояние (E 2 ).

поглощение излучения или света возникает только в том случае, если энергия падающего фотон точно соответствует разнице энергий двух уровни (E 2 — E 1 ).

Спонтанный выброс

Спонтанный эмиссия это процесс, посредством которого электроны в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние, испуская фотоны.

электроны в возбужденном состоянии может оставаться только непродолжительное время. В время, до которого возбужденный электрон может оставаться на более высокой энергии состояние (E 2 ) известно как время жизни возбужденного электроны. Время жизни электронов в возбужденном состоянии 10 -8 второй.

Таким образом, после короткого времени жизни возбужденных электронов они возвращаются в более низкое энергетическое состояние или основное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов.

В спонтанный излучения электроны движутся естественным или самопроизвольным образом из одно состояние (состояние с более высокой энергией) в другое состояние (состояние с более низкой энергией) состояние), поэтому испускание фотонов также происходит естественным образом. Следовательно, мы не можем контролировать, когда возбужденный электрон будет терять энергию в виде света.

фотоны, испускаемые в процессе спонтанного излучения, составляют обычный некогерентный свет.Некогерентный свет — это луч фотоны с частыми и случайными изменениями фазы между их. Другими словами, фотоны, испускаемые в спонтанном выбросы не протекают точно в том же направлении падающие фотоны.

Стимулированный выброс

Стимулированный эмиссия это процесс, посредством которого падающий фотон взаимодействует с возбужденный электрон и заставляет его вернуться в основное состояние.

В стимулированный излучения, световая энергия подается непосредственно к возбужденному электрон вместо подачи световой энергии в основное состояние электроны.

В отличие от спонтанное излучение, вынужденное излучение не является естественный процесс это искусственный процесс.

В спонтанный эмиссии, электроны в возбужденном состоянии останутся там пока не закончится его жизнь.По прошествии своей жизни они возвращаются в основное состояние, высвобождая энергию в форма света.

Однако при вынужденном излучении электроны в возбужденном состоянии не нужно ждать завершения их жизни. Альтернатива используется для принудительного возврата возбужденного электрона в основное состояние до завершения их срока службы.Этот техника известна как вынужденное излучение.

Когда инцидент фотон взаимодействует с возбужденным электроном, он заставляет возбужденный электрон, чтобы вернуться в основное состояние. Это взволновало электрон выделяет энергию в виде света при падении на основное состояние.

В стимулированное излучение, испускаются два фотона (один дополнительный фотон испускается), один из-за падающего фотона а еще один связан с выделением энергии возбужденных электрон.Таким образом испускаются два фотона.

стимулированный процесс эмиссии очень быстрый по сравнению со спонтанным эмиссионный процесс.

Все испускаемые фотоны в вынужденном излучении имеют одинаковые энергии, той же частоты и синфазны. Поэтому все фотоны в вынужденном излучении перемещаются в том же направление.

количество фотонов, испускаемых в стимулированном излучении, зависит от от количества электронов на более высоком энергетическом уровне или возбужденное состояние и интенсивность падающего света.

Это можно записать как:

Количество выпущенных фотоны α Количество электронов в возбужденном состоянии + падающий свет интенсивность.

Принцип работы лазерного диода

— Inst Tools

Лазерный диод или LD , также известный как инжекционный лазерный диод или ILD , представляет собой полупроводниковый лазер с электрической накачкой, в котором активная лазерная среда образована pn-переходом полупроводникового диода, аналогичного найденному в светодиоде.

Термин «лазер» означает усиление света за счет вынужденного излучения. Лазерный свет является монохроматическим, что означает, что он состоит из одного цвета, а не из смеси цветов. Лазерный свет также называется когерентным светом с одной длиной волны по сравнению с некогерентным светом, который состоит из широкой полосы длин волн. Лазерный диод обычно излучает когерентный свет, тогда как светодиод излучает некогерентный свет. Символы такие же, как на рисунке.

Рис. (A): Символ лазерного диода

Рис. Основы конструкции и работы лазерного диода.

Базовая конструкция лазерного диода показана на рисунке (b). Pn переход образован двумя слоями легированного арсенида галлия. Длина pn перехода находится в точном соотношении с длиной волны излучаемого света. На одном конце pn-перехода имеется сильно отражающая поверхность, а на другом конце — частично отражающая поверхность, образующая резонансную полость для фотонов. Внешние выводы обеспечивают соединения анода и катода.

Основная операция заключается в следующем.Лазерный диод имеет прямое смещение от внешнего источника напряжения. При движении электронов через переход происходит рекомбинация, как в обычном диоде. Когда электроны падают в дырки, чтобы рекомбинировать, высвобождаются фотоны. Освободившийся фотон может ударить по атому, вызывая высвобождение другого фотона. По мере увеличения прямого тока больше электронов попадает в область обеднения и вызывает испускание большего количества фотонов. В конце концов, некоторые из фотонов, которые беспорядочно дрейфуют в области истощения, ударяются по отраженным поверхностям перпендикулярно.Эти отраженные фотоны движутся вдоль области истощения, ударяя по атомам и высвобождая дополнительные фотоны из-за лавинного эффекта.

Это возвратно-поступательное движение фотонов увеличивается по мере генерации фотонов «снежных шаров», пока очень интенсивный луч лазерного света не формируется фотонами, которые проходят через частично отражающий конец pn перехода. Каждый фотон, произведенный в этом процессе, идентичен другим фотонам по уровню энергии, фазовому соотношению и частоте. Таким образом, лазерный диод излучает интенсивный свет одной длины волны, как показано на рисунке (c).Лазерные диоды имеют пороговый уровень тока, выше которого происходит лазерное воздействие, а ниже которого диод ведет себя по существу как светодиод, излучающий некогерентный свет.

Характеристики лазерного диода

Одной из важных характеристик лазерного диода является то, что порог. Предполагается, что действие генерации не произойдет до тех пор, пока к материалу не будет приложена минимальная мощность. Это показано на следующем рисунке. Это графическое представление сравнивает выходную мощность с входным током.Несмотря на то, что лазерный диод излучает свет ниже пороговой энергии, спонтанное излучение слабее, чем излучение лазерного света выше порогового значения.

На следующем графике показаны характеристики лазерного диода

.

Приложения

Лазерные диоды и фотодиоды используются в системе считывания компакт-дисков (CD). Аудиоинформация (звук) записывается в цифровом формате в стерео на поверхности компакт-диска в виде микроскопических «ямок» и «плоских поверхностей».”Система линз фокусирует лазерный луч от диода на поверхность компакт-диска. При вращении компакт-диска линза и луч движутся по траектории под управлением серводвигателя. Лазерный свет, который изменяется ямками и плоскостями вдоль записанной дорожки, отражается обратно от дорожки через линзу и оптическую систему на инфракрасные фотодиоды. Затем сигнал с фотодиодов используется для воспроизведения звука, записанного в цифровом виде. Лазерные диоды также используются в лазерных принтерах и оптоволоконных системах.

Принципы измерения, используемые лазерными датчиками и сканерами


МЕТОДЫ ВКЛЮЧАЮТ ТРИАНГУЛЯЦИЮ И ВРЕМЯ ПОЛЕТА

Метод, используемый для измерения расстояния, зависит от точности и дальности, необходимых для устройства.Принципы измерения включают триангуляцию, времяпролетные измерения, времяпролетные системы импульсного типа и системы с модулированным лучом.

Для расстояний в несколько дюймов с высокими требованиями к точности датчики «триангуляции» измеряют местоположение пятна в поле зрения детектирующего элемента. Датчики времени полета определяют диапазон времени, за которое свет проходит от датчика к цели и возвращается. Для измерения очень больших расстояний (до многих миль) используются «времяпролетные» лазерные дальномеры, использующие импульсные лазерные лучи.Системы с модулированным лучом используют время, необходимое свету для перемещения к цели и обратно, но время одного прохода туда и обратно не измеряется напрямую. Вместо этого мощность лазера быстро меняется, чтобы генерировать сигнал, который меняется со временем.

лазерный триангуляционный датчик и ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ТРИАНГУЛЯЦИИ

Одним из методов точного измерения расстояния до целей является использование лазерного триангуляционного датчика. Они названы так потому, что корпус датчика, излучаемый лазер и отраженный лазерный свет образуют треугольник.

Лазерный луч излучается прибором и отражается от поверхности цели к собирающей линзе. Эта линза обычно расположена рядом с лазерным излучателем. Объектив фокусирует изображение пятна на камере с линейной матрицей (матрица CMOS). Камера просматривает диапазон измерения под углом, который варьируется от 45 до 65 градусов в центре диапазона измерения, в зависимости от конкретной модели. Положение пятна изображения на пикселях камеры затем обрабатывается для определения расстояния до цели.Камера интегрирует падающий на нее свет, поэтому более длительное время выдержки обеспечивает большую чувствительность к слабым отражениям. Луч просматривается с одной стороны, так что видимое местоположение пятна меняется в зависимости от расстояния до цели.

Один из наших триангуляционных датчиков перемещения запатентован, и многое можно узнать, прочитав патент (USPTO 6 624 899).

Триангуляционные устройства идеально подходят для измерения расстояний в несколько дюймов с высокой точностью. Устройства триангуляции могут быть построены в любом масштабе, но точность быстро падает с увеличением дальности.Глубина резкости (от минимального до максимального измеряемого расстояния) обычно ограничена, поскольку триангуляционные датчики не могут измерять относительно своей базовой линии расстояние между излучателем и детектором.

Уровень экспозиции и мощности лазера обычно регулируется для оптимизации точности измерений силы сигнала и уровня внешней освещенности. Данные диапазона могут быть внутренне усреднены по множественным воздействиям перед передачей, если частота дискретизации установлена ​​надлежащим образом.

Для получения дополнительной информации посетите нашу страницу о лазерных триангуляционных датчиках , а для получения дополнительных сведений о триангуляции вы можете узнать больше о триангуляции на FierceElectronics.com.

ВРЕМЯ ПОЛЕТА

Системы с модулированным лучом также используют время, необходимое свету для перемещения к цели и обратно, но время одного полета туда и обратно напрямую не измеряется. Вместо этого мощность лазера быстро меняется, чтобы генерировать сигнал, который меняется со временем. Временная задержка косвенно измеряется путем сравнения сигнала от лазера с задержанным сигналом, возвращающимся от цели.Одним из распространенных примеров этого подхода является «измерение фазы», ​​при котором выходной сигнал лазера обычно синусоидальный, а фаза исходящего сигнала сравнивается с фазой отраженного света.

Точность измерения фазы ограничена частотой модуляции и способностью определять разность фаз между сигналами. Некоторые дальномеры с модулированным лучом работают по принципу преобразования диапазона в частоту, что дает несколько преимуществ по сравнению с измерением фазы. В этих случаях лазерный свет, отраженный от цели, собирается линзой и фокусируется на фотодиоде внутри прибора.Результирующий сигнал усиливается до ограниченного уровня, инвертируется и используется непосредственно для модуляции лазерного диода. Свет от лазера коллимируется и излучается из центра передней поверхности датчика. Эта конфигурация образует осциллятор, в котором лазер сам включается и выключается по собственному сигналу. Время, которое требуется свету, чтобы добраться до цели и вернуться, плюс время, необходимое для усиления сигнала, определяет период колебаний или скорость, с которой лазер включается и выключается.Затем этот сигнал делится и синхронизируется внутренними часами для измерения дальности. Измерение в некоторой степени нелинейно и зависит от мощности сигнала и температуры, поэтому для устранения этих эффектов в датчике можно выполнить процесс калибровки.

Датчики с модулированным лучом обычно используются в приложениях средней дальности, для расстояний от нескольких дюймов до нескольких десятков футов от не взаимодействующих целей. При использовании совместных целей, таких как отражатели, дальность действия может быть увеличена до нескольких сотен или тысяч футов.

Узнайте больше о патенте Acuity на приборы для измерения времени полета с модулированным лучом, прочитав патент США 5,309,212.

CONFOCAL CHROMATIC

Самый точный и надежный датчик расстояния Acuity использует уникальный принцип измерения — конфокальное хроматическое зондирование. В отличие от наших датчиков времени пролета и триангуляции, которые используют лазеры, конфокальные датчики CCS Prima используют источник белого света для точного измерения расстояния до поверхностей. Некоторые модели имеют точность до 20 нанометров.Кроме того, эта технология позволяет измерять и профилировать прозрачные материалы, такие как стекло, линзы, жидкости и т. Д.

Суть нашего принципа конфокальной хроматической визуализации заключается в точном обнаружении цветов света, отраженного от поверхностей цели. Белый свет фокусируется на поверхность цели с помощью многолинзовой оптической системы. Эти линзы рассеивают свет на монохроматические ступени (цвета) вдоль оси измерения. Определенное расстояние до цели назначается длине волны каждого цвета при заводской калибровке.Для измерения используется только длина волны, точно сфокусированная на цель. Этот свет, отраженный от поверхности цели, передается от зонда через конфокальную апертуру на спектрометр, который обнаруживает и обрабатывает спектральные изменения и вычисляет расстояния. Эти измерения расстояния передаются с высокой скоростью по протоколу связи Ethernet.


Конфокальный датчик

Основы лазера

Основы лазера [индекс]

Лазер Основы
Роберт Олдрич


ТАБЛИЦА СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛЫ


ВВЕДЕНИЕ

Слово «лазер» это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Радиация.Лазеры находят все больше военных приложения — в основном для целеуказания, управления огнем, и обучение. Эти лазеры называются дальномерами, целями. обозначения и имитаторы стрельбы прямой наводкой. Лазеры также используется в связи, лазерных радарах (LIDAR), системах посадки, лазерные указатели, системы наведения, сканеры, металлообработка, фотография, голография и медицина.

В этом документе слово «лазер» будет ограничено устройства, излучающие электромагнитное излучение, использующие свет усиление за счет вынужденного излучения излучения на длинах волн от 180 нм до 1 миллиметра.Электромагнитный спектр включает энергию от гамма-лучей до электричества. фигура 1 показывает полный электромагнитный спектр и длины волн различные регионы.


Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Основные длины волн лазерного излучения для современных военных и коммерческих приложения включают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров состоит из длин волн от 180 до 400 нм.Видимый область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700 нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасный область спектра состоит из излучения с длинами волн от 700 нм до 1 мм. Лазерное излучение поглощается кожей проникает всего в несколько слоев. В глазу видно и рядом инфракрасное излучение проходит через роговицу и фокусируется на и поглощается сетчаткой. Это длина волны света который определяет видимое ощущение цвета: фиолетовый при 400 нм, красный на 700 нм, а другие цвета видимого спектра в между.При поглощении излучения действие на поглощающую биологическая ткань бывает фотохимической, термической или механический: в ультрафиолетовой области действие в первую очередь фотохимический; в инфракрасной области действие в первую очередь термический; а в видимой области присутствуют оба эффекта. Когда интенсивность излучения достаточно высока, повреждение к впитывающей ткани.


ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

Базовое понимание того, как работает лазер, помогает в понимание опасностей при использовании лазерного устройства.фигура 2 показывает, что электромагнитное излучение испускается всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон, отдает энергию. Этот происходит каждый раз, когда электрон падает из более высокого энергетического состояния,, в более низкое энергетическое состояние, в атоме или ионе как происходит в люминесцентном свете. Это также происходит из-за изменений в колебательное или вращательное состояние молекул.

Цвет света определяется его частотой или длина волны. Более короткие длины волн — это ультрафиолет и более длинные волны — инфракрасные.Самая маленькая частица энергия света описывается квантовой механикой как фотон. В энергия фотона E определяется его частотой, и постоянная Планка h.

(1)

Скорость света в вакууме c составляет 300 миллионов метров. в секунду. Длина волны света связана с из следующего уравнения:

(2)

Разница уровней энергии, на которой возбужденное Электронные капли определяют длину волны излучаемого света.


Рис. 2. Излучение атома при переходе электрон из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией


КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

Как показано на рисунке 3, три основных компонента лазера являются:

  • Материал генерации (кристалл, газ, полупроводник, краситель, и т.д …)
  • Источник накачки (добавляет энергию к материалу генерации, например лампа-вспышка, электрический ток вызывает электрон столкновения, излучение лазера и т. д.)
  • Оптический резонатор, состоящий из отражателей, служащих механизм обратной связи для усиления света


Рис. 3. Схема твердотельного лазера

Электроны в атомах материала генерации обычно находятся в установившемся более низком энергетическом уровне. Когда световая энергия от лампа-вспышка добавляется к атомам материала генерации, большинство электронов возбуждены до более высокого энергетического уровня — явление, известное как инверсия населения.Это нестабильный условие для этих электронов. В этом состоянии они останутся короткое время, а затем возвращаются в исходное энергетическое состояние. Этот распад происходит двумя способами: спонтанный распад — электроны просто падают в свое основное состояние при случайном излучении направленные фотоны; и вынужденный распад — фотоны от самопроизвольно распадающиеся электроны сталкиваются с другими возбужденными электронами что заставляет их упасть в основное состояние. Это стимулировало переход высвободит энергию в виде фотонов света которые движутся синфазно на той же длине волны и в том же направление как падающий фотон.Если направление параллельно оптической оси, излучаемые фотоны перемещаются вперед и назад в оптический резонатор через материал генерации между полностью отражающее зеркало и частично отражающее зеркало. Таким образом световая энергия усиливается до тех пор, пока не станет достаточно энергия накапливается для передачи лазерного излучения через частично отражающее зеркало.

Как показано на рисунке 4, лазерная среда должна иметь по крайней мере один возбужденное (метастабильное) состояние, в котором электроны могут задерживаться на длительное время достаточно (микросекунд в миллисекунды) для инверсии населенности происходить.Хотя лазерное воздействие возможно только с двумя энергиями уровней, большинство лазеров имеют четыре или более уровней.


Рис. 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

Q-переключатель на оптическом пути — это метод обеспечения лазерного импульсы очень короткой продолжительности. Вращающаяся призма как полный отражатель на рисунке 3 был ранним методом обеспечения Модуляция добротности. Только в точке вращения, когда есть четкое оптический путь позволит пройти световой энергии.Обычно непрозрачное электрооптическое устройство (например, ячейка Поккельса) в настоящее время часто используется для устройства Q-переключения. Во время напряжения приложение, устройство становится прозрачным, свет накапливается в резонаторе возбужденные атомы могут достигнуть зеркала, так что Качество резонатора Q увеличивается до высокого уровня и излучает высокий пиковая мощность лазерного импульса длительностью несколько наносекунд. Когда фазы разных частотных режимов лазера синхронизированы (заблокированы вместе), эти режимы будут мешать друг другу и создать эффект удара.В результате получается лазерный выход с регулярные пульсации, называемые «синхронизацией мод». Режим синхронизированные лазеры обычно производят серию импульсов длительностью от нескольких пикосекунд до наносекунд, что приводит к более высокой пиковой мощности чем тот же лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Импульсный лазеры часто предназначены для генерации повторяющихся импульсов. Пульс частота повторения прф, а также ширина импульса крайне важно при оценке биологических эффектов.


ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

Лазерный диод представляет собой светодиод с оптическим резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны, которая существует в полупроводниках, как показано на рисунке 5.Их можно настроить изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.


Рисунок 5. Схема полупроводникового лазера

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в лазер. полость, как показано на рисунке 6. Напряжение (внешний источник накачки) применяется к трубке, чтобы возбуждать атомы в газе до инверсия населения. Свет, излучаемый этим типом лазера обычно непрерывная волна (CW). Следует отметить, что если к газоразрядной трубке прикреплены угловые окна заварного механизма, некоторое лазерное излучение может отражаться сбоку от лазера полость.В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, используется камера сгорания и сверхзвуковое сопло для населения инверсия.


Рисунок 6. Схема газового лазера

На рисунке 7 показана схема лазера на красителе. Лазеры на красителях используют активный материал в жидкой суспензии. Ячейка красителя содержит лазерная среда. Многие красители или жидкие суспензии токсичны.


Рис. 7. Общая схема лазера на красителях

Лазеры на свободных электронах, такие как на рисунке 8, обладают способностью генерируют длины волн от микроволнового до рентгеновского диапазона.Они работать, имея электронный луч в проходе оптического резонатора через магнитное поле вигглера. Произошла смена направления магнитным полем электронов заставляет их излучать фотоны.


Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

Геометрия лазерного луча отображает поперечный электромагнитный (ТЕМ) волновые структуры в луче, похожие на микроволны в волне гид. На рисунке 9 показаны некоторые распространенные моды ПЭМ в поперечном сечении лазерный луч.


Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

Можно рассматривать лазер, работающий в режиме как два лазера, работающих бок о бок.Идеальный режим для большинства лазерные приложения — это режим, и этот режим обычно предполагается, что легко выполнить анализ опасностей, связанных с лазерным излучением. Свет от обычного источника света чрезвычайно широкополосный (содержащий длины волн в электромагнитном спектре). Если нужно было установить фильтр, который позволял бы только очень узкий полоса длин волн перед белым или широкополосным светом источника, только один светлый цвет будет виден на выходе из фильтр. Свет от лазера похож на свет, видимый из фильтр.Однако вместо узкой полосы длин волн ни одна из которых доминирует, как и в случае с фильтром, есть гораздо более узкая ширина линии около излучаемой доминирующей центральной частоты от лазера. Цвет или длина волны излучаемого света зависит от типа используемого материала для генерации. Например, если используется кристалл неодима: иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG) в качестве материала для генерации будет использоваться свет с длиной волны 1064 нм. быть испущенным. В таблице 1 показаны различные типы материалов. в настоящее время используется для генерации и длин волн, излучаемых этот тип лазера.Обратите внимание, что некоторые материалы и газы способен излучать более одной длины волны. Длина волны излучаемый свет в этом случае зависит от оптического конфигурация лазера.

Таблица 1. Общие лазеры и их Длины волн

ЛАЗЕРНЫЙ ТИП

ДЛИНА ВОЛНЫ (Нм)

Фторид аргона

193

Ксенон хлорид

308 и 459

Фторид ксенона

353 и 459

Гелий Кадмий

325–442

Родамин 6G

450–650

Пар меди

511 и 578

Аргон

457 — 528 (514.5 и 488 наиболее часто используемые)

Частота удвоена Nd: YAG

532

Гелий Неон

543, 594, 612 и 632,8

Криптон

337,5 — 799,3 (647,1 — 676,4 наиболее часто используемые)

Рубин

694,3

Лазерные диоды

630–950

Ti: Сапфир

690–960

Александрит

720–780

Nd: YAG

1064

Фтористый водород

2600–3000

Эрбий: стекло

1540

Окись углерода

5000 — 6000

Двуокись углерода

10600

Свет от обычного источника света расходится или распространяется быстро, как показано на рисунке 10.Интенсивность может быть большой в источнике, но он быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя из первоисточника.


Рис. 10. Расхождение обычного источника света

Напротив, выход лазера, показанный на рисунке 11, имеет очень малая расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча более большие расстояния. Таким образом, относительно маломощные лазеры могут излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче чем можно получить от гораздо более мощного обычного света источники.


Рис. 11. Расходимость лазерного источника

Например, лазер, способный доставлять импульс 100 мДж в 20 нс имеет пиковую мощность 5 миллионов ватт. Лазер CW будет обычно световая энергия выражается в ваттах, а импульсный мощность лазера обычно выражается в джоулях. С энергия не может быть создана или уничтожена, количество энергии имеющееся в вакууме на выходе лазера будет таким же количество энергии, содержащейся в луче в какой-то момент вниз по диапазону (с некоторыми потерями в атмосфере).Рисунок 12. иллюстрирует типичный лазерный луч. Количество доступной энергии в пределах участка отбора проб будет значительно меньше, чем количество энергии, доступной в луче. Например, 100 мВт выходная мощность лазера может иметь 40 мВт в пределах 1 площадь образца. Энергия излучения в этом примере составляет 40 мВт /.


Рис. 12. Иллюстрация освещенности


ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Материалы могут отражать, поглощать и / или пропускать световые лучи.Отражение света лучше всего иллюстрирует зеркало. Если свет лучи падают на зеркало, почти вся энергия падает на зеркало будет отражено. На рисунке 13 показано, как пластик или поверхность стекла будет воздействовать на падающий световой луч. Сумма переданная, поглощенная и отраженная энергия будет равна количеству энергии, падающей на поверхность.

Поверхность является зеркальной (зеркальной), если размер поверхности несовершенства и вариации намного меньше длины волны падающего оптического излучения.Когда неровности случайны ориентированы и намного больше длины волны, то поверхность считается диффузной. В промежуточной области это иногда необходимо учитывать диффузную и зеркальную составляющие в отдельности.


Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

Плоская зеркальная поверхность не изменит расхождения падающий световой луч значительно. Однако изогнутые зеркальные поверхности могут изменить расхождение. Сумма, которую расхождение изменяется в зависимости от кривизны поверхность.На рисунке 14 показаны эти два типа поверхностей и как они будут отражать падающий лазерный луч. Расхождение и кривизна отражателя была увеличена в лучшую сторону проиллюстрировать эффекты. Обратите внимание, что значение освещенности на определенном расстоянии от отражателя будет меньше после отражения от изогнутой поверхности, чем при отражении от плоская поверхность, если изогнутый отражатель не фокусирует луч рядом или в этом диапазоне.

Диффузная поверхность — это поверхность, которая будет отражать падающий лазерный луч во всех направлениях.Путь луча не выдерживается когда лазерный луч попадает на диффузный отражатель. Будь поверхность является диффузным отражателем или зеркальный отражатель будет зависят от длины волны падающего лазерного луча. Поверхность это был бы диффузный отражатель для видимого лазерного луча. быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча (например, ). Как показано на рисунке 15, влияние различной кривизны диффузных отражателей мало влияет на отраженный луч.

Если свет падает на границу раздела двух передающей средой (как интерфейс воздух-стекло), немного света будет передаваться, в то время как некоторые будут отражаться от поверхности.Если на границе раздела энергия не поглощается, T + R = 1, где T и R — доли интенсивности падающего пучка, которые передается и отражается. T и R называются трансмиссией. и коэффициенты отражения соответственно. Эти коэффициенты зависят не только от свойств материала и длины волны излучения, но и от угла наклона заболеваемость. Количество падающего светового луча, которое отражается, а количество, передаваемое через материал, в дальнейшем зависит от поляризации светового луча.

Угол, который образует падающий луч излучения с нормали к поверхности определяют угол преломления и угол отражения (угол отражения равен углу заболеваемости). Связь между углом падения ( ), а угол преломления (‘) составляет

(3)

где n и n ‘- показатели преломления сред, падающий и прошедший лучи проходят соответственно (см. рисунок 13).


Рис. 14. Зеркальные отражатели


Рисунок 15. Диффузные отражатели


ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.

Применение лазера в хирургии

Реферат

В современной медицине лазеры все чаще используются для лечения различных патологий, поскольку возрастает интерес к менее инвазивным методам лечения. Физика, лежащая в основе лазеров, позволяет применять одни и те же базовые принципы к множеству типов тканей с небольшими модификациями системы.В каждой области медицины было изучено несколько лазерных систем. Термин «лазер» сочетался с «хирургическим вмешательством», «аблацией», «литотрипсией», «лечением рака», «удалением опухоли», «дерматологией», «омоложением кожи», «липолизом», «кардиологией», «фибрилляцией предсердий». (AF) »и« эпилепсия »во время отдельных поисков в базе данных PubMed. Были рассмотрены и включены оригинальные статьи, в которых изучалось применение лазерной энергии в этих условиях. Представлен обзор лазерной терапии. Лазерная энергия может быть безопасно и эффективно использована для литотрипсии, для лечения различных типов рака, для множества косметических и реконструктивных процедур, а также для удаления аномальных проводящих путей.Для каждого из этих условий лечение с помощью лазера сравнимо с лечением с помощью более традиционных методов и потенциально превосходит его.

Ключевые слова: Лазеры, лазерная литотрипсия, лазерная терапия

Введение

В 1900 году Макс Планк обнаружил, что свет выделяется, переносится и поглощается в определенных количествах энергии, называемых квантами, и что это связано с частотой излучение и то, что он обнаружил как постоянную Планка (1). Вскоре после этого Эйнштейн опубликовал свою работу по квантовой теории, предполагая, что большинство атомов существует в основном энергетическом состоянии (E 0 ).Эти молекулы E 0 затем могут быть преобразованы на более высокие уровни энергии, когда к ним добавляется энергия, и при возвращении в свое основное состояние энергия высвобождается спонтанно в виде фотонов или электромагнитных (ЭМ) волн. Он также обнаружил, что когда фотон одной длины волны сталкивается с возбужденным атомом, два фотона высвобождаются одновременно и, следовательно, имеют равные частоты. Эта идея «вынужденного излучения» спустя годы была использована при создании лазеров (2).

Теодор Майман в конечном итоге создал первый «лазер» (усиление света за счет вынужденного излучения), используя электрический источник для возбуждения твердого рубина (3).После этого изобретения закладки были быстро признаны ее многочисленные возможные показания в медицине. Поскольку было известно, что лазер CO 2 испускает концентрированный луч света, который легко поглощается водой, он стал использоваться для испарения тканей. Неодим: иттрий-алюминиево-гранатовый (Nd: YAG) лазер создавал коагуляционный некроз в тканях, а лазеры видимого света были полезны для достижения гемостаза (4) (). Со временем для создания новых лазеров использовалось несколько различных активных сред, что привело к их применению в широком спектре медицинских специальностей.Цель этого обзора — дать обзор физики, лежащей в основе лазерных систем, продемонстрировать, как одни и те же базовые принципы могут быть применены к различным типам тканей для достижения желаемого эффекта, и как это привело к широкому спектру клинических применений лазеров. .

Таблица 1

Различные лазеры, обычно используемые в медицине, а также длина волны, на которой они работают, их абсорбционные хромофоры и их клиническое применение

    4 Пигмент, белки
910AG 2,940 910bin62 Аргон

5 4 Хирургия

5 , ФДТ, офтальмология, дерматология
Лазер Длина волны (нм) Абсорбционный хромофор Заявка
Рубин 694 Пигмент, гемоглобин Дерматология, удаление татуировок
Nd: YAG 1,064 Пигмент, белки Вода Операция
Диод 630–980 Пигмент, вода (диапазон) НИЛИ, ФДТ, хирургия
CO 2 10,600 Вода Хирургия
Краситель с накачкой 504–690 Пигмент PDT, дерматология

Физика лазера

Длина волны простого лазера система), заключенная между двумя параллельными зеркалами, одно из которых частично отражает и частично передает.Среда возбуждается электрическим источником до тех пор, пока количество атомов в возбужденном состоянии не превысит количество атомов в основном состоянии (инверсия населенности). Когда лазерная среда активируется, она начинает спонтанно испускать возбужденные фотоны во всех направлениях. Однако небольшая часть этих фотонов едет вдоль центральной линии лазерной системы единообразно между зеркалами. Затем зеркала отражают эти фотоны, и процесс вынужденного излучения усиливается. Затем частично пропускающее зеркало позволяет испускать мощный когезионный пучок фотонов в виде лазерного света (5) ().

Демонстрирует лазерную среду в основном состоянии (A) с последующим возбуждением атомов до более высоких уровней энергии (B) и переходом к вынужденному излучению (C) с генерацией лазерного луча в качестве конечного продукта (D).

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазера на образец ткани зависит как от свойств ткани, так и от лазера. Свойства ткани включают ее структуру, содержание воды, теплопроводность, теплоемкость, плотность и ее способность поглощать, рассеивать или отражать излучаемую энергию.Свойства лазера, которые играют роль, — это его мощность, плотность, энергосодержание и длина волны (6).

Основные биологические мишени, с которыми имеют дело, по-разному поглощают свет, и их оптимальные спектры поглощения зависят от длины волны энергии падающих фотонов. Для видимого света и некоторых лазеров ближнего инфракрасного диапазона основными хромофорами (любым веществом, поглощающим свет) являются гемоглобин и меланин, тогда как для лазеров CO 2 единственным хромофором является вода.Чтобы достичь селективного фототермолиза (с использованием энергии при высоких пиковых мощностях и короткой длительности импульса для уничтожения только намеченной цели) без повреждения окружающей ткани, целевая ткань должна содержать хромофоры, которые поглощают определенную длину волны лазера, и эти хромофоры не должны быть обнаружены. в окружающих тканях (7).

Лазеры на CO 2 , Nd: YAG и аргоне — это лазеры, наиболее часто используемые в медицине и хирургии (). Лазер CO 2 имеет газообразный диоксид углерода в качестве среды и излучает энергию на длине волны 10 600 нм.Поскольку его хромофор, вода, присутствует повсюду, лазеры CO 2 не могут быть использованы для селективного фототермолиза, хотя они избирательны к тканям. Вся падающая энергия поглощается тканевой водой до определенной глубины, предотвращая более глубокое повреждение ткани. CO 2 лазеры работают в невидимом инфракрасном диапазоне волн, поэтому для точного лечения требуется наводящий луч. Фокусировка лазера на ткани обеспечивает чрезвычайно высокую плотность мощности, что приводит к мгновенному испарению и абляции ткани.Поскольку интенсивность лазерного луча пропорциональна квадрату диаметра луча, обратная фокусировке луча, хирург может легко переключить лазер с режима разреза на объемное испарение или коагуляцию. Лазер CO 2 имеет несколько режимов луча, каждый из которых по-разному реагирует на ткань. Самый простой режим — это непрерывная волна (CW), в которой лазерный луч излучается, работает в течение определенного времени, а затем выключается. Однако более современные лазеры являются квазинепрерывными (ультраимпульсными), что означает, что они производят короткие импульсы с высокой пиковой мощностью с очень длинными интервалами между импульсами.Это имеет то преимущество, что позволяет делать более точные разрезы с минимальным выделением тепла, поскольку каждый доставленный импульс короче времени, необходимого для охлаждения целевой ткани (7).

Активной средой лазера Nd: YAG является одиночный кристаллический стержень YAG, покрытый ионами неодима. Длина волны света, излучаемого этой системой, которая определяется ионами неодима, составляет 1060 нм (5). Поскольку на этой длине волны отсутствуют ключевые тканевые хромофоры, взаимодействие лазера Nd: YAG с тканью вызывает в значительной степени эффект рассеяния (8).Рассеяние приводит к отражению, которое препятствует формированию типичного узкого когезионного луча. Это снижает проникающую способность лазера, что приводит к более медленному нагреванию ткани (9). Это свойство Nd: YAG-лазера делает его идеальным для гемостаза и некроза опухолей, а также для многочисленных эндоскопических процедур в различных областях (6,10).

Ионные лазеры, такие как аргоновый и криптоновый лазер, работают аналогично газовым лазерам, за исключением того, что они ионизируют активную среду. Это возбуждает ионы вместо атомов, используя большой источник питания.Они могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах и могут генерировать волны с длинами волн от 250 до 530 нм, причем два самых мощных луча находятся в синем (488 нм) и зеленом (514,5 нм) диапазонах спектра (6).

Клиническое применение лазеров

Поскольку постоянно ищут малоинвазивные методы лечения различных патологических процессов, использование лазеров становится все более популярным в современной медицине. Помимо практического применения в операционной, лазеры имеют широкий спектр применения в офтальмологии, литотрипсии, диагностике и лечении различных видов рака, а также в дерматологических и косметических процедурах.

Литотрипсия

Лазерная литотрипсия была широко распространенным методом фрагментации мочевых и желчных камней в течение последних нескольких десятилетий (11). Лазеры могут выполнять литотрипсию, обладая фотоакустическим / фотомеханическим эффектом (лазерно-индуцированная ударно-волновая литотрипсия) или преимущественно фототермическим эффектом. Из лазеров, обычно используемых в литотрипсии, импульсный лазер на красителе длительностью 1 мкс является наиболее популярным ударно-волновым лазером и широко изучался (12–14). Это устройство основано на возбуждении кумаринового красителя для получения монохроматического света, который фрагментирует камни (14).При длине волны 504 нм излучается зеленый свет, который в значительной степени поглощается мочевыми камнями желтого цвета, что позволяет безопасно использовать его, не нанося значительного ущерба окружающим тканям (13). Когда камень поглощает энергию от лазера, возбужденные ионы, которые высвобождаются, образуют быстро расширяющееся и пульсирующее облако вокруг камня, создавая ударную волну, которая затем разбивает камень на фрагменты (15). Поскольку этот лазер неэффективен против неабсорбирующих бесцветных камней, таких как камни, состоящие из цистина, фотосенсибилизаторы (красители) успешно используются в качестве ирригационных жидкостей и абсорбентов, чтобы инициировать процесс фрагментации (16,17).Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности также выполняет литотрипсию с помощью этого механизма, но генерирует ударные волны большей силы (18).

С другой стороны, длинноимпульсный гелиевый: YAG-лазер использует в основном фототермический механизм для фрагментации камней (19) (). Лазер излучает свет с длиной волны 2100 нм, который хорошо поглощается водой. Таким образом, в соответствующей среде жидкость поглощает энергию и в результате нагревается. Образуется облако пара, разделяющее воду и позволяющее оставшейся части лазерного света напрямую контактировать с поверхностью камня, просверливая в нем отверстия и приводя к его фрагментации (13).Исследование, проведенное Cimino et al. продемонстрировал, что лазерная литотрипсия Ho: YAG является более эффективной эндоскопической техникой для лечения камней мочеточника с более высокой скоростью фрагментации камней по сравнению с пневматической литотрипсией, а обзор, проведенный Тейхманом, пришел к выводу, что этот лазер безопасен, эффективен и работает так же хорошо. если не лучше, чем другие методы, и что он также может использоваться при желчных камнях (20,21).

Демонстрирует лазер для литотрипсии Ho: YAG (A) и дерматологический лазер на неодиме: иттрий-алюминиевом гранате (Nd: YAG) (B).

Онкология

В настоящее время лазеры безопасно используются для лечения рака, возникающего в различных системах органов. Например, в нейрохирургии лазерная интерстициальная термотерапия (ЛИТТ) является предпочтительным вариантом лечения для пациентов, которые не являются идеальными кандидатами на хирургическое вмешательство (22). С момента появления в нейрохирургии лазеры становятся все более безопасными в использовании и успешно применяются для лечения неоперабельных глиом, а также твердых и геморрагических опухолей, таких как мениниомы, опухоли глубокого основания черепа или опухоли глубоко в желудочках (10 , 23).Методы абляции слизистой оболочки с использованием лазеров в настоящее время широко и успешно используются для лечения поверхностного рака желудочно-кишечного тракта, включая ранний рак желудка, поверхностный рак пищевода, колоректальную аденому и пищевод Барретта высокой степени злокачественности (24). Более того, фотодинамическая терапия (ФДТ) с использованием лазеров также оказалась эффективным методом лечения определенных типов поражений рака легких (25).

Прямая лазерная абляция используется для прямого разрушения раковых клеток за счет фотохимических, фотомеханических и фототермических эффектов.Происходящие фотохимические реакции в конечном итоге образуют токсические радикалы, которые приводят к гибели тканей, фотомеханические реакции вызывают нагрузку на ткань и приводят к ее фрагментации, а фототермические реакции вызывают нагревание и коагуляцию, которые вызывают гибель клеток (26).

Чтобы улучшить этот процесс и более точно воздействовать на желаемые опухолевые клетки, ФДТ была разработана почти столетие назад и с тех пор приобрела большую популярность. Этот метод лечения включает введение фотосенсибилизирующего лекарственного средства с последующим освещением целевой области видимым светом, соответствующим длине волны поглощения фотосенсибилизирующего лекарственного средства (27).Фотосенсибилизатор, который затем активируется, сначала формирует возбужденное синглетное состояние, а затем переходит в триплетное состояние, которое в присутствии кислорода формирует активные формы кислорода, деструктивные для неопластических клеток (28). С другой стороны, селективная фототермическая терапия использует локализованный светопоглощающий краситель для усиления лазерно-индуцированного разрушения опухолевых клеток (29).

Эстетическая и реконструктивная хирургия

Уникальная способность лазеров воздействовать на определенные структуры и слои тканей делает их мощным инструментом в косметической и реконструктивной хирургии.Лазерная шлифовка была основным инструментом, используемым для лечения старения в современной медицине, поскольку, как известно, индукция образования нового коллагена снижает эффекты фотостарения (30). Оригинальные методы шлифовки кожи включали использование абляционных лазерных систем CO 2 и Er: YAG для нацеливания на определенную часть дермы. Однако, поскольку эти системы также удаляют значительное количество эпидермиса, они приводят к более длительному выздоровлению и усилению побочных эффектов, таких как инфекции и эритема.Для решения этих проблем впоследствии были разработаны неабляционные лазеры, такие как интенсивный импульсный свет, Nd: YAG, диодные и Er: стеклянные лазеры, которые в основном излучают инфракрасный свет (). Задача этих систем — воздействовать на воду в дерме, которая в процессе нагревает коллаген и вызывает ремоделирование. Поскольку существует система, которая одновременно охлаждает эпидермис, не происходит испарения тканей и не образуется внешних ран. Совсем недавно фракционная лазерная шлифовка стала основой шлифовки кожи.Используя фракционированные лазеры, тонкие пучки высокоэнергетического света используются для создания небольших зон термического повреждения («микроскопические термические зоны») и одновременной обработки только части кожи (31).

Лазерный липолиз, при котором используется оптическое волокно, вставленное в канюлю диаметром 1 мм, также становится все более популярной процедурой в косметической хирургии. Из-за небольшого размера канюли требуется меньший разрез, что приводит к меньшему кровотечению и образованию рубцов. Из всех лазеров, доступных для медицинских целей, лазеры с длиной волны 920 нм имеют наименьший коэффициент поглощения в жировой ткани, поэтому они проникают в более глубокие слои ткани.Те, у кого длина волны находится в диапазоне 1320–1 444 нм, имеют наибольший коэффициент поглощения в жире, что вызывает меньшую глубину проникновения и позволяет обрабатывать такие ткани поверхностно. Лазер Nd: YAG (1064 нм) — это система, которая наиболее широко используется в лазерном липолизе, поскольку коэффициент поглощения жировой тканью на этой длине волны обеспечивает хорошую глубину проникновения со средним поглощением, вызывая только умеренное повышение температуры и, следовательно, меньшее повреждение тканей. (32). Кроме того, коагуляция мелких кровеносных сосудов лазерным светом на этой длине волны приводит к значительно меньшей кровопотере во время процедуры (33).Abdelaal и Aboelatta смогли показать значительное снижение кровопотери (54%) с помощью лазерной липосакции по сравнению с традиционными методами (34). Кроме того, в обзоре, проведенном Mordon and Plot, сделан вывод о том, что лазерный липолиз дает более ровные результаты для кожи (35).

Наконец, способность лазеров избирательно воздействовать на патологическую сосудистую сеть делает их идеальным источником для лечения сосудистых дефектов, таких как винные пятна (36). До использования лазеров у пациентов не было большого количества вариантов лечения этих типов аномалий.Однако в настоящее время для этой цели используются лазеры, которые преимущественно поглощаются гемоглобином, а не меланином, при этом не травмируя эпидермис (37). Совсем недавно были также представлены лазеры с более длинными волнами и, следовательно, возможность более глубокого проникновения в ткани (38).

Абляция проводящих путей

После того, как было обнаружено, что легочные вены (ЛВ) являются важным источником эктопических сокращений, которые приводят к пароксизмам фибрилляции предсердий (ФП), разработка устройств катетерной абляции была вдохновлена ​​для периферической изоляции ЛВ. (ПВИ) (39).Сегодня лазерный баллонный катетер является одной из эндоскопических систем абляции (EAS), обычно используемых для лечения ФП. Устройство состоит из катетера с эластичным баллоном на конце, который непрерывно промывается оксидом дейтерия. Катетер вводится в левое предсердие, а затем в стержень катетера вводится эндоскоп, что позволяет непосредственно визуализировать цель абляции внутри сердца. Абляция выполняется с помощью диодного лазера с длиной волны 980 нм, расположенного в центральном просвете, излучающего лазерную энергию перпендикулярно стержню катетера, охватывающего дугу под углом 30 ° ° и обеспечивающего круговую абляцию вокруг каждой ЛВ.Лазер на этой длине волны не поглощается оксидом дейтерия. В результате он проникает в ткани за пределы эндотелия, где поглощается молекулами воды, что приводит к нагреванию и коагуляционному некрозу. Доставляемую энергию можно титровать, изменяя мощность (5,5–12 Вт) в наборе заранее определенных уровней (40). Уровни энергии меняются в зависимости от того, на какую сердечную стенку воздействуют (41). Лазер Nd: YAG — еще одна лазерная система, которая обычно используется для этой цели (42). Многоцентровое исследование, проведенное Metzner et al. продемонстрировал значительный процент успеха PVI с использованием EAS и предположил, что показатель успеха в течение 1 года сопоставим с традиционными методами PVI (около 63%) (43).

Чтобы успешно привести к полной блокаде проводимости, в сердце должно быть создано полностью трансмуральное поражение. Melby et al. продемонстрировал, что электрические импульсы, как стимуляция, так и AF, все еще могут распространяться даже через очень узкие промежутки (≥1 мм) в линии абляции (44). При сравнении эффектов разных уровней энергии исследования показали, что использование более высоких уровней энергии приводит к более высокой частоте ПВИ с более низкой частотой рецидивов ФП и без ущерба для профиля безопасности (45,46).

В неврологической хирургии термическая терапия под лазерным контролем под МРТ (MRgLITT) обычно используется для лечения рефрактерной эпилепсии либо как средство удаления эпилептических очагов, либо как инструмент отсоединения. MRgLITT сочетает в себе диодный лазер (980 нм) с технологией визуализации для предоставления интраоперационной информации, необходимой для контроля количества доставляемой энергии (47,48).

Обзор, проведенный Bandt et al. продемонстрировал успешное использование лазерной абляции для лечения рефрактерной эпилепсии различного очагового происхождения, включая мезиальную височную эпилепсию, кортикальную дисплазию, неокортикальный очаг после инсульта, энцефалоцеле, перивентрикулярную узловую гетеротопию и гамартомы гипоталамуса (48).В дополнение к резективным методам лечения эпилепсии существуют различные стратегии лечения, которые отделяют эпилептогенный мозг от неэпилептогенного мозга с помощью мозолистого тела или полусферотомии. Calistro et al. продемонстрировал успешное эндоскопическое отключение гамартом гипоталамуса с использованием тулиевого лазера с роботом, а Choudhri et al. успешно продемонстрировал использование углекислотного лазера для мозолистого тела у детей (49,50).

Эксперимент на основе принципа лазера | CNIlaser

Спонтанное излучение и стимулированный Эмиссия

Флуоресценция Продолжительность жизни Измерение Лазерная работа Вещество

1.Понимать метод для измерение флуоресценция время жизни
лазерная работа вещество
2. Протестируйте Nd: YAG флуоресценция срок службы

1.Спроектировать и рассчитать набор из резонанс используя Matlab,
смоделировать стабильное состояние разные длина полости в
случай заданных параметров линзы.
2. Согласно симуляция полости длина, отрегулировать в
соответствующий резонансная полость, и проверить выход лазера
характеристики

Лазерный Базовый Характеристики и параметры Измерение

1.Возьмитесь за луч фактор качества концепция
2. Экспериментальный параметры разработан в соответствии с к
добротность луча
3. Измерение качество лазерного луча фактор по ножу — край
метод …

1.Использование CCD для обнаруживать поперечный режим He-Ne лазер
2. Соблюдайте поперечный изменение режима после лазера прохождение
через линзу
3. Рассчитайте линза трансформация матрица

Лазерный Поперечный Режим наблюдения и селекционная техника

1.Наблюдение лазера поперечная мода
2. Выбор лазера поперечная мода

1.Измерение Флуоресценция Срок службы Другой твердый Лазер
Материалы
2. Измерение Флуоресценция Срок службы лазера Материалы для
тот же твердотельный лазерный материал, концентрация ионов
различные твердые вещества

1.Выход характерная черта измерение диода лазер

2. Изучение измерение световой порог и
КПД силового преобразования

3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *