в чем измеряется лазер
Основные сведения о лазерах: принцип работы и характеристики лазерного излучения
Принципы работы и механизм излучения
Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.
Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.
Основные параметры и характеристики лазерного излучения
Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e 2 : это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.
Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.
Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический
Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.
Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода
Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.
Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).
Все о Лазерах
Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего. А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру 
А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.
Почему лазеры опасны
Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась. Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения. И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё. Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог.
Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения. Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер.
Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров.
Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера. Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» — смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение.
Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны.
PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил 😉
650нм – красный
Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше). На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше). Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» — но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус. Шарики, картон, серая бумага…
Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» — настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус — то что нужно для роботов, автоматики.
И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат — я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»).
Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод.
В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.
Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (
10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.
И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) — любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.
А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко 
532нм – зеленый
Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги. Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны — от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.
Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый). Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.
Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется — и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт.
Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.
405нм – фиолетовый
Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е. пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение. Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело. Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться 😉
780нм – инфракрасный
Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого. Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.
Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки — 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.
10мкм – инфракрасный, CO2
Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W — рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания. Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).
Применения лазеров
В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно. Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на YouTube – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.
Из более серьёзного — целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен
Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый 🙂 (ну и 200мВт красный, если хочется жечь)
Лазер
Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм.
Лазер (лаборатория NASA).
Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
Содержание
Принцип действия
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки.
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
Устройство лазера
На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.
Активная среда
В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:
>
здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N0 — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:
здесь I0 — начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a1 — показатель поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.
В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:
где a2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе
Система накачки
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).
На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.
Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.
Оптический резонатор
В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:
,
то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:
,
здесь — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:
.
Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют конечную ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии (в лазерной технике применяется термин «полоса усиления») укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.
При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:
Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.