Что такое лазер?

1.

2.

Что такое лазер?
Устройство
Активная среда
Краткая история- первый лазер
Излучение
Основные виды лазеров
Сферы применения лазеров
Безопасность

3.

Ла́зер (англ. laser, акроним от
light amplification
bystimulated 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.
Лазер (лаборатория NASA).

4.

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.

5.

Некоторые типы лазеров,
например лазеры на растворах
красителей или
полихроматические
твердотельные лазеры, могут
генерировать целый набор частот
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.

6.

Все лазеры состоят из
трёх основных частей:
активной (рабочей)
среды;
системы накачки
(источник энергии);
оптического резонатора
(может отсутствовать,
если лазер работает в
режиме усилителя).
Каждая из них
обеспечивает для
работы лазера
выполнение своих
определённых функций.
На схеме обозначены: 1 — активная
среда; 2 — энергия накачки лазера;
3 — непрозрачное зеркало; 4 —
полупрозрачное зеркало; 5 —
лазерный луч

7.

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера
используются различные агрегатные состояния
вещества:твёрдое, жидкое, газообразное, плазма[15]. 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.

8.

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[17].
Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня
рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только
на его разогрев, а также с наличием множества других
факторов

9.

1916 г. - А. Эйнштейн предсказывает
существование явления вынужденного излучения
физической основы работы любого лазера.
1927-1930 г. – теоретическое обоснование этого
явления П. Дираком.
1928 г. – экспериментальное подтверждение
явления вынужденного излучения Р. Ладенбургом и
Г. Копферманном.
1954 г. – первый микроволновый генератор (
мазер на аммиаке ), создатели Ч. Таунс и
независимо от него А. Прохоров и Н. Басов.
1960 г. - Т. Мейман продемонстрировал работу
первого оптического квантового генератора
лазера. В последующие годы происходит бурное
развитие, и изобретаются все новые и новые виды
лазеров

10.

Первый работающий лазер был сделан Т.
Майманом в 1960 г. в исследовательской
лаборатории компании Хьюза, которая
находилась в Малибу, штат Калифорния с
привлечением групп Таунса из Колумбийского
Университета и Шалоу из компании Bell
laboratories. Майман использовал рубиновый
стержень с импульсной накачкой, который давал
красное излучение с длиной волны 694
нанометра.

11.

Примерно в то же время
иранский физик Али Яван
представил газовый лазер.
Позднее за свою работу он
получил премию имени А.
Эйнштейна. Основная идея
работы лазера заключается
в инверсии электронной
населённости путём
«накаки» рабочего тела
энергией, подводящейся к
нему, например, в виде
световых или электрических
импульсов. Рабочее тело
помещается в оптический
резонатор, при циркуляции
волны в котором её энергия
экспоненциально
возрастает благодаря
механизму вынужденного
излучения. При этом энергия
накачки должна превышать
определённый порог, иначе
потери в резонаторе будут
превышать усиление и
выходная мощность будет
крайне мала

12.

В 1954 г Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч.
Таунс разработали принцип генерации и усиления
радиоволн, используя явление индуцированного излучения,
и создали первый «мазер» - мощный излучатель радиоволн.
1960 г. в США был создан первый лазер в видимом
диапазоне спектра. В настоящее время ведутся работы по
созданию лазеров в рентгеновском и гамма-диапазоне,
что позволит использовать лазеры для осуществления
управляемого термоядерного синтеза. В 1954 г Н.Г. Басов,
А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали
принцип генерации и усиления радиоволн, используя
явление индуцированного излучения, и создали первый
«мазер» - мощный излучатель радиоволн. 1960 г. в США был
создан первый лазер в видимом диапазоне спектра. В
настоящее время ведутся работы по созданию лазеров в
рентгеновском и гамма-диапазоне, что позволит
использовать лазеры для осуществления управляемого
термоядерного синтеза.

13.

Н.Г. Басов
А.М. Прохоров
Ч.Таунс

14.

Жорес Иванович
Алферов - автор
основополагающих
работ в области
многослойных
гетероструктур, ставших
основой современных
полупроводниковых
лазеров. Жорес Иванович
Алферов - автор
основополагающих
работ в области
многослойных
гетероструктур, ставших
основой современных
полупроводниковых
лазеров.

15.

Излуче́ние —
процесс
испускания и
распространения
энергии в
виде волн и частиц.

16.

Спонтанное
Вынужденное
Индуицированное

17.

Спонтанное излучение В возбуждённом состоянии атом находится
около 10 -8 с, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в
основное состояние, излучая при этом квант света.
Спонтанное излучение происходит при отсутствии внешнего
воздействия на атом и объясняется неустойчивостью его
возбуждённого состояния.

18.

Если же атом подвергается внешнему воздействию, то
время его жизни в возбуждённом состоянии сокращается,
а излучение уже будет вынужденным или индуцированным.
Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 г А.
Эйнштейном.

19.

Индуцированное (вынужденное)
излучение- Излучение
возбужденных атомов под
действием падающего на них
света Излучение возбужденных
атомов под действием
падающего на них света
возникшая при индуцированном
излучении волна не отличается
от волны, падающей на атом ни
частотой, ни фазой возникшая
при индуцированном излучении
волна не отличается от волны,
падающей на атом ни частотой,
ни фазой
Вынужденное излучение
происходит в результате
воздействия на возбуждённый
атом кванта света, частота
которого совпадает с частотой
его спонтанного излучения.
Атом при этом переходит на
более низкий энергетический
уровень, и к первичному фотону
добавляется ещё один фотон,
ничем не отличающийся от
первого. Падающее на атом
излучение удваивается, затем
может образоваться «лавина»
фотонов.

20.

Газовые лазеры
Лазеры на красителях
Лазеры на парах
металлов
Твердотельные лазеры
Полупроводниковые
лазеры

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

Сферы применения
лазеров:
1) Наука.
2) Вооружение.
3) Медицина.
4)Промышленность.
5) Быт

28.

Основные направления :
1) Спектроскопия.
2) Измерение расстояния до
Луны.
3) Создание искусственных
опорных звезд.
4) Фотохимия.
5) Лазерное намагничивание.
6) Лазерное охлаждение.
7) Термоядерный синтез.

29.

1)Стомотология
2)Хирургия
3)Диагностика
4)Точечная сварка
тканей
5)Удаление опухолей

30.

Резка, сварка,
гравировка,
маркировка
CD, DVDпроигрователи
Принтеры, сканеры
Фотографии
Считывание шрихкодов
Оптическая связь
Система навигации
Татуировки

31.

32.

33.

Лазерное оружие
Лазерный прицел и
наведение

34.

35.

36.

37.

Самым
мощным
действующим лазером на
данный момент является
Техасский петаваттный лазер
(1,1 ПВт)

38.

Любой, даже
маломощный лазер,
представляет
опасность для зрения
человека. Лазер часто
применяется в быту, на
концертах, музыкальных
мероприятиях.
Зафиксировано
множество случаев
получения ожогов
сетчатки глаза, что
приводило к временной
или полной слепоте.

39.

«Создание лазеров не только
коренным образом изменило
оптику, но и оказало огромное
влияние на многие области
современной физики, химии,
кибернетики, биологии,
медицины, технологии. Сейчас
мы видим, что когерентный свет
открыл новые, совершенно
неожиданные возможности для
решения кардинальных
проблем нашей бурно
развивающейся цивилизации –
энергетической,
информационной,
технологической. Широкое
применение лазеров означает
качественное преобразование в
производительных сферах
общества, подобное внедрению
в производство и
жизнедеятельность человека
электричества».(Н. Г. Басов)