Какими свойствами обладает лазер

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.

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:

1. Прибор, в котором используют лазерный луч – дисковод
2. Оптический квантовый генератор – лазер.
3. Оптический прибор для просмотра стереослайдов – стереоскоп.

Текст задания 2.:

Разместите предложенные варианты ответов в две колонки по указанному критерию

Монохроматичность, твёрдотельные, интенсивность, полупроводниковые, жидкостные, когерентность, химические, газовые, оптические, электрические, направленность

Правильные варианты