Лазеры — что это такое, как работает, зачем нужны Свет, который режет и сваривает, лечит и убивает

Лазер — это устройство, излучающее пучок когерентного света в результате процесса оптического усиления, основанного на вынужденном испускании электромагнитного излучения. Термин «лазер» возник как аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Лазеры позволяют получать очень узкий и сфокусированный пучок света, который может использоваться в самых разных областях, включая медицинские процедуры, телекоммуникации, производство и научные исследования. Свет, излучаемый лазером, отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, что позволяет фокусировать его в узком месте и сохранять узкую направленность на больших расстояниях.

История лазера

Изобретение лазера приписывается нескольким людям, так как была проведена большая работа, включавшая в себя несколько важнейших идей и разработок.

1. Альберт Эйнштейн (1917). Хотя Эйнштейн и не принимал непосредственного участия в изобретении лазеров, он заложил теоретические основы лазеров, представив теорию вынужденного излучения.

2. Чарльз Таунс, Артур Шолоу, Н. Г. Басов, А. М. Прохоров (1950–1960-е). Они занимались разработкой мазеров (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), которые, по сути, работали по тому же принципу, что и лазеры, но с микроволнами вместо света. Позже они предложили идею оптических мазеров, или лазеров. Открыли принцип усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, который лег в основу нового направления в физике — квантовой электроники.

3. Гордон Гулд (1950-е). Гулд, будучи аспирантом, придумал термин «лазер» и описал множество применений этой технологии, но столкнулся с длительной судебной тяжбой за признание и патентование своего вклада.

4. Теодор Мейман (1960). Мейману принадлежит заслуга создания первого действующего лазера, использующего в качестве носителя кристалл рубина. Он успешно продемонстрировал первый работающий лазер в исследовательской лаборатории Hughes Research Laboratories в 1960 году.

Следует отметить, что разработка лазера была совокупным трудом многих ученых и инженеров, участвовавших в его создании в течение нескольких лет. Ключевым прорывом стала успешная демонстрация действия лазера в кристалле рубина Теодором Мейманом в 1960 году, поэтому именно ему часто приписывают изобретение лазера. Затем другими исследователями были разработаны различные типы лазеров, в том числе газовый лазер Али Джавана и полупроводниковый лазер. Это продвинуло технологию к тому уровню, который мы имеем сегодня.

Принцип работы лазера

Чтобы понять принцип работы лазеров, необходимо раскрыть основные принципы, основанные на квантовой механике и оптической физике.

Атомные и энергетические уровни

Атомы имеют различные энергетические уровни. Когда атом поглощает энергию, он переходит в возбужденное состояние, а когда теряет энергию, то возвращается в основное состояние, часто испуская при этом излучение.

Спонтанная и стимулированная эмиссия

При спонтанном излучении электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией, испуская при этом фотон. Вынужденное излучение происходит, когда входящий фотон стимулирует излучение второго, идентичного фотона.

Накачка

Накачка — это процесс, при котором в лазерную среду подается энергия для увеличения числа атомов в возбужденном состоянии, что создает инверсию, необходимую для действия лазера. Существуют различные методы накачки, такие как электрический разряд, лампы-вспышки, лазерные диоды и химические реакции.

Свойства лазерного излучения

Когерентность

Лазерное излучение характеризуется высокой пространственной и временной когерентностью. Это означает, что фотоны в лазерном пучке имеют определенное фазовое соотношение, что позволяет лучу сохранять узкую направленность на больших расстояниях. До появления лазеров такая когерентность наблюдалась только в радиоволнах, исходящих от хорошо стабилизированных передатчиков.

Монохроматичность

Лазерное излучение практически монохроматично, то есть состоит из одной длины волны или цвета. Это отличает его от света других источников, который обычно рассеивается на спектр цветов. Практически идеальная монохроматичность лазерного излучения имеет решающее значение для таких приложений, как голография, где требуется когерентный свет с одной длиной волны.

Направленность

В отличие от обычного света, который рассеивается в разных направлениях, лазерное излучение обладает направленностью. Стимулированное излучение в лазере происходит только вдоль оси резонатора, в результате чего луч имеет крайне низкую расходимость. Это свойство позволяет лазерному лучу сохранять свой узкий диаметр на значительных расстояниях, причем этот параметр измеряется всего несколькими угловыми секундами.

Фокусируемость

Лазерные лучи могут быть сфокусированы в высококонцентрированную точку с невероятно малым диаметром. Это достигается благодаря когерентной и направленной природе лазерного излучения, которая позволяет сфокусировать его в узком месте, достигая при этом огромной температуры.

В средах, создаваемых мощными импульсными лазерами, мощность которых может достигать порядка петаватт (10^15 Вт), плотность энергии настолько высока, что может вызывать температуры, превышающие 100 млн градусов Цельсия.

Устройство лазера

Лазерная среда

Лазерная среда (активная среда) может быть газом, жидкостью или твердым телом — это материал, через который усиливается свет. Выбор материала определяет рабочую длину волны, энергоэффективность и другие характеристики лазера. К распространенным материалам относятся различные газы, кристаллы, такие как рубин, и полупроводники.

Импульсная лампа

Рядом со стержнем (цилиндром) активной среды монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом (оптическим резонатором).

Оптический резонатор

Обычно включает в себя пару зеркал, расположенных таким образом, что одно из них полностью отражает, а другое — частично, образуя резонансную полость.

Какими бывают лазеры

Лазеры классифицируются по различным параметрам, включая физическое состояние активной среды и метод накачки (стимулирования активной среды).

Твердотельные лазеры

Зарождение лазерной технологии связано с твердотельными лазерами, пионером которых стал Т. Мейман в 1960 году, использовавший в качестве активной среды кристалл рубина, пропитанный ионами хрома, а для накачки — импульсную лампу. В таких лазерах могут использоваться и другие материалы, например стекло, содержащее неодим (Nd), или иттрий-алюминиевый гранат, смешанный с хромом и неодимом. Отличительной чертой этих лазеров является твердая активная среда, используемая в их работе.

Газовые лазеры

Газовые лазеры, созданные А. Яваном, В. Беннетом и Д. Херриотом в 1960 году, используют газ низкого давления или смесь газов, заключенных в стеклянную трубку, в которой установлены электроды. Как правило, в таких лазерах в качестве источника накачки используется высокочастотный генератор, способствующий электрическому разряду, что позволяет получить непрерывное излучение. Несмотря на то, что из-за низкой плотности газа требуется значительный объем активной среды, они способны излучать большие объемы оптической энергии.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

Эти лазеры по сути являются подмножеством газовых лазеров, каждый из которых имеет свои отличительные принципы работы.

Газодинамические лазеры: в этих лазерах, работающих подобно реактивному двигателю, сгорание топлива сочетается с возбуждением частиц газа, которые при охлаждении в сверхзвуковом потоке испускают мощное когерентное излучение.

Химические лазеры: используя химические реакции, в частности, с участием атомарного фтора и водорода, эти лазеры генерируют импульсы излучения.

Эксимерные лазеры: эти лазеры опираются на специальные молекулы, которым свойственно существовать в возбужденном состоянии, направляя их работу.

Жидкостные лазеры

Появившиеся в 1960-х годах, параллельно с твердотельными лазерами, жидкостные лазеры используют в качестве активной среды растворы органических соединений. Эти лазеры обладают более высокой плотностью по сравнению с газовыми лазерами, хотя и меньшей, чем твердотельные, что позволяет им генерировать мощное излучение, причем как в импульсном, так и в непрерывном режимах, что облегчается использованием импульсных ламп или других лазеров для накачки.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году дебютировали полупроводниковые лазеры, созданные американскими учеными Р. Холлом, М. И. Ной и Т. Квистом. В этих лазерах, основанных на теоретической базе, предложенной российским физиком Н. Г. Басовым в 1958 году, в качестве активной среды использовались полупроводниковые кристаллы типа арсенида галлия (GaAs). Несмотря на сходство с твердотельными лазерами, они отличаются тем, что в них осуществляются излучательные переходы между энергетическими зонами или подзонами кристалла, а не между атомными энергетическими уровнями. Лазеры работают на постоянном электрическом токе, используя в качестве резонатора отполированные грани полупроводникового кристалла.

Применение лазеров

Технологические лазеры

Резка, сварка и пайка. Лазеры непрерывного действия, обладающие огромной мощностью, позволяют осуществлять резку, сварку и пайку широкого спектра материалов. Их огромная тепловая мощность позволяет соединять несовместимые материалы, создавая, например, металлокерамические амальгамы, которые не могут быть получены традиционными способами.

Производство микрочипов. Способность лазера уменьшать фокус до мельчайших точек позволяет с высокой точностью изготавливать микрочипы, необходимые в современной цифровой технике.

Строительство и геодезия. Лазерные лучи, характеризующиеся прямолинейной траекторией, служат безупречными линейками в строительстве, а также позволяют измерять большие расстояния с помощью импульсно-периодических методик.

Лазерная связь

Передача данных. Лазеры произвели революцию в области связи, обеспечив передачу несравнимо большего объема информации по сравнению с высокочастотными радиоканалами за счет значительно меньшей длины волны.

Индустрия звукозаписи. Лазерные технологии стали основой индустрии звукозаписи, упростив запись и воспроизведение аудио— и визуального контента на компакт-дисках.

Применение в медицине

Хирургия глаза. Лазеры находят широкое применение в сложных глазных операциях, помогая в таких процедурах, как реплантация сетчатки, с помощью неинвазивных методов.

Общая хирургия. Лазерные скальпели позволили достичь значительного уменьшения повреждения тканей по сравнению с традиционными. Они стали неотъемлемой частью современной хирургии.

Терапия. Лазеры малой мощности способствуют регенерации тканей и предлагают альтернативы иглоукалыванию.

Косметология. Диодные и пикосекундные лазеры изменили косметологию, предложив целый ряд новых нетравматических процедур.

Современные научные исследования

Исследование звезд. Лазеры дают представление о составе звезд, позволяя исследователям моделировать условия, существующие в их ядрах.

Термоядерный синтез. Лазерные лучи играют ключевую роль в стимулировании термоядерных реакций, направленных на достижение управляемого ядерного синтеза — потенциального источника огромной энергии.

Генная инженерия и нанотехнологии. В сферах генетики и нанотехнологий лазеры способствуют тщательному манипулированию микроскопическими объектами, определяя прогресс в этих областях.

Исследования атмосферы. Лазерные локаторы или лидары активно участвуют в атмосферных исследованиях, помогая производить дистанционные измерения.

Военные лазеры

Целеуказание и дальнометрия

Лазеры играют важнейшую роль в современных военных системах целеуказания. Они используются для целей, что позволяет осуществлять более точное сопровождение и поражение. Лазерные дальномеры позволяют определять расстояние до цели, предоставляя данные, необходимые для систем целеуказания.

Оружие прямого излучения (ОПП).

Это лазерные системы, предназначенные для излучения сфокусированной энергии, выводящей из строя или уничтожающей цели. ОПП обеспечивают точное наведение на цель и потенциально меньший побочный ущерб по сравнению с обычным оружием. Они могут применяться против различных угроз, включая беспилотники, ракеты и артиллерийские снаряды.

Боеприпасы с лазерным наведением

Бомбы и ракеты с лазерным наведением используют лазеры для точного отслеживания и поражения целей. Лазер направляет боеприпас к цели, обеспечивая более высокую точность попадания по сравнению с традиционными боеприпасами.

ПВО

Лазеры выполняют и оборонительные функции, например, в системах противодействия ракетам с тепловым наведением. Эти системы используют лазеры, чтобы запутать или отвести от себя приближающиеся угрозы, защищая объект. Лазеры используются также в составе систем перехвата ракет, предназначенных для уничтожения подлетающих средств поражения до того, как они достигнут цели.

Связь

Военные средства связи используют лазерные технологии для создания защищенных систем связи с высокой пропускной способностью. Оптическая связь в свободном пространстве (FSO) использует лазерные лучи для передачи данных между платформами, обеспечивая безопасный и защищенный канал связи.

Ослепители

Это лазеры, предназначенные для временного ослепления или дезориентации целей без нанесения им постоянного вреда. Они используются как в противопехотных, так и в противосенсорных системах, препятствуя эффективному поражению целей противника.

Системы LIDAR

Вооруженные силы используют системы LIDAR (Light Detection and Ranging) для решения различных задач, включая картографирование местности и поиск подводных лодок. Система использует лазерные импульсы для высокоточной съемки окружающей среды.

Лазеры произвели революцию в науке и технике благодаря своим уникальным свойствам и возможностям. От точных хирургических вмешательств до изучения звездных явлений, от коммуникационных достижений до оружия нового поколения — лазеры продолжают способствовать инновациям, преодолевая границы возможного, и обещают будущее, полное революционных разработок.