Лазеры

Лазер (от англ. laser, акроним Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») — это устройство, преобразующее энергию накачки (электрическую, световую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического и поляризованного электромагнитного излучения оптического диапазона. Основой работы лазера является принцип вынужденного (стимулированного) излучения, предсказанный Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Лазеры отличаются от других источников света высокой направленностью луча, малой расходимостью и способностью создавать чрезвычайно высокие плотности мощности.

История

Теоретические предпосылки

В 1917 году Альберт Эйнштейн в работе «К квантовой теории излучения» ввёл понятие вынужденного излучения, показав, что фотон, взаимодействуя с возбуждённым атомом, может вызвать испускание второго фотона с теми же частотой, фазой и направлением. В 1928 году Рудольф Ладенбург экспериментально подтвердил существование этого эффекта. Однако для создания практического устройства требовалось создать среду с инверсией населённостей — состоянием, когда число возбуждённых частиц превышает число невозбуждённых.

Первые реализации

В 1954 году советские физики Николай Басов и Александр Прохоров, а также независимо от них американский физик Чарльз Таунс, создали первый мазер — квантовый генератор, работающий на длине волны 1,25 см в диапазоне сверхвысоких частот. За эти работы в 1964 году Басов, Прохоров и Таунс получили Нобелевскую премию по физике.

В 1960 году американский физик Теодор Майман продемонстрировал первый работающий лазер на рубине (синтетический кристалл оксида алюминия с примесью ионов хрома). Он генерировал импульсное излучение с длиной волны 694,3 нм (красный свет). В том же году Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Эрриот создали первый газовый гелий-неоновый лазер, работающий в непрерывном режиме.

Развитие в СССР и России

В СССР исследования в области лазеров активно велись с начала 1960-х годов. В 1961 году в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) была запущена программа по созданию мощных лазеров. В 1963 году советские учёные под руководством академика Александра Прохорова разработали первый полупроводниковый лазер на арсениде галлия. В 1970-х годах в СССР были созданы мощные газодинамические и химические лазеры, а также лазеры на центрах окраски. В 1980-е годы в Институте общей физики РАН разработали эксимерные лазеры. В постсоветский период российские учёные продолжают работы в области лазерной физики, в частности в создании волоконных лазеров и лазерных систем для термоядерного синтеза.

Принцип действия

Лазер состоит из трёх основных компонентов:

Активная среда — вещество, в котором создаётся инверсия населённостей (твёрдое тело, газ, жидкость, полупроводник).
Система накачки — источник энергии, переводящий атомы активной среды в возбуждённое состояние (оптическая лампа, электрический разряд, другой лазер, химическая реакция).
Оптический резонатор — система зеркал, обеспечивающая многократное прохождение излучения через активную среду и формирование направленного луча. Обычно состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых частично прозрачно.

Процесс генерации лазерного излучения включает следующие этапы:

Накачка переводит частицы активной среды в возбуждённое состояние, создавая инверсию населённостей.
Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов порождает фотон, который, проходя через среду, вызывает вынужденное излучение других возбуждённых атомов.
Фотоны, движущиеся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, усиливаясь при каждом проходе.
Часть излучения выходит через полупрозрачное зеркало, образуя лазерный луч.

Классификация

По типу активной среды

Твёрдотельные лазеры: активная среда — кристалл или стекло с примесями (рубиновый, неодимовый на иттрий-алюминиевом гранате — Nd:YAG, титан-сапфировый). Отличаются высокой мощностью, работают в импульсном и непрерывном режимах.
Газовые лазеры: активная среда — газ или смесь газов (гелий-неоновый, углекислотный CO₂, аргоновый, эксимерный). CO₂-лазеры — одни из самых мощных непрерывных лазеров.
Полупроводниковые лазеры: активная среда — полупроводниковый кристалл (лазерные диоды). Компактны, эффективны, широко используются в бытовой электронике.
Жидкостные лазеры: активная среда — раствор органических красителей. Отличаются возможностью перестройки длины волны в широком диапазоне.
Волоконные лазеры: активная среда — оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами (эрбий, иттербий). Высокая эффективность, компактность, устойчивость к внешним воздействиям.
Химические лазеры: энергия выделяется в ходе химической реакции (например, HF-лазер, DF-лазер). Используются в военных целях.

По режиму работы

Непрерывные лазеры: излучают свет постоянно во времени.
Импульсные лазеры: излучают короткие импульсы (от микросекунд до фемтосекунд). Фемтосекундные лазеры позволяют достигать пиковой мощности в тераватты.

По длине волны

Ультрафиолетовые (эксимерные, азотные)
Видимого диапазона (гелий-неоновый, рубиновый, аргоновый)
Инфракрасные (CO₂, Nd:YAG, полупроводниковые)
Терагерцовые (квантово-каскадные лазеры)

Применение

Промышленность

Лазерная резка и сварка: CO₂-лазеры и волоконные лазеры используются для обработки металлов, пластмасс, керамики. Высокая точность и минимальная зона термического влияния.
Лазерная маркировка и гравировка: нанесение изображений и текста на поверхности изделий.
Лазерная микрообработка: создание микроотверстий, канавок, структур в микроэлектронике.
Лазерное сканирование и 3D-печать: лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).

Медицина

Офтальмология: коррекция зрения (LASIK, фоторефракционная кератэктомия), лечение глаукомы, катаракты, диабетической ретинопатии.
Хирургия: лазерный скальпель для бескровных разрезов, удаление опухолей, литотрипсия (дробление камней в почках).
Дерматология и косметология: удаление татуировок, сосудистых звёздочек, пигментных пятен, лазерная эпиляция, шлифовка кожи.
Стоматология: лечение кариеса, отбеливание зубов, хирургия мягких тканей.
Терапия: низкоинтенсивное лазерное излучение для стимуляции заживления ран, снятия воспаления.

Наука и исследования

Спектроскопия: лазеры используются для анализа состава веществ с высокой точностью.
Лазерное охлаждение и пленение атомов: создание ультрахолодных атомных газов, изучение квантовых эффектов.
Лазерный термоядерный синтез: в установках типа NIF (США) и «УФЛ-2М» (Россия) мощные лазеры сжимают мишень с дейтерием и тритием для инициирования термоядерной реакции.
Лазерная локация и дальнометрия: измерение расстояний до Луны, спутников, астероидов.

Связь и информация

Оптоволоконная связь: полупроводниковые лазеры являются источниками света в оптоволоконных линиях передачи данных.
Лазерные принтеры и сканеры: формирование изображения на фотобарабане.
Оптические диски: CD, DVD, Blu-ray — считывание и запись информации с помощью лазерного луча.

Военное дело

Лазерные дальномеры и целеуказатели: наведение оружия, корректировка артиллерийского огня.
Лазерное оружие: системы для поражения беспилотных летательных аппаратов, ракет, мин. В России разработаны комплексы «Пересвет» и «Задира».
Лазерная глушилка: ослепление оптических систем противника.

Бытовая техника

Лазерные указки, лазерные уровни, лазерные дальномеры, лазерные проекторы.

Безопасность

Лазерное излучение представляет опасность для зрения и кожи. В зависимости от мощности и длины волны лазеры классифицируются по классам опасности (от 1 до 4). Класс 1 — безопасные устройства (например, лазерные принтеры). Класс 4 — мощные лазеры, способные вызвать ожоги кожи и необратимое повреждение глаз. При работе с лазерами 3 и 4 классов обязательно использование защитных очков, блокировок и дистанционного управления.

Интересные факты

Самый мощный лазер в мире — установка NIF (National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории (США) — способен генерировать импульсы мощностью до 500 тераватт.
В 2022 году на установке NIF впервые был достигнут положительный энергетический выход в реакции лазерного термоядерного синтеза.
Лазерная указка мощностью 5 мВт может ослепить пилота самолёта на расстоянии до 1 км.
В 1960-х годах в СССР разрабатывались проекты лазерного оружия для уничтожения спутников и баллистических ракет (программа «Терра»).
Лазеры используются в космических миссиях: например, на марсоходе «Кьюриосити» установлен лазерный спектрометр для анализа горных пород.

Источники

Басов Н. Г., Прохоров А. М. «Квантовая электроника». — М.: Наука, 1965.
Звелто О. «Принципы лазеров». — 5-е изд. — М.: Мир, 2008.
Миллер Л. «Лазеры: основы и применение». — М.: Техносфера, 2012.
Справочник по лазерной технике / Под ред. А. П. Напартовича. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
Материалы Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →