Какими свойствами обладают лазеры

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

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.

Когда ученые узнали, каковы свойства лазерного излучения, общественность получила широкие возможности интерферометрии. В настоящее время научное сообщество имеет достаточно точные методы определения количественных оценок перемещений, длин. Первое время интерферометры применялись довольно ограниченно, так как источники световой волны не были в необходимой степени когерентными, яркими, поэтому картина, доступная человеку, была корректной лишь в случае, когда измерительное плечо составляло 50 см и менее. Многое изменилось, когда появилась возможность применения более высокоточного лазерного излучения.

Гемостатика

Этим термином принято обозначать кратко свойство лазерного излучения, выраженное через запаивание, сварку. Обусловлен процесс некрозом, связанным с обработкой температурой. Коагуляционный контролируемый некроз, спровоцированный изменением уровня нагрева, сопровождается формированием краевой пленки из элементов клеток, тканей. Это соединяет между собой несколько слоев органа единым уровнем.

Работа с лазером – это всегда взаимодействие с очень высокими температурами. За счет такой особенности жидкость, находящаяся в норме внутри клеток и между тканями, практически мгновенно испаряется, а сухие компоненты сгорают. Дистрофия определяется тем, какой именно тип лазерного излучения (свойства немного отличаются) применен в конкретной установке. Многое также зависит и от вида обрабатываемых органических тканей, от продолжительности контакта. Если лазер перемещать, это провоцирует испарение, по итогам которого получается линейный разрез.

Важные качества

Рассматривая, какими свойствами обладает лазерное излучение, важно упомянуть монохроматический спектр, высокий уровень когерентности, низкую расходимость, повышенную плотность спектра. Суммарно это позволяет сконструировать на базе лазера высокоточные приборы, надежные и применимые в самых разных условиях климата, геологических, гидрологических факторов.

В последние годы конструируются высокоточные приборы с лазерами для геодезистов. Они основаны на уже известных человечеству свойствах лазерного излучения. Использование лазеров в подобных установках широко распространено не только в нашей стране, но и за границей. Как видно из практики, для укладчиков труб, машин землеройного класса лазерные системы незаменимы как метод определения направления движения. Важны они и при создании дорог (ж/д, авто), многих других работах.

Это важно

Применение лазер нашел себе при формировании траншей. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Эксплуатация подобных современных приборов – гарант качественного исполнения всех этапов работ и создания траншей точно такими, какие заданы проектной документацией.

Лазер незаменим!

Если в школьном или университетском курсе в тестовой работе обучающемуся дают задание «Назовите характерные для лазерного излучения свойства», первыми в голову приходят когерентность, яркость. Если сравнить лазер и плазму, первый превышает по параметрам яркости в разы, применим для создания серийных вспышек, причем частота может достигать 1010 Гц. Один импульс может длиться (в пикосекундах) несколько десятков. При этом расходимость низкая, можно регулировать частоту. Указанные качества оказались применимы в установках, позволяющих изучать протекающие с очень высокой скоростью процессы.

В силу описанных особенностей лазеры стали незаменимыми в аналитике с применением технологии термооптической спектроскопии.

Тонкие структуры

Выявленные учеными (перечисленные выше) основные свойства лазерного излучения позволили применять эту технологию при разработке современного оружия и конструировании машин для нарезки различных материалов. Но только лишь этим спектр возможностей не ограничен. Применяя особенно точные и технологичные методы построения рабочей конструкции, на базе лазерного излучения можно создать систему изучения молекул, их структуры, свойств. Получая новейшую информацию таким образом, ученые формируют фундамент для создания новых типов лазеров. Как видно из наиболее оптимистичных прогнозов, уже в ближайшем будущем именно посредством лазерного излучения удастся раскрыть природу фотосинтеза, а значит, научные сотрудники получат все ключи к познанию сути жизни на планете и механизмов ее формирования.

Познание мира: тайны и открытия

Считается, что все основные свойства лазерного излучения в настоящее время уже исследованы. Ученые знают базовые принципы стимулированного излучения и сумели применить их на практике. Особенно важными считаются монохроматический спектр излучения, его интенсивность, импульсная длина, четкое направление. За счет таких особенностей луч лазера вступает в нетипичное взаимодействие с веществом.

Как дополнительно обращают внимание физики, указанные свойства лазерного излучения нельзя назвать независимыми характеристиками, описывающими все без исключения разновидности упомянутого явления. Между ними есть определенные связи. В частности, когерентность определяется направленностью излучения, а импульсная длина напрямую связана с монохроматическим спектром луча. Длительность, направление определяют интенсивность излучения.

Эффект Рамана

Это явление – одно из важных для оценки и понимания, применения свойств лазерного излучения. Термином принято обозначать такое состояние, для инициации которого необходима установка большой мощности. Под ее влиянием происходит рассеивание, когда наблюдается частотное смещение излучения. При выявлении специфики спектрального состава, оценке мощности можно заметить, что частотность корректируется в соответствии с довольно сложной закономерностью. Если стимулировать эффект Рамана искусственным путем, можно создать метод корректирования для оптики когерентных сигналов.

Это любопытно

Как показали исследования свойств лазерного излучения и процессов, которые оно инициирует в веществе, картина во многом сходна с наблюдаемой в структуре ферромагнетиков, сверхпроводников. Если добиться повышенного уровня накачки, используя резонатор низкой степени, лучи, испускаемые лазером, становятся хаотичными. При этом сам хаос – это такое световое состояние, которое совершенно не похоже на хаос, создаваемый излучающими тепло объектами.

Область использования расширяется

Так как лазерное излучение обладает следующими свойствами: монохроматический спектр, строго определенная направленность, следовательно, его можно применять в качестве светового источника. В настоящее время активно ведутся разработки в сфере эксплуатации этой технологии для передачи сигналов. Известно, что свет и вещество могут взаимодействовать таким образом, что процесс применим на практике в различных установках, но корректные подходы еще только предстоит разработать. Есть и иные, высокотехнологичные, сложные, наукоемкие актуальные задачи, для решения которых рано или поздно удастся применить высокомощное лазерное излучение.

Свойства описываемого явления позволяют конструировать спектральные приборы. Это в некоторой степени объясняется и низкой расходимостью луча, сопровождающейся повышенной плотностью спектра.

Возможностей много

Как удалось выяснить ученым, для создания максимально эффективных и широко применяемых установок разумно применять такие лазеры, для которых частоту можно настраивать в процессе работы. Они актуальны в первую очередь для спектральных приборов с повышенными показателями разрешения. В таких установках можно добиться корректного результата исследования, не прибегая к диспергирующему элементу.

Системы, основанные на лазере, частота которого корректируется во время работы, в настоящее время нашли себе применение в разных областях и сферах научной деятельности, медицины, промышленности. Во многом предназначение конкретного прибора определяется спецификой лазерного излучения, реализованного в нем. Линия генерации определяет спектральное разрешение, полуширину функциональности аппарата. Форма зависит от заданного интенсивного спектрального распределения.

Технические особенности

Обычно лазер конструируется как резонатор, где создается специфическая среда. Ее ключевая особенность – негативное по знаку поглощение электромагнитной энергии. Такой резонатор позволяет уменьшить потери радиации в специализированной среде. Обусловлено это созданием цикла для электромагнитной энергии. При этом частоты берутся лишь узкой полосы. Такой подход позволяет восполнять энергетические потери, спровоцированные тем фактом, что излучение вынужденное.

Чтобы генерировать электромагнитную энергию, имеющую характерные особенности лазера, не нужно использовать резонатор. Результат все равно будет когерентным, отличающимся высокой коллимацией и узким спектром.

О голографии

Чтобы реализовать подобные процессы, следует иметь в своем распоряжении источник, генерирующий излучение с высоким уровнем когерентности. В настоящее время это именно лазеры. Как только удалось впервые открыть такое излучение, практически сразу физики поняли, что свойства его можно применять для реализации голографии. Это стало толчком для широкого практического применения перспективной технологии.

О применении

Едва только лазеры были изобретены, как научное сообщество, а следом и весь мир, оценили их как уникальное решение любой проблемы. Это обусловлено свойствами излучения. В настоящее время лазеры эксплуатируются в технике, науке, при решении многочисленных бытовых задач: от воспроизведения музыки до считывания кодов при продаже товара. Промышленность применяет такие системы для спайки, нарезки, сварки. Благодаря возможности достижения очень высокой температуры можно сваривать такие материалы, которые не поддаются классическим методикам соединения. Это сделало возможным, к примеру, создавать цельные объекты из керамических, металлических частей.

Лазерный луч при использовании современной технологии можно сфокусировать так, что диаметр полученной точки будет оцениваться в микрон. Это позволяет применять технологию в микроскопических электронных приборах. В настоящее время такая возможность известна под термином «скрайбирование».

А где еще?

Довольно активно лазеры, благодаря своим уникальным качествам, используются в промышленности для создания покрытий. Это помогает повысить стойкость к износу разнообразных изделий, материалов. Не менее актуальна и лазерная маркировка, гравировка – при помощи современной установки таким образом можно обработать практически любую поверхность. Во многом это связано с отсутствием механического прямого влияния, то есть рабочий процесс провоцирует меньшие деформации, нежели при любом другом распространенном методе. Современный уровень развития техники и науки таков, что можно полностью автоматизировать все этапы работы с лазером, сохраняя при этом высокий производительный уровень и повышенную точность исполнения задач.

Технологии и техника

В последнее время довольно широко применяются лазерные установки с красителями. Они производят монохроматическое излучение с разными длинами волн, импульсы оцениваются в 10-16 с. Мощность таких установок очень большая, а генерируемые импульсы оцениваются как гигантские. Такая возможность особенно значима для спектроскопии и исследований в оптике относительно не обладающих линейностью эффектов.

Применение лазера стало базовой технологией для точной оценки расстояния между нашей планетой и ближайшим небесным телом – Луной. Точность измерения – до сантиметров. Локация с применением лазера позволяет увеличивать астрономические знания, уточнять навигацию в космосе, увеличивать базу данных об особенностях атмосферы и о том, из чего состоят планеты нашей системы.

Химия не осталась в стороне

Современные лазерные технологии используются для инициации химических реакций и исследования того, как они протекают. При применении подобных возможностей можно выявить предельно точно локализацию, дозу, стерильность, обеспечить необходимые энергетические показатели на моменте старта системы.

Ученые активно работают над формированием систем лазерного охлаждения и разрабатывают возможности применения такого излучения для контроля термоядерных реакций.