Во многих интернет магазинах мощность портативных лазеров и лазерных указок неоправданно завышается в целях коммерческой выгоды. Рядовому покупателю достаточно сложно разобраться в этом вопросе и определить, насколько мощность приобретённого портативного лазера или лазерной указки соответствует действительности. В связи с этим мы предлагаем прочитать данную статью, в которой расскажем о том, какие бывают мощности у портативных лазеров и лазерных указкок, а также о том, как измеряется мощность в нашем интернет магазине.

Мощность портативных лазеров и лазерных указок

На данный момент наиболее мощными представителями портативных лазеров являются синие лазеры с длиной волны 445-450нм. Некоторые самостоятельно собранные модели при использовании нескольких лазерных диодов и сведения луча достигают мощности в 6,3Вт. Однако мощность у существующих отдельных лазерных диодов не превышает 3,5Вт. Важно отметить, что данные мощности были получены при аномально больших токах, на которые данные диоды не расчитаны. Максимальная выходная мощность , при которой синий портативный лазер будет работать стабильно на данный момент не превышает 2000мВт (2000 милливатт = 2Вт, 2000mW).

Следующие по мощности идут красные (650-660нм) и фиолетовые (405нм) портативные лазеры. Их мощность не превышает 1000мВт .

Наконец, наиболее популярные и яркие зелёные (532нм) лазеры имеют максимальную мощность 750мВт . Важно отметить, что зелёные лазеры по принципу действия отличаются от синих и красных: зелёные 532нм лазеры - полупроводниковые лазеры с диодной накачкой. Поэтому, мощность зелёного лазера складывается из трёх компонент: инфракрасной 808нм (лазерный диод накачки), 1064нм (лазерное излучение алюмо-иттриевого граната, («YAG», Y 3 Al 5 O 12) легированного ионами неодима (Nd)) и 532нм (зелёный лазерный свет после удвоения частоты в кристалле KTP). Чтобы на выходе получить 750мВт мощности зелёного 532нм лазера нужно более 5Вт мощности 808нм диода накачки! Проверяя мощность зелёного лазера с помощью ваттметра необходимо удостовериться, что у него есть фильтр, способный отсечь инфракрасные длины волн. В противном случае ваттметр покажет суммарную мощность лазера (из которых лишь 10-15% приходится на 532нм).

Об измерении мощности в интернет-магазине LaserMag

В нашем интернет магазине имеется уникальная возможность проверять оптическую мощность портативных лазеров и лазерных указок благодаря специальному оптическому ваттметру.

Принцип его работы основан на термоэлементе, который поглощает лазерное излучение и формирует электрический сигнал. Электрический сигнал попадает в ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Далее, с помощью специальной программы, поставляемой с оптическим ваттметром на экран компьютера выводится динамическая характеристика мощности (зависимость мощности от времени). При желании клиента мы готовы предоставить график мощности любого приобретаемого лазера.

Схема высокостабильного СС2 - лазера, построенного по многоходовой схеме.  

Начиная с момента создания твердотельных лазеров и по настоящее время происходит непрерывное наращивание мощности их излучения. Однако, если в первые годы темпы роста были для всех основных типов твердотельных лазеров примерно одинаковы, то в последнее время произошло заметное снижение темпов роста мощности излучения лазеров на рубине и гранате по сравнению с лазерами на стекле с неодимом.  

Излучение лазера обусловлено индуцированным испусканием, в результате которого излучение фотонов частично синхронизовано. Степень синхронизации и число квантов, испущенных в любой момент времени, характеризуются статистическими параметрами, такими, как среднее число испускаемых фотонов и средняя интенсивность испускания. Поэтому спектр мощности излучения лазера оказывается более или менее узким и его автокорреляционная функция ведет себя подобно автокорреляционной функции генератора синусоидальных колебаний, выходной сигнал которого нестабилен по фазе и по амплитуде.  

Это объясняется главным образом тем, что газовые лазеры с приемлемыми параметрами выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью и практически могут использоваться телеграфистами. Однако у этих лазеров имеется ограниченное количество дискретных длин волн излучения, пригодных для съемки монохромных и цветных голографических изображений. Выбор длины волны определяется не только мощностью излучения лазера на этой длине волны, но также возможностью максимального согласования длин волн записи и воспроизведения с точки зрения создания оптимального изображения для субъективного восприятия зрителем.  

На рис. 147, б показаны варианты размещения датчиков при реализации данного способа измерения. При использовании для измерения одного датчика его целесообразно поместить в место дифракционной картины, соответствующее точке А. Однако в случае использования одного датчика сильное влияние на результат измерения оказывают нестабильность мощности излучения лазера и неравномерность распределения интенсивности в поперечном сечении пучка, проявляющаяся при поперечном смещении измеряемого изделия.  

Их свойства рассмотрены выше. Число типов, выпускаемых серийно, составляет многие десятки. Диапазон длин волн их излучения охватывает УФ, ВИ и ИК диапазоны области спектра. Мощность излучения лазеров колеблется от 0 1 мВт до 10 Вт.  

В микрофлуоресценции применяется лазерное возбуждение, которое, естественно, имеет преимущества перед возбуждением обычными источниками света. Высокая когерентность и направленность излучения лазеров позволяет достигать чрезвычайно высоких плотностей мощности излучения. В табл. 8.2 приведено сравнение плотностей мощности, достигаемых различными источниками. Освещение лазером является наиболее интенсивным, и благодаря высокой плотности мощности излучения лазеров микрофлуоресцентный анализ получает ряд преимуществ.  

Однако большинство из них изучено в растворах, и только несколько детальных исследований с поляризационными измерениями выполнено на монокристаллах. Ситуация полностью изменилась с появлением лазера непрерывного действия, сколлимированное, поляризованное и практически монохроматическое излучение которого является идеальным для спектроскопии КР монокристаллов даже небольшого размера. Сразу после открытия эффекта КР стало ясно значение измерений анизотропии комбинационного рассеяния кристаллов для отнесения колебаний. Однако такие исследования смогли стать рутинными лишь после того, как в качестве источника излучения был использован лазер. Коллимация пучка более важна, чем мощность излучения лазера, а последняя часто меньше мощности хороших ламп типа Торонто, применение которых стимулировало развитие спектроскопии КР в течение 50 - х и начале 60 - х годов.  

Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.  

Такая возможность реализуется на практике путем модуляции добротности лазера. Осуществляется это следующим образом. Представьте себе, что одно из зеркал полости лазера удалено. С помощью подсветки осуществляется накачка лазера, и заселенность верхнего уровня достигает своего максимального значения, однако стимулированного излучения пока еще нет. Пока заселенность все еще остается инвертированной, удаленное ранее зеркало быстро вдвигается на место. При этом возникает вынужденное излучение, происходит быстрое уменьшение заселенности верхнего уровня и возникает гигантский импульс продолжительностью всего 10 - 8 с. При излучаемой в импульсе энергии 25 Дж мощность излучения лазера составляет 2 5 - 109 Вт - весьма внушительная величина, приблизительно равная мощности крупной электростанции. Правда, электростанция работает на этом уровне мощности круглый год, а не 10 - - 8 с. В первых моделях лазеров перемещение зеркал производилось механическим способом, но сейчас это делается электрооптическим способом с помощью ячейки Керра или Поккельса.  

Лазерная безопасность знаний

1. Что такое лазер?
Лазерное устройство, которое излучает свет (электромагнитное излучение) в процессе оптического усиления на основе вынужденного излучения фотонов. Термин "лазер" возник как аббревиатура усиление света вынужденным излучением. Испускается лазерное излучение отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, недостижимой с помощью других технологий.

2. Лазерная указка Структурная схема


3. Что такое лазерная приложения?
Лазеры получили широкое применение в повседневной жизни. Лазеры является наиболее применимым в презентации для указывая объекты, согласования на строительство и проект, медицинское лечение для косметических и хирургических процедур. Нижняя указатель мощности лазера идеально подходит для презентаций и астрономии звездопада. Более высокая мощность лазерного указателя до 100 mW было бы прекрасно для сжигания эксперимент. Высокой мощности класса IV лазер используется для эксперимента, научные исследования, военные и т.д. таргетинг

4. Что такое длина волны?
Наши глаза чувствительны к свету, который находится в очень маленькой области электромагнитного спектра с надписью "видимый свет". Этот видимый свет соответствует диапазон длин волн 400 - 700 нанометров (nm) и цветовую гаnmу фиолетового до красного. Человеческий глаз не способен "видеть" излучение с длинами волн за пределами видимого спектра. Видимого цвета из кратчайших в длину волны длинной являются: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны, чем видимый свет фиолетовый. Инфракрасное излучение имеет длину волны, чем видимый красный свет. Белый свет представляет собой смесь из цветов видимого спектра. Черный является полное отсутствие света.

Спектральные цвета и длины волны

Этот график показывает цвета видимого спектра света и связанных с длинами волн в нанометрах. Диапазоны традиционно дается как:
ультрафиолетовом свете, 100 nm, 400 nm;
видимый свет, 400 nm-750nm;
инфракрасный свет, 750 nm-1 nm.

5. Что такое лазерная поперечной моде?


Поперечная электромагнитная режиме (TEM) структура лазерного луча описывает распределение мощности по сечению пучка. Большинство приложений лазерной потребует фундаментальных режима луча (TEM00) с гауссовым распределением мощности по сечению пучка, как показано на рисунке справа. Это фундаментальные результаты в режиме наименьшего диаметра пучка и расходимость пучка и может быть сосредоточено до наименьшего возможного размера пятна.
Прочие доходы приложений с повышенной мощностью доступны в первом режиме порядке (TEM01 *), или даже мод высшего порядка. Мощность лазера имеющих режим структуры над фундаментальным обычно называют multitra nsverse режиме (MTM). Режим структуры производства лазерных может быть изменен, просто изменив зеркала.

6. Различные классификации лазеров

Класс I

По своей сути безопасны, нет возможности повреждения глаз. Это может быть либо из-за низкой выходной мощности (в случае повреждения глаз невозможно даже после нескольких часов воздействия), или из-за шкафа предотвращения доступа пользователей к лазерным лучом при нормальной эксплуатации, такие как проигрыватели компакт-дисков или лазерных принтеров.

Класс II

Рефлекс моргания человеческого глаза (отвращение ответ) позволит предотвратить повреждение глаз, если человек намеренно смотрит в пучке в течение длительного периода. Выходная мощность может быть до 1 mW. Этот класс включает в себя только лазеры, которые излучают видимый свет. Большинство лазерных указателей и коnmерческие сканеры лазерные в этой категории.

Класс IIIa

Лазеры этого класса в основном опасные в сочетании с оптическими инструментами, которые изменяют диаметр луча или плотности мощности, хотя даже без оптического инструмента повышения прямого контакта с глазом в течение двух минут может привести к серьезному повреждению сетчатки. Выходная мощность не превышает 5 mW. Плотность мощности излучения не превышает 2,5 mW / кв.см, если устройство не маркирован с "осторожностью" предупредительный знак, в противном случае "опасности" предупредительной этикетке не требуется. Многие достопримечательности лазерные для огнестрельного оружия и лазерных указателей в этой категории.

Класс IIIb

Лазеры в этом классе может привести к повреждению, если луч попадает в глаз напрямую. Как правило, это относится к лазерам питается от 5-500 mW. Лазеры в этой категории может привести к необратимому повреждению глаз с экспозиции 1/100-й секунду или меньше в зависимости от силы лазера. Диффузного отражения, как правило, не опасны, но зеркальных отражений может быть таким же опасным, как прямые воздействия. Защитные очки рекомендуется при прямом просмотре луч лазера класса IIIb может произойти. Лазеры на высоком конце мощность этого класса могут также представлять опасность возникновения пожара и может слегка обжечь кожу.

Класс IV

Лазеры в этом классе имеют выходную мощность более 500 mW в пучке и может вызвать тяжелые, необратимые повреждения глаз или кожи без увеличены оптики глаза или приборов. Диффузного отражения лазерного луча могут быть опасными для кожи или глаз в течение Номинальный зону опасности. Многие промышленные, научные, военные и медицинские лазеры в этой категории.

7. Что такое лазерная безопасность знаний?
Даже первый лазер был признан как потенциально опасные. Теодор Мейман характеризуется первый лазер как имеющий власть одного "Gillette", как это могло гореть через одну лезвие бритвы Gillette. Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с помощью всего нескольких милливатт мощности могут быть опасными для человека зрение, когда луч такого лазера попадает на глаза непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, роговица и хрусталик может сосредоточиться хорошо, согласованности и малой расходимостью лазерного света означает, что она может быть направлена на глаз в очень маленькое пятно на сетчатке глаза, что приводит к локализованным жжения и повреждению в течение секунд или даже меньше времени. Лазеры обычно обозначен ряд класса безопасности, которая определяет, насколько опасны лазера:

. Класс I/1 по своей сути безопасны, как правило, потому что свет, содержащийся в корпусе, например, проигрыватели компакт-дисков.
. Класс II/2 является безопасной при нормальной эксплуатации; рефлекс моргания из глаз позволит предотвратить повреждение. Обычно до 1 mW, для указателей например лазера.
. Класс IIIa/3A лазеры, как правило, до 5 mW и привлекать небольшой риск повреждения глаз за время рефлекс моргания. Вглядываясь в таком пучке в течение нескольких секунд может привести к повреждению пятна на сетчатке.
. Класс IIIb/3B может привести к немедленному повреждению глаз при воздействии.
. Класс IV/4 лазеры могут обжечь кожу, а в некоторых случаях даже рассеянного света может вызвать раздражение глаз и / или повреждения кожи. Многие промышленные и научные лазеров в этом классе. Указанные полномочия для видимого света, непрерывно лазеров. Для импульсных лазеров и невидимых волн, другие ограничения мощности применяются.

Люди, работающие с классом 3В и 4 класса лазеров могут защитить свои глаза защитные очки, которые предназначены для поглощают свет определенной длины волны.

Некоторые инфракрасный лазеры с длиной волны за пределами около 1,4 микрометров часто упоминается как "безопасный для глаз». Это потому, что внутренняя молекулярных колебаний молекул воды очень сильно поглощают свет в этой части спектра, и, таким образом лазерный луч на этих длинах волн ослабляется настолько, как она проходит через роговицу глаза, что нет света остаются должно быть сосредоточено на объективе на сетчатку. Ярлык "безопасный для глаз" может ввести в заблуждение, однако, как это относится только к относительно малой мощности непрерывных пучков волн, любой большой мощности или модуляцией добротности лазера на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз.

8. Опасности лазерного излучения
Лазерные указки получили широкое применение от его первого появления. Лазеры в основном применимы в качестве инструмента для представления в преподавание, астрономии звездопада, и встреч. Тем не менее, эти лазеры постепенно принадлежащих лазерных поклонников и энтузиастов в том числе детей в связи с низкой стоимостью и бесчисленное множество поставщиков, и использоваться таким образом, не предусмотренных производителями. В результате, это серьезно Важно понимать опасности лазерных указок перед реальной обладание лазерной указкой.

Лазерная опасности
Лазерное излучение преимущественно вызывает повреждение путем термического воздействия. Даже умеренно питания лазера может привести к травмам глаз. Лазеров высокой мощности также может обжечь кожу. Некоторые лазеры настолько мощным, что даже диффузного отражения от поверхности может быть опасным для глаз.

Хотя существует потенциальная опасность для сетчатки, не все лазеры видимого пучка, вероятно, привести к необратимому повреждению сетчатки. Воздействия смотреть на луч лазерной указки, скорее всего, причиной остаточного изображения, флэш-слепоты и бликов. Временная боль в сетчатке восстановится через несколько минут.

Малым углом расходимости лазерного света и механизма фокусировки на глаза означают, что лазерный свет может быть сконцентрирован в очень маленькое пятно на сетчатке. Если лазер достаточно мощный, постоянный ущерб может происходить в течение доли секунды, буквально быстрее, чем мгновение ока. Достаточно мощный в видимой до ближней ИК лазерным излучением (400-1400nm) будет проникать глазного яблока и может привести к нагреву сетчатки, в то время как воздействие лазерного излучения с длиной волны менее 400 nm и больше, чем 1400nm в основном поглощаются роговицей и хрусталиком, приводит к развитию катаракты или ожогов.

Инфракрасные лазеры являются особенно опасными, так как защитные тела "рефлекс моргания" ответ срабатывает только видимый свет. Например, некоторые люди подвергаются воздействию высоких Nd мощность: YAG лазера с невидимым 1064 излучению, не может чувствовать боль или заметите непосредственного ущерба их зрение. Поп-музыка или звук щелчка, вытекающих из глазного яблока может быть единственным признаком того, что повреждение сетчатки произошло то есть сетчатка нагревали до 100 ° C в результате локализованного взрывного вскипания сопровождается немедленного создания постоянного слепое пятно.

Ответственные владельцы лазерных должны полностью понимать опасности лазерного излучения, и признать FAA правила, связанные с использованием лазерной указки. Защитные очки, как правило, требуется, когда непосредственное наблюдение мощный луч может произойти.

9. Как защитить себя от лазерной опасности?
Это весьма важно для принятия эффективных методов предотвращения ущерба от класса 3В или класса IIIb. Лазерные защитные очки являются главным аксессуаром для защиты глаз на рынке в настоящее время. Различные выбор лазерных датчиков, очки должны быть выбраны для конкретного типа, чтобы заблокировать соответствующую длину волны. Например, поглощающий 532 очков обычно имеет оранжевый очков.

Непосредственно глядя на лазерные указки строго запрещено в любых условиях. Не забывайте надевать защитные очки перед использованием лазерной указки.

Советы по безопасности лазерной указкой:

● Поставьте лазер в недоступном для несовершеннолетних. Не допускать несовершеннолетних (до 18 лет) на приобретение и использование лазерной указкой ни при каких надзора. Только взрослые могут использовать лазерные указки после того, как они поняли знаний безопасности и риска лазерных продуктов.

● Будьте особенно осторожны, если вы используете высокой мощности лазерного излучения. Вы никогда не должны пытаться указать свой лазерный указатель на любого человека и животных, пилот самолета и движущихся транспортных средств, или вы будете заключены в тюрьму в тюрьме за неправильное использование лазерных устройств.

● Хранить вдали от мощных лазеров. Пожалуйста, всегда держать себя вдали от мощных лазера, такие как сжигание лазера. Они существенно отличаются от формальных лазеров для презентации. Никогда не пытайтесь купить лазер без никакой выявить класса и мощности.

10. Как мощные лазерные указки будет?

Различные приложения должны лазеров с различной выходной мощностью. Лазеры, которые производят непрерывный пучок или серия коротких импульсов можно сравнить на основе их средней мощности. Лазеры, которые производят импульсы могут быть охарактеризованы на основе пиковая мощность каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше, чем его средняя мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше, чем потребляемая мощность.

Непрерывным или средней мощности, необходимой для некоторых применений:
Мощность использование
1-5 mW лазерного указателя
5 mW компакт-дисков
5-10 mW DVD-плеер или DVD-дисков
100 mW высокоскоростной CD-RW горелки
250 mW потребительских 16x DVD-R горелки
400 mW горения через футляре диска в том числе в течение 4 секунд
1 W Зеленый лазер в текущем Голографический Универсальный развития прототип диска
1-20 W Выходная большинства коnmерчески доступных твердотельных лазеров, используемых для микро-обработки
30-100 W Типичные запечатанных СО2 хирургических лазеров
100-3000 W Типичные запечатанных CO2 лазеров, используемых в промышленных лазерной резки
5 KW Выходная мощность достигается за счет 1 см бар лазерный диод
100 KW Заявленная мощность СО2-лазера, разрабатываемый Northrop Grumman для военных (оружие) приложений

11. Что лазерных обслуживания?

Правильное обслуживание вашего лазерного прекрасно продлить срок его службы. Нам просто нужно следовать следующим советам:

Что нужно:
1. Салфетка из микрофибры
Пожалуйста, убедитесь, что ткань из микроволокна специально разработана для очистки линз. Вы можете найти это в вашем местном камеры или очки магазине.
2. Q-наконечником или зуб выбор
Вам нужно будет сложить ткань над одним из них, чтобы быть в состоянии достичь линзы правильно.
3. Объектив очистки растворов (необязательно)
Используйте для очистки линз решение, только если объектив не очищается салфетка из микрофибры в одиночку. Пожалуйста, убедитесь, что чистящий раствор разработан специально для очистки объектива.
* Внимание: не используйте воду.

Процедура:
1. Мойте руки с мылом и водой. Убедитесь в том, чтобы высушить их должным образом.
2. Сложите ткань из микроволокна на зубочистку или ручку часть Q-Tip. Убедитесь, что вы не трогайте часть ткани, которая будет очистка линз. Вы, наверное, не сможет сложить ткань вдвое, так что вы должны быть очень осторожны, чтобы не нажимать слишком сильно на объектив.
3. Аккуратно переместите ткань в отверстие, пока она вступает в контакт с объективом. Натрите его из стороны в сторону, но не нажимайте слишком сильно. Плавно поворачивайте ткань в вращательным движением вперед и назад. Повторите эту процедуру, пока объектив вашей лазерной чист.
4. Превратите ваш лазерный блок, чтобы увидеть, если объектив чист.

Тем не менее грязным? Попробуйте использовать раствор для очистки объектива.
Применяют по 1 капле только часть ткани, которая будет очистка линз, следовать той же процедуре, что и выше. Вы хотите, чтобы закончить с помощью сухой части ткань для протирки объектива сухой, это должно занять один проход стороны в сторону или нежно вращаться.

Лазеры

Урок объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Материал рассчитан на два урока, домашнее занятие и 3-й урок, на котором заслушивают подготовленные сообщения о применении лазеров. Структура и содержание урока должны служить не только расширению кругозора на основе полученных знаний по квантовой оптике, но и развивать умение думать, сопоставлять, обобщать, анализировать.

Ход урока

I. Название темы сегодняшнего урока записано по-английски. А что это означает по-русски? (Ответ. Лазер – английская аббревиатура названия.) Подберите к слову «лазерный» подходящие существительные. (Ответ. Шоу, оружие, принтер, указка, диск...) Ответы показывают, что вы знакомы с применением удивительного изобретения ХХ в. – лазера. Подтверждением его важности является присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера».

Перед вами лабораторный лазер и лазерные указки. Интересно, что же особенного в этих источниках света, как они устроены, ведь столь высокая оценка изобретения лазера, наверное, заслуженная?

II. В основе квантового усиления электромагнитных волн (ЭМВ) лежат два процесса: возбуждение индуцированного излучения и накапливание возбуждения.

Излучение вообще связано с переходом атомов (молекул) из возбуждённого состояния с энергией E m в стабильное состояние с более низкой энергией E n . Частота излучения при этом . В обычных источниках света число переходов E m E n равно числу переходов E n E m , излучение происходит в широком диапазоне частот, фазы волн, излучаемых отдельными атомами, произвольны. Такое излучение называется самопроизвольным , или спонтанным .

Если же искусственно создать перенаселённость верхних энергетических уровней E m , то, по догадке В.А.Фабриканта, внешнее излучение частотой mn , проходящее через такую активную среду, может быть усилено за счёт «спровоцированных» им переходов в среде E m E n . Такое вынужденное , или индуцированное , излучение отличается от спонтанного: направление распространения, поляризация, частота и фаза волн, излучаемых отдельными атомами, полностью тождественны внешней волне.

Создать стабильную перенаселённость уровней в двухуровневой системе долго не удавалось, т.к. переходы на нижний уровень происходили слишком быстро, через 10 –8 с. Более стабильной оказалась трёхуровневая система, когда электроны переходили сначала с верхнего уровня на средний (подуровень), причём этот переход не сопровождался излучением, задерживались на нём до 10 –3 с, а потом уже с излучением «сваливались» на нижний уровень. В рубиновых лазерах подуровень создаётся за счёт введения примесей хрома в кристалл оксида алюминия (рубина). Бывают и четырёхуровневые системы.

Уровень m _____________
________________Подуровень

Уровень n _____________

В квантовых генераторах между зеркалами, образующими так называемый резонатор Фабри–Перо , помещают активную среду. Проходя несколько раз от одного зеркала до другого, волна усиливается и частично выходит через полупрозрачное зеркало наружу. Как вы думаете, длина резонатора – путь между зеркалами – может быть любой? Оказывается, нет, должно выполняться условие резонанса: на длине резонатора должно укладываться целое число длин волн распространяющейся в резонаторе волны: 2L = n , где L – расстояние между зеркалами, – длина волны, n – целое число.

Это условие является важнейшим для генерации волны, оно и обеспечивает монохроматичность излучения. В лазере (квантовом генераторе) не могут возникать волны произвольной частоты. Генерируются волны лишь с дискретным набором частот:

Лазер, по существу, представляет собой автоколебательную систему, в которой возуждаются незатухающие колебания на одной из собственных частот резонатора.

III. Проверим, как вы поняли рассказанное, какие мысли, вопросы возникли у вас.

– Почему лазеры называют квантовыми источниками , ведь и в обычных источниках излучение возникает тоже вследствие переходов электронов с верхних энергетических уровней на нижние? (Ответ . Лазер – искусственный источник излучения, основными свойствами которого, отличающими его от естественных источников, являются монохроматичность и когерентность излучения.)

– Какие характеристики первичной волны, падающей на активную среду, изменяются в лазере? (Ответ . Интенсивность.)

– Назовите процесс, обратный процессу индуцированного излучения. (Ответ . Процесс возбуждения, которому соответствуют переходы электронов с нижних уровней энергии на верхние.)

– Назовите элементы лазера как автоколебательной системы. (Ответ . Резонаторы, активная среда.)

– Что в конструкции лазера определяет монохроматичность излучаемой волны? (Ответ . Расстояние между зеркалами.)

– В чём физика индуцированного излучения? (Ответ . Явление резонанса.)

IV. По полученной литературе за 3 минуты подготовьте сообщения в группах о работе рубинового, полупроводникового, газового, химического лазеров. При изложении придерживайтесь плана: способ получения трёхуровневых систем, способ возбуждения, особенности устройства и область применения. На листе ватмана начертите упрощённую схему.

V. Вы заслушали сообщения. Проверьте степень усвоения, ответив на вопросы:

– Что общего в работе разных типов лазеров? (Ответ . Разные виды энергии переходят в энергию оптического излучения.)

– Назовите режимы работы лазера. Чем обусловлен режим работы? (Ответ . Импульсный, непрерывный; обусловлен способом возбуждения и видом активной среды.)

– Назовите диапазоны волн, излучаемых квантовыми генераторами. Чем они обусловлены? (Ответ . Радиодиапазон – мазеры; рентгеновский, оптический, в том числе инфракрасный, – лазеры.)

– Есть ли предел усиления излучения? (Ответ . Да. Иначе сама система себя разрушит. Но использование многоканальных установок значительно расширяет этот предел.)

VI. На листе появляется запись: «Не смотри в лазер оставшимся глазом».

Смотреть прямо в лазер, даже слабомощный, не стоит – интенсивность света на сетчатке может оказаться в 10 4 раз выше, чем максимальная интенсивность солнечного луча. Если луч случайно «мазнул» по глазам, сфокусированным на каком-то другом предмете, то можно ослепнуть лишь на время, без необратимых повреждений глаза. Но искать границу между этими крайностями не стоит!

VII. Экспериментальное исследование особенностей излучения лазеров

1. Монохроматичность – электромагнитное излучение имеет одну, определённую и строго постоянную, частоту. Это обусловлено тем, что усиливаются только волны, удовлетворяющие условию резонанса. Однако соотношение неопределённостей E t h приводит к тому, что энергия возбуждённого состояния на уровне m может иметь значения между E m – E и E m + E , поэтому и частоты, излучаемые лазером, будут отличаться на , причём .

где d = 1 мм – расстояние между штрихами, +3 и –3 – углы, под которыми наблюдаются максимумы +3-го и –3-го порядков, L = 1 м. Сделав преобразования, находим:

где h +3 и h –3 – высоты расположения соответствующих максимумов. Измерив h –3 = 10 см и h +3 = 14 см и подставив все числовые значения, получаем: = 730 нм. – Ред .]

Школьники готовятся к измерению длины волны лазерного излучения с помощью штангенциркуля

Для проверки проведём измерения со стандартной дифракционной решёткой с N = 600 штр./мм. Направив луч на неё перпендикулярно, получим:

Cогласно измерениям, L = 1 м, k = ±1, h +1 = 43,5 см = 0,435 м, h –1 = 45 см = 0,45 м. Тогда:

Измерение длины волны лазерного излучения с помощью обычной дифракционной решётки

2. Когерентность – согласованность во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, что позволяет получить при их сложении чёткую интерференционную картину.

Времення когерентность отвечает за формирование интерференционной картины при делении луча на два. Чем шире спектр излучения, тем оно менее когерентно: Таким образом, монохроматичность связана с когерентностью.

Если направить луч лазера на экран или чёрную копировальную бумагу, то мы увидим, что он представляет собой не ровное пятно, как луч электрического фонаря, а узор из отдельных как бы пляшущих зёрен. Эта структура так и называется – зернистой , или гранулированной , или спеклом . Она создаётся параллельным пучком пространственно когерентного света, который диффузно рассеивается на тонкой структуре листа бумаги и объясняется интерференцией света, рассеиваемого отдельными шероховатостями, размеры которых сравнимы с длиной волны света. Пространственная когерентность означает, что фазы световых волн, излучаемых любой частью лазера, совпадают, что и обеспечивает устойчивость интерференционной картины.

Чёткость интерференционной картины определяется размерами области пространственной когерентности. В этом можно убедиться опытным путём, наблюдая интерференцию лучей, прошедших через два маленьких отверстия, как в опыте Юнга. Для этого мы наложили друг на друга две иголки с маленькими ушками и получили при освещении лазерной указкой чёткую интерференционную картину, что является доказательством пространственной когерентности лазерного луча.

3. Малая расходимость пучка. Благодаря слабой расходимости лазерный пучок виден, как точка на препятствии, даже удалённом на большое расстояние. Убедимся в этом на опыте. Лазерный луч, отразившись в зеркале, попадал на экран.

При L = 10 м (длина кабинета) и диаметре луча ( = 740 нм) при выходе из указки D = 3 мм диаметр луча при падении на зеркало составил D 1 = 6 мм и при падении на экран D 2 = 8 мм. Получилась расходимость луча примерно 2 мм на расстоянии 10 м.

Действительно, теоретически угол расходимости a определяется только диаметром пучка D и длиной волны :

На длине 10 м размер пучка должен увеличиться до 10 м 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 м = 2,5 мм. Луч карманного фонарика расходится значительно больше.

4. Мощность излучения. Лазеры являются самым мощным источником излучения: их мощность достигает 10 14 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца 7 10 3 Вт/см 2 . Спектральная мощность излучения (приходящаяся на узкий интервал длин волн = 10 –6 см) составляет 0,2 Вт/см 2 у Солнца и у лазерной указки.

Измерим на нашей установке мощность излучения лазерной указки и сравним её с мощностью излучения электрической лампы.

Ток, потребляемый лампой, составляет 0,15 А при напряжении 3,6 В. Мощность лампы P 1 = 0,15 А 3,6 В = 0,54 Вт. Фототок, полученный при облучении фотоэлемента этой лампой, расположенной на расстоянии L = 10 см, составил 25 мкА.

Мощность светового потока лампы с учётом светоотдачи лампы (5%) и диаметра фотоэлемента (3 см) составляет всего:

Фототок от лазерной указки, расположенной на таком же расстоянии L = 10 см, составил 300 мкА.

Если светоотдача лазерной указки равна 0,6, то отношение фототоков:

следовательно, мощность излучения лазерной указки

VIII. Сегодня на уроке вы узнали (говорят ученики ): чем и почему лазерное излучение отличается от излучения других источников; как образуется это излучение. Осталось разобраться, как эти свойства используются в технических устройствах: медиатехнике, медицинских аппаратах, голографических средствах записи и воспроизведения изображений, оружии, термоядерных реакторах. Каждая группа дома готовит один вопрос и решает задачу.

Длительность действия лазерного излучения

Длительность определяется конструкцией лазера. Можно выделить следующие типичные режимы распределения излучения во времени:

Непрерывный режим;

Импульсный режим, длительность импульса определяется при этом длительностью вспышки лампы накачки, типичная длительность Дфл~10-3с;

Режим модуляции добротности резонатора (длительность импульса излучения определяется превышением накачки над порогом генерации и скоростью и скоростью включения добротности, типичная длительность лежит в интервале 10-9 - 10-8 с, это так называемый наносекундный диапазон длительностей излучения);

Режим синхронизации и продольных мод в резонаторе (длительность импульса излучения Дфл~10-11с - пикосекундный диапазон длительностей излучения);

Различные режимы принудительного укорочения импульсов излучения (Дфл ~10-12с).

Плотность мощности излучения

Лазерное излучение может быть сконцентрировано в узконаправленном луче с большой плотностью мощности.

Плотность Ps мощности излучения определяется отношением мощности излучения, проходящего через сечение лазерного пучка, к площади сечения и имеет размерность Вт см-2.

Соответственно плотность Ws энергии излучения определяется отношением энергии, проходящей через сечение лазерного пучка, к площади сечении и имеет размерность Дж см-2

Плотность мощности в луче лазера достигает больших величин вследствие сложения энергии огромного множества когерентных излучений отдельных атомов, приходящих в выбранную точку пространства в одинаковой фазе.

Когерентное излучение лазера с помощью оптической системы линз можно сфокусировать на малую, сравнимую с длиной волны площадку на поверхности объекта.

Плотность мощности лазерного излучения на этой площадке достигает огромной величины. В центре площадки плотность мощности:

где Р - выходная мощность лазерного излучения;

D - диаметр объектива оптической системы;

л - длина волны;

f - фокусное расстояние оптической системы.

Излучение лазера с огромной плотностью мощности, воздействуя на различные материалы, разрушает и даже испаряет их в области падающего сфокусированного излучения. Одновременно в области падения лазерного излучения на поверхность материала на нем создается световое давление в сотни тысяч мегапаскалей.

В итоге отметим, что фокусируя излучение ОКГ до пятна, диаметр которого приблизительно равен длине волны излучения, можно получить световое давление в 106МПа, а так же огромные плотности мощности излучения, достигающие величин 1014-1016Вт.см-2, при этом возникают температуры до нескольких миллионов кельвин.

Блок схема оптического квантового резонатора

Лазер состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации.

Рисунок 3 - Блок-схема лазера

1) Активная среда.

Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.

2) Резонатор.

Оптический резонатор представляет собой систему специально согласованных двух зеркал, подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе за счет спонтанных переходов слабое вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через активную среду, помещенную между зеркалами. Вследствие многократных отражений излучения между зеркалами происходит как бы удлинение активной среды в направлении оси резонатора, что определяет высокую направленность лазерного излучения. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является для качества полученной лазерной системы. Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Резонатор -- основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела.

Жидкость, например в лазерах на красителях состоит из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюминиевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

3) Устройство накачки.

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) -- сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры -- энергию химических реакций.