Какие специфические свойства лазерного излучения используют на практике
Естествознание, 11 класс
Урок 19. Свойства лазерного излучения. Использование лазеров
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Какие свойства у лазерного излучения?
- Какие типы лазеров существуют?
- Где применяются лазеры?
Глоссарий по теме:
Лазер – оптический квантовый генератор
Спонтанное излучение – самопроизвольное излучение кванта света атомом или молекулой при переходе электрона на более низкий энергетический уровень
Вынужденное излучение – явление испускания фотонов определённой частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты
Метастабильное состояние атома – возбужденное энергетические состояние, которое может существовать достаточно долго ≈ 10-3с
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 100-103.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
- https://fb.ru/article/251655/printsip-deystviya-lazera-osobennosti-lazernogo-izlucheniya
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Изучая корпускулярные свойства света, мы уже познакомились с лазером. Процесс излучения обусловлен переходом электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Излучение кванта света в таком процессе происходит самопроизвольно и называется спонтанным излучением. Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.
Рассмотрим устройство лазера на примере рубинового.
В центре находится кристалл рубина, состоящий из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома. Этот кристалл имеет строго параллельные торцы и на него навита спиральная газоразрядная лампа, называемая – лампа накачки. Под действием света лампы атомы хрома переходят на метастабильный уровень. Параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными, при этом один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера. Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного направления, называется резонатором. Резонатор состоит из рабочей зоны с зеркалами с двух сторон. Причём одно из них частично прозрачное.
Рассмотрим свойства лазерного излучения.
Высокая монохроматичность: при разложении лазерного излучения в спектр получается очень узкая линия, намного уже, чем для естественного света. Это свойство оказалось важным для научных исследований в области спектроскопии, молекулярной физики и химии.
Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например, у прожектора). Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облучённых участках. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.
Ещё одно свойство – высокая интенсивность и короткая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10-15с. Это позволяет рассмотреть даже процесс протекания быстрых химических реакций.
Помимо всех вышеперечисленных свойств также можно выделить когерентность и поляризованность. Эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.
Конструкции лазеров очень разнообразны. Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей активной средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Благодаря своим особым свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры широко применяются во многих областях деятельности человека.
Узкий нерасходящийся луч применяется при строительстве туннелей, метрополитенов, когда необходимо провести прямую линию на большое расстояние. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Также это свойство лазеров применимо для создания оружия с оптическим прицелом. Используя хорошо отлаженное оружие, пуля попадает точно в пятно, образованное лазером на мишени
Точная фокусировка лазерного луча позволяет использовать его для записи информации на оптические диски.
Высокая интенсивность излучения используется в медицине, в частности в микрохирургии. Лазер представляет собой тончайший скальпель, с помощью которого можно вырезать мельчайшие участки ткани.
Это же свойство применяется и других устройствах для разрезания различных материалов, проделывания отверстий. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала нагревается, затем плавится и испаряется. Дозируя тепловые нагрузки, можно обеспечить практически любой тепловой режим нагреваемого участка, который в результате и определяет вид технологической обработки.
Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др.
С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.
Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Предполагают, что лазеры позволят создать высокую температуру для дейтериево-тритиевой плазмы и удержания этой плазмы.
Лазеры, обладая высокой монохроматичностью, применяются в голографии.
Полупроводниковые лазеры применяются для передачи информации в быту и системе космической связи
Всё большее применение лазеры находят в искусстве. С их помощью создаются феерические быстроизменяющиеся живописные картины на сцене.
Таким образом благодаря уникальным свойствам лазеры находят применение в различных областях промышленности, в медицине, искусстве, военном деле.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1.:
Попарно соединяя овалы, решите ребус-соответствие:
Фразы:
- Прибор, в котором используют лазерный луч
- Оптический квантовый генератор
- Оптический прибор для просмотра стерео-слайдов
- Стереоскоп
- Дисковод
- Лазер
Правильный вариант: надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:
- Прибор, в котором используют лазерный луч – дисковод
- Оптический квантовый генератор – лазер.
- Оптический прибор для просмотра стереослайдов – стереоскоп.
Текст задания 2.:
Разместите предложенные варианты ответов в две колонки по указанному критерию
Типы лазеров по способу накачки | Типы лазеров по виду активной среды | Свойства лазерного излучения |
Монохроматичность, твёрдотельные, интенсивность, полупроводниковые, жидкостные, когерентность, химические, газовые, оптические, электрические, направленность
Правильные варианты
Типы лазеров по способу накачки | Типы лазеров по виду активной среды | Свойства лазерного излучения |
Оптические, электрические, полупроводниковые, химические | Твердотельные, жидкостные, газовые | Монохроматичность, интенсивность, когерентность, направленность |
1. Лазерное излучение обладает высокой временной и пространственнойкогерентностью. Время когерентности τ ~ 10-3 с, что соответствует длине когерентности l = cτ ~105 м, т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.
2.Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические уровни атомов обладают определенной шириной, причем в кристалле из-за взаимного влияния атомов происходит более значительное уширение уровней, чем в газе. Вследствие этого вынужденное излучение будет происходит не при одной строго определенной частоте, а в некотором интервале частот. Правда, увеличение ширины энергетического уровня позволяет использовать большую часть излучения лампы накачки для создания инверсной населенности, т. е. увеличить коэффициент полезного действия лампы накачки.
При использовании резонатора ширина спектральных линий для оптических квантовых генераторов становится более узкой по сравнению с естественной шириной спектральной линии.
В этой связи следует обратить внимание на то, что до появления оптических квантовых генераторов считалось принципиально невозможным преодоление предела существующей до тех пор монохроматичности, определяемой естественной шириной спектральной линии, обусловленной, в свою очередь, конечностью времени излучения отдельного атома.
3. Направленность лазерного излучения. Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например у прожектора). Это объясняется как свойством индуцированного излучения, так и воздействием резонатора. Однако, несмотря на это, из-за явления дифракции строго параллельный пучок света получить принципиально невозможно. Как известно, при любом ограничении фронта волны имеет место дифракция. Так как при генерации света в лазере фронт световой волны ограничивается окружностью основания кристалла рубина или же зеркала диаметром D, то, согласно теории дифракции, угол минимального расхождения лучей определяется из следующего условия:
θмин ≥ 1,22λ/D.
Углы расхождения составляют соответственно для газовых лазеров
1’—2′, для рубиновых 7’—9′, для полупроводниковых 1°—2°. Диаметр расхождения таких лучей у поверхности Луны при ее локации с поверхности Земли составляет всего 3 км.
4. Интенсивность лазерного излучения. При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего уменьшается инверсия населенности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе. Из-за очень малой длительности излучения в рубиновых лазерах такая энергия создает мощность порядка 1010 Вт/м2.
С помощью специальных усовершенствований можно увеличить мощность лазеров до 1012Вт.
Применения лазеров.Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, волоконно-оптические линии связи, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.
Как уже отмечалось, мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной среды рентгеновского лазера.
Другим перспективным направлением применения лазеров является
управляемый термоядерный синтез.
В США ведутся работы по программе управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы (Inertial Сonfinement Fusion — ICF). Данная программа − альтернатива работам по созданию систем с магнитным удержанием плазмы (это токамаки и стеллараторы). Для этих целей создана установка NIF (National Ignition Facility — «Национальная установка зажигания»), в которой для обстрела мишени используется 192 ультрафиолетовых лазера.
Мощный сфокусированный лазерный импульс, направленный на мишень из смеси дейтерия и трития в виде сферы диаметром около 2 мм, превратит ее в плазму с температурой около 100 миллионов градусов. При такой температуре произойдет термоядерная реакция синтеза. Запуск установки на полную мощность запланирован на 2013 г.
Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.
Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.
Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.
Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.
Физические свойства излучения
- Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
- Когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний.
- Поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
- Направленность — малая расходимость потока излучения.
Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.
Длина волны лазера
Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).
Частота импульсов лазера
Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.
Мощность лазера
Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.
Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.
Длина волны лазерного излучения
Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.
Спектр лазерного излучения (цвет лазера)
Ультрафиолетовый диапазон
- От 180 до 400 нм.
Видимый спектр
- Фиолетовый 400-450 нм.
- Синий 450-480 нм.
- Голубой 480-510 нм.
- Зелёный 510-575 нм.
- Жёлтый 575-585 нм.
- Оранжевый 585-620 нм.
- Красный 620-760 нм.
Инфракрасный диапазон
- Ближняя область 760 нм -15 мкм.
- Дальняя область 15-30 мкм.
В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.
Интенсивность лазерного излучения
В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:
- Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
- Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
- Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).
Наталия Баховец
Кандидат медицинских наук, физиотерапевт, косметолог, автор многочисленных книг и методических пособий по аппаратной косметологии,
руководитель и методолог учебного центра АЮНА.
Устройство лазера и свойства вынужденного излучения обуславливают отличие лазерного излучения от излучения обычных источников света. Лазерное излучение (ЛИ) характеризуется следующими важнейшими свойствами.
1. Высококогерентностъ. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного индуцированного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. а) (в следствии пространственной когерентности излучение может быть сфокусировано в очень малом объеме).
2. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, то есть содержит волны практически одинаковой частоты (фотоны имеют одинаковую энергию). Это обусловлено тем, что вынужденное излучение связано с дублированием фотонов (каждый индуцированный фотон полностью подобен первоначальному). При этом формируется электромагнитная волна постоянной частоты. Ширина спектральной линии составляет 0,01 нм. На рис. в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.
До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов – монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.
3. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10–12с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013Вт (для сравнения: мощность ГЭС Р ~ 109Вт).
4. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014-1016Вт/см2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).
5. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109 кд/м2).
6. Давление. Лазерный луч при падении на поверхность оказывает давление (р). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, величина создается давление р = I/с, где I– интенсивность излучения, с – скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. При интенсивности I = 1014Вт/см2= 1018 Вт/м2, р = 3,3·109Па = 33000 атм.
7. Малый угол расходимости в пучке. Коллимированностъ. Излучение является коллимированным, то есть все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис.6). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре (для большинства лазеров угол расходимости составляет 1 угловую минуту или меньше). Так как угол расходимости мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Остронаправленность позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.
8. Поляризованностъ. Лазерное излучение полностью поляризовано.