Лазер — какво е, как работи и за какво се използва
Научете всичко за лазера: какво е, как работи и за какво се използва — от принципи и видове до приложения в медицина, индустрията и науката.
Лазерът е машина, която създава усилен, едноцветен източник на светлина. Той използва специални газове или кристали, за да създаде светлина само с един цвят. Газовете се захранват с енергия, за да излъчват светлина. След това се използват огледала, за да се усили (направи по-силна) светлината. В много лазери цялата светлина се движи в една посока, така че остава като тесен сноп колимирана светлина, който не се разширява или отслабва, както правят повечето източници на светлина.
Когато е насочен към нещо, този тесен лъч представлява единична светлинна точка. Енергията на светлината остава в този тесен лъч, вместо да се разпространява като при фенерчето (електрическото фенерче).
Думата "лазер" е акроним на "усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация". Както устройството, така и името му са разработени на базата на по-ранното име Maser.
Как работи лазерът
Основните части на всеки лазер са: работна среда (газ, кристал, полупроводник, фибър или течен барвител), източник на енергия (помпиране), и оптичен резонатор (огледала). Принципът на действие включва следните стъпки:
- Помпиране: Работната среда се възбужда с енергия (електрически ток, светлина или друго), така че част от атомите/молекулите да достигнат по-високо енергийно състояние.
- Инверсия на населението: За да настъпи усилване на светлината, трябва да има повече частици в възбудено състояние, отколкото в основното — това се нарича инверсия на населението.
- Стимулирано излъчване: Един фотон, преминал през възбудена частица, може да предизвика излъчване на втори фотон със същата фаза, посока и честота. Това води до усилване на конкретна дължина на вълната.
- Оптичен резонатор: Огледалата в резонатора „обграждат“ работната среда, карайки фотоните да преминават многократно през средата и така усилването се натрупва. Едното огледало e частично пропускащо, за да може силният лъч да излезе извън устройството.
Характеристики на лазерната светлина
Лазерите се отличават с няколко важни свойства:
- Монохроматичност: светлината има много тесен спектър (една дължина на вълната или много близки).
- Кохерентност: фотоните са в една фаза, което позволява интерференция и висока прецизност при измервания.
- Колимация (насоченост): лъчът е тесен и почти не се разпилява при далечни разстояния.
- Висока яркост: енергията е концентрирана в малък ъгъл и често в малка площ.
Основни типове лазери
- Газови лазери — например CO2 (за рязане и гравиране), He-Ne (показателни/научни приложения).
- Твърдотелни лазери — използват кристали като рубин или неодим-допиран YAG (Nd:YAG) за индустриални и медицински цели.
- Полупроводникови (диодни) лазери — компактни, захранвани от електричество, ползват се в оптика, комуникации и потребителска електроника (CD, DVD, скенери).
- Влакнестопроводни лазери — висококачествени лазери, където активният материал е влакно, използват се в телекомуникации и индустрията.
- Барвилни (dye) лазери — течни барвители, позволяват настройка на честотата в широк диапазон (научни изследвания).
- Ексимерни лазери — ултравиолетови източници за микросъединяване и литография.
Приложения
Лазерите имат изключително широк обхват на приложение:
- Медицина: очна хирургия (LASIK), дерматология, стоматология, лазерна хирургия и лечение на тъкани.
- Индустрия: рязане, заваряване, гравиране, обработка на материали и високопрецизни производствени процеси.
- Комуникации: предаване на оптични сигнали по влакна при интернет и телекомуникации.
- Наука и измерване: спектроскопия, интерферометрия, лазерни радари (LIDAR) и прецизни разстояния/времеви измервания.
- Богатство от ежедневни приложения: скенери за баркод, оптично съхранение (CD/DVD/Bluray), принтери и показващи системи (лазерни шоута).
- Военни и сигурност: далекомерни системи, целеуказване и някои бойни приложения (високоенергийни лазери).
История накратко
Идеята за усилване на микровълнова и оптична радиация е била напредната от разработките на Maser. Първият работещ лазер е демонстриран през 1960 г. от Теодор Майман, който използва рубинен кристал. След това развитието на различни видове лазери доведе до бързо разпространение в наука и техника.
Безопасност
Лазерните лъчи могат да бъдат опасни, особено за очите и кожата. Важно е да се спазват следните мерки:
- Никога не гледайте директно в лазерен лъч и не насочвайте лъча към други хора или превозни средства (особено самолети).
- Използвайте защитни очила, подходящи за дължината на вълната и мощността на лазера.
- Спазвайте обозначените класове на лазера и инструкциите на производителя.
- При работа с мощни индустриални лазери трябва да има обучение, защитни бариери и системи за аварийно изключване.
Лазерите продължават да се развиват и намират нови приложения — от медицински терапии и високоскоростни комуникации до изследване на Космоса и прецизни производствени технологии. Разбирането на основните принципи и спазването на безопасните практики позволява ефективна и сигурна употреба на тези мощни устройства.
Червени (660, 635 nm), зелени (532, 520 nm) и сини (445, 405 nm) лазери
Механизъм
Лазерът създава светлина чрез специални действия, включващи материал, наречен "оптична среда за усилване". В този материал се вкарва енергия с помощта на "енергийна помпа". Това може да бъде електричество, друг източник на светлина или друг източник на енергия. Енергията кара материала да премине в т.нар. възбудено състояние. Това означава, че електроните в материала имат допълнителна енергия и след известно време ще я загубят. Когато загубят енергията, те ще освободят фотон (частица светлина). Видът на използваната среда за оптично усилване ще промени цвета (дължината на вълната), който ще се получи. Освобождаването на фотони е частта от лазера, наречена "стимулирано излъчване на радиация".
Много неща могат да излъчват светлина, като например електрическа крушка, но светлината няма да бъде организирана в една посока и фаза. Като използвате електрическо поле, за да контролирате начина, по който се създава светлината, тази светлина вече ще бъде от един вид и ще се движи в една посока. Това е "кохерентно излъчване".
В този момент светлината все още е слаба. Огледалата от двете страни отразяват светлината напред-назад и тя попада в други части на оптичната среда за усилване, което кара тези части също да отделят фотони, генерирайки повече светлина ("усилване на светлината"). Когато цялата оптична усилваща среда произвежда светлина, това се нарича насищане и създава много силен светлинен лъч с много тясна дължина на вълната, който бихме нарекли лазерен лъч.
Лазерно рязане
Дизайн
Светлината се движи през средата между двете огледала, които я отразяват напред-назад. Едното от огледалата обаче отразява светлината само частично, като позволява на част от нея да изтече. Избягващата светлина съставлява лазерния лъч.
Това е проста конструкция; видът на използваната оптична усилваща среда обикновено определя вида на лазера. Тя може да бъде кристал, примери за това са рубин и гранатов кристал, изработен от итрий и алуминий със смесен редкоземен метал. За лазера могат да се използват газове, като се използват хелий, азот, въглероден диоксид, неон или други. Големите и мощни лазери обикновено са газови лазери. Лазерът със свободни електрони използва сноп от електрони и може да бъде настроен да излъчва различни цветове. И накрая, най-малките лазери използват полупроводникови диоди, за да произвеждат светлината. Те са най-многобройният вид, използван в електрониката.
История
Алберт Айнщайн пръв стига до идеята за стимулирано излъчване, което може да доведе до създаването на лазер. От този момент нататък минават много години, за да се провери дали идеята работи. Първоначално хората успяват да направят мазери, а по-късно разбират как да направят по-къси видими вълни. Едва през 1959 г. Гордън Гулд създава името лазер в един научен труд. Първият работещ лазер е сглобен и експлоатиран от Теодор Майман в изследователските лаборатории на Хюз през 1960 г. По това време много хора започват да работят върху лазери и въпросът кой ще получи патента за лазера се решава едва през 1987 г. (Гулд печели правата).
Приложения
Лазерите са намерили много приложения в ежедневието и в промишлеността. Лазерите се намират в CD и DVD плейърите, където те разчитат кода от диска, на който е записана песен или филм. Лазерът често се използва за разчитане на баркодовете или SQR кодовете на вещите, продавани в магазина, за да се идентифицира продуктът и да се посочи неговата цена. Лазерите се използват в медицината, особено в очната хирургия LASIK, където лазерът се използва за възстановяване на формата на роговицата. Използват се в химията със спектроскопията за идентифициране на материали, за да се установи от какъв вид газове, твърди вещества или течности е направено нещо. По-силните лазери могат да се използват за рязане на метал.
Лазерите се използват за измерване на разстоянието между Луната и Земята чрез отразяване от рефлектори, останали от мисиите "Аполо". Чрез измерване на времето, необходимо на светлината да стигне до Луната и да се върне обратно, можем да разберем колко точно е отдалечена Луната.
Лазерните показалки се използват от хората за посочване на място върху карта или схема. Например, лекторите ги използват. Освен това много хора обичат да си играят с лазерни показалки. Някои хора са ги насочвали към самолети. Това е опасно, а в много страни е и незаконно. Хората са били арестувани и съдени за това престъпление.
В компютрите обикновено се използва оптична компютърна мишка като входно устройство. Съвременните лазерни показалки са твърде големи и мощни за тази цел, така че повечето мишки използват за тази цел малки VCSEL или "лазери с вертикална кухина, излъчващи повърхност". Тези лазери се използват и в DVD и CD-ROM устройствата и в холографията.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява лазерът?
О: Лазерът е машина, която създава концентриран, едноцветен светлинен лъч, като използва специални газове или кристали, които са под напрежение, за да излъчват светлина.
В: Как лазерът произвежда светлината си?
О: Газовете или кристалите в лазера се захранват с енергия, за да излъчват светлина, която след това се усилва или става по-силна с помощта на огледала.
В: Лазерът произвежда ли многоцветна светлина?
О: Не, лазерът произвежда светлина само с един цвят.
В: Какво е колимирана светлина?
О: Тесен, концентриран сноп светлина, който не се разширява или отслабва по време на движението си, за разлика от повечето други източници на светлина.
В: Какво е значението на думата лазер?
О: Лазерът е акроним, който означава "усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация".
В: Каква е разликата между лазерния лъч и лъча на фенерче?
О: Лазерният лъч остава концентриран в тесен сноп, докато лъчът на фенерчето се разпространява и става по-слаб.
В: Каква е връзката между лазера и мазера?
О: Лазерът е разработен на базата на по-ранна машина, наречена мазер, и двете устройства използват сходни принципи за получаване на усилена светлина.
обискирам