Să ne uităm pe scurt la patru caracteristici ale radiației laser. Motivul a fost deja explicat mai sus foarte concentrat fascicul de lumină laser. Unghiul său de divergență este de aproximativ 104 ori mai mic decât fasciculul unui reflector bun. Pe suprafața Lunii, un fascicul laser creează o pată cu un diametru de aproximativ 10 km. Datorită directivității sale ridicate, energia unui fascicul laser poate fi transmisă pe distanțe foarte mari, inclusiv cosmice. Aceasta a creat baza pentru comunicare, transmiterea prin fascicul laser atât a conversațiilor telefonice, cât și a imaginilor de televiziune. Puterea necesară a unui emițător laser este de zeci și sute de mii de ori mai mică decât puterea posturilor radio convenționale. În viitor, fasciculul laser va fi folosit și pentru transferul de energie pe distanțe lungi.

Pe proprietatea lățimii spectrale neobișnuite ( monocromatic) s-a discutat și despre radiația laser. Compoziția spectrală a fasciculului laser este mult mai mică decât cea a tuturor celorlalte surse de lumină și unde radio. Cu toate acestea, monocromaticitatea ridicată nu este caracteristică tuturor tipurilor de lasere. În unele cazuri (lasere cu semiconductor, lasere pe bază de soluții de colorant), banda de radiații este foarte largă, care poate fi folosită și în practică.

A treia proprietate ca importantă a unui fascicul laser este sa coerență ridicată. Fazele undelor de lumină diferite care apar prin oglinzile cu cavitatea laser sunt fie aceleași, fie reciproc consistente. Emisia tuturor celorlalte surse din domeniul optic nu este coerentă (în regiunea radio a scalei undelor electromagnetice, totuși, multe surse de câmp de undă produc radiații coerente).

Coerența este utilizată pe scară largă în interferometrie, holografie și multe alte ramuri ale științei și tehnologiei. Anterior, înainte de apariția laserelor, undele coerente de intensitate scăzută în regiunea vizibilă a spectrului erau create doar artificial, prin împărțirea unui val în mai multe.

Ca o proprietate specială a laserelor, posibilitatea de a realiza impulsuri laser de mare intensitate și durată redusă. Alegerea tipului de laser pentru utilizarea sa practică depinde de sarcina la îndemână. Există lasere continue. Cu toate acestea, majoritatea sistemelor laser emit rafale izolate de energie luminoasă (monopulsuri luminoase) sau o serie de impulsuri. Duratele pulsului sunt, de asemenea, diferite. În modul laser liber, durata laserului este apropiată de durata de strălucire a lămpilor pompei.

În modul de funcționare continuă, laserele cu heliu-neon emit. Puterea laserului doar 0,002…0,020 W, care este de multe ori mai mică decât puterea unui bec de lanternă. Pentru a caracteriza proprietățile excepționale ale radiației acestui laser, prezentăm următoarea comparație. Intensitatea D euîn intervalul de frecvență vizibil, primit de la Soare la o distanță medie față de Pământ, este egal cu 186 W/m 2. Această putere este distribuită în intervalul spectral de la n 2 = 7,5×10 14 la n 1 = 4,3×10 14 Hz(D n = n 2 - n 1 » 3×10 14 Hz). Densitatea intensității spectrale în lumina soarelui - eu n = D eu/D n» 6×10 -13 W/(m 2 Hz). He-Ne laserul poate emite 0,01 Wîntr-un pachet cu secțiune transversală 1 mm 2, respectiv, intensitatea punctului luminos de pe ecran este 10 6 W/m 2. Deoarece lățimea liniei spectrale a unui astfel de laser poate fi luată ca D n = 100 kHz, apoi densitatea radiației spectrale He-Ne laser eu n » 10 W/(m 2 Hz). Astfel, densitatea radiației spectrale chiar și a unui laser de putere relativ mică este cu 13 ordine de mărime mai mare decât cea a Soarelui sau a altei surse de lumină termică. De aceea natura interacțiunii luminii laser care se propagă într-un mediu cu materia diferă semnificativ de cazurile bine studiate ale opticii clasice.

Laser cu amestec dinamic gazos CO 2 + N + El, care operează în modul continuu în regiunea IR (~10 µm), au o putere de un milion de ori mai mare (de ordinul a sute și mii de wați). Pentru a evalua capacitățile unor astfel de surse de energie, trebuie să ne amintim că pentru topire 1 cm 3 metal necesar ~50 J. Dacă puterea fasciculului laser este de 500 W, atunci în principiu se poate topi în 1 Cu ~ 10 cm 3 metal Cifrele reale realizate experimental sunt semnificativ mai mici, deoarece o parte semnificativă a energiei luminoase incidente pe suprafața metalului este reflectată de aceasta.

Rețineți că conceptul de putere vorbește despre concentrarea energiei în timp, capacitatea unui sistem de a produce un efect semnificativ într-o anumită perioadă de timp (de obicei scurtă). Puterea enormă a unor tipuri de lasere care emit monopulsuri indică calitatea înaltă a energiei laser. Este posibil, de exemplu, să se obțină în câteva momente densități de energie care depășesc densitățile de energie ale unei explozii nucleare. Cu ajutorul laserelor se pot obtine temperaturi egale cu zeci de milioane de grade si presiuni de ordinul a 100 de milioane de atmosfere. Cele mai mari câmpuri magnetice etc., au fost obținute cu ajutorul laserelor.

Pentru a reduce durata impulsurilor de radiație, în interiorul cavității laser sunt de obicei plasate diverse dispozitive de control - modulatoare intracavitate sau circuite de amplificare în mai multe etape sunt create dintr-un număr de unități succesive care conțin elemente active. Utilizarea laserelor semiconductoare în sistemul de pompare, a elementelor cu fibră optică și a convertoarelor de radiații laser neliniare a făcut posibilă crearea unor sisteme laser extrem de compacte, eficiente și compacte.

În primul generator de rubin monopuls, durata strălucirii în impulsuri a ajuns la ~10 -8 Cu. Laserele moderne sunt capabile să emită impulsuri cu o durată de aproximativ 5 fs, adică mai puțin de două perioade ale undei luminoase, care este aproape de limita fundamentală. Chiar și energia radiației, care este relativ modestă la scară laser, atunci când este concentrată într-un impuls ultrascurt (USP), produce o putere mare și, atunci când fasciculul este focalizat, o intensitate enormă. În special, instalația creată la Laboratorul Național Livermore (SUA) face posibilă obținerea de radiații laser ultrasonice cu o energie de 660 J cu o durată a pulsului de 440 fs, care asigură o putere de vârf de ordinul 1 PW, iar la focalizarea fasciculului - intensitatea radiației este peste 10 21 W/cm 2. Pentru a vă face o idee despre această valoare, trebuie remarcat faptul că presiunea ușoară în acest caz este de 300 Gbar, care este comparabilă cu presiunea din centrul Soarelui. În acest exemplu, o creștere a puterii radiației laser a fost realizată în principal prin reducerea duratei pulsului. O comparație a laserelor moderne de femtosecundă cu primul dintre laserele cu impulsuri arată că creșterea puterii a atins 12 ordine de mărime. Pentru a estima creșterea energiei radiațiilor, putem furniza date despre dispozitivul laser cu impuls ultrascurt proiectat în SUA pentru cercetarea fuziunii termonucleare. Cele 192 de grinzi ale acestei instalații, de dimensiunea unui teren de fotbal, ar trebui să atingă o energie de 2 MJîntr-un impuls de nanosecundă. Astfel, creșterea energiei va fi de cel puțin 6 ordine de mărime.

Radiația laser are următoarele proprietăți fizice:

1. Coerență spațială și temporală ridicată. Aceasta înseamnă că anumite relații de fază între undele individuale sunt menținute pentru o perioadă de timp, nu numai într-un anumit punct din spațiu, ci și între oscilațiile care apar în puncte diferite. Această consistență a proceselor face posibilă focalizarea unui fascicul de radiații laser într-un punct cu un diametru egal cu lungimea de undă a acestei radiații. Acest lucru vă permite să creșteți intensitatea deja mare a fasciculului laser.

2. Radiație monocromatică strictă. Gama de lungimi de undă Δλ emise de laser atinge o valoare de ~ 10 -15 m (în medie Δλ< 10 -11).

3. Densitate mare de flux de energie. De exemplu, un laser cu neodim generează impulsuri cu o durată de 3·10 -12 s și o energie de 75 J, ceea ce corespunde unei puteri de 2,5·10 13 W (puterea hidrocentralei Krasnoyarsk este de 6·10 9 W). )! Pentru comparație, observăm, de asemenea, că intensitatea luminii solare de pe suprafața Pământului este de numai 10 3 W/m 2 , în timp ce sistemele cu laser pot produce o intensitate de până la 10 20 W/m 2 .

Proprietățile neobișnuite ale radiației laser își găsesc o aplicație practică largă. În industrie, laserele sunt utilizate pentru prelucrarea, tăierea și microsudarea materialelor solide (de exemplu, perforarea găurilor calibrate în diamant), detectarea de mare viteză și precisă a defectelor de prelucrare a suprafeței etc. În știință, radiația laser este folosită pentru a studia mecanismul reacțiilor chimice și obținerea de substanțe ultra-pure; pentru separarea izotopilor și studiul plasmei la temperatură înaltă; pentru măsurători ultra-precise de la distanță ale deplasărilor, indicilor de refracție, presiunii și temperaturii (în astronomie). Coerența ridicată a radiației laser a făcut posibilă implementarea unei metode fundamental noi de înregistrare și restaurare a imaginii, bazată pe interferența undelor și difracția. Această metodă de obținere a unei imagini tridimensionale a fost numită holografie (de la cuvântul grecesc holos - all). Se compune din următoarele (Fig. 7): un obiect 2 este plasat în fața ecranului fotodetectorului (fotoplată) 3. O oglindă translucidă 4 desparte fasciculul laser într-o undă de referință 7 și o undă de semnal 8. Unda de referință 7, focalizată de lentila 5, este reflectată de oglinda 6 direct pe placa fotografică. Unda de semnal 8 lovește fotodetectorul după reflectarea de la obiectul 2. Pentru că undele 7 și 8 sunt coerente, apoi se suprapun între ele, formând un model de interferență pe placa fotografică. După dezvoltarea fotodetectorului, se obține o hologramă - un „negativ” al modelului de interferență al adăugării a două unde luminoase coerente 7 și 8.

Atunci când holograma este iluminată de o undă luminoasă identică cu unda de referință la unghiul corespunzător, difracția acestei unde „de citire” are loc pe o „rețea de difracție”, care este un model de interferență înregistrat pe hologramă. Ca urmare, imaginea obiectului înregistrată pe hologramă este restaurată (devine observabilă).

Dacă fotodetectorul are o grosime a stratului fotosensibil comparabilă cu distanța dintre franjuri de interferență adiacente, se obține o hologramă convențională bidimensională, plată, dar dacă grosimea stratului este mult mai mare decât distanța dintre franjuri, o hologramă tridimensională (volumetică) se obtine imaginea.

De asemenea, este posibilă restaurarea unei imagini dintr-o hologramă volumetrică în lumină albă (lumina soarelui sau lumina unei lămpi incandescente obișnuite) - holograma însăși „selectează” din spectrul continuu lungimea de undă care poate restabili imaginea înregistrată pe hologramă.

Să luăm în considerare principalele efecte ale interacțiunii radiației laser cu materia și obiectele biologice.

Efect termic. Când radiația laser este absorbită de materie, țesuturi umane, animale și plante, o parte semnificativă a energiei câmpului electromagnetic se transformă în căldură. În țesuturile biologice, absorbția are loc selectiv, deoarece Elementele structurale incluse în țesături au indici diferiți de absorbție și reflexie. Efectul termic al iradierii laser este determinat de intensitatea fluxului luminos și de gradul de absorbție a acestuia de către țesut. În acest caz, modificările care apar în țesuturi sunt similare cu o arsură. Cu toate acestea, spre deosebire de o arsură, limitele zonei de creștere a temperaturii locale sunt clar definite. Acest lucru se datorează secțiunii transversale foarte mici a fasciculului laser, duratei scurte de expunere și conductivității termice slabe a țesuturilor biologice. Cele mai sensibile la creșterea temperaturii sunt enzimele, care sunt primele care sunt distruse atunci când sunt încălzite, ceea ce duce, la rândul său, la o încetinire a reacțiilor biochimice din celule. Cu o intensitate suficientă a iradierii cu laser, poate avea loc coagularea (denaturarea ireversibilă) a proteinelor și distrugerea completă a țesutului.

Efect de impact. Generarea de căldură în zona afectată de fascicul laser are loc în milionimi și chiar sute de milioane de secundă. Evaporarea instantanee a particulelor de țesut și expansiunea lor volumetrică rapidă determină o creștere bruscă a presiunii în zona de încălzire. Ca urmare, în componentele lichide ale celulelor și țesuturilor apare o undă de șoc, care se propagă cu viteză supersonică (~1500 m/s) și poate provoca daune.

Fenomene electrice. Radiația laser prin natura sa este un câmp electromagnetic. Dacă componenta electrică a acestui câmp este suficient de mare, acțiunea fasciculului laser va provoca ionizarea și excitarea atomilor și moleculelor. În țesuturile biologice, acest lucru poate duce la distrugerea selectivă a legăturilor chimice din molecule, formarea de radicali liberi și, în consecință, la diferite procese patologice la animale și oameni. Se presupune că acestea provoacă mutații chimice, apariția cancerului și îmbătrânirea biologică.

Proprietățile radiațiilor laser enumerate mai sus și efectele interacțiunii sale cu țesuturile biologice determină posibilitățile unice de utilizare a laserelor în biologia experimentală și medicină.

Concentrat pe un diametru de doar câțiva microni, fasciculul laser devine un instrument de cercetare și microchirurgie la nivel celular. Prin iradierea anumitor părți ale cromozomilor, puteți provoca modificări ale eredității. Un astfel de fascicul laser face posibilă separarea fragmentelor individuale dintr-o macromoleculă și „coaserea” altora noi în locul lor. Utilizarea laserelor a făcut posibilă din punct de vedere tehnic rezolvarea unui număr de probleme în citologie, citogenetică, embriologie și în alte domenii ale științei biologice.

Principalele domenii de aplicare a laserelor în medicină sunt chirurgia, oftalmologia și oncologia.

In chirurgie se folosesc lasere CO 2 cu o putere de 30 ÷ 100 W, care functioneaza in regim continuu. Proprietățile unui fascicul laser de a distruge țesutul biologic, combinate cu coagularea proteinelor, permit disecții fără sânge. Un bisturiu cu laser are o serie de avantaje față de un bisturiu tradițional. Principalele probleme ale intervenției chirurgicale sunt durerea, sângerarea și sterilitatea. Aceste probleme pot fi rezolvate foarte simplu la folosirea unui laser: radiatia laser, spre deosebire de un bisturiu conventional, nu poate introduce infectie, sterilizeaza tesutul disecat, chiar daca este deja infectat cu supuratie; nu are loc nicio pierdere de sânge, deoarece vasele de sânge sunt înfundate instantaneu cu sânge cheagulat; Bisturiul laser nu exercită presiune mecanică asupra țesutului, ceea ce reduce senzația de durere. În plus, cu ajutorul endoscoapelor moderne și ghidurilor de lumină flexibile (fibră optică), radiația laser poate fi introdusă în cavitățile interne, făcând posibilă oprirea sângerării interne și evaporarea supurației fără a deschide organele. În scopuri chirurgicale, țara noastră a creat instalațiile „Scalpel-1” (P = 30 W) și „Romashka-1” (P = 100 W).

În oftalmologie, se folosesc lasere rubin pulsate (durata pulsului 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), care fac posibilă efectuarea unui număr de operații complexe fără a compromite integritatea ochiului: sudarea retinei detașate. la coroidă (oftalmocoagulator); tratamentul glaucomului prin străpungerea unei găuri cu diametrul de 50-100 nm cu un fascicul laser pentru a drena lichidul pentru a reduce presiunea intraoculară; tratamentul anumitor tipuri de cataractă și alte defecte ale irisului. Pentru tratamentul glaucomului a fost creată instalația Yatagan-1.

În oncologie, radiațiile laser sunt folosite pentru a exciza și necroza celulele tumorilor maligne. La necrotizarea tumorilor maligne, se utilizează selectivitatea absorbției radiațiilor laser de către diferite țesuturi. De exemplu, unele tumori pigmentate (melanomul, hemangiomul) absorb radiațiile laser mult mai intens decât țesuturile din jur. În același timp, căldura este eliberată cu viteza fulgerului într-un volum microscopic de țesut cu formarea unei unde de șoc. Acești factori determină distrugerea celulelor maligne. La expunerea în impulsuri, temperatura țesutului la o adâncime de 4-5 mm crește la 55-60 0 C. Când se utilizează lasere care funcționează în mod continuu, temperatura poate fi crescută la 100 0 C. Radiația laser focalizată este utilizată pentru a influența tumorile (d = 1,5 ÷3 mm pe suprafața obiectului) cu intensitatea I = 200 ÷ 900 W/cm2.

S-a stabilit că radiațiile laser prezintă o serie de avantaje față de terapia cu raze X folosită pentru tratarea cancerului de piele: încărcătura de radiații este redusă semnificativ și costurile sunt reduse de mai multe ori. Folosind radiații mai puțin intense, este posibilă suprimarea creșterii celulelor canceroase (terapie cu laser). În acest scop, se utilizează o instalație laser specială „Pulsator-1” sau lasere cu argon cu o putere de până la 1 W. Cancerul de piele poate fi vindecat cu laser în 97% din cazuri.

Când oamenii de știință au aflat care sunt proprietățile radiațiilor laser, publicul a câștigat mari oportunități pentru interferometrie. În prezent, comunitatea științifică dispune de metode destul de precise pentru determinarea estimărilor cantitative ale deplasărilor și lungimilor. La început, interferometrele au fost folosite destul de limitat, deoarece sursele de unde luminoase nu erau suficient de coerente și luminoase, astfel încât imaginea accesibilă oamenilor era corectă doar în cazul în care brațul de măsurare avea 50 cm sau mai puțin. S-au schimbat multe atunci când a devenit posibilă posibilitatea utilizării radiațiilor laser de înaltă precizie.

Hemostatice

Acest termen este de obicei folosit pentru a desemna pe scurt proprietatea radiației laser exprimată prin lipire și sudură. Procesul este cauzat de necroza asociată tratamentului cu temperatură. Necroza controlată de coagulare, provocată de o modificare a nivelului de încălzire, este însoțită de formarea unui film marginal din elementele celulelor și țesuturilor. Aceasta conectează mai multe straturi ale organului la un singur nivel.

Lucrul cu un laser implică întotdeauna interacțiunea cu temperaturi foarte ridicate. Datorită acestei caracteristici, lichidul, care se găsește în mod normal în interiorul celulelor și între țesuturi, se evaporă aproape instantaneu, iar componentele uscate ard. Distrofia este determinată de ce tip de radiație laser (proprietățile sunt ușor diferite) este utilizat într-o anumită instalație. Depinde mult și de tipul de țesut organic procesat și de durata contactului. Dacă laserul este mișcat, provoacă evaporarea, ceea ce are ca rezultat o tăietură liniară.

Calități importante

Când luăm în considerare ce proprietăți are radiația laser, este important de menționat un spectru monocromatic, un nivel ridicat de coerență, divergență scăzută și densitate crescută a spectrului. În total, acest lucru face posibilă proiectarea dispozitivelor cu laser de înaltă precizie, care sunt fiabile și aplicabile într-o mare varietate de condiții climatice, factori geologici și hidrologici.

În ultimii ani, instrumentele de înaltă precizie cu lasere au fost proiectate pentru topografi. Ele se bazează pe proprietățile radiațiilor laser deja cunoscute omenirii. Utilizarea laserelor în astfel de instalații este larg răspândită nu numai în țara noastră, ci și în străinătate. După cum se poate observa din practică, pentru straturile de țevi și mașinile de terasament, sistemele laser sunt indispensabile ca metodă de determinare a direcției de mișcare. Ele sunt, de asemenea, importante atunci când se creează drumuri (căi ferate, drumuri) și multe alte lucrări.

Este important

Laserul și-a găsit aplicația în formarea de tranșee. Folosind o instalație specială, se creează un fascicul laser care definește traseul. Concentrându-se asupra acesteia, o persoană care operează un excavator poate lucra în mod constant. Funcționarea unor astfel de dispozitive moderne este o garanție a execuției de înaltă calitate a tuturor etapelor de lucru și a creării de șanțuri exact așa cum este specificat în documentația de proiectare.

Laserul este de neînlocuit!

Dacă într-un curs școlar sau universitar, într-o lucrare de test, unui student i se dă sarcina „Numiți proprietățile caracteristice ale radiației laser”, primele lucruri care vin în minte sunt coerența și luminozitatea. Dacă comparăm laserul și plasmă, primul depășește de câteva ori parametrii de luminozitate și este aplicabil pentru crearea blițurilor în serie, iar frecvența poate ajunge la 1010 Hz. Un puls poate dura (în picosecunde) câteva zeci. În același timp, divergența este scăzută, iar frecvența poate fi ajustată. Aceste calități s-au dovedit a fi aplicabile în instalațiile care fac posibilă studierea proceselor care au loc la viteze foarte mari.

Datorită caracteristicilor descrise, laserele au devenit indispensabile în analiză folosind tehnologia de spectroscopie termo-optică.

Structuri fine

Proprietățile de bază ale radiației laser identificate de oamenii de știință (enumerate mai sus) au făcut posibilă utilizarea acestei tehnologii în dezvoltarea armelor moderne și proiectarea mașinilor pentru tăierea diferitelor materiale. Dar gama de posibilități nu se limitează doar la asta. Folosind metode deosebit de precise și tehnologice pentru construirea unei structuri de lucru, bazată pe radiația laser, este posibil să se creeze un sistem pentru studierea moleculelor, structurii și proprietăților acestora. Obținând în acest fel cele mai recente informații, oamenii de știință formează baza pentru crearea de noi tipuri de lasere. După cum se poate observa din cele mai optimiste prognoze, în viitorul apropiat va fi dezvăluită prin radiația laser natura fotosintezei, ceea ce înseamnă că oamenii de știință vor primi toate cheile pentru înțelegerea esenței vieții de pe planetă și a mecanismelor. a formării sale.

Înțelegerea lumii: secrete și descoperiri

Se crede că toate proprietățile de bază ale radiației laser au fost acum studiate. Oamenii de știință cunosc principiile de bază ale emisiei stimulate de radiații și le-au putut aplica în practică. Spectrul monocromatic al radiațiilor, intensitatea acestuia, lungimea pulsului și direcția clară sunt considerate deosebit de importante. Datorită unor astfel de caracteristici, fasciculul laser intră într-o interacțiune atipică cu materia.

După cum subliniază în plus fizicienii, proprietățile indicate ale radiației laser nu pot fi numite caracteristici independente care descriu toate varietățile fenomenului menționat fără excepție. Există anumite legături între ele. În special, coerența este determinată de direcționalitatea radiației, iar lungimea impulsului este direct legată de spectrul monocromatic al fasciculului. Durata și direcția determină intensitatea radiației.

Efectul Raman

Acest fenomen este unul dintre cele mai importante pentru evaluarea, înțelegerea și aplicarea proprietăților radiației laser. Termenul este de obicei folosit pentru a desemna o condiție, a cărei inițiere necesită instalarea unei puteri mari. Sub influența sa, împrăștierea are loc atunci când se observă o schimbare de frecvență a radiației. Când identificați specificul compoziției spectrale și evaluați puterea, puteți observa că frecvența este ajustată în conformitate cu un model destul de complex. Dacă efectul Raman este stimulat artificial, este posibil să se creeze o metodă de corecție pentru optica semnalelor coerente.

Acest lucru este interesant

După cum au arătat studiile asupra proprietăților radiației laser și a proceselor pe care le inițiază în materie, imaginea este în multe privințe similară cu cea observată în structura feromagneților și supraconductorilor. Dacă se obține un nivel mai ridicat al pompei folosind o cavitate de putere redusă, fasciculele emise de laser devin haotice. Mai mult, haosul în sine este o stare de lumină care este complet diferită de haosul creat de obiectele care emit căldură.

Domeniul de utilizare se extinde

Deoarece radiația laser are următoarele proprietăți: spectru monocromatic, direcționalitate strict definită, prin urmare, poate fi folosită ca sursă de lumină. În prezent, dezvoltări active sunt în desfășurare în domeniul exploatării acestei tehnologii pentru transmiterea semnalului. Se știe că lumina și materia pot interacționa în așa fel încât procesul să fie practic într-o varietate de situații, dar abordările corecte nu au fost încă dezvoltate. Există și alte probleme urgente, de înaltă tehnologie, complexe, intensive în cunoștințe, pentru a căror rezolvare, mai devreme sau mai târziu, va fi posibilă utilizarea radiației laser de mare putere.

Proprietățile fenomenului descris fac posibilă proiectarea dispozitivelor spectrale. Acest lucru se explică într-o oarecare măsură prin divergența fasciculului scurt, însoțită de o densitate spectrală crescută.

Există multe posibilități

După cum au descoperit oamenii de știință, pentru a crea cele mai eficiente și utilizate instalații pe scară largă, este rezonabil să se utilizeze lasere pentru care frecvența poate fi reglată în timpul funcționării. Ele sunt relevante în primul rând pentru dispozitivele spectrale cu rezoluție crescută. În astfel de instalații, este posibil să se obțină rezultate corecte de cercetare fără a recurge la un element de dispersie.

Sistemele bazate pe un laser, a căror frecvență este reglată în timpul funcționării, și-au găsit în prezent aplicație în diverse domenii și domenii de activitate științifică, medicină și industrie. În multe feluri, scopul unui anumit dispozitiv este determinat de specificul radiației laser implementate în acesta. Linia de generare determină rezoluția spectrală, jumătatea lățimii funcționalității dispozitivului. Forma depinde de distribuția spectrală a intensității date.

Caracteristici tehnice

De obicei, un laser este proiectat ca un rezonator unde este creat un mediu specific. Caracteristica sa cheie este absorbția negativă a energiei electromagnetice. Un astfel de rezonator face posibilă reducerea pierderilor de radiații într-un mediu specializat. Acest lucru se datorează creării unui ciclu pentru energia electromagnetică. În acest caz, este luată doar o bandă îngustă de frecvențe. Această abordare face posibilă refacerea pierderilor de energie cauzate de faptul că emisia este stimulată.

Pentru a genera energie electromagnetică cu caracteristicile unui laser, nu este nevoie să utilizați un rezonator. Rezultatul va fi în continuare coerent, caracterizat printr-o colimație ridicată și un spectru îngust.

Despre holografie

Pentru a implementa astfel de procese, trebuie să aveți la dispoziție o sursă care generează radiații cu un nivel ridicat de coerență. În prezent, acestea sunt lasere. De îndată ce o astfel de radiație a fost descoperită pentru prima dată, fizicienii și-au dat seama aproape imediat că proprietățile sale ar putea fi folosite pentru a implementa holografia. Acesta a devenit impulsul pentru aplicarea practică pe scară largă a tehnologiei promițătoare.

Despre aplicație

De îndată ce laserele au fost inventate, comunitatea științifică și apoi întreaga lume le-au apreciat ca fiind o soluție unică la orice problemă. Acest lucru se datorează proprietăților radiațiilor. În prezent, laserele sunt folosite în tehnologie, știință și în rezolvarea a numeroase probleme de zi cu zi: de la redarea muzicii la citirea codurilor atunci când vindeți bunuri. Industria folosește astfel de sisteme pentru lipire, tăiere și sudare. Datorită capacității de a atinge temperaturi foarte ridicate, este posibilă sudarea materialelor care nu sunt adaptabile metodelor clasice de îmbinare. Acest lucru a făcut posibilă, de exemplu, crearea de obiecte solide din piese ceramice și metalice.

Folosind tehnologia modernă, un fascicul laser poate fi focalizat astfel încât diametrul punctului rezultat să fie estimat în microni. Acest lucru permite ca tehnologia să fie utilizată în dispozitive electronice microscopice. În prezent, această posibilitate este cunoscută sub termenul „scriere”.

Unde altundeva?

Datorită calităților lor unice, laserele sunt folosite destul de activ în industrie pentru a crea acoperiri. Acest lucru ajută la creșterea rezistenței la uzură a diferitelor produse și materiale. Marcarea și gravarea cu laser nu sunt mai puțin relevante - cu ajutorul unei instalații moderne, aproape orice suprafață poate fi prelucrată în acest fel. Acest lucru se datorează în mare parte absenței influenței mecanice directe, adică procesul de lucru provoacă mai puține deformari decât cu orice altă metodă comună. Nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei și științei este de așa natură încât este posibilă automatizarea completă a tuturor etapelor de lucru cu un laser, menținând în același timp un nivel ridicat de productivitate și o acuratețe sporită a executării sarcinilor.

Tehnologie și inginerie

Recent, sistemele cu laser colorant au fost utilizate pe scară largă. Ele produc radiații monocromatice cu lungimi de undă diferite, pulsurile sunt estimate la 10-16 s. Puterea unor astfel de instalații este foarte mare, iar impulsurile generate sunt estimate ca fiind gigantice. Această posibilitate este semnificativă în special pentru spectroscopie și studii în optică a efectelor relativ neliniare.

Utilizarea laserului a devenit tehnologia de bază pentru estimarea cu precizie a distanței dintre planeta noastră și cel mai apropiat corp ceresc, Lună. Precizia măsurătorilor este de până la centimetri. Localizarea cu laser permite creșterea cunoștințelor astronomice, clarificarea navigației în spațiu și creșterea bazei de date despre caracteristicile atmosferei și din ce sunt făcute planetele sistemului nostru.

Chimia nu este lăsată în urmă

Tehnologiile laser moderne sunt folosite pentru a iniția reacții chimice și pentru a studia modul în care acestea apar. Atunci când se utilizează astfel de capabilități, este posibil să se identifice locația, doza, sterilitatea cu o precizie extremă și să furnizeze indicatorii de energie necesari în momentul pornirii sistemului.

Oamenii de știință lucrează activ la dezvoltarea sistemelor de răcire cu laser și dezvoltă posibilitatea utilizării unor astfel de radiații pentru a controla reacțiile termonucleare.

Putere. La primele lasere cu o substanță activă rubin, energia pulsului luminos a fost de aproximativ 0,1 J. În prezent, energia de radiație a unor lasere cu stare solidă ajunge la mii de jouli. Cu o durată scurtă a pulsului luminos se pot obține puteri enorme. Astfel, un laser cu neodim generează impulsuri cu o durată de 3·10 –12 s, iar cu o energie a impulsului de 75 J puterea lui ajunge la 2,5·10 13 W! (Pentru comparație, puterea hidrocentralei Krasnoyarsk este de 6·10 9 W.) Puterea laserelor cu gaz este mult mai mică (până la 50 kW), dar avantajul lor este că radiația lor are loc continuu, deși există și impulsuri. lasere printre laserele cu gaz.

Unghiul de divergență Raza laser este foarte mică și, prin urmare, intensitatea fluxului de lumină aproape că nu scade odată cu distanța. Laserele pulsate pot crea intensități luminoase de până la 10 14 W/m 2 . Sistemele laser puternice pot produce intensități de până la 10-20 W/m2. Pentru comparație, observăm că intensitatea medie a luminii solare lângă suprafața pământului este de numai 10 3 W/m2. În consecință, luminozitatea laserelor relativ slabe este de milioane de ori mai mare decât luminozitatea Soarelui.

Coerenţă. Apariția coordonată în timp și spațiu a mai multor procese ondulatorii, care se manifestă atunci când sunt adunate. Oscilațiile se numesc coerente dacă diferența de fază dintre ele rămâne constantă în timp. Când se adaugă două oscilații armonice cu aceeași frecvență, dar cu amplitudini diferite A 1 și A 2 și faze diferite, se formează o oscilație armonică de aceeași frecvență, a cărei amplitudine, în funcție de diferența de fază, poate varia de la A 1. – A 2 la A 1 + A 2, iar această amplitudine într-un punct dat din spațiu rămâne constantă. Undele luminoase emise de corpurile încălzite sau în timpul luminiscenței sunt create de tranzițiile spontane ale electronilor între diferite niveluri de energie în atomi, independente unul de celălalt. Fiecare atom emite o undă electromagnetică pentru un timp de 10–8 s, care se numește timp de coerență. În acest timp, lumina se propagă pe o distanță de 3 m. Această distanță se numește lungimea de coerență sau lungimea trenului. Valurile situate în afara lungimii trenului nu vor mai fi coerente. Radiația creată de mulți atomi independenți unul de celălalt constă din mai multe trenuri, ale căror faze variază haotic în intervalul de la 0 la 2p. Pentru a izola partea coerentă de fluxul luminos general incoerent al luminii naturale se folosesc dispozitive speciale (oglinzi Fresnel, biprisme Fresnel etc.), care creează fascicule de lumină de intensitate foarte mică, în timp ce radiația laser, cu toată intensitatea sa enormă, este complet coerent.

În principiu, un fascicul de lumină incoerent nu poate fi focalizat într-un loc foarte mic, deoarece acest lucru este împiedicat de diferența dintre fazele trenurilor sale constitutive. Radiația laser coerentă poate fi focalizată într-un punct cu un diametru egal cu lungimea de undă a acestei radiații, ceea ce face posibilă creșterea intensității deja ridicate a fasciculului de lumină laser.

Monocromatic. Radiația monocromatică se numește radiație cu strict aceeași lungime de undă, dar nu poate fi creată decât printr-o oscilație armonică care are loc cu o frecvență și amplitudine constante pentru o perioadă de timp infinit de lungă. Radiația reală nu poate fi monocromatică pur și simplu pentru că este formată din multe trenuri, iar radiația cu un interval spectral îngust, care poate fi caracterizată aproximativ printr-o lungime de undă medie, este considerată practic monocromatic. Înainte de apariția laserelor, radiațiile cu un anumit grad de monocromaticitate puteau fi obținute folosind monocromatoare cu prismă, care izolau o bandă îngustă de lungimi de undă dintr-un spectru continuu, dar puterea luminii într-o astfel de bandă era foarte scăzută. Radiația laser are un grad ridicat de monocromaticitate. Lățimea liniilor spectrale create de unele lasere ajunge la 10–7 nm.

Polarizare. Radiația electromagnetică dintr-un tren este polarizată, dar deoarece fasciculele de lumină constau din mai multe trenuri independente unele de altele, lumina naturală este nepolarizată și se folosesc dispozitive speciale pentru a obține lumină polarizată - prisme Nicolas, Polaroid, etc. Spre deosebire de lumina naturală, radiația laser este complet polarizată .

Direcția radiației. O proprietate importantă a radiației laser este direcționalitatea sa strictă, caracterizată printr-o divergență foarte mică a fasciculului de lumină, care este o consecință a unui grad ridicat de coerență. Unghiul de divergență al multor lasere este crescut la aproximativ 10 –3 rad, ceea ce corespunde unui minut de arc. Această directivitate, complet de neatins în sursele de lumină convenționale, permite transmiterea semnalelor luminoase pe distanțe mari cu o atenuare foarte mică a intensității lor, ceea ce este extrem de important atunci când se utilizează lasere în sistemele de transmisie a informațiilor sau în spațiu.

Intensitatea câmpului electric. O altă proprietate care distinge radiația laser de lumina obișnuită este intensitatea mare a câmpului electric din aceasta. Intensitatea fluxului de energie electromagnetică Eu–EH(Formula Umov–Poynting), unde EȘi N– respectiv, puterea câmpurilor electrice și magnetice în unda electromagnetică. Din aceasta putem calcula că intensitatea câmpului electric într-o undă luminoasă cu o intensitate de 10 18 W/m 2 este egală cu 3-10 10 V/m, ceea ce depășește intensitatea câmpului din interiorul atomului. Intensitatea câmpului în undele luminoase create de sursele de lumină convenționale nu depășește 10 4 V/m.

Când o undă electromagnetică cade asupra unui corp, ea exercită asupra acestui corp o presiune mecanică, proporțională cu intensitatea fluxului de energie al undei. Presiunea ușoară creată de lumina puternică a soarelui într-o zi de vară este de aproximativ 4 10 –6 Pa (reamintim că presiunea atmosferică este de 10 5 Pa). Pentru radiația laser, presiunea luminii ajunge la 10 12 Pa. Această presiune face posibilă prelucrarea (poansonare, tăiere găuri etc.) a celor mai dure materiale - diamante și aliaje super-dure.

Interacțiunea luminii cu materia (reflexie, absorbție, dispersie) se datorează interacțiunii câmpului electric al undei luminoase cu electronii optici ai substanței. Atomii dielectrici dintr-un câmp electric sunt polarizați. La putere scăzută, momentul dipolului pe unitatea de volum al unei substanțe (sau vector de polarizare) este proporțional cu intensitatea câmpului. Toate caracteristicile optice ale unei substanțe, cum ar fi indicele de refracție, indicele de absorbție și altele, sunt într-un fel sau altul legate de gradul de polarizare, care este determinat de puterea câmpului electric al undei luminoase. Deoarece această relație este liniară, adică magnitudinea R proporţional E, ceea ce dă motive să se numească optică care se ocupă de radiații de intensități relativ scăzute optică liniară.

În radiația laser, puterea câmpului electric al undei este comparabilă cu puterea câmpului în atomi și molecule și le poate modifica în limite vizibile. Aceasta duce la: faptul că susceptibilitatea dielectrică încetează să mai fie o valoare constantă și devine o anumită funcție a intensității câmpului . În consecință, dependența vectorului de polarizare de intensitatea câmpului nu va mai fi o funcție liniară. Prin urmare, se vorbește despre polarizarea neliniară a mediului și, în consecință, despre optica neliniară, în care constanta dielectrică a substanței, indicele de refracție, indicele de absorbție și alte mărimi optice nu vor mai fi constante, ci depind de intensitatea incidentului. ușoară.

Caracteristicile radiației laser și tipurile de lasere.

Laserele au dat naștere la noi tehnologii cu capacități unice. Ce este extraordinar? proprietățile radiației laser, fascicul laser?

În primul rând, fasciculul laser se extinde fără a se extinde deloc. Cuvântul „aproape” înseamnă că fasciculul de lumină laser nu este complet paralel: există un unghi de divergență, dar este relativ mic - aproximativ 10 ^ (-5) rad și, cu toate acestea, la distanțe mari se observă: pe Lună există un astfel de fascicul direcționat de la Pământ, produce o pată cu un diametru de aproximativ 3 km.

În al doilea rând, lumina laser este extrem de monocromatică, adică are o singură lungime de undă, o singură culoare. Spre deosebire de sursele de lumină convenționale, ai căror atomi emit lumină independent unul de altul, în lasere atomii emit lumină în mod concertat. Datorită acestei proprietăți a fasciculului laser, a devenit posibilă înregistrarea optică de înaltă densitate a informațiilor - discurile optice minuscule pot deține o cantitate imensă de informații - sute de megaocteți.

În al treilea rând, laserul este cea mai puternică sursă de lumină. Într-un interval restrâns al spectrului, pentru scurt timp (10 ^ (-11) s), se realizează o putere de radiație de 10 ^ 12-10 ^ 13 W pe centimetru pătrat, în timp ce puterea de radiație a Soarelui de la același aria este de numai 7 10 ^ 3 W și în total pe întregul spectru.

Tipuri de lasere

În 1960, T. Maiman (SUA) a creat primul laser - rubin , a lucra in modul puls. Dar totuși acesta este un puls scurt de lumină. Pot să facă o gaură, să sude două fire metalice și să facă multe alte lucruri utile.

lasere cu gaz . Laserul cu gaz a fost creat aproape simultan cu laserul rubin, în același 1960. A lucrat pe un amestec de heliu și neon. Laserele moderne cu gaz funcționează cu multe gaze și vapori. Toate dau radiații continueîntr-o gamă foarte largă de lungimi de undă: de la ultravioletă la lumina infraroșie.

laser dinamic gazos , similar cu un motor cu reacție. În camera sa de ardere, monoxidul de carbon (monoxidul de carbon) este ars cu adăugarea de combustibil (kerosen, benzină, alcool). Amestecul de gaze rezultat este format din dioxid de carbon, azot și vapori de apă. Se repezi între oglinzi, moleculele de gaz emit energie sub formă de cuante de lumină, dând naștere unui fascicul laser cu o putere de 150 - 200 kW. Și aceasta nu este puterea unui singur bliț, ci a unui fascicul constant și constant, care strălucește până când laserul rămâne fără combustibil.

lasere semiconductoare da, de asemenea, radiații continue. Laserul cu semiconductor a fost creat în 1962 de omul de știință american R. Hall. Se bazează pe înregistrarea optică, care este cunoscută de mulți utilizatori de computere personale care au ținut în mână un disc laser, atractiv nu numai pentru aspectul său, ci și pentru capacitatea de informare: pot fi înregistrate sute de mii de pagini de text. pe un disc cu diametrul de 12 cm.

lasere colorante (lasere lichide). Se numesc astfel deoarece fluidul lor de lucru este soluții de coloranți de anilină în apă, alcool, acid și alți solvenți. Laserele lichide pot emite impulsuri de lumină de diferite lungimi de undă (de la ultravioletă la lumină infraroșie) și putere de la sute de kilowați la câțiva megawați, în funcție de tipul de colorant.

Se dezvoltă lasere chimice în care atomii intră într-o stare excitată atunci când sunt expuși la energia de pompare din reacții chimice. Se acordă multă atenție dezvoltării laserelor chimice de mare putere care transformă energia unei reacții chimice în radiații coerente și unui laser atomic care nu emite lumină, ci un fascicul de atomi.