Pogledajmo ukratko četiri karakteristike laserskog zračenja. Razlog je već objašnjen gore visoko fokusiran laserski svetlosni snop. Njegov ugao divergencije je otprilike 10 4 puta manji od snopa dobrog reflektora. Na površini Mjeseca laserski snop stvara mrlju prečnika oko 10 km. Zbog svoje visoke usmjerenosti, energija laserskog zraka može se prenositi na vrlo velike, uključujući i kosmičke udaljenosti. Time je stvorena osnova za komunikaciju, prenos putem laserskog snopa kako telefonskih razgovora tako i televizijskih slika. Potrebna snaga laserskog predajnika je desetine i stotine hiljada puta manja od snage konvencionalnih radio stanica. U budućnosti će se laserski snop koristiti i za prijenos energije na velike udaljenosti.

O svojstvu neobične spektralne širine ( monohromatski) o laserskom zračenju je također bilo riječi. Spektralni sastav laserskog snopa je mnogo manji od spektra svih drugih izvora svjetlosti i radio valova. Međutim, visoka monohromatnost nije karakteristična za sve vrste lasera. U nekim slučajevima (poluprovodnički laseri, laseri na bazi rastvora boja) opseg zračenja je veoma širok, što se takođe može koristiti u praksi.

Treće najvažnije svojstvo laserskog snopa je njegova visoka koherentnost. Faze različitih svetlosnih talasa koji izlaze kroz zrcala laserske šupljine su ili iste ili međusobno konzistentne. Emisija svih ostalih izvora u optičkom opsegu nije koherentna (u radio području skale elektromagnetnog talasa, međutim, mnogi izvori talasnog polja proizvode koherentno zračenje).

Koherencija se široko koristi u interferometriji, holografiji i mnogim drugim granama nauke i tehnologije. Ranije, prije pojave lasera, koherentni valovi niskog intenziteta u vidljivom području spektra stvarani su samo umjetno, dijeljenjem jednog vala na nekoliko.

Kao posebno svojstvo lasera, mogućnost postizanja laserski impulsi visokog intenziteta i kratkog trajanja. Izbor vrste lasera za njegovu praktičnu upotrebu ovisi o zadatku koji se radi. Postoje kontinuirani laseri. Međutim, većina laserskih sistema emituje izolovane rafale svetlosne energije (svetlosni monopulsi) ili niz impulsa. Trajanje pulsa je takođe različito. U režimu slobodnog lasera, trajanje laserskog rada je blisko trajanju sjaja lampi pumpe.

U kontinuiranom načinu rada emituju helijum-neonski laseri. Snaga lasera samo 0,002…0,020 W, što je višestruko manje od snage sijalice za baterijsku lampu. Da bismo okarakterisali izuzetna svojstva zračenja ovog lasera, predstavljamo sledeće poređenje. Intenzitet D I u opsegu vidljivih frekvencija, primljenog od Sunca na prosječnoj udaljenosti od Zemlje, jednaka je 186 W/m 2. Ova snaga je raspoređena u spektralnom opsegu od n 2 = 7,5×10 14 do n 1 = 4,3×10 14 Hz(D n = n 2 - n 1 » 3×10 14 Hz). Spektralna gustina intenziteta na sunčevoj svetlosti - I n = D I/D n» 6×10 -13 W/(m 2 Hz). He-Ne laser može emitovati 0,01 W u snopu poprečnog presjeka 1 mm 2, respektivno, intenzitet u svjetlosnoj tački na ekranu je 10 6 W/m 2. Budući da se širina spektralne linije takvog lasera može uzeti kao D n = 100 kHz, zatim spektralna gustina zračenja He-Ne laser I n » 10 W/(m 2 Hz). Dakle, spektralna gustina zračenja čak i lasera relativno male snage je 13 redova veličine veća od one kod Sunca ili drugog termalnog izvora svjetlosti. Zbog toga se priroda interakcije laserske svjetlosti koja se širi u mediju sa materijom značajno razlikuje od dobro proučenih slučajeva klasične optike.

Laseri s plinodinamičkom mješavinom CO 2 + N + On, koji radi u kontinuiranom režimu u IR regiji (~10 µm), imaju snagu milion puta veću (reda stotina i hiljada vati). Da bismo procijenili mogućnosti takvih izvora energije, moramo se sjetiti da je za topljenje 1 cm 3 potreban metal ~50 J. Ako je snaga laserskog zraka 500 W, onda se u principu može rastopiti u 1 With ~ 10 cm 3 metal Eksperimentalno postignute stvarne brojke su znatno manje, jer se značajan dio svjetlosne energije koja pada na površinu metala odbija od nje.

Imajte na umu da koncept snage govori o koncentraciji energije u vremenu, sposobnosti sistema da proizvede značajan efekat u datom (obično kratkom) vremenskom periodu. Ogromna snaga nekih vrsta lasera koji emituju monopulse ukazuje na visok kvalitet laserske energije. Moguće je, na primjer, za nekoliko trenutaka dobiti gustoće energije koje premašuju gustinu energije nuklearne eksplozije. Uz pomoć lasera moguće je postići temperature jednake desetinama miliona stepeni i pritiske reda veličine 100 miliona atmosfera. Najveća magnetna polja, itd., dobijena su pomoću lasera.

Da bi se smanjilo trajanje impulsa zračenja, unutar laserske šupljine obično se postavljaju različiti upravljački uređaji - unutaršupljinski modulatori, ili višestepena kola pojačanja kreiraju se iz niza uzastopnih jedinica koje sadrže aktivne elemente. Upotreba poluprovodničkih lasera u pumpnom sistemu, optičkim elementima i nelinearnim pretvaračima laserskog zračenja omogućila je stvaranje izuzetno kompaktnih, efikasnih i kompaktnih laserskih sistema.

U prvom monopulsnom rubin generatoru, trajanje sjaja u impulsima dostiglo je ~10 -8 With. Moderni laseri su sposobni da emituju impulse u trajanju od oko 5 fs, odnosno manje od dva perioda svetlosnog talasa, što je blizu osnovne granice. Čak i relativno skromna energija zračenja na laserskoj skali, kada se koncentriše u ultrakratkom pulsu (USP), proizvodi veliku snagu i, kada je snop fokusiran, ogroman intenzitet. Konkretno, instalacija stvorena u Livermore National Laboratory (SAD) omogućava dobijanje ultrazvučnog laserskog zračenja sa energijom od 660 J sa trajanjem pulsa od 440 fs, što osigurava vršnu snagu reda 1 PW, a pri fokusiranju zraka - intenzitet zračenja je preko 10 21 W/cm 2. Da biste dobili predstavu o ovoj vrijednosti, treba napomenuti da je svjetlosni pritisak u ovom slučaju 300 Gbar, što je uporedivo sa pritiskom u centru Sunca. U ovom primjeru, povećanje snage laserskog zračenja postignuto je uglavnom smanjenjem trajanja impulsa. Poređenje modernih femtosekundnih lasera sa prvim impulsnim laserima pokazuje da je povećanje snage dostiglo 12 redova veličine. Za procjenu povećanja energije zračenja možemo dati podatke o ultrakratkom pulsnom laserskom uređaju koji se dizajnira u SAD-u za istraživanje termonuklearne fuzije. 192 zraka ove instalacije, veličine fudbalskog terena, trebalo bi da postignu energiju od 2 MJ u nanosekundnom pulsu. Dakle, povećanje energije će biti najmanje 6 redova veličine.

Lasersko zračenje ima sljedeća fizička svojstva:

1. Visoka prostorna i vremenska koherentnost. To znači da se određeni fazni odnosi između pojedinačnih valova održavaju neko vrijeme, ne samo u datoj tački u prostoru, već i između oscilacija koje se javljaju u različitim tačkama. Ova konzistentnost procesa omogućava fokusiranje snopa laserskog zračenja u tačku čiji je prečnik jednak talasnoj dužini ovog zračenja. Ovo vam omogućava da povećate već visoki intenzitet laserskog snopa.

2. Strogo monohromatsko zračenje. Opseg talasnih dužina Δλ koje emituje laser dostiže vrednost od ~ 10 -15 m (u proseku Δλ< 10 -11).

3. Visoka gustina protoka energije. Na primjer, neodimijumski laser generiše impulse u trajanju od 3·10 -12 s i energijom od 75 J, što odgovara snazi ​​od 2,5·10 13 W (snaga hidroelektrane Krasnojarsk je 6·10 9 W )! Poređenja radi, takođe napominjemo da je intenzitet sunčeve svetlosti na površini Zemlje samo 10 3 W/m 2, dok laserski sistemi mogu proizvesti intenzitet do 10 20 W/m 2.

Neobična svojstva laserskog zračenja nalaze široku praktičnu primjenu. U industriji se laseri koriste za obradu, rezanje i mikro zavarivanje čvrstih materijala (na primjer, bušenje kalibriranih rupa u dijamantu), brzo i precizno otkrivanje površinskih grešaka u obradi itd. U nauci se lasersko zračenje koristi za proučavanje mehanizam hemijskih reakcija i dobijanje ultra čistih supstanci; za odvajanje izotopa i proučavanje visokotemperaturne plazme; za ultra-precizna daljinska mjerenja pomaka, indeksa prelamanja, tlaka i temperature (u astronomiji). Visoka koherentnost laserskog zračenja omogućila je implementaciju fundamentalno nove metode snimanja i obnavljanja slike, zasnovane na interferenciji i difrakciji valova. Ova metoda dobivanja trodimenzionalne slike nazvana je holografija (od grčke riječi holos - sve). Sastoji se od sledećeg (slika 7): objekat 2 se postavlja ispred ekrana fotodetektora (fotoploče) 3. Prozirno ogledalo 4 deli laserski snop na referentni 7 i signalni 8 talas. Referentni talas 7, fokusiran sočivom 5, reflektuje se ogledalom 6 direktno na fotografsku ploču. Signalni val 8 pogađa fotodetektor nakon odbijanja od objekta 2. Jer talasi 7 i 8 su koherentni, a zatim se preklapajući, formiraju interferencijski uzorak na fotografskoj ploči. Nakon razvoja fotodetektora, dobija se hologram - "negativ" interferentnog uzorka dodavanja dva koherentna svjetlosna talasa 7 i 8.

Kada je hologram osvijetljen svjetlosnim talasom identičnim referentnom talasu pod odgovarajućim uglom, dolazi do difrakcije ovog talasa "čitanja" na "difrakcionoj rešetki", što je interferentni obrazac snimljen na hologramu. Kao rezultat, slika objekta registrirana na hologramu se obnavlja (postaje vidljiva).

Ako fotodetektor ima debljinu fotoosjetljivog sloja usporedivu s razmakom između susjednih interferentnih rubova, dobija se konvencionalni dvodimenzionalni, ravan hologram, ali ako je debljina sloja mnogo veća od udaljenosti između rubova, trodimenzionalni (volumetrijski) slika se dobija.

Također je moguće vratiti sliku iz volumetrijskog holograma u bijeloj svjetlosti (sunčevo svjetlo ili svjetlost obične žarulje sa žarnom niti) - sam hologram iz kontinuiranog spektra "odabira" valnu dužinu koja može obnoviti sliku snimljenu na hologramu.

Razmotrimo glavne efekte interakcije laserskog zračenja sa materijom i biološkim objektima.

Toplotni efekat. Kada lasersko zračenje apsorbira materija, ljudsko tkivo, životinje i biljke, značajan dio energije elektromagnetnog polja pretvara se u toplinu. U biološkim tkivima apsorpcija se odvija selektivno, jer Strukturni elementi uključeni u tkanine imaju različite indekse apsorpcije i refleksije. Toplotni efekat laserskog zračenja određen je intenzitetom svetlosnog toka i stepenom njegove apsorpcije u tkivu. U ovom slučaju promjene koje se javljaju u tkivima su slične opeklini. Međutim, za razliku od opekotina, granice područja lokalnog povećanja temperature jasno su definirane. To je zbog vrlo malog poprečnog presjeka laserskog snopa, kratkog trajanja ekspozicije i loše toplotne provodljivosti bioloških tkiva. Najosjetljiviji na porast temperature su enzimi, koji se prvi uništavaju zagrijavanjem, što zauzvrat dovodi do usporavanja biokemijskih reakcija u stanicama. Uz dovoljan intenzitet laserskog zračenja može doći do koagulacije (nepovratne denaturacije) proteina i potpunog uništenja tkiva.

Efekat uticaja. Generisanje toplote u području na koje utiče laserski snop dešava se u milionitim delovima, pa čak i u stomilionitim delovima sekunde. Trenutačno isparavanje čestica tkiva i njihovo brzo volumetrijsko širenje uzrokuje nagli porast tlaka u zoni grijanja. Kao rezultat, u tekućim komponentama ćelija i tkiva pojavljuje se udarni val, koji se širi nadzvučnom brzinom (~1500 m/s) i može uzrokovati oštećenja.

Električni fenomeni. Lasersko zračenje po svojoj prirodi je elektromagnetno polje. Ako je električna komponenta ovog polja dovoljno velika, djelovanje laserskog snopa će uzrokovati ionizaciju i pobudu atoma i molekula. U biološkim tkivima to može dovesti do selektivnog razaranja kemijskih veza u molekulima, stvaranja slobodnih radikala i kao posljedica toga do različitih patoloških procesa kod životinja i ljudi. Pretpostavlja se da uzrokuju hemijske mutacije, pojavu raka i biološko starenje.

Gore navedena svojstva laserskog zračenja i efekti njegove interakcije sa biološkim tkivima određuju jedinstvene mogućnosti upotrebe lasera u eksperimentalnoj biologiji i medicini.

Fokusiran na prečnik od samo nekoliko mikrona, laserski snop postaje istraživački i mikrohirurški alat na ćelijskom nivou. Zračenjem određenih dijelova hromozoma možete izazvati promjene u naslijeđu. Takav laserski snop omogućava da se od makromolekula odvoje pojedinačni fragmenti i da se na njihovo mesto „ušiju“ novi. Upotreba lasera je tehnički omogućila rješavanje niza problema u citologiji, citogenetici, embriologiji i drugim oblastima biološke nauke.

Glavna područja primjene lasera u medicini su hirurgija, oftalmologija i onkologija.

U hirurgiji se koriste CO 2 laseri snage 30 ÷ 100 W koji rade u kontinuiranom režimu. Svojstva laserskog snopa da uništava biološko tkivo, u kombinaciji sa koagulacijom proteina, omogućavaju bekrvne disekcije. Laserski skalpel ima niz prednosti u odnosu na tradicionalni skalpel. Glavni problemi operacije su bol, krvarenje i sterilitet. Ovi problemi se mogu vrlo jednostavno riješiti upotrebom lasera: lasersko zračenje, za razliku od konvencionalnog skalpela, ne može uvesti infekciju, čak i ako je već inficirano gnojivom; ne dolazi do gubitka krvi, jer su krvni sudovi trenutno začepljeni zgrušanom krvlju; Laserski skalpel ne vrši mehanički pritisak na tkivo, što smanjuje osjećaj boli. Osim toga, uz pomoć modernih endoskopa i fleksibilnih svjetlovoda (optika), lasersko zračenje se može uvesti u unutrašnje šupljine, što omogućava zaustavljanje unutrašnjeg krvarenja i isparavanje gnoja bez otvaranja organa. Za hirurške svrhe u našoj zemlji su napravljene instalacije „Skalpel-1” (P = 30 W) i „Romaška-1” (P = 100 W).

U oftalmologiji se koriste pulsni rubin laseri (trajanje impulsa 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), koji omogućavaju izvođenje niza složenih operacija bez ugrožavanja integriteta oka: zavarivanje odvojene mrežnice na žilnicu (oftalmokoagulator); liječenje glaukoma probijanjem rupe promjera 50-100 nm laserskim snopom radi dreniranja tekućine u cilju smanjenja intraokularnog tlaka; liječenje određenih vrsta katarakte i drugih defekata šarenice. Za liječenje glaukoma stvorena je instalacija Yatagan-1.

U onkologiji se lasersko zračenje koristi za eksciziranje i nekrotizaciju ćelija malignih tumora. Kod nekrotiziranja malignih tumora koristi se selektivnost apsorpcije laserskog zračenja od strane različitih tkiva. Na primjer, neki pigmentirani tumori (melanom, hemangiom) apsorbiraju lasersko zračenje mnogo intenzivnije od okolnih tkiva. U isto vrijeme, toplina se oslobađa brzinom munje u mikroskopskom volumenu tkiva uz formiranje udarnog vala. Ovi faktori uzrokuju uništavanje malignih ćelija. Kod pulsnog izlaganja temperatura tkiva na dubini od 4-5 mm raste na 55-60 0 C. Kada se koriste laseri koji rade u kontinuiranom režimu, temperatura se može povećati na 100 0 C. Fokusirano lasersko zračenje se koristi za djelovanje na tumore. (d = 1,5 ÷3 mm na površini objekta) sa intenzitetom I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Utvrđeno je da lasersko zračenje ima niz prednosti u odnosu na rendgensku terapiju koja se koristi za liječenje raka kože: opterećenje zračenjem je značajno smanjeno, a troškovi su višestruko smanjeni. Korištenjem manje intenzivnog zračenja moguće je suzbiti rast stanica raka (laserska terapija). U tu svrhu koristi se posebna laserska instalacija „Pulsator-1“ ili argonski laseri snage do 1 W. Rak kože se može izliječiti laserom u 97% slučajeva.

Kada su naučnici saznali koja su svojstva laserskog zračenja, javnost je dobila velike mogućnosti za interferometriju. Trenutno, naučna zajednica ima prilično precizne metode za određivanje kvantitativnih procjena pomaka i dužina. U početku su se interferometri koristili prilično ograničeno, jer izvori svjetlosnih valova nisu bili dovoljno koherentni i svijetli, pa je slika dostupna ljudima bila tačna samo u slučaju kada je mjerna ruka bila 50 cm ili manje. Mnogo toga se promijenilo kada je postala moguća mogućnost korištenja laserskog zračenja visoke preciznosti.

Hemostatici

Ovaj termin se obično koristi da ukratko označi svojstvo laserskog zračenja izraženo lemljenjem i zavarivanjem. Proces je uzrokovan nekrozom povezanom s temperaturnim tretmanom. Nekroza kontrolirana koagulacijom, izazvana promjenom razine zagrijavanja, praćena je stvaranjem rubnog filma od elemenata ćelija i tkiva. Ovo povezuje nekoliko slojeva organa na jedan nivo.

Rad sa laserom uvijek uključuje interakciju s vrlo visokim temperaturama. Zahvaljujući ovoj osobini, tečnost, koja se inače nalazi unutar ćelija i između tkiva, isparava skoro trenutno, a suve komponente sagorevaju. Distrofija se određuje prema tome koja se vrsta laserskog zračenja (osobine se malo razlikuju) koristi u određenoj instalaciji. Mnogo toga zavisi i od vrste organskog tkiva koje se obrađuje i trajanja kontakta. Ako se laser pomjeri, izaziva isparavanje, što rezultira linearnim rezom.

Važni kvaliteti

Kada se razmatraju svojstva laserskog zračenja, važno je spomenuti monohromatski spektar, visok nivo koherentnosti, nisku divergenciju i povećanu gustinu spektra. Sve u svemu, ovo omogućava dizajniranje visoko preciznih laserskih uređaja koji su pouzdani i primjenjivi u širokom spektru klimatskih uslova, geoloških i hidroloških faktora.

Poslednjih godina za geodete su dizajnirani visokoprecizni instrumenti sa laserima. Oni se zasnivaju na svojstvima laserskog zračenja već poznatim čovečanstvu. Upotreba lasera u ovakvim instalacijama je rasprostranjena ne samo u našoj zemlji, već iu inostranstvu. Kao što se može vidjeti iz prakse, za polaganje cijevi i mašine za zemljane radove, laserski sistemi su nezamjenjivi kao metoda za određivanje smjera kretanja. Važni su i pri izradi puteva (pruga, puteva) i mnogih drugih radova.

Važno je

Laser je svoju primjenu našao u formiranju rovova. Pomoću posebne instalacije kreira se laserski snop koji definira rutu. Fokusirajući se na to, osoba koja upravlja bagerom može stabilno raditi. Rad ovako modernih uređaja garancija je kvalitetnog izvođenja svih faza rada i izrade rovova točno onako kako je navedeno u projektnoj dokumentaciji.

Laser je nezamjenjiv!

Ako na školskom ili univerzitetskom kursu, u testnom radu, učenik dobije zadatak „Navedite karakteristična svojstva laserskog zračenja“, prve stvari koje padaju na pamet su koherentnost i svjetlina. Ako uporedimo laser i plazmu, prvi premašuje parametre svjetline za nekoliko puta i primjenjiv je za kreiranje serijskih bljeskova, a frekvencija može doseći 1010 Hz. Jedan impuls može trajati (u pikosekundama) nekoliko desetina. U isto vrijeme, divergencija je mala, a frekvencija se može podesiti. Pokazalo se da su ove kvalitete primjenjive u instalacijama koje omogućavaju proučavanje procesa koji se odvijaju pri vrlo velikim brzinama.

Zbog opisanih karakteristika laseri su postali nezaobilazni u analitici koja koristi tehnologiju termo-optičke spektroskopije.

Fine strukture

Osnovna svojstva laserskog zračenja identificirana od strane naučnika (gore navedena) omogućila su korištenje ove tehnologije u razvoju modernog oružja i dizajnu strojeva za rezanje različitih materijala. Ali raspon mogućnosti nije ograničen samo na ovo. Koristeći posebno precizne i tehnološke metode za konstruisanje radne strukture, zasnovane na laserskom zračenju, moguće je kreirati sistem za proučavanje molekula, njihove strukture i svojstava. Dolazeći do najnovijih informacija na ovaj način, naučnici čine osnovu za stvaranje novih vrsta lasera. Kao što se može vidjeti iz najoptimističnijih prognoza, u bliskoj budućnosti će se kroz lasersko zračenje otkriti priroda fotosinteze, što znači da će naučnici dobiti sve ključeve za razumijevanje suštine života na planeti i mehanizama njegovog formiranja.

Razumijevanje svijeta: tajne i otkrića

Vjeruje se da su sada proučena sva osnovna svojstva laserskog zračenja. Naučnici poznaju osnovne principe stimulisane emisije zračenja i uspeli su da ih primene u praksi. Posebno važnim se smatra monohromatski spektar zračenja, njegov intenzitet, dužina impulsa i jasan pravac. Zbog takvih osobina, laserski snop ulazi u netipičnu interakciju sa materijom.

Kako fizičari dodatno ističu, navedena svojstva laserskog zračenja ne mogu se nazvati nezavisnim karakteristikama koje bez izuzetka opisuju sve varijante pomenutog fenomena. Između njih postoje određene veze. Konkretno, koherencija je određena usmjerenošću zračenja, a dužina impulsa je direktno povezana sa monohromatskim spektrom zraka. Trajanje i smjer određuju intenzitet zračenja.

Ramanov efekat

Ovaj fenomen je jedan od najvažnijih za procjenu, razumijevanje i primjenu svojstava laserskog zračenja. Termin se obično koristi za označavanje stanja, čije pokretanje zahtijeva instalaciju velike snage. Pod njegovim uticajem dolazi do raspršivanja kada se posmatra pomeranje frekvencije zračenja. Prilikom utvrđivanja specifičnosti spektralnog sastava i procjene snage, možete primijetiti da je frekvencija podešena u skladu s prilično složenim obrascem. Ako se Ramanov efekat stimuliše veštački, moguće je kreirati metod korekcije za optiku koherentnih signala.

Ovo je zanimljivo

Kako su pokazale studije svojstava laserskog zračenja i procesa koje ono pokreće u materiji, slika je u mnogome slična onoj koja se opaža u strukturi feromagneta i supravodnika. Ako se pomoću šupljine male snage postigne viši nivo pumpe, snopovi koje emituje laser postaju haotični. Štaviše, sam haos je stanje svjetlosti koje je potpuno drugačije od haosa koji stvaraju objekti koji emituju toplinu.

Opseg upotrebe se širi

Kako lasersko zračenje ima sljedeća svojstva: monokromatski spektar, strogo definiranu usmjerenost, stoga se može koristiti kao izvor svjetlosti. Trenutno su u toku aktivni razvoji u oblasti eksploatacije ove tehnologije za prenos signala. Poznato je da svjetlost i materija mogu stupiti u interakciju na takav način da je proces praktičan u različitim okruženjima, ali ispravni pristupi tek treba da se razviju. Postoje i drugi, visokotehnološki, složeni hitni problemi koji zahtijevaju znanje, za čije rješavanje će prije ili kasnije biti moguće koristiti lasersko zračenje velike snage.

Svojstva opisanog fenomena omogućavaju projektovanje spektralnih uređaja. Ovo se donekle objašnjava malom divergencijom snopa, praćenom povećanom spektralnom gustinom.

Postoji mnogo mogućnosti

Kako su naučnici otkrili, za stvaranje najefikasnijih i najefikasnijih instalacija razumno je koristiti lasere kojima se frekvencija može podesiti tokom rada. Oni su relevantni prvenstveno za spektralne uređaje sa povećanom rezolucijom. U takvim instalacijama moguće je postići ispravne rezultate istraživanja bez pribjegavanja disperzivnom elementu.

Sistemi bazirani na laseru, čija se frekvencija prilagođava tokom rada, trenutno su našli primenu u različitim oblastima i oblastima naučne delatnosti, medicine i industrije. Na mnogo načina, svrha određenog uređaja određena je specifičnostima laserskog zračenja implementiranog u njemu. Generatorska linija određuje spektralnu rezoluciju, polovinu širine funkcionalnosti uređaja. Oblik zavisi od date spektralne raspodjele intenziteta.

Tehničke karakteristike

Obično je laser dizajniran kao rezonator u kojem se stvara specifično okruženje. Njegova ključna karakteristika je negativna apsorpcija elektromagnetne energije. Takav rezonator omogućava smanjenje gubitaka zračenja u specijalizovanom okruženju. To je zbog stvaranja ciklusa za elektromagnetnu energiju. U ovom slučaju uzima se samo uski opseg frekvencija. Ovaj pristup omogućava nadoknadu energetskih gubitaka uzrokovanih činjenicom da je emisija stimulirana.

Da biste generirali elektromagnetnu energiju sa karakteristikama lasera, ne morate koristiti rezonator. Rezultat će i dalje biti koherentan, karakteriziran visokom kolimacijom i uskim spektrom.

O holografiji

Da biste implementirali takve procese, morate imati na raspolaganju izvor koji generiše zračenje sa visokim nivoom koherencije. Trenutno su to laseri. Čim je takvo zračenje otkriveno po prvi put, fizičari su gotovo odmah shvatili da se njegova svojstva mogu koristiti za implementaciju holografije. To je postalo poticaj za široku praktičnu primjenu obećavajuće tehnologije.

O aplikaciji

Čim su laseri izumljeni, naučna zajednica, a potom i cijeli svijet, cijenili su ih kao jedinstveno rješenje za svaki problem. To je zbog svojstava zračenja. Trenutno se laseri koriste u tehnologiji, nauci i rješavanju brojnih svakodnevnih problema: od puštanja muzike do čitanja kodova prilikom prodaje robe. Industrija koristi takve sisteme za lemljenje, rezanje i zavarivanje. Zahvaljujući sposobnosti postizanja vrlo visokih temperatura, moguće je zavariti materijale koji nisu podložni klasičnim metodama spajanja. To je omogućilo, na primjer, stvaranje čvrstih predmeta od keramičkih i metalnih dijelova.

Koristeći modernu tehnologiju, laserski snop može se fokusirati tako da se promjer rezultirajuće točke procjenjuje u mikronima. Ovo omogućava da se tehnologija koristi u mikroskopskim elektronskim uređajima. Trenutno je ova mogućnost poznata pod pojmom “scribing”.

Gdje drugdje?

Zbog svojih jedinstvenih kvaliteta, laseri se prilično aktivno koriste u industriji za stvaranje premaza. To pomaže u povećanju otpornosti na habanje različitih proizvoda i materijala. Lasersko označavanje i graviranje nisu ništa manje relevantni - uz pomoć moderne instalacije, na ovaj način može se obraditi gotovo svaka površina. To je uglavnom zbog odsustva direktnog mehaničkog utjecaja, odnosno, radni proces izaziva manje deformacije nego kod bilo koje druge uobičajene metode. Trenutni nivo razvoja tehnologije i nauke je takav da je moguće u potpunosti automatizovati sve faze rada sa laserom, uz održavanje visokog nivoa produktivnosti i povećane tačnosti izvršenja zadataka.

Tehnologija i inženjering

U posljednje vrijeme, sistemi lasera na boji se široko koriste. Oni proizvode monokromatsko zračenje različitih talasnih dužina, impulsi se procjenjuju na 10-16 s. Snaga ovakvih instalacija je vrlo velika, a generirani impulsi se procjenjuju kao gigantski. Ova mogućnost je posebno značajna za spektroskopiju i proučavanje u optici relativno nelinearnih efekata.

Upotreba lasera je postala osnovna tehnologija za preciznu procjenu udaljenosti između naše planete i najbližeg nebeskog tijela, Mjeseca. Preciznost mjerenja je do centimetara. Laserska lokacija omogućava povećanje astronomskog znanja, razjašnjavanje navigacije u svemiru i povećanje baze podataka o karakteristikama atmosfere i od čega se sastoje planete našeg sistema.

Hemija nije zaostala

Moderne laserske tehnologije koriste se za iniciranje hemijskih reakcija i proučavanje njihovog nastanka. Kada se koriste takve mogućnosti, moguće je izuzetno precizno identifikovati lokaciju, dozu, sterilnost i obezbediti potrebne energetske indikatore u trenutku pokretanja sistema.

Naučnici aktivno rade na razvoju laserskih sistema za hlađenje i razvijaju mogućnost korištenja takvog zračenja za kontrolu termonuklearnih reakcija.

Snaga. U prvim laserima s aktivnom tvari rubin, energija svjetlosnog impulsa bila je približno 0,1 J. Trenutno energija zračenja nekih lasera u čvrstom stanju doseže hiljade džula. Kratkim trajanjem svjetlosnog impulsa mogu se dobiti ogromne snage. Tako neodimijum laser generiše impulse u trajanju od 3·10 –12 s, a sa energijom impulsa od 75 J njegova snaga dostiže 2,5·10 13 W! (Poređenja radi, snaga Krasnojarske hidroelektrane je 6·10 9 W.) Snaga gasnih lasera je znatno manja (do 50 kW), ali je njihova prednost u tome što se njihovo zračenje dešava neprekidno, iako ima i pulsnih laseri među gasnim laserima.

Ugao divergencije Laserski snop je vrlo mali, pa se intenzitet svjetlosnog toka gotovo ne smanjuje s rastojanjem. Pulsni laseri mogu stvoriti intenzitet svjetlosti do 10 14 W/m 2 . Snažni laserski sistemi mogu proizvesti intenzitete do 10-20 W/m2. Poređenja radi, napominjemo da je prosječan intenzitet sunčeve svjetlosti u blizini površine zemlje samo 10 3 W/m 2. Zbog toga je sjaj čak i relativno slabih lasera milionima puta veći od sjaja Sunca.

Koherencija. Koordinirano pojavljivanje u vremenu i prostoru nekoliko valnih procesa, koje se manifestuje kada se oni saberu. Oscilacije se nazivaju koherentnim ako fazna razlika između njih ostaje konstantna tokom vremena. Kada se dodaju dvije harmonijske oscilacije iste frekvencije, ali različitih amplituda A 1 i A 2 i različitih faza, nastaje harmonijska oscilacija iste frekvencije čija amplituda, ovisno o razlici faza, može varirati od A 1 – A 2 do A 1 + A 2, a ova amplituda u datoj tački prostora ostaje konstantna. Svetlosni talasi koje emituju zagrejana tela ili tokom luminescencije nastaju spontanim prelazima elektrona između različitih energetskih nivoa u atomima nezavisnim jedan od drugog. Svaki atom emituje elektromagnetski val u vremenu od 10-8 s, što se naziva vrijeme koherencije. Za to vrijeme svjetlost se širi na udaljenosti od 3 m. Ova udaljenost se naziva dužina koherencije ili dužina vlaka. Talasi koji se nalaze izvan dužine voza više neće biti koherentni. Zračenje koje stvaraju mnogi atomi neovisni jedan o drugom sastoji se od mnogih nizova, čije faze haotično variraju u rasponu od 0 do 2p. Za izolovanje koherentnog dela od opšteg nekoherentnog svetlosnog toka prirodne svetlosti koriste se specijalni uređaji (Fresnelova ogledala, Frenelove biprizme, itd.), koji stvaraju svetlosne snopove veoma niskog intenziteta, dok je lasersko zračenje, sa svim svojim ogromnim intenzitetom, potpuno koherentan.

U principu, nekoherentni svjetlosni snop ne može se fokusirati u vrlo malu tačku, jer je to spriječeno razlikom u fazama njegovih sastavnih vlakova. Koherentno lasersko zračenje može se fokusirati u tačku čiji je prečnik jednak talasnoj dužini ovog zračenja, što omogućava povećanje ionako visokog intenziteta laserskog svetlosnog snopa.

Monochromatic. Monokromatsko zračenje naziva se zračenje sa striktno istom talasnom dužinom, ali ono se može stvoriti samo harmonijskom oscilacijom koja se javlja sa konstantnom frekvencijom i amplitudom beskonačno dugo vremena. Pravo zračenje ne može biti monokromatsko samo zato što se sastoji od mnogo nizova, a zračenje sa uskim spektralnim intervalom, koje se može približno okarakterisati prosečnom talasnom dužinom, smatra se praktično monohromatskim. Prije pojave lasera, zračenje s određenim stupnjem monohromatnosti moglo se dobiti pomoću prizmi monohromatora, koji su izolovali uski pojas valnih dužina iz kontinuiranog spektra, ali je svjetlosna snaga u takvom pojasu bila vrlo mala. Lasersko zračenje ima visok stepen monohromatnosti. Širina spektralnih linija koje stvaraju neki laseri dostiže 10-7 nm.

Polarizacija. Elektromagnetno zračenje unutar jednog vlaka je polarizirano, ali kako se svjetlosni snopovi sastoje od više vlakova neovisnih jedan o drugom, prirodna svjetlost je nepolarizirana i za dobivanje polarizirane svjetlosti koriste se posebni uređaji - Nicolasove prizme, polaroidi itd. Za razliku od prirodne svjetlosti lasersko zračenje je potpuno polarizirano .

Smjer zračenja. Važna osobina laserskog zračenja je njegova striktna usmjerenost, koju karakterizira vrlo mala divergencija svjetlosnog snopa, što je posljedica visokog stepena koherencije. Ugao divergencije mnogih lasera je povećan na približno 10 –3 rad, što odgovara jednoj lučnoj minuti. Ova usmjerenost, potpuno nedostižna u konvencionalnim izvorima svjetlosti, omogućava prijenos svjetlosnih signala na velike udaljenosti uz vrlo malo slabljenja njihovog intenziteta, što je izuzetno važno kada se laseri koriste u sistemima za prijenos informacija ili u svemiru.

Jačina električnog polja. Još jedno svojstvo koje razlikuje lasersko zračenje od obične svjetlosti je velika jačina električnog polja u njemu. Intenzitet toka elektromagnetne energije I–EH(Umov–Poyntingova formula), gdje E I N– jačina električnog i magnetnog polja u elektromagnetnom talasu. Iz ovoga možemo izračunati da je jačina električnog polja u svjetlosnom valu intenziteta 10 18 W/m 2 jednaka 3-10 10 V/m, što premašuje jačinu polja unutar atoma. Jačina polja u svjetlosnim valovima koje stvaraju konvencionalni izvori svjetlosti ne prelazi 10 4 V/m.

Kada elektromagnetski talas padne na telo, on vrši mehanički pritisak na ovo telo, proporcionalan intenzitetu toka energije talasa. Svjetlosni pritisak koji stvara jaka sunčeva svjetlost u ljetnom danu je približno 4 10 –6 Pa (podsjetimo da je atmosferski pritisak 10 5 Pa). Za lasersko zračenje, svjetlosni pritisak doseže 10 12 Pa. Ovaj pritisak omogućava obradu (probijanje, izrezivanje rupa itd.) najtvrđih materijala – dijamanta i supertvrdih legura.

Interakcija svjetlosti s materijom (refleksija, apsorpcija, disperzija) je posljedica interakcije električnog polja svjetlosnog vala s optičkim elektronima tvari. Dielektrični atomi u električnom polju su polarizirani. Pri maloj jačini, dipolni moment po jedinici zapremine supstance (ili vektor polarizacije) je proporcionalan jačini polja. Sve optičke karakteristike supstance, kao što su indeks loma, indeks apsorpcije i druge, na ovaj ili onaj način su povezane sa stepenom polarizacije, koji je određen jačinom električnog polja svetlosnog talasa. Pošto je ovaj odnos linearan, tj. magnitude R proporcionalan E,što daje razloga da se optiku koja se bavi zračenjem relativno niskih intenziteta nazove linearnom optikom.

U laserskom zračenju, jačina električnog polja talasa je uporediva sa jačinom polja u atomima i molekulima i može ih promeniti u vidljivim granicama. To dovodi do: činjenice da dielektrična osjetljivost prestaje biti konstantna vrijednost i postaje određena funkcija jačine polja . Posljedično, ovisnost vektora polarizacije o jačini polja više neće biti linearna funkcija. Stoga se govori o nelinearnoj polarizaciji medija i, shodno tome, o nelinearnoj optici, u kojoj dielektrična konstanta tvari, indeks loma, indeks apsorpcije i druge optičke veličine više neće biti konstantne, već ovise o intenzitetu incidenta. svjetlo.

Karakteristike laserskog zračenja i vrste lasera.

Laseri su doveli do novih tehnologija sa jedinstvenim mogućnostima. Šta je izvanredno? svojstva laserskog zračenja, laserski snop?

Prvo, laserski snop se širi bez ikakvog širenja. Riječ "skoro" znači da snop laserske svjetlosti nije potpuno paralelan: postoji ugao divergencije, ali je relativno mali - oko 10 ^ (-5) rad i ipak je na velikim udaljenostima primjetan: na Mjesecu postoji takav snop usmjeren sa Zemlje, stvara tačku promjera približno 3 km.

Drugo, lasersko svjetlo je izuzetno monohromatsko, odnosno ima samo jednu talasnu dužinu, jednu boju. Za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti, čiji atomi emituju svjetlost nezavisno jedan od drugog, kod lasera atomi emituju svjetlost zajedno. Zahvaljujući ovom svojstvu laserskog snopa, postalo je moguće optičko snimanje informacija visoke gustoće - sićušni optički diskovi mogu držati ogromnu količinu informacija - stotine megabajta.

Treće, laser je najmoćniji izvor svjetlosti. U uskom rasponu spektra za kratko vrijeme (10 ^ (-11) s) postiže se snaga zračenja od 10 ^ 12-10 ^ 13 W po kvadratnom centimetru, dok se snaga zračenja Sunca iz istog površina je samo 7 10 ^ 3 W, a ukupno u cijelom spektru.

Vrste lasera

1960. T. Maiman (SAD) stvorio je prvi laser - rubin , radi u pulsni mod. Ali ovo je ipak kratak svjetlosni puls. Mogu probušiti rupu, zavariti dvije metalne žice i učiniti mnoge druge korisne stvari.

gasni laseri . Gasni laser nastao je gotovo istovremeno sa laserom rubin, iste 1960. godine. Radio je na mješavini helijuma i neona. Moderni plinski laseri rade na mnogim plinovima i parama. Svi daju kontinuirano zračenje u veoma širokom opsegu talasnih dužina: od ultraljubičastog do infracrvenog svetla.

gasnodinamički laser , sličan mlaznom motoru. U komori za sagorevanje ugljen monoksid (ugljen monoksid) se sagoreva uz dodatak goriva (kerozin, benzin, alkohol). Dobivena mješavina plinova sastoji se od ugljičnog dioksida, dušika i vodene pare. Jureći između ogledala, molekuli plina emituju energiju u obliku svjetlosnih kvanta, rađajući laserski snop snage 150 - 200 kW. I to nije snaga jednog bljeska, već konstantnog, postojanog snopa, koji sija sve dok laseru ne ponestane goriva.

poluprovodnički laseri takođe obezbeđuju kontinuirano zračenje. Poluprovodnički laser je 1962. godine kreirao američki naučnik R. Hall. Zasnovan je na optičkom zapisu, koji je poznat mnogim korisnicima personalnih računara koji su u rukama držali laserski disk, atraktivan ne samo po izgledu, već i po svom informacijskom kapacitetu: stotine hiljada stranica teksta mogu se snimiti. na disku prečnika 12 cm.

laseri za bojenje (tečni laseri). Nazivaju se tako jer su njihov radni fluid rastvori anilinskih boja u vodi, alkoholu, kiselini i drugim otapalima. Tečni laseri mogu emitovati impulse svjetlosti različitih valnih dužina (od ultraljubičastog do infracrvenog svjetla) i snage od stotina kilovata do nekoliko megavata, ovisno o vrsti boje.

Razvijaju se hemijski laseri u kojima atomi prelaze u pobuđeno stanje kada su izloženi energiji pumpanja iz hemijskih reakcija. Mnogo pažnje se poklanja razvoju hemijskih lasera velike snage koji pretvaraju energiju hemijske reakcije u koherentno zračenje, i atomskog lasera koji ne emituje svetlost, već snop atoma.