Принцип действия лазера, виды лазеров, применение лазеров

как работает лазер

Виды лазеров, принцип действия лазера, применение лазеровЛазеры (или оптические квантовые генераторы) — это одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних лет, одно из «чудес» XX века. У лазеров, несомненно, блестящее будущее, так как область их применения поистине безгранична: с помощью лазеров изучают плазму, ускоряют химические реакции, следят за движением искусственных спутников Земли, производят разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Так, например, с помощью лазера было определено расстояние до Луны с точностью до 100 метров. Если обычная современная вычислительная машина может в секунду произвести несколько миллионов арифметических действий, то вычислительная машина с использованием луча лазера за ту же секунду может произвести несколько сотен или тысяч миллионов операций.

Как работает лазер

Как устроен лазер

Все оптические квантовые генераторы (лазеры) состоят их внешнего источника накачки, активной лазерной среды, оптического резонатора.

Принцип действия лазеров

С помощью источника накачки внешняя энергия направляется к лазеру (оптическому квантовому генератору). Активная лазерная среда, находящаяся внутри лазера, в зависимости от конструкции может состоять из кристаллического тела (YAG-лазер), смеси газа (CO₂-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). При подаче энергии через систему накачки в активную лазерную среду выделяется энергия в форме излучения. Активная лазерная среда находится в так называемом «оптическом резонаторе» между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. В резонаторе происходит усиление излучения активной лазерной среды, а в то же время часть излучения способна выходить из оптического резонатора через полупрозрачное зеркало. Так вот собранное в пучок электромагнитное излучение оптического (светового) диапазона и представляет собой лазерное излучение.

Виды лазеров

Основные виды лазеров

Оптические квантовые генераторы (лазеры) подразделяются на основе множества признаков, но в основном используется следующая классификация:

  • по режиму работы:
    • импульсные;
    • непрерывного действия;
  • по виду активной среды:
    • жидкостные;
    • газовые;
    • твердотельные;
    • лазеры на свободных электронах;
  • по способу возбуждения лазерного вещества (накачки):
    • газоразрядные (в разрядах на полых электродах, в дуговых, тлеющих разрядах);
    • газодинамические (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов);
    • диодные или инжекционные (возбуждение при прохождении тока в полупроводнике);
    • химические лазеры (возбуждение на основе химических реакций);
    • с оптической накачкой (с возбуждением при помощи лампы непрерывного горения, лампы-вспышки, светодиода или другого лазера);
    • с ядерной накачкой (возбуждение в результате ядерного взрыва или с помощью излучения из атомного реактора);
    • с электронно-лучевой накачкой (специальные типы полупроводниковых и газовых лазеров).

В настоящее время различают следующие виды лазеров:

  • твердотельные лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фтористый кальций, некоторые редкоземельные элементы и др.), обладающие большой мощностью излучения;
  • газовые лазеры, в которых в качестве активного вещества используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и др.); они менее мощные по сравнению со твердотельными лазерами;
  • полупроводниковые лазеры с использованием арсенида галлия и др., обладающие большим коэффициентом полезного действия и относительно большой удельной мощностью по сравнению с другими лазерами.

В настоящее время имеется много типов различных лазеров, предназначенных для научных исследований, для использования в области техники и промышленности. Созданы лазеры с различными специальными устройствами (приставками) в виде микроскопов, телевизоров и т. п. для биологических и медицинских целей. Сочетание лазера с микроскопом («лазерный микроскоп») позволяет облучать не только отдельные клетки, но даже и различные образования, находящиеся в них, как например, ядра и другие. В зависимости от материала, служащего активным веществом, меняется интенсивность излучения и длина волны. Большинство лазеров, применяемых в настоящее время, работает в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.

Импульсные лазеры, дающие кратковременные импульсы большой энергии, могут применяться в медицине, в основном, для одно- или многократного воздействия на различные патологические очаги, например, для «обстрела» опухолей и др. Менее мощные лазеры непрерывного действия предназначаются по преимуществу для производства различных оперативных вмешательств. В первом случае лазерный луч можно образно назвать «световой пулей», поражающей избранную цель, а во втором — «световым ножом» (или «световым скальпелем»).

Нефокусированный луч лазера обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом — от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, то есть меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достигать при этом очень высоких температур — до многих миллионов градусов! Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины. Интенсивность излучения лазеров определяется по величине энергии импульса, приходящейся на квадратный сантиметр, и выражается в джоулях (Дж/см2) или калориях, а для лазеров непрерывного действии в ваттах на см2. Энергия каждой вспышки лазера может колебаться от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный пучок мощного лазера буквально не знает преград. Достаточно сказать, что луч лазера способен «просверливать», плавить и обращать в пар сталь, вольфрам, алмаз, корунд и все другие известные человечеству материалы. В настоящее время мощность оптических квантовых генераторов достигла колоссальной величины. В течение импульса продолжительностью в несколько наносекунд (10-11 сек) она превосходит 10 миллионов киловатт! За последние годы сконструированы лазеры, яркость излучения которых в миллион раз больше яркости солнца, а импульсная мощность превышает мощность крупных электростанций.