в чем измеряется лазерное излучение
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)
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).
Спектр лазерного излучения
Спектр лазерного излучения
Таким образом, в лазерах с однородным уширением спектральной линии среды возможно получение одночастотного режима с большой мощностью (рис. 15.12, в ), так как в отличие от случая неоднородного уширения для получения этого режима не требуется снижения мощности накачки.
В случае генерации одной моды с частотой ν 0 ширина линии лазерного излучения может быть оценена по формуле
где Р — мощность излучения. Рост мощности излучения соответствует большей
§ 15.4. Когерентность, монохроматичность и направленность лазерного излучения
В применении к оптическим колебаниям когерентность характеризует связь (корреляцию) между фазами световых колебаний. Различают временную и прострaнcтвенную когерентность, с которыми в лазерах связаны монохроматичности и направленности излучения.
В общем случае, когда исследуется корреляция полей излучения вдвух точках прострaнcтва соответственновмоментывремени, смещенные на некоторуювеличину τ, используется понятие функции взаимнойкогерентности
где I ( r 1 ) и I ( r 2 )—интенсивность излучения в выбранных точках. Модуль γ 12 ( τ ) изменяется от нуля до единицы. При γ 12 τ =0 когерентность отсутствует, в случае | γ 12 ( τ )|=l имеется полная когерентность
Временная когерентность и монохроматичность связаны между собой. Количественно монохроматичность определяется степенью монохроматичности ∆ ν / ν 0 (см. § 15.3 ). Чем выше степень временной когерентности, т. е. чем больше время когерентности, тем меньше частотный спектр ∆ ν, занимаемый излучением, и лучше монохроматичность. В пределе при полной временнойкогерентности( τ → ∞ ) излучениесталобы полностьюмонохроматичным( ∆ ν→0 ).
Рассмотрим временную когерентность лазерного излучения. Предположим, что некоторая частица активной среды излучила квант, который представим в виде цуга колебаний (см. рис. 15.13). При взаимодействии цуга с другой частицей появится новый цуг, фаза колебаний которого из-за природы вынужденных переходов совпадает с фазой колебаний исходного цуга. Этот процесс многократно повторяется, при этом корреляция фазы сохраняется. Результирующее колебание можно рассматривать как цуг с длительностью значительно большей длительности τ исходного цуга. Таким образом, происходит увеличение времени когерентности, т. е. улучшаетсявременная когерентностьимонохроматичностьизлучения.
В связи с этим рассмотрением становится очевидным, что оптический резонатор повышает временную когерентность лазерного излучения, так как он обеспечивает многократное прохождение цугов через активную среду. Последнее эквивалентно увеличению времени жизни излучателей, повышению временной когерентности и уменьшению ширины линии
Свойства лазерного излучения
Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно выpaбатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.
Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.
Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.
Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.
Физические свойства излучения
Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.
Длина волны лазера
Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в прострaнcтве с конечной скоростью.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равное расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колeблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) ( 1мкм=1000нм).
Частота импульсов лазера
Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.
Мощность лазера
Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.
Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Дж – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1Дж=1Вт/1с
Длина волны лазерного излучения
Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.
Спектр лазерного излучения (цвет лазера)
Ультрафиолетовый диапазон
Видимый спектр:
Инфракрасный диапазон
В физиотерапии наиболее часто применяют красный и ближнего инфракрасного диапазона, которое обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.
Интенсивность лазерного излучения
В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:
Автор статьи Комaнда профессионалов АЮНА Professional
Многообразие лазеров, часть 1.
Аббревиатура LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет вынужденного излучения. В этой статье мы поговорим о том, как лазеры устроены, и о том, что влияет на одну из основных характеристик лазера – его длину волны, а во второй части рассмотрим всевозможные типы лазеров и узнаем, каковы их длины волн и где они применяются.
История лазеров началась с предсказания Эйнштейном в 1916 году эффекта вынужденного излучения. О том, что это такое мы поговорим чуть позже. К 1928 году этот эффект был подтвержден на практике, а к 1940 родилась идея использовать его для усиления света. В 1954 году Басов, Прохоров и Таунс создали первый мазер, работающий на том же принципе, что и лазер, но излучающий волны микроволнового диапазона (отсюда и буква М в его названии). Первый же лазер как таковой (излучающий вблизи оптического диапазона, конкретно в этом случае – на длине волны 0.694 мкм) был создан в 1960 году Мейманом. Это был твердотельный лазер на рубине с оптической накачкой с помощью газоразрядной лампы.
На сегодняшний день лазеры работают в суммарном диапазоне длин волн от долей ангстрема (лазеры на свободных электронах) до десятков микрометров (например, CO2 лазер излучает на длине волны 10.6 мкм), что многократно превышает видимый спектр, составляющий всего от 0.38 до 0.74 мкм. Однако, существующие лазеры не полностью заполняют весь этот промежуток.
Чем же лазер отличается от обычного источника света, например, газоразрядной лампы? Принципиальных различия два: во-первых, лазер, в отличии от лампы, излучает очень узкие линии (рекорд, если не ошибаюсь, составляет ширину линии в сотые доли Герца на фоне 10^15 Герц несущей), а во-вторых, он излучает волны высокой когерентности.
Необходимо остановиться на этих двух понятиях – спектре и когерентности.
Электромагнитный спектр – это распределение энергии электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.
На следующих изображениях показаны спектры излучения солнца, ртутной лампы и гелий-неонового лазера. Видно, насколько сильно они различаются – практически сплошной спектр у Солнца (лишь несколько изрезанный), множество линий у ртутной лампы и одна-единственная узкая линия у лазера.
Спектр излучения Солнца.
Спектр излучения ртутной лампы.
Спектр излучения гелий-неонового лазера.
Когерентность излучаемого света означает, что электромагнитные колебания в разных точках лазерного пучка (как по прострaнcтву, так и по времени) происходят взаимосвязано, с постоянной разницей фаз. Наличие когерентности приводит к наблюдению такого явления как интерференция, когда складываются амплитуды волны, а не их интенсивности (пропорциональные квадрату амплитуды), как это происходит с некогерентным светом. При интерференции волны могут как усиливать, так и гасить друг друга – это, в частности, проявляется в виде интерференционных полос, появляющихся в плоскости интерференции. Энергия при этом, разумеется, никуда не пропадает (при гашении) и не появляется из ниоткуда (при усилении) – она перераспределяется между областями максимумов и минимумов когерентности.
Типов лазеров великое множество: газовые, твердотельные, волоконные, жидкостные, на парах металлов, на свободных электронах, полупроводниковые, на центрах окраски, газодинамические, эксимерные, химические и даже лазеры с накачкой ядерным взрывом.
Но все они построены по одному и тому же принципу генератора — усилителя с положительной обратной связью. В качестве усилителя работает так называемая активная среда лазера — рабочее тело, в котором создана инверсия населенности, а в качестве положительной обратной связи используется система зеркал (в основной массе), образующая резонатор. Энергию в активную среду передает система накачки.
По сути, свет, зародившийся в активной среде выходит из нее, частично отражается зеркалами резонатора обратно, вновь проходит через активную среду, где усиливается, снова выходит из нее и отражается обратно, и так до бесконечности. В конце концов, лазер (непрерывный) выходит на установившийся режим, при котором усиление равно потерям – сколько энергии за один обход светом выходит резонатора из лазера, столько же энергии добавляется в свет за один проход через активную среду.
Основной процесс, приводящий к усилению света в лазерах, называется вынужденным излучением. Его суть в следующем.
Существует среда, в которой какая-то доля атомов находится в возбужденном состоянии (на т.н. верхнем лазерном уровне), при этом в атоме (или молекуле) существует еще один, более низкий уровень энергии (нижний лазерный уровень), на который электрон способен перейти с излучением кванта света (т.н. разрешенный переход). Если в такую среду снаружи прилетает квант света, имеющий ту же энергию, что и разница энергий между этими уровнями, то существует вероятность, что один из возбужденных электронов «свалится» с верхнего лазерного уровня на нижний за счет «взаимодействия» с налетающим фотоном, при этом он излучит еще один квант света, имеющий ту же энергию, что и налетающий фотон (и равную разнице энергий между уровнями), и будет с ним когерентен (т.е. разница фаз их колебаний остается постоянной). Слово «взаимодействие» я взял в кавычки, так как в этом процессе налетающий фотон никак не изменяется. В этом месте можно привести цитату из учебника Нагибиной Ирины, которую из года в год закрашивали в старых учебниках: «и фотоны, как груши, падающие с дерева, увлекают друг друга в полёт».
Существует и другой процесс, с которого стартует излучение лазера – спонтанное изучение, при котором электроны сваливаются с верхнего лазерного уровня на нижний самопроизвольно, излучая фотон со случайной фазой.
Процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучения.
Усиление света происходит в активной среде – веществе, в котором создана инверсия населенностей. Населенность означает доли атомов, находящихся на тех или иных уровнях энергии. В тепловом равновесии населенность распределяется по закону Больцмана, т.е. чем выше энергия уровня, тем экспоненциально меньше атомов находится на нем. При инверсии населенностей с помощью внешнего источника энергии создается обратная ситуация – на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем.
Распределение атомов при тепловом равновесии и инверсии населенностей.
Именно активная среда в основном определяет, какую длину волны будет иметь лазер. У каждой активной среды имеется спектр люминесценции, т.е. излучения света, энергия для которого получена с помощью внешнего источника (накачки) – электричества, другого света, химического возбуждения или, например, резкого расширения газа в газодинамических лазерах.
Спектр люминесценции рубина.
Резонатор в лазере выполняет сразу две функции – создание положительной обратной связи и частотной селекции.
Простейший резонатор образован парой зеркал. Обычно одно из них полностью отражающее, а второе – частично отражающее и частично пропускающее (прошедшее излучение и есть выходное). Свет, отражаясь от зеркал резонатора попадает обратно в активную среду, где далее усиливается. Так реализуется положительная обратная связь.
Резонатор назван так, поскольку в нем происходит резонанс – сложение волн одной частоты, при котором они усиливают друг друга. Резонатор обладает своим собственным спектром длин волн, которые в резонаторе складываются конструктивно. Волны, не попадающие в спектр резонатора, гасят сами себя. При этом этот спектр является бесконечным числом равноотстоящих линий. Так как одно из зеркал резонатора частично прозрачно, то эти линии не бесконечно узкие, а имеют некоторую ширину.
Спектр лазерного резонатора накладывается на спектр люминесценции активной среды, и происходит частотная селекция – выбор узкой полосы излучения (с шириной, обычно равной ширине линии резонатора) из всего (довольно широкого) спектра люминесценции активной среды. При этом в генерацию вылезает та из линий резонатора, которая соответствует наибольшей величине люминесценции. Иногда линий, имеющих одинаковое усиление несколько, и тогда между ними начинается конкуренция, и энергия постепенно перераспределяется между ними.
Наложение спектра резонатора на спектр люминесценции.
Управление длиной волны
Как мы выяснили, длина волны излучения определяется, во-первых, активной средой лазера, а во-вторых – его резонатором. Однако, существуют методы управления длиной волны.
Самым простым видом управления длиной волны является установка внутри резонатора дополнительных фильтров, которые изменяют его частотный спектр – например, с помощью поглощения света с ненужными длинами волн. При этом для отфильтрованных длин волн возрастают потери, и доминирующими линиями генерации становятся другие.
Основные типы таких фильтров – это, разумеется, поглощающие вещества (например, ячейка с газом). Следующим типом фильтра является дифракционная решетка – пластинка, на которой с некоторой периодичностью нанесены отражающие штрихи. В зависимости от угла падения света на пластинку она отражает обратно ту или иную длину волны, все прочие же уходят в сторону и не возвращаются в активную среду. Аналогичным образом используется и призма. Наконец, в некоторых резонаторах устанавливают специальный прибор – интерферометр. За счет эффекта интерференции он отфильтровывает определённый набор длин волн, внося в резонатор дополнительные потери, распределенные по основному спектру резонатора. Простейшим из таких приборов является плоскопараллельная пластинка, расположенная под углом к направлению распространения света.
Лазер с дифракционной решеткой.
Другим способом управления длиной волны является метод преобразования частоты излучения (или деления длины волны, что одно и то же). При этом в лазере устанавливается дополнительный элемент, осуществляющий это преобразование – специальный нелинейный кристалл (такой, в котором взаимодействие вещества со светом нелинейно зависит от поля, например, кристалл KDP).
Самая частая используемая разновидность такого явления это т.н. генерация второй (или более высоких) гармоники, при которой частота излучения удваивается (длина волны уменьшается в два раза). Электромагнитное поле, возникающее в кристалле и переизлучающееся в свет при этом пропорционально квадрату поля падающего света, что приводит к появлению компоненты с удвоенной частотой (квадрат синуса, описывающего волну, представляется как сумма постоянной величины и величины, колeблющейся на удвоенной частоте). Такие кристаллы установлены, например, в китайских зеленых лазерных указках. Вообще говоря, это поистине hi-tech устройство: такая указка является полноценным твердотельным лазером с продольной диодной накачкой и генерацией второй гармоники. В излучении таких указок можно найти как компоненту, собственно, зеленого цвета (0.53 мкм), так и остаточное излучение основной гармоники (1.06 мкм), и излучение диодного лазера накачки (0.808 мкм).
В нелинейных кристаллах так же возможна генерация суммарной (или разностной) частоты. Происходит это, опять же, благодаря нелинейным явлениям. При этом из двух взаимодействующих в кристалле фотонов возникает один, с частотой, являющейся суммой частот исходных фотонов. Такой подход позволяет заполнить лазерным излучением ультрафиолетовый диапазон, в котором обычных лазерных источников практически не существует.
Плавная перестройка частоты в некотором пределе возможна благодаря параметрическому усилению света в нелинейных кристаллах (явление основано на генерации суммарной и разностных частот). При этом сам нелинейный кристалл накачивается интенсивным светом какой-либо длины волны (генерируемой лазером), а этот свет внутри него преобразуется в две (или более) волн другой длины, свет которых гуляет по дополнительному резонатору. Таким образом получаются как бы два лазера внутри одного. При этом перестройка по длине волны осуществляется путем поворота или нагрева кристалла, что меняет условия нелинейного взаимодействия для разных длин волн за счет зависимости коэффициента преломления кристалла от угла и температуры.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Спектр — излучение — лазер
Спектр излучения лазеров на неодимовом стекле определяется как спектроскопическими параметрами стекла, так и характеристиками резонатора. [3]
Спектр излучения лазера обычно настолько узок, что его невозможно исследовать оптическими спектрометрами высокого разрешения, используя, например, спектрометры на основе дифракционных решеток или даже интерферометры Фабри — Перо. Уже в 1961 г. Джаван и др. [3] показали, что монохроматичность Не-Ne — лазера на волне 1 153 мкм достигает ДАД10 — И. [5]
Ширина спектра излучения лазера определяется главным образом числом генерирующих мод. Вследствие этого лазер обычно излучает набор различных частот, которые лежат внутри линии люминесценции активного вещества. Например, для твердотельных лазеров, работающих в многомодовом режиме, ширина линии излучения Avreil может быть порядка 1 ГГц. Следует отметить, что многомодовый режим работы генератора ухудшает когерентность и направленность излучения. [6]
Однако вследствие узости спектра излучения лазера ( А ( ол С J 0 01 см 1) и большим по сравнению с Дол ангармонизмом молекулярных колебаний ( а0 — BI а 10 см 1) поглощение излучения, резонансного по отношению к переходу ( 5), оказывается далеким ют резонансного для других одноквантовых переходов и соответственно настолько слабым, что практически при любой плотности газа им можно пренебречь по сравнению с перераспределением энергии, поглощаемой в процессе ( 5) путем столкновений. Иными словами, канал фотодиссоциации, образуемый цепью последовательных переходов АВП Й ( 00 — ABn i, который был бы очень эффективен в системе гармонических осцилляторов, для двухатомного газа практически закрыт. [7]
Как указывалось выше, спектр излучения лазера не непрерывен, а состоит из линий строго определенной частоты. [8]
Таким образом, структура спектра излучения лазеров зависит как от положения участков спектра, где удается получить достаточно большое усиление световых волн, так и ( внутри этих участков) от положения собственных частот оптических резонаторов. [10]
Как уже было указано, спектр излучения лазера определяется собственными колебаниями резонатора, имеющими наиболее высокую добротность. Раньше всего ( при наименьшем уровне подкачки Р) будут генерироваться продольные типы колебаний, частоты которых лежат в центре линии флуоресценции активного материала. Кроме того, будут генерироваться колебания, распространяющиеся под небольшим углом 9 к оси резонатора, имеющие собственные частоты, близкие к частотам соответствующих продольных колебаний. Величина угла 6, в пределах которого лежат генерирующиеся типы колебаний, определяется добротностью этих колебаний и уровнем подкачки. [11]
Поэтому можно ожидать, что спектры излучения лазеров с небольшой расходимостью, работающих на средах с однородным уширением в квазистаиионарном режиме, должны удовлетворительно описываться изложенной выше теорией даже в присутствии разных поперечных мод. [12]
Лазерное излучение. Спектр электромагнитного излучения
Спектр электромагнитного излучения
Методы снижения вибрации
1. Снижение вибрации в источнике ее возникновения.
2. Конструктивные методы (виброгашение, виброденфирование — подбор опр. видов материалов, виброизоляция).
3. Организационные меры. Организация режима труда и отдыха.
4. Использование ср-в инд. защиты (защита опopных пов-тей)
Лазерное излучение: l = 0,2 — 1000 мкм.
Основной источник — оптический квантовый генератор (лазер).
Особенности лазерного излучения — монохроматичность; острая направленность пучка; когерентность.
По виду излучение лазерное излучение подразделяется:
— прямое излучение; рассеянное; зеркально-отраженное; диффузное.
По степени опасности:
I. Класс. К лазерам первого класса относятся такие, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи.
II. Класс. К лазерам второго класса относятся такие лазеры, эксплуатация которых связана с воздействием прямого и зеркально-отраженного излучения только на глаза.
III. Класс. Лазеры характеризуются опасностью воздействия на глаза прямого, и зеркально и диффузно отраженного излучения на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности на глаза, а также прямого и зеркально отраженного излучения на кожу.
IV. Класс. Лазеры характеризуются опасностью воздействия на кожу на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.
Биологические действия лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области:
— ультрафиолетовая 0.2-0.4 мкм
b) дальняя свыше 1.0
93.79.221.197 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно