Īsi apskatīsim četras lāzera starojuma pazīmes. Iemesls jau ir izskaidrots iepriekš ļoti fokusēts lāzera gaismas stars. Tā novirzes leņķis ir aptuveni 10 4 reizes mazāks nekā laba prožektora staru kūlis. Uz Mēness virsmas lāzera stars rada plankumu, kura diametrs ir aptuveni 10 km. Pateicoties tā augstajai virzienam, lāzera stara enerģiju var pārraidīt ļoti lielos, tostarp kosmiskos attālumos. Tas radīja pamatu saziņai, gan telefonsarunu, gan televīzijas attēlu pārraidei caur lāzera staru. Nepieciešamā lāzera raidītāja jauda ir desmitiem un simtiem tūkstošu reižu mazāka nekā parasto radiostaciju jauda. Nākotnē lāzera stars tiks izmantots arī liela attāluma enerģijas pārnešanai.

Par neparastu spektrālo platumu ( vienkrāsains) ir apspriests arī lāzera starojums. Lāzera stara spektrālais sastāvs ir daudz mazāks nekā visiem citiem gaismas avotiem un radioviļņiem. Augsta vienkrāsainība tomēr nav raksturīga visiem lāzeru veidiem. Dažos gadījumos (pusvadītāju lāzeri, lāzeri, kuru pamatā ir krāsvielu šķīdumi) starojuma josla ir ļoti plaša, ko var izmantot arī praksē.

Trešā svarīgākā lāzera stara īpašība ir tā augsta saskaņotība. Dažādu gaismas viļņu fāzes, kas rodas caur lāzera dobuma spoguļiem, ir vai nu vienādas, vai savstarpēji konsekventas. Visu pārējo optiskā diapazona avotu emisija nav koherenta (elektromagnētisko viļņu skalas radio zonā tomēr daudzi viļņu lauka avoti rada koherentu starojumu).

Koherence tiek plaši izmantota interferometrijā, hologrāfijā un daudzās citās zinātnes un tehnoloģiju nozarēs. Iepriekš, pirms lāzeru parādīšanās, zemas intensitātes koherentie viļņi redzamajā spektra apgabalā tika radīti tikai mākslīgi, sadalot vienu vilni vairākos.

Kā lāzeru īpaša īpašība ir iespēja sasniegt augstas intensitātes un zema ilguma lāzera impulsi. Lāzera veida izvēle tā praktiskajai lietošanai ir atkarīga no veicamā uzdevuma. Ir nepārtraukti lāzeri. Tomēr lielākā daļa lāzersistēmu izstaro izolētus gaismas enerģijas uzliesmojumus (gaismas monoimpulsus) vai impulsu sēriju. Arī impulsu ilgums ir atšķirīgs. Brīvā lāzera režīmā lāzera darbības ilgums ir tuvu sūkņa lampu spīdēšanas ilgumam.

Nepārtrauktas darbības režīmā izstaro hēlija-neona lāzeri. Tikai lāzera jauda 0,002…0,020 W, kas ir daudzkārt mazāka par lukturīša spuldzes jaudu. Lai raksturotu šī lāzera starojuma izcilās īpašības, mēs piedāvājam šādu salīdzinājumu. Intensitāte D es redzamajā frekvenču diapazonā, kas saņemts no Saules vidējā attālumā līdz Zemei, ir vienāds ar 186 W/m 2. Šī jauda tiek sadalīta spektra diapazonā no n 2 = 7,5 × 10 14 līdz n 1 = 4,3 × 10 14 Hz(D n = n 2 - n 1 » 3×10 14 Hz). Spektrālās intensitātes blīvums saules gaismā - es n = D es/D n» 6×10 -13 W/(m 2 Hz). Viņš-Ne lāzers var izstarot 0,01 W saišķī ar šķērsgriezumu 1 mm 2, attiecīgi intensitāte ekrāna gaismas vietā ir 10 6 W/m 2. Tā kā šāda lāzera spektrālās līnijas platumu var uzskatīt par D n = 100 kHz, tad spektrālā starojuma blīvums Viņš-Ne lāzers es n » 10 W/(m 2 Hz). Tādējādi pat salīdzinoši mazjaudas lāzera spektrālā starojuma blīvums ir par 13 kārtām lielāks nekā Saulei vai citam termiskās gaismas avotam. Tāpēc vidē izplatošās lāzera gaismas mijiedarbības raksturs ar vielu būtiski atšķiras no labi pētītajiem klasiskās optikas gadījumiem.

Gāzu dinamisko maisījumu lāzeri CO 2 + N + Viņš, kas darbojas nepārtrauktā režīmā IS reģionā (~10 µm), ir miljons reižu lielāka jauda (apmēram simtiem un tūkstošiem vatu). Lai novērtētu šādu enerģijas avotu iespējas, jāatceras, ka kausēšanai 1 cm 3 nepieciešams metāls ~50 Dž. Ja lāzera stara jauda ir 500 W, tad principā var izkust 1 Ar ~ 10 cm 3 metāls Faktiskie skaitļi, kas iegūti eksperimentāli, ir ievērojami mazāki, jo ievērojama daļa gaismas enerģijas, kas krīt uz metāla virsmu, tiek atspoguļota no tā.

Ņemiet vērā, ka jaudas jēdziens runā par enerģijas koncentrāciju laikā, sistēmas spēju radīt būtisku efektu noteiktā (parasti īsā) laika periodā. Dažu veidu lāzeru, kas izstaro monoimpulsus, milzīgā jauda norāda uz lāzera enerģijas augsto kvalitāti. Piemēram, dažos mirkļos ir iespējams iegūt enerģijas blīvumu, kas pārsniedz kodolsprādziena enerģijas blīvumu. Ar lāzeru palīdzību ir iespējams iegūt temperatūru, kas vienāda ar desmitiem miljonu grādu, un spiedienu, kas ir aptuveni 100 miljoni atmosfēru. Augstākie magnētiskie lauki utt., ir iegūti, izmantojot lāzerus.

Lai samazinātu starojuma impulsu ilgumu, lāzera dobumā parasti tiek ievietotas dažādas vadības ierīces - intracavity modulatori, vai arī tiek izveidotas daudzpakāpju pastiprināšanas shēmas no vairākām secīgām vienībām, kas satur aktīvos elementus. Pusvadītāju lāzeru izmantošana sūkņu sistēmā, optisko šķiedru elementi un nelineārie lāzera starojuma pārveidotāji ir ļāvuši izveidot ārkārtīgi kompaktas, efektīvas un kompaktas lāzersistēmas.

Pirmajā monoimpulsa rubīna ģeneratorā spīduma ilgums impulsos sasniedza ~10 -8 Ar. Mūsdienu lāzeri spēj izstarot impulsus, kuru ilgums ir aptuveni 5 fs, t.i., mazāk par diviem gaismas viļņa periodiem, kas ir tuvu fundamentālajai robežai. Pat starojuma enerģija, kas lāzera mērogā ir salīdzinoši pieticīga, koncentrējoties ultraīsā impulsā (USP), rada lielu jaudu un, kad stars ir fokusēts, milzīgu intensitāti. Jo īpaši Livermoras Nacionālajā laboratorijā (ASV) izveidotā instalācija ļauj iegūt ultraskaņas lāzera starojumu ar enerģiju 660 Dž ar impulsa ilgumu 440 fs, kas nodrošina maksimālo jaudu aptuveni 1 PW, un fokusējot staru - starojuma intensitāte ir lielāka par 10 21 W/cm 2. Lai iegūtu priekšstatu par šo vērtību, jāņem vērā, ka gaismas spiediens šajā gadījumā ir 300 Gbar, kas ir salīdzināms ar spiedienu Saules centrā. Šajā piemērā lāzera starojuma jaudas palielinājums tika panākts galvenokārt, samazinot impulsa ilgumu. Salīdzinot mūsdienu femtosekundes lāzerus ar pirmo no impulsa lāzeriem, redzams, ka jaudas pieaugums sasniedzis 12 kārtas. Lai novērtētu radiācijas enerģijas pieaugumu, mēs varam sniegt datus par ultraīso impulsu lāzera ierīci, kas tiek izstrādāta ASV kodoltermiskās kodolsintēzes izpētei. Šīs instalācijas 192 stariem, kas ir futbola laukuma lielums, jāsasniedz enerģija 2 MJ nanosekundes impulsā. Tādējādi enerģijas pieaugums būs vismaz 6 kārtas.

Lāzera starojumam ir šādas fizikālās īpašības:

1. Augsta telpiskā un laika saskaņotība. Tas nozīmē, ka noteiktas fāzes attiecības starp atsevišķiem viļņiem tiek saglabātas kādu laiku ne tikai noteiktā telpas punktā, bet arī starp svārstībām, kas notiek dažādos punktos. Šī procesu konsekvence ļauj fokusēt lāzera starojuma staru vietā, kuras diametrs ir vienāds ar šī starojuma viļņa garumu. Tas ļauj palielināt jau tā augsto lāzera stara intensitāti.

2. Stingrs monohromatisks starojums. Lāzera izstarotā viļņu garuma diapazons Δλ sasniedz vērtību ~ 10 -15 m (vidēji Δλ< 10 -11).

3. Augsts enerģijas plūsmas blīvums. Piemēram, neodīma lāzers ģenerē impulsus ar ilgumu 3·10 -12 s un enerģiju 75 J, kas atbilst jaudai 2,5·10 13 W (Krasnojarskas hidroelektrostacijas jauda ir 6·10 9 W )! Salīdzinājumam mēs arī atzīmējam, ka saules gaismas intensitāte uz Zemes virsmas ir tikai 10 3 W/m 2, savukārt lāzersistēmas var radīt intensitāti līdz 10 20 W/m 2.

Lāzera starojuma neparastajām īpašībām ir plašs praktisks pielietojums. Rūpniecībā lāzeri tiek izmantoti cietu materiālu apstrādei, griešanai un mikrometināšanai (piemēram, kalibrētu caurumu caurduršanai dimantā), ātrai un precīzai virsmas apstrādes defektu noteikšanai u.c. Zinātnē lāzera starojumu izmanto, lai pētītu ķīmisko reakciju mehānismu un iegūt īpaši tīras vielas; izotopu atdalīšanai un augstas temperatūras plazmas pētīšanai; īpaši precīziem attālinātiem pārvietojumu, refrakcijas indeksu, spiediena un temperatūras mērījumiem (astronomijā). Lāzera starojuma augstā koherence ļāva ieviest principiāli jaunu ierakstīšanas un attēla atjaunošanas metodi, kuras pamatā ir viļņu traucējumi un difrakcija. Šo trīsdimensiju attēla iegūšanas metodi sauca par hologrāfiju (no grieķu vārda holos — viss). Tas sastāv no sekojošā (7. att.): fotodetektora ekrāna (fotoplates) priekšā ir novietots objekts 2. Caurspīdīgs spogulis 4 sadala lāzera staru atsauces 7 un signāla 8 vilnī. Atsauces vilnis 7, ko fokusē objektīvs 5, spogulis 6 tiek atstarots tieši uz fotoplates. Signāla vilnis 8 trāpa fotodetektorā pēc atstarošanas no objekta 2. Tā kā 7. un 8. viļņi ir koherenti, pēc tam pārklājoties viens ar otru, tie veido interferences rakstu uz fotoplates. Pēc fotodetektora izstrādes tiek iegūta hologramma - divu koherentu gaismas viļņu 7 un 8 pievienošanas traucējumu modeļa “negatīvs”.

Ja hologrammu izgaismo gaismas vilnis, kas ir identisks atsauces vilnim atbilstošā leņķī, šī “lasīšanas” viļņa difrakcija notiek uz “difrakcijas režģa”, kas ir hologrammā ierakstīts interferences modelis. Rezultātā tiek atjaunots (kļūst novērojams) hologrammā reģistrētā objekta attēls.

Ja fotodetektora gaismjutīgā slāņa biezums ir salīdzināms ar attālumu starp blakus esošajām interferences bārkstīm, iegūst parasto divdimensiju, plakanu hologrammu, bet, ja slāņa biezums ir daudz lielāks par attālumu starp bārkstīm, trīsdimensiju (tilpuma) attēls tiek iegūts.

Ir iespējams arī atjaunot attēlu no tilpuma hologrammas baltā gaismā (saules gaismā vai parastas kvēlspuldzes gaismā) - hologramma pati “izvēlas” no nepārtrauktā spektra viļņa garumu, kas var atjaunot hologrammā ierakstīto attēlu.

Apskatīsim galvenos lāzera starojuma mijiedarbības efektus ar vielu un bioloģiskiem objektiem.

Termiskais efekts. Kad lāzera starojumu absorbē viela, cilvēka audi, dzīvnieki un augi, ievērojama elektromagnētiskā lauka enerģijas daļa pārvēršas siltumā. Bioloģiskajos audos uzsūkšanās notiek selektīvi, jo Audumos iekļautajiem strukturālajiem elementiem ir dažādi absorbcijas un atstarošanas rādītāji. Lāzera apstarošanas termisko efektu nosaka gaismas plūsmas intensitāte un tās absorbcijas pakāpe audos. Šajā gadījumā izmaiņas, kas rodas audos, ir līdzīgas apdegumam. Tomēr atšķirībā no apdeguma vietējās temperatūras paaugstināšanās zonas robežas ir skaidri noteiktas. Tas ir saistīts ar ļoti mazo lāzera stara šķērsgriezumu, īso iedarbības ilgumu un slikto bioloģisko audu siltumvadītspēju. Visjutīgākie pret temperatūras paaugstināšanos ir fermenti, kas karsējot iznīcina pirmie, kas savukārt izraisa bioķīmisko reakciju palēnināšanos šūnās. Ar pietiekamu lāzera apstarošanas intensitāti var notikt olbaltumvielu koagulācija (neatgriezeniska denaturācija) un pilnīga audu iznīcināšana.

Ietekmes efekts. Siltuma veidošanās zonā, ko ietekmē lāzera stars, notiek sekundes miljondaļās un pat simtmiljondaļās. Tūlītēja audu daļiņu iztvaikošana un to straujā tilpuma izplešanās izraisa strauju spiediena pieaugumu sildīšanas zonā. Rezultātā šūnu un audu šķidrajās sastāvdaļās parādās triecienvilnis, kas izplatās ar virsskaņas ātrumu (~1500 m/s) un var radīt bojājumus.

Elektriskās parādības. Lāzera starojums pēc savas būtības ir elektromagnētiskais lauks. Ja šī lauka elektriskā sastāvdaļa ir pietiekami liela, lāzera stara darbība izraisīs atomu un molekulu jonizāciju un ierosmi. Bioloģiskajos audos tas var izraisīt selektīvu ķīmisko saišu iznīcināšanu molekulās, brīvo radikāļu veidošanos un līdz ar to dažādus patoloģiskus procesus dzīvniekiem un cilvēkiem. Tiek pieņemts, ka tie izraisa ķīmiskas mutācijas, vēža rašanos un bioloģisko novecošanos.

Iepriekš uzskaitītās lāzera starojuma īpašības un tā mijiedarbības ar bioloģiskajiem audiem ietekme nosaka unikālās lāzeru izmantošanas iespējas eksperimentālajā bioloģijā un medicīnā.

Lāzera stars, kura diametrs ir tikai daži mikroni, kļūst par pētniecības un mikroķirurģijas instrumentu šūnu līmenī. Apstarojot noteiktas hromosomu daļas, jūs varat izraisīt iedzimtības izmaiņas. Šāds lāzera stars ļauj no makromolekulas atdalīt atsevišķus fragmentus un to vietā “šūt” jaunus. Lāzeru izmantošana ir ļāvusi tehniski atrisināt vairākas problēmas citoloģijā, citoģenētikā, embrioloģijā un citās bioloģijas zinātnes jomās.

Galvenās lāzeru pielietošanas jomas medicīnā ir ķirurģija, oftalmoloģija un onkoloģija.

Ķirurģijā tiek izmantoti CO 2 lāzeri ar jaudu 30 ÷ 100 W, kas darbojas nepārtrauktā režīmā. Lāzera stara īpašības, lai iznīcinātu bioloģiskos audus, apvienojumā ar olbaltumvielu koagulāciju ļauj veikt bezasins sadalīšanu. Lāzera skalpelim ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo skalpeli. Galvenās operācijas problēmas ir sāpes, asiņošana un sterilitāte. Šīs problēmas var atrisināt ļoti vienkārši, izmantojot lāzeru: lāzera starojums, atšķirībā no parastā skalpeļa, nevar ievadīt infekciju, tas sterilizē atdalītos audus, pat ja tie jau ir inficēti ar strutošanu; nenotiek asins zudums, jo asinsvadi tiek uzreiz aizsērēti ar sarecējušām asinīm; Lāzera skalpelis neizdara mehānisku spiedienu uz audiem, kas samazina sāpju sajūtu. Turklāt ar modernu endoskopu un elastīgu gaismas vadu (šķiedru optikas) palīdzību iekšējos dobumos var ievadīt lāzera starojumu, kas ļauj apturēt iekšējo asiņošanu un iztvaikot strutojumu, neatverot orgānus. Ķirurģiskiem nolūkiem mūsu valstī ir izveidotas "Scalpel-1" (P = 30 W) un "Romashka-1" (P = 100 W) instalācijas.

Oftalmoloģijā tiek izmantoti impulsa rubīna lāzeri (impulsa ilgums 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), kas ļauj veikt vairākas sarežģītas operācijas, neapdraudot acs integritāti: metināt atdalīto tīkleni. uz koroīdu (oftalmokoagulators); glaukomas ārstēšana, ar lāzera staru caurdurot caurumu 50-100 nm diametrā šķidruma novadīšanai, lai samazinātu acs iekšējo spiedienu; noteiktu kataraktas veidu un citu varavīksnenes defektu ārstēšana. Glaukomas ārstēšanai tika izveidota Yatagan-1 instalācija.

Onkoloģijā lāzera starojumu izmanto ļaundabīgo audzēju šūnu izgriešanai un nekrotizēšanai. Nekrotizējot ļaundabīgos audzējus, tiek izmantota dažādu audu lāzera starojuma absorbcijas selektivitāte. Piemēram, daži pigmentēti audzēji (melanoma, hemangioma) daudz intensīvāk absorbē lāzera starojumu nekā apkārtējie audi. Tajā pašā laikā siltums izdalās zibens ātrumā mikroskopiskā audu tilpumā, veidojot trieciena vilni. Šie faktori izraisa ļaundabīgo šūnu iznīcināšanu. Ar impulsu iedarbību audu temperatūra 4-5 mm dziļumā paaugstinās līdz 55-60 0 C. Lietojot nepārtrauktā režīmā strādājošus lāzerus, temperatūru var paaugstināt līdz 100 0 C. Audzēju ietekmēšanai izmanto fokusētu lāzera starojumu. (d = 1,5 ÷3 mm uz objekta virsmas) ar intensitāti I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Ir noskaidrots, ka lāzera starojumam ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar rentgena terapiju, ko izmanto ādas vēža ārstēšanā: ievērojami samazinās starojuma slodze un vairākas reizes samazinās izmaksas. Izmantojot mazāk intensīvu starojumu, ir iespējams nomākt vēža šūnu augšanu (lāzerterapija). Šim nolūkam tiek izmantota speciāla lāzerinstalācija “Pulsator-1” vai argona lāzeri ar jaudu līdz 1 W. Ādas vēzi var izārstēt ar lāzeru 97% gadījumu.

Kad zinātnieki uzzināja, kādas ir lāzera starojuma īpašības, sabiedrība ieguva lieliskas iespējas interferometrijai. Pašlaik zinātnieku aprindām ir diezgan precīzas metodes pārvietojumu un garumu kvantitatīvo aprēķinu noteikšanai. Sākumā interferometri tika izmantoti diezgan ierobežoti, jo gaismas viļņu avoti nebija pietiekami koherenti un spilgti, tāpēc cilvēkiem pieejamais attēls bija pareizs tikai tad, ja mērīšanas svira bija 50 cm vai mazāka. Daudz kas ir mainījies, kad kļuva iespējama iespēja izmantot augstas precizitātes lāzera starojumu.

Hemostatiķi

Šo terminu parasti lieto, lai īsi apzīmētu lāzera starojuma īpašību, kas izteikta ar lodēšanu un metināšanu. Procesu izraisa nekroze, kas saistīta ar temperatūras apstrādi. Koagulācijas kontrolēta nekroze, ko izraisa sildīšanas līmeņa izmaiņas, tiek papildināta ar marginālas plēves veidošanos no šūnu un audu elementiem. Tas savieno vairākus orgānu slāņus vienā līmenī.

Darbs ar lāzeru vienmēr ir saistīts ar mijiedarbību ar ļoti augstu temperatūru. Pateicoties šai iezīmei, šķidrums, kas parasti atrodas šūnās un starp audiem, gandrīz acumirklī iztvaiko, un sausās sastāvdaļas sadedzina. Distrofiju nosaka, kāda veida lāzera starojums (īpašības nedaudz atšķiras) tiek izmantots konkrētajā instalācijā. Daudz kas ir atkarīgs arī no apstrādājamo organisko audu veida un kontakta ilguma. Ja lāzers tiek pārvietots, tas izraisa iztvaikošanu, kā rezultātā rodas lineārs griezums.

Svarīgas īpašības

Apsverot, kādas īpašības piemīt lāzera starojumam, ir svarīgi pieminēt monohromatisku spektru, augstu koherences līmeni, zemu diverģenci un palielinātu spektra blīvumu. Kopumā tas ļauj izstrādāt augstas precizitātes lāzera ierīces, kas ir uzticamas un piemērotas visdažādākajos klimatiskajos apstākļos, ģeoloģiskos un hidroloģiskajos faktoros.

Pēdējos gados mērniekiem ir izstrādāti augstas precizitātes instrumenti ar lāzeriem. To pamatā ir cilvēcei jau zināmās lāzera starojuma īpašības. Lāzeru izmantošana šādās instalācijās ir plaši izplatīta ne tikai mūsu valstī, bet arī ārzemēs. Kā redzams praksē, cauruļu slāņiem un zemes pārvietošanas mašīnām lāzeru sistēmas ir neaizstājamas kā metode kustības virziena noteikšanai. Tie ir svarīgi arī veidojot ceļus (dzelzceļus, ceļus) un daudzus citus darbus.

Tas ir svarīgi

Lāzers atrada savu pielietojumu tranšeju veidošanā. Izmantojot īpašu instalāciju, tiek izveidots lāzera stars, kas nosaka maršrutu. Koncentrējoties uz to, cilvēks, kas strādā ar ekskavatoru, var strādāt stabili. Šādu modernu ierīču darbība ir visu darba posmu kvalitatīvas izpildes garantija un tranšeju izveidošana tieši tā, kā norādīts projekta dokumentācijā.

Lāzers ir neaizvietojams!

Ja skolas vai augstskolas kursā kontroldarbā studentam tiek dots uzdevums “Nosauc lāzera starojuma raksturīgās īpašības”, pirmais, kas nāk prātā, ir saskaņotība un spilgtums. Ja salīdzina lāzeru un plazmu, pirmais vairākkārt pārsniedz spilgtuma parametrus un ir piemērots sērijveida zibšņu veidošanai, un frekvence var sasniegt 1010 Hz. Viens impulss var ilgt (pikosekundēs) vairākus desmitus. Tajā pašā laikā atšķirība ir zema, un frekvenci var regulēt. Šīs īpašības izrādījās piemērojamas instalācijās, kas ļauj pētīt procesus, kas notiek ļoti lielā ātrumā.

Pateicoties aprakstītajām īpašībām, lāzeri ir kļuvuši neaizstājami analīzē, izmantojot termooptiskās spektroskopijas tehnoloģiju.

Smalkas struktūras

Zinātnieku identificētās lāzera starojuma pamatīpašības (uzskaitītas iepriekš) ļāva izmantot šo tehnoloģiju modernu ieroču izstrādē un dažādu materiālu griešanas mašīnu projektēšanā. Taču iespēju klāsts neaprobežojas tikai ar to. Izmantojot īpaši precīzas un tehnoloģiskas metodes darba struktūras konstruēšanai, pamatojoties uz lāzera starojumu, ir iespējams izveidot sistēmu molekulu, to struktūras un īpašību izpētei. Šādi iegūstot jaunāko informāciju, zinātnieki veido pamatu jauna veida lāzeru radīšanai. Kā redzams no visoptimistiskākajām prognozēm, tuvākajā nākotnē tieši ar lāzera starojumu atklāsies fotosintēzes būtība, kas nozīmē, ka zinātnieki saņems visas atslēgas, lai izprastu planētas dzīvības būtību un mehānismus. tās veidošanās.

Izpratne par pasauli: noslēpumi un atklājumi

Tiek uzskatīts, ka tagad ir izpētītas visas lāzera starojuma pamatīpašības. Zinātnieki zina stimulētās starojuma emisijas pamatprincipus un ir spējuši tos pielietot praksē. Par īpaši svarīgu tiek uzskatīts starojuma monohromatiskais spektrs, tā intensitāte, impulsa garums un skaidrais virziens. Pateicoties šādām īpašībām, lāzera stars nonāk netipiskā mijiedarbībā ar vielu.

Kā papildus norāda fiziķi, norādītās lāzera starojuma īpašības nevar saukt par neatkarīgiem raksturlielumiem, kas bez izņēmuma apraksta visas minētās parādības paveidus. Starp tiem ir noteiktas saiknes. Jo īpaši saskaņotību nosaka starojuma virziens, un impulsa garums ir tieši saistīts ar staru kūļa monohromatisko spektru. Ilgums un virziens nosaka starojuma intensitāti.

Ramana efekts

Šī parādība ir viena no vissvarīgākajām lāzera starojuma īpašību novērtēšanai, izpratnei un pielietošanai. Šo terminu parasti lieto, lai apzīmētu nosacījumu, kura ierosināšanai nepieciešama lielas jaudas uzstādīšana. Tās ietekmē izkliede notiek, kad tiek novērota starojuma frekvences maiņa. Nosakot spektrālā sastāva specifiku un novērtējot jaudu, var pamanīt, ka frekvence tiek regulēta saskaņā ar diezgan sarežģītu modeli. Ja Ramana efektu stimulē mākslīgi, ir iespējams izveidot koherento signālu optikas korekcijas metodi.

Tas ir interesanti

Kā liecina pētījumi par lāzera starojuma īpašībām un procesiem, ko tas ierosina vielā, attēls daudzējādā ziņā ir līdzīgs tam, kas novērots feromagnētu un supravadītāju struktūrā. Ja tiek sasniegts augstāks sūkņa līmenis, izmantojot mazjaudas dobumu, lāzera izstarotie stari kļūst haotiski. Turklāt pats haoss ir gaismas stāvoklis, kas pilnīgi atšķiras no haosa, ko rada siltumu izstarojoši objekti.

Izmantošanas joma paplašinās

Tā kā lāzera starojumam ir šādas īpašības: monohromatisks spektrs, stingri noteikta virziena, tāpēc to var izmantot kā gaismas avotu. Šobrīd notiek aktīva attīstība šīs tehnoloģijas izmantošanas jomā signālu pārraidei. Ir zināms, ka gaisma un matērija var mijiedarboties tā, ka process ir praktisks dažādos apstākļos, taču pareizas pieejas vēl ir jāizstrādā. Ir arī citas, augsto tehnoloģiju, sarežģītas, zināšanu ietilpīgas neatliekamas problēmas, kuru risināšanai agri vai vēlu būs iespējams izmantot lielas jaudas lāzera starojumu.

Aprakstītās parādības īpašības ļauj projektēt spektrālās ierīces. Tas zināmā mērā ir izskaidrojams ar tuvās gaismas diverģenci, ko papildina palielināts spektrālais blīvums.

Ir daudz iespēju

Kā noskaidroja zinātnieki, visefektīvāko un plašāk izmantojamo instalāciju izveidei ir saprātīgi izmantot lāzerus, kuriem darbības laikā var regulēt frekvenci. Tie galvenokārt attiecas uz spektrālajām ierīcēm ar paaugstinātu izšķirtspēju. Šādās iekārtās ir iespējams sasniegt pareizus pētījumu rezultātus, neizmantojot izkliedējošu elementu.

Sistēmas, kuru pamatā ir lāzers un kuru frekvence tiek regulēta darbības laikā, šobrīd ir atradušas pielietojumu dažādās zinātniskās darbības jomās un jomās, medicīnā un rūpniecībā. Daudzējādā ziņā konkrētas ierīces mērķi nosaka tajā realizētā lāzera starojuma specifika. Ģenerācijas līnija nosaka spektrālo izšķirtspēju, ierīces funkcionalitātes pusplatumu. Forma ir atkarīga no dotā intensitātes spektrālā sadalījuma.

Tehniskās īpašības

Parasti lāzers tiek veidots kā rezonators, kur tiek radīta noteikta vide. Tās galvenā iezīme ir elektromagnētiskās enerģijas negatīvā absorbcija. Šāds rezonators ļauj samazināt radiācijas zudumus specializētā vidē. Tas ir saistīts ar elektromagnētiskās enerģijas cikla izveidi. Šajā gadījumā tiek ņemta tikai šaura frekvenču josla. Šī pieeja ļauj papildināt enerģijas zudumus, ko izraisa emisijas stimulēšana.

Lai radītu elektromagnētisko enerģiju ar lāzera īpašībām, nav nepieciešams izmantot rezonatoru. Rezultāts joprojām būs saskaņots, ko raksturo augsta kolimācija un šaurs spektrs.

Par hologrāfiju

Lai īstenotu šādus procesus, jūsu rīcībā ir jābūt avotam, kas rada starojumu ar augstu saskaņotības līmeni. Pašlaik tie ir lāzeri. Tiklīdz šāds starojums tika atklāts pirmo reizi, fiziķi gandrīz uzreiz saprata, ka tā īpašības var izmantot hologrāfijas ieviešanai. Tas kļuva par stimulu daudzsološu tehnoloģiju plašai praktiskai pielietošanai.

Par pieteikumu

Tiklīdz lāzeri tika izgudroti, zinātnieku sabiedrība un pēc tam visa pasaule tos novērtēja kā unikālu risinājumu jebkurai problēmai. Tas ir saistīts ar starojuma īpašībām. Pašlaik lāzeri tiek izmantoti tehnoloģijā, zinātnē un daudzu ikdienas problēmu risināšanā: no mūzikas atskaņošanas līdz kodu lasīšanai, pārdodot preces. Nozare izmanto šādas sistēmas lodēšanai, griešanai un metināšanai. Pateicoties spējai sasniegt ļoti augstu temperatūru, ir iespējams metināt materiālus, kas nav pakļaujami klasiskajām savienošanas metodēm. Tas ļāva, piemēram, izveidot cietus priekšmetus no keramikas un metāla detaļām.

Izmantojot modernās tehnoloģijas, lāzera staru var fokusēt tā, lai iegūtā punkta diametrs tiktu novērtēts mikronos. Tas ļauj tehnoloģiju izmantot mikroskopiskās elektroniskās ierīcēs. Pašlaik šī iespēja ir pazīstama ar terminu “rakstīšana”.

Kur citur?

Pateicoties savām unikālajām īpašībām, lāzeri tiek diezgan aktīvi izmantoti rūpniecībā, lai izveidotu pārklājumus. Tas palīdz palielināt dažādu izstrādājumu un materiālu nodilumizturību. Lāzera marķēšana un gravēšana ir ne mazāk aktuāla - ar mūsdienīgas instalācijas palīdzību šādi var apstrādāt gandrīz jebkuru virsmu. Tas lielā mērā ir saistīts ar tiešas mehāniskas ietekmes neesamību, tas ir, darba process izraisa mazāku deformāciju nekā ar jebkuru citu izplatītu metodi. Pašreizējais tehnoloģiju un zinātnes attīstības līmenis ir tāds, ka ir iespējams pilnībā automatizēt visus darba posmus ar lāzeru, vienlaikus saglabājot augstu produktivitātes līmeni un paaugstinātu uzdevumu izpildes precizitāti.

Tehnoloģija un inženierija

Nesen krāsvielu lāzeru sistēmas ir plaši izmantotas. Tie rada monohromatisku starojumu ar dažādu viļņu garumu, impulsi tiek lēsti 10-16 s. Šādu iekārtu jauda ir ļoti liela, un ģenerētie impulsi tiek novērtēti kā milzīgi. Šī iespēja ir īpaši nozīmīga spektroskopijai un salīdzinoši nelineāru efektu optikas pētījumiem.

Lāzera izmantošana ir kļuvusi par pamattehnoloģiju, lai precīzi novērtētu attālumu starp mūsu planētu un tuvāko debess ķermeni Mēnesi. Mērījumu precizitāte ir līdz centimetriem. Lāzera atrašanās vieta ļauj paplašināt astronomiskās zināšanas, precizēt navigāciju kosmosā un palielināt datubāzi par atmosfēras īpašībām un to, no kā sastāv mūsu sistēmas planētas.

Ķīmija neatpaliek

Ķīmisko reakciju ierosināšanai un to norises pētīšanai tiek izmantotas mūsdienu lāzertehnoloģijas. Izmantojot šādas iespējas, ir iespējams ārkārtīgi precīzi noteikt atrašanās vietu, devu, sterilitāti un nodrošināt nepieciešamos enerģijas rādītājus sistēmas iedarbināšanas brīdī.

Zinātnieki aktīvi strādā pie lāzera dzesēšanas sistēmu izstrādes un attīsta iespēju izmantot šādu starojumu, lai kontrolētu kodoltermiskās reakcijas.

Jauda. Pirmajos lāzeros ar rubīna aktīvo vielu gaismas impulsa enerģija bija aptuveni 0,1 J. Pašlaik dažu cietvielu lāzeru starojuma enerģija sasniedz tūkstošiem džoulu. Ar īsu gaismas impulsa ilgumu var iegūt milzīgas jaudas. Tādējādi neodīma lāzers ģenerē impulsus, kuru ilgums ir 3·10 –12 s, un ar impulsa enerģiju 75 J tā jauda sasniedz 2,5·10 13 W! (Salīdzinājumam Krasnojarskas hidroelektrostacijas jauda ir 6·10 9 W.) Gāzes lāzeru jauda ir daudz mazāka (līdz 50 kW), taču to priekšrocība ir tā, ka to starojums notiek nepārtraukti, lai gan ir arī impulsa lāzeri. lāzeri starp gāzes lāzeriem.

Diverģences leņķis Lāzera stars ir ļoti mazs, un tāpēc gaismas plūsmas intensitāte gandrīz nesamazinās līdz ar attālumu. Impulsu lāzeri var radīt gaismas intensitāti līdz 10 14 W/m 2 . Jaudīgas lāzersistēmas spēj radīt intensitāti līdz 10-20 W/m2. Salīdzinājumam mēs atzīmējam, ka vidējā saules gaismas intensitāte zemes virsmas tuvumā ir tikai 10 3 W/m 2. Līdz ar to pat salīdzinoši vāju lāzeru spilgtums ir miljoniem reižu lielāks nekā Saules spilgtums.

Saskaņotība. Vairāku viļņu procesu koordinēta norise laikā un telpā, kas izpaužas tos saskaitot kopā. Svārstības sauc par koherentām, ja fāžu starpība starp tām laika gaitā paliek nemainīga. Saskaitot divas harmoniskas svārstības ar vienādu frekvenci, bet ar atšķirīgām amplitūdām A 1 un A 2 un dažādām fāzēm, veidojas vienādas frekvences harmoniskas svārstības, kuru amplitūda atkarībā no fāzu starpības var mainīties no A 1 – A 2 līdz A 1 + A 2, un šī amplitūda noteiktā telpas punktā paliek nemainīga. Gaismas viļņus, ko izstaro sakarsuši ķermeņi vai luminiscences laikā, rada spontānas elektronu pārejas starp dažādiem enerģijas līmeņiem atomos neatkarīgi viens no otra. Katrs atoms izstaro elektromagnētisko viļņu 10–8 s, ko sauc par koherences laiku. Šajā laikā gaisma izplatās 3 m attālumā Šo attālumu sauc par koherences garumu vai vilciena garumu. Viļņi, kas atrodas ārpus vilciena garuma, vairs nebūs saskaņoti. Daudzu viens no otra neatkarīgu atomu radītais starojums sastāv no daudziem vilcieniem, kuru fāzes haotiski mainās diapazonā no 0 līdz 2p. Koherentās daļas izolēšanai no dabiskās gaismas vispārējās nesakarīgās gaismas plūsmas tiek izmantotas speciālas ierīces (Fresneļa spoguļi, Fresnela biprismas u.c.), kas rada ļoti zemas intensitātes gaismas starus, savukārt lāzera starojums ar visu savu milzīgo intensitāti ir. pilnīgi saskaņota.

Principā nesakarīgu gaismas staru kūli nevar fokusēt ļoti mazā vietā, jo to novērš to veidojošo vilcienu fāžu atšķirības. Koherento lāzera starojumu var fokusēt plankumā, kura diametrs ir vienāds ar šī starojuma viļņa garumu, kas dod iespēju palielināt jau tā augsto lāzera gaismas stara intensitāti.

Vienkrāsains. Monohromatisko starojumu sauc par starojumu ar stingri vienādu viļņa garumu, bet to var radīt tikai harmoniskas svārstības, kas notiek ar nemainīgu frekvenci un amplitūdu bezgalīgi ilgu laiku. Reāls starojums nevar būt monohromatisks tikai tāpēc, ka tas sastāv no daudziem vilcieniem, un starojums ar šauru spektrālo intervālu, ko var aptuveni raksturot ar vidējo viļņa garumu, tiek uzskatīts par praktiski vienkrāsainu. Pirms lāzeru parādīšanās starojumu ar noteiktu monohromatiskuma pakāpi varēja iegūt, izmantojot prizmas monohromatorus, kas izolēja šauru viļņu garumu joslu no nepārtraukta spektra, taču gaismas jauda šādā joslā bija ļoti zema. Lāzera starojumam ir augsta monohromatiskuma pakāpe. Dažu lāzeru radīto spektrālo līniju platums sasniedz 10–7 nm.

Polarizācija. Elektromagnētiskais starojums viena vilciena ietvaros ir polarizēts, bet tā kā gaismas stari sastāv no daudziem viens no otra neatkarīgiem vilcieniem, tad dabiskā gaisma ir nepolarizēta un polarizētas gaismas iegūšanai tiek izmantotas speciālas ierīces - Nikolasa prizmas, polaroīdi u.c.. Atšķirībā no dabiskās gaismas lāzera starojums ir pilnībā polarizēts. .

Radiācijas virziens. Svarīga lāzera starojuma īpašība ir tā stingra virzība, ko raksturo ļoti zema gaismas staru diverģence, kas ir augstas koherences pakāpes sekas. Daudzu lāzeru diverģences leņķis tiek palielināts līdz aptuveni 10–3 rad, kas atbilst vienai loka minūtei. Šis virziens, kas ir pilnīgi nesasniedzams parastajos gaismas avotos, ļauj pārraidīt gaismas signālus lielos attālumos, ļoti maz samazinot to intensitāti, kas ir ārkārtīgi svarīgi, izmantojot lāzerus informācijas pārraides sistēmās vai kosmosā.

Elektriskā lauka stiprums. Vēl viena īpašība, kas atšķir lāzera starojumu no parastās gaismas, ir tajā esošais lielais elektriskā lauka stiprums. Elektromagnētiskās enerģijas plūsmas intensitāte I-EH(Umova-Pointinga formula), kur E Un N– attiecīgi elektriskā un magnētiskā lauka stiprums elektromagnētiskajā vilnī. No tā varam aprēķināt, ka elektriskā lauka intensitāte gaismas vilnī ar intensitāti 10 18 W/m 2 ir vienāda ar 3-10 10 V/m, kas pārsniedz lauka intensitāti atoma iekšienē. Lauka stiprums parasto gaismas avotu radītajos gaismas viļņos nepārsniedz 10 4 V/m.

Kad elektromagnētiskais vilnis krīt uz ķermeņa, tas izdara mehānisku spiedienu uz šo ķermeni, proporcionālu viļņa enerģijas plūsmas intensitātei. Spilgtas saules gaismas radītais gaismas spiediens vasaras dienā ir aptuveni 4 10–6 Pa (atgādinām, ka atmosfēras spiediens ir 10 5 Pa). Lāzera starojumam gaismas spiediens sasniedz 10 12 Pa. Šis spiediens dod iespēju apstrādāt (perforēt, izgriezt caurumus utt.) cietākos materiālus – dimantu un supercietos sakausējumus.

Gaismas mijiedarbība ar vielu (atstarošana, absorbcija, izkliede) rodas gaismas viļņa elektriskā lauka mijiedarbības rezultātā ar vielas optiskajiem elektroniem. Dielektriskie atomi elektriskajā laukā ir polarizēti. Pie zemas stiprības dipola moments uz vielas tilpuma vienību (vai polarizācijas vektoru) ir proporcionāls lauka intensitātei. Visi vielas optiskie raksturlielumi, piemēram, laušanas koeficients, absorbcijas indekss un citi, vienā vai otrā veidā ir saistīti ar polarizācijas pakāpi, ko nosaka gaismas viļņa elektriskā lauka stiprums. Tā kā šīs attiecības ir lineāras, t.i. lielums R proporcionāls E, kas dod pamatu optiku, kas nodarbojas ar relatīvi zemas intensitātes starojumu, dēvēt par lineāro optiku.

Lāzera starojumā viļņa elektriskā lauka stiprums ir salīdzināms ar lauka intensitāti atomos un molekulās un var tos mainīt ievērojamās robežās. Tas noved pie: fakta, ka dielektriskā jutība pārstāj būt nemainīga vērtība un kļūst par noteiktu lauka intensitātes funkciju . Līdz ar to polarizācijas vektora atkarība no lauka intensitātes vairs nebūs lineāra funkcija. Tāpēc viņi runā par vides nelineāro polarizāciju un attiecīgi par nelineāro optiku, kurā vielas dielektriskā konstante, laušanas koeficients, absorbcijas indekss un citi optiskie lielumi vairs nebūs nemainīgi, bet gan atkarīgi no incidenta intensitātes. gaismas.

Lāzera starojuma īpatnības un lāzeru veidi.

Lāzeri ir radījuši jaunas tehnoloģijas ar unikālām iespējām. Kas ir ārkārtējs? lāzera starojuma īpašības, lāzera stars?

Pirmkārt, lāzera stars izplatās bez izplešanās. Vārds “gandrīz” nozīmē, ka lāzera gaismas stars nav pilnīgi paralēls: ir diverģences leņķis, taču tas ir salīdzinoši mazs - apmēram 10 ^ (-5) rad un tomēr lielos attālumos tas ir pamanāms: uz Mēness. ir šāds stars, kas vērsts no Zemes, rada plankumu ar diametru aptuveni 3 km.

Otrkārt, lāzera gaisma ir ārkārtīgi monohromatiska, t.i., tai ir tikai viens viļņa garums, viena krāsa. Atšķirībā no parastajiem gaismas avotiem, kuru atomi izstaro gaismu neatkarīgi viens no otra, lāzeros atomi izstaro gaismu saskaņoti. Pateicoties šai lāzera stara īpašībai, ir kļuvusi iespējama augsta blīvuma optiskā informācijas ierakstīšana - sīkos optiskajos diskos var būt milzīgs informācijas apjoms - simtiem megabaitu.

Treškārt, lāzers ir visspēcīgākais gaismas avots. Šaurā spektra diapazonā uz īsu laiku (10 ^ (-11) s) tiek sasniegta starojuma jauda 10 ^ 12-10 ^ 13 W uz kvadrātcentimetru, savukārt Saules starojuma jauda no tā paša platība ir tikai 7 10 ^ 3 W, un kopumā visā spektrā.

Lāzeru veidi

1960. gadā T. Meimans (ASV) radīja pirmo lāzeru - rubīns , strādā impulsa režīms. Bet tomēr tas ir īss gaismas impulss. Viņi var izdurt caurumu, sametināt divas metāla stieples un darīt daudzas citas noderīgas lietas.

gāzes lāzeri . Gāzes lāzers tika izveidots gandrīz vienlaikus ar rubīna lāzeru, tajā pašā 1960. gadā. Tas darbojās uz hēlija un neona maisījumu. Mūsdienu gāzes lāzeri darbojas ar daudzām gāzēm un tvaikiem. Viņi visi dod nepārtraukts starojumsļoti plašā viļņu garuma diapazonā: no ultravioletās līdz infrasarkanajai gaismai.

gāzes dinamiskais lāzers , līdzīgi kā reaktīvajam dzinējam. Sadegšanas kamerā oglekļa monoksīds (oglekļa monoksīds) tiek sadedzināts, pievienojot degvielu (petroleju, benzīnu, spirtu). Iegūtais gāzu maisījums sastāv no oglekļa dioksīda, slāpekļa un ūdens tvaikiem. Steidzoties starp spoguļiem, gāzes molekulas izstaro enerģiju gaismas kvantu veidā, radot lāzera staru ar jaudu 150 - 200 kW. Un tas nav vienas zibspuldzes spēks, bet gan pastāvīga, vienmērīga stara, kas spīd, līdz lāzeram beidzas degviela.

pusvadītāju lāzeri nodrošina arī nepārtrauktu starojumu. Pusvadītāju lāzeru 1962. gadā radīja amerikāņu zinātnieks R. Hols. Tā pamatā ir optiskais ieraksts, ko zina daudzi personālo datoru lietotāji, kuri rokās turējuši lāzerdisku, pievilcīgs ne tikai ar savu izskatu, bet arī ar informatīvo ietilpību: var ierakstīt simtiem tūkstošu lappušu teksta. uz diska ar diametru 12 cm.

krāsvielu lāzeri (šķidrie lāzeri). Tos sauc tāpēc, ka to darba šķidrums ir anilīna krāsvielu šķīdumi ūdenī, spirtā, skābē un citos šķīdinātājos. Šķidrie lāzeri var izstarot dažāda viļņa garuma (no ultravioletā līdz infrasarkanajai gaismai) gaismas impulsus un jaudu no simtiem kilovatu līdz vairākiem megavatiem atkarībā no krāsvielas veida.

Tiek izstrādāti ķīmiskie lāzeri, kuros atomi nonāk ierosinātā stāvoklī, pakļaujoties ķīmisko reakciju sūkņa enerģijai. Liela uzmanība tiek pievērsta lieljaudas ķīmisko lāzeru izstrādei, kas ķīmiskās reakcijas enerģiju pārvērš koherentā starojumā, un atomu lāzeru, kas izstaro nevis gaismu, bet gan atomu kūli.