Физика лазеров

фотоны) могут испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими

некоторой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами)

Внутренняя энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определённые дискретные значения, называемые уровнями энергии. Уменьшение внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн n определяется условием Бора:

где h = 6,62×10–27 эрг×сек — постоянная Планка

3. ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ (КОГЕРЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭМ ПОЛЯ)

3.1. Введение

т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного излучения. В радиодиапазоне

такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел.

Спонтанное излучение системы атомных частиц

Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определённая вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения
Акты спонтанного испускания происходят случайно Поэтому спонтанное излучение носит хаотический характер. Фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения

3.2. Спонтанное излучение системы атомных частиц

в работе «К квантовой теории излучения» рассмотрел взаимодействие атомов с

равновесным тепловым излучением с точки зрения гипотезы световых квантов. В этой работе Эйнштейн ввел понятия спонтанного и вынужденного излучения в квантовой системе, одновременно получив удивительно простой способ вывода формулы Планка.

Пусть для простоты рассуждений, атомы среды могут находиться только в двух энергетических состояниях: ε1 и ε2. Тогда число атомов в этих состояниях даются соотношениями (распределение Максвелла-Больцмана):

1. Вероятность такого процесса пропорциональна числу атомов на верхнем уровне,

поэтому

где - коэффициент спонтанного излучения Эйнштейна
Вынужденное поглощение

где - коэффициент вынужденного поглощения Эйнштейна,

- спектральная плотность излучения

Вынужденное излучение
Переход атома из состояния 2 в состояние 1 происходит под действием резонансного фотона и сопровождается излучением такого же фотона

где - коэффициент вынужденного излучения Эйнштейна,

- спектральная плотность излучения

должны находиться в балансе. Это возможно, если вероятности указанных радиационных

процессов удовлетворяют условию:

Откуда получаем:

в условиях термодинамического равновесия, определяются распределением Максвелла-Больцмана:














Вероятность единичного акта вынужденного

испускания фотона равна вероятности поглощения такого же фотона. Поэтому, при  одинаковой интенсивности излучения, полная вероятность поглощения будет пропорциональна N1, а полная вероятность вынужденного испускания - пропорциональна N2. В равновесных условиях  N2 < N1 и поэтому процесс поглощения будет преобладать над процессом вынужденного испускания: вещество будет поглощать электромагнитные волны

Система с двухуровневыми энергетическими состояниями

-

-

-

Спонтанное излучение

Вынужденное излучение

Поглощение

 N2 >N1 состояние с инверсией населенности - то процесс вынужденного

испускания будет преобладать над процессом поглощения.

-

-

-

-

Вынужденное излучение

Появившийся за счет спонтанного излучения фотон с энергией ∆ε=ћω, "размножается" за счет последовательных процессов вынужденного излучения. Возникает вспышка света, интенсивность которой зависит от размеров активной среды вдоль направления движения фотонов. Эта вспышка света называется сверхлюминисценцией

необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший 

оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу

Активная среда с возбужденными атомами
(инверсионная заселенность)

Зеркало 1

Зеркало 2

Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают лишь короткие вспышки сверхлюминисценции.  Фотоны, испущенные вдоль оси резонатора, многократно проходят через активную среду за счет отражений от зеркал. При этом они вызывают вынужденное излучение, которое увеличивает интенсивность световой волны. В наиболее благоприятных условиях находятся те фотоны, для которых выполняются условия возникновения стоячих волн

аналогичного условию возникновения стоячих волн в струне, закрепленной с двух

концов:

здесь l - расстояние между зеркалами; n - целое число;   λn - резонансная длина волны. В оптическом резонаторе l >> λ, поэтому целое число n принимает большие значения. При этом в пределах естественной ширины спектральной линии оказываются несколько резонансных длин волн - несколько мод оптического резонатора. Эту ситуацию иллюстрирует следующий рисунок, где изображена зависимость интенсивности излучения I от частоты ω для активной среды, находящейся в оптическом резонаторе

Существуют способы выделения одной из мод и подавления остальных. Такой одномодовый режим генерации позволяет достичь наивысшей когерентности излучения. Оптический резонатор формирует лазерное излучение, направленное строго по оси резонатора и обладающее высокой степенью когерентности. Для того, чтобы выпустить лазерное излучение из резонатора, одно из зеркал делают полупрозрачным.

излучения, т.е.
Откуда получаем для приращения интенсивности излучения
Если пренебречь спонтанным

излучением, то

Или

увеличения расстояния в среде:
Интенсивность, таким образом, меняется по экспоненциальному закону,

причем показатель экспоненты - разность населенностей уровней N2 - N1. Поскольку в тепловом равновесии

то можно оценить эту величину. Действительно, имеем

Откуда и

где

Однако в случае неравновесности (инверсионной населенности!) возможно усиление ЭМ поля в среде; для этого необходимо, чтобы

- это есть условие лазерной генерации и усиления

была подана заявка на изобретение нового метода усиления света, однако

авторское свидетельство по заявке было выдано с большим опозданием - только в 1959 году, а в 1964 году – диплом об открытии №12 с приоритетом от 1951 года «На способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн», основанный на использовании явления индуцированного испускания».

Первые квантовые генераторы были созданы в 1953 г. советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским ученым Ч.Таунсом. Всем троим в 1964 г. за эти работы присуждена Нобелевская премия по физике. Квантовые генераторы, созданные Басовым, Прохоровым и Таунсом, работали в микроволновом диапазоне и их английское название "мазер"  образовано по тому же принципу, что и термин "лазер", только вместо слова "Light" (свет)  используется слово "Microwave" (микроволновое излучение). Первый квантовый генератор, работающий в оптическом диапазоне - рубиновый лазер - был создан в 1960 г. Т. Мейманом (США).

3.5. Лазеры: условия генерации и свойства когерентного излучения

Слева направо: А.М.Прохоров,
Ч. Таунс и Н.Г.Басов

«Гордится Франция Фабри,
Германия гордится Кантом,
А наше славное МЭИ –
Гордится Валей Фабрикантом»

инверсию населенности.
2)  система накачки - устройство для создания инверсии населенности.
3) 

устройство положительной обратной связи - оптический резонатор

Главными процессами, приводящими к лазерному излучению являются:
1)  вынужденное излучение;
2)  положительная обратная связь

Лазер (оптический квантовый генератор) - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

Действие лазера основано на вынужденном электромагнитном излучении. Сам термин «ЛАЗЕР» происходит от английского LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («Усиление света за счет вынужденного испускания излучения»)

когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой,

находящейся в оптическом резонаторе.
2. Вынужденное излучение возникает, если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, воздействует фотон с частотой, удовлетворяющей условию:
,где - энергия основного состояния. Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
3. Если на уровне находится больше электронов, чем на уровне , то такое состояние активной среды называют состоянием с инверсией населенности. В этом случае процесс вынужденного излучения будет преобладать над процессом поглощения света.
4. Для возникновения лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, параллельных друг другу. Активная среда в состоянии с инверсией населенности расположена между этими зеркалами.
5. Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. Существуют различные виды накачки. В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов активной среды.

когерентность (время когерентности τ ~ 10-3 с, что соответствует длине

когерентности  l = с · τ = 105 м);
2) строгая монохроматичность: Δλ ~ 10-11 м;
3) большая плотность потока энергии;
4) очень малое угловое расхождение (от 5·10-4 рад до 4·10-2 рад).
Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение.
Используется как нерезонансное воздействие мощных лазерных пучков на вещество, так и резонансное воздействие на атомы и молекулы, вызывающие различные фотостимулированные реакции.
С появлением лазеров стало возможным экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка голографии. Голография - это способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметов, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна).

рубина
Лазерный
пучок
Зеркало с 95% отражением
Выключатель
Полированный алюминиевый отражающий цилиндр
Теодор Мейман

(1960г.) с первым рубиновым лазером

Первый работающий лазер был сделан Теодором МайманомПервый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в МалибуПервый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат КалифорнияПервый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. Майман использовал рубиновыйПервый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), 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 нанометраПервый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), 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. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.

накачкой. В зависимости от структуры активной среды используются различные виды

накачки.

В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом  случае для создания инверсии населенности активной среды необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов или молекул активной среды. Такая трехуровневая схема накачки была реализована в первом твердотельном лазере, созданном в 1960 г. Т. Мейманом (США). Активной средой в этом лазере являлся кристалл рубина, отполированные торцы которого служили зеркалами оптического резонатора. Один торец покрывался непрозрачным слоем серебра, слой серебра на другом торце пропускал 8% упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3 ), в которой (0,03 ÷ 0,05)% атомов алюминия заменены трехвалентными ионами хрома  Cr3+ .

Энергетическая схема иона хрома, который и является основным элементом активной среды

«накачки» рабочего тела, подводя к нему энергию, 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.
Перевод электронов с уровня ε1 на уровни широкой полосы ε3 (накачка) осуществляется за счет интенсивного облучения рубина некогерентным светом мощной импульсной лампы. В возбужденном состоянии ε3 ионы хрома проводят около 10-7 с, а затем отдают часть энергии колебаниям решетки и электроны ионов хрома без излучения света переходят на уровень ε2.
Этот уровень метастабильный, так как время жизни иона хрома в состоянии  ε2. порядка 10-7 с, что на четыре порядка (т.е. в десять тысяч раз) больше времени жизни в состоянии ε3. Большое время жизни электрона на уровне ε2 позволяет перевести достаточное число ионов хрома в это состояние. Для создания инверсии населенности необходимо, чтобы число ионов хрома в состоянии   ε2 было больше, чем в основном состоянии ε1, т.е. требуется возбудить больше половины ионов хрома.

особенно боевики и научная фантастикаВся современная поп-культура, особенно боевики и

научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмамВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны»Вся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакуумеВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухеВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицахВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнцаВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнца видны в запыленной атмосфереВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнца видны в запыленной атмосфере или в туманеВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнца видны в запыленной атмосфере или в тумане. Только лучи очень высокой мощности могут быть видны в чистом воздухе благодаря рэлеевскомуВся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнца видны в запыленной атмосфере или в тумане. Только лучи очень высокой мощности могут быть видны в чистом воздухе благодаря рэлеевскому или рамановскому (комбинационному) рассеянию.
Кроме того, в фантастических фильмах луч распространяется довольно медленно, так что его движение можно проследить глазом, совсем как трассирующий снарядКроме того, в фантастических фильмах луч распространяется довольно медленно, так что его движение можно проследить глазом, совсем как трассирующий снаряд. На самом деле, луч лазера распространяется со скоростью света и мы должны увидеть его сразу по всей длине.
Еще пример — во многих фильмах герой обнаруживает и обходит контурЕще пример — во многих фильмах герой обнаруживает и обходит контур лазерной защиты, распыляя какое-либо вещество в воздухе. На самом деле, инфракрасные лазерные диоды сделать проще и дешевле, чем излучающие видимый свет. Именно поэтому использовать лазеры с видимым излучением в охранных системах совершенно бессмысленно.

рабочей (активной) среды;
тип накачки (источник энергии);
непрерывное или импульсное

излучение;
выходная мощность;
длина волны излучения.

Условно современные лазеры подразделяют на следующие виды:
1 Газовые лазеры
2 Лазеры на красителях
3 Лазеры на пара́х металлов
4 Твердотельные лазеры
5 Полупроводниковые лазеры
6 Другие типы лазеров

красителях, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя,

например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин, например в лазерах на красителях. Состоят 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, например, углекислый газ, аргон, например, углекислый газ, аргон, криптон, 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, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов) добавкой небольшого количества ионов хрома) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый 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.
ПолупроводникиПолупроводники. Материал, в котором переход электроновПолупроводники. 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.

Фотохимия
1.4 Лазерное намагничивание
1.5 Лазерное охлаждение
1.6 Термоядерный синтез
2. Вооружения
2.1 Лазерное

оружие
2.2 «Звездные войны»
2.3 Целеуказатели
2.4 Системы обнаружения снайперов
2.5 Введение противника в заблуждение
2.6 Дальномеры
2.7 Лазерное наведение
2.8 Переносные лазеры (потенциально)
3. Медицина
4. Промышленность и быт

монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости

от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (10-16 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

Измерение расстояния до Луны
Во время полётов на ЛунуВо время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

пико- и фемтосекундами (10-12 — 10-15 с). Такие импульсы можно применять для

запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.
Лазерное намагничивание
Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2*10-13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

ионами в ионных ловушкахПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены

с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поляПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поляПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонамиПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образомПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононыПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотонПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотныхПервые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

снайперов
2.5 Введение противника в заблуждение
2.6 Дальномеры
2.7 Лазерное наведение
2.8 Переносные лазеры

(потенциально)

Боевой тактический лазер

Лазерные вооружения можно подразделить на тактические и стратегические, а также по типу базирования:
наземное;
морское;
авиационное;
космическое

Водородно-фторидный, генерирующий инфракрасный луч с диаметром в 58 см) и система управления им - созданы подразделением американской компании TRW Inc,

Valkyrie - стартовая площадка для испытаний прототипа космического бомбардировщика (программа

противоракетной обороны)

Лазерное оружие

Тактическая лазерная пушка

с боевыми лазерами в верхних слоях атмосферы
Общий вид боевого лазера

наземного и морского базирования

Авиационный мегаваттный боевой лазер

Общий вид боевого лазера наземного и морского базирования

применяются в конструкции некоторых оптических прицелов - яркую точку лазерного

прицела, которая указывает на то место, куда попадет пуля, хорошо видно издалека. При мерно по этому же принципу действуют и лазерные целеуказатели для высокоточных боеприпасов. Головка наведения ракеты или снаряда ориентируется на лазерный "зайчик", который направляет на цель сторонний наблюдатель (иногда - БПЛА, но чаще всего самолет, с которого запускается ракета или бомба). Недостатком лазерного целеуказания является то, что сильное задымление и даже просто пасмурная погода может исключить применение такого оружия.

Целеуказатели

в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961г., а

сейчас лазерные дальномеры используются в наземной военной техники (артиллеристские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят в армиях западных стран. Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный фазовый или фазо-импульсный.
Портативные лазерные дальномеры разработаны за рубежом для пехотных подразделений и передовых артиллерийских наблюдателей. Один из таких дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем корпусе с монокулярным оптическим визиром шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве источника излучения используется аллюминиево-иттириевый гранат, с модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность в 1.5 МВт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с широкополосным малошумящим усилителем, что позволяет детектировать короткие импульсы с малой мощностью. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов исключаются с помощью схемы стробирования по дальности. Источником питания является малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальнометра выполнены на интегральных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2кг.

в СССР в 1966 году в институте имени А. В.

Вишневского. В установках того времени лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.
В хирургии лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

1. Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны "заваривая" не слишком крупные кровеносные сосуды;
2. Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;
3. Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

механического воздействия на ткань;
5. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность,

ведь с тканью взаимодействует только излучение;
6. Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;
7. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.
Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.
Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная

опухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

1. Лазерное облучение - облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению
2. Лазерная коагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.
3. Лазерная хирургия - наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением.

на сосуды без изменения структуры прилегающих тканей. Зеленое излучение КТР-лазера

проникает сквозь поверхностные слои кожи и хорошо поглощается гемоглобином крови. В результате в поврежденном кровеносном сосуде происходит выделение большого количества тепла, кровь свертывается, а внутренняя стенка разрушается. В дальнейшем патологический сосуд зарастает соединительной тканью, а кожа обретает естественный цвет.

На практике при этом важно учитывать время тепловой релаксации сосуда, которое соответствует периоду, необходимому для передачи тепла за пределы сосуда. Это время зависит, прежде всего, от диаметра сосуда и может изменяться от 1 мс (для сосуда диаметром 50 мкм) до 80 мс (для сосуда диаметром 400 мкм). При облучении слишком короткими импульсами очень интенсивным лазером кровеносный сосуд поглощает достаточно большое количество энергии, которая не успевает рассеиваться. Из-за этого внутри сосуда значительно повышаются температура и давление, что приводит к разрыву его стенки и к микрокровоизлиянию. Клинически это проявляется в виде пурпуры или микрогеморрагий.

Лазерная микрохирургия

мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что

приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.
Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:
Коагулирующие: 1 - 5 Вт,
Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт,
Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.
Конечно, это деление в значительной степени условно, т.к. длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера.

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани. Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см-1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.

мощность излучения;
непрерывный или импульсный режим работы;

способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
возможность передачи излучения по оптическому волокну.

оптоволокно

Оптическое волокно - удобный способ доставки излучения

сварка нашла в производстве изделий электронной техники, так как позволяет

сваривать тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден); проводить микролокальную сварку (~10 мкм); обрабатывать короткими импульсами (~10-2 – 10-3 с), что исключает нежелательные структурные изменения в материалах из-за подавления диффузных процессов; вести сварку в любой атмосфере, в труднодоступных местах, бесконтактно и без загрязнений; соединять материалы с различными теплофизическими и механическими свойствами.

Основными преимуществами лазерной пайки являются следующие возможности: практически мгновенная скорость нагрева; точное дозирование энергии в процессе пайки; прецизионность позицирования зон обработки и т.д. Приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа электронных схем до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением. Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения.

4.2. Применение в технологических процессах: пайка

отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в

точке воздействия. Пример такого способа сверления - пробивка отверстий в часовых камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 - 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 - 0,5 Дж. и длительностью около 10-4 с. Для получения отверстий диаметром менее 5 мкм используются лазеры с малыми значениями длин волн.

А)

Б)

Лазерный луч

Пар материала

Зона сверления

Зона сверления

Пар материала

Лазерный луч

Облако плазмы

Лазерное сверление широко применяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется на "сыром" материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. При использовании "лазерных сверл" можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.

вольфрама и других металлов. При изготовлении проволок применяют технологию протаскивания

(волочения) проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе(алмазные фильеры). Только они позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическое сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!). Зато совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в случае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмаза используются твердотельные импульсные лазеры.
Наиболее впечатляющим процессом является технология получения отверстий в алмазных волоках. Стадии одного из вариантов показаны на рисунке.

1 - кристалл алмаза; 2 - пластина из хорошо поглощающего излучение материала; 3 - сфокусированное излучение; 4 - лунка в пластине 2; 5 - начальная лунка в кристалле алмаза; 6 - входная распушка и смазочный конус; 7 - рабочий канал; 8 - выходная распушка

100µm кратер в кремнии

заготовок
Для обработки плоских и объемных заготовок

Для автоматической трехмерной резки труб

будущем, лазерная нанолитография?

веществом)
4.1. Элементарное введение
Физика взаимодействия лазерного поля с веществом следующая:

ЭМ волна возбуждает движение свободных и связанных электронов в веществе;
Кинетическая энергия электронов частично рассеивается при их столкновениях с другими частицами, в частности, с колебаниями кристаллической решетки (фононами), превращаясь в тепло – нагревая решетку, а следовательно само вещество; в результате температура тела повышается;

Интенсивность ЭМ поля при этом при проникновении в вещество, уменьшается (поглощение ЭМ поля), что в большинстве случае описывается законом Бугера:

Величина называется коэффициентом поглощения (м-1) – на расстоянии интенсивность падает в e раз

Поглощение ЭМ поля вызывает появление распределенных источников тепла, так что

температура тела растет в среднем со скоростью:

При этом нагреву тела препятствует растекание тепла со скоростью (за счет теплопроводности):

даже в слабо поглощающих средах, коэффициент которых не превышает значения

В сильно поглощающих средах, в которых

можно получить вблизи поверхности за время, меньшее времени растекания тепла, на расстоянии примерно размера фокального пятна (10-2-10-3 см), температуру, выше температуры плавления и даже испарения, что ведет к расплавлению и испарению верхних слоев вещества. При этом темп нагрева под действием лазерного пучка может достигать величин порядка 109-1010 К/сек. Эти эффекты как раз и объясняют многие процессы как в технологическом использовании лазеров, так и в медицине и других приложениях.
Рассмотрим, в частности, быстрый нагрев металла лазерным импульсом. Пусть этот импульс имеет полную энергию W0. Для металлов коэффициент поглощения слабо зависит от длины волны и имеет порядок 105-106 см-1. В этом случае лазерное излучение проникает на глубину порядка

В этом случае описание нагрева можно упростить: радиус фокального пятна d0 значительно превышает глубину проникновения L0, растекание тепла в плоскости поверхности (y,z) можно пренебречь. Реальное распределение интенсивности можно заменить прямоугольным и поскольку интенсивность поглощения Iпогл =I0(1-R), имеем

приближенно можно описать соотношением Ньютона:

Вычисления дают, что такие тепловые потери

примерно равны:

Поток тепла в металле при этом есть:

Для металла имеем

Отсюда можно показать, что практически всегда

Оценивая в этих условиях максимальную температуру нагрева металла

Если взять параметры для стандартного металла и лазерного импульса:

Тогда:

начнутся эффекты плавления и испарения. Вместе с тем, из нее

следует, что воздействие на металлы может быть очень значительным.

4.2. Светореактивное давление

Светореактивное давление возникает в процессе испарения вещества с поверхности и по величине оно пропорционально скорости течения пара и скорости изменения единицы массы поверхности

С другой стороны изменение массы пропорционально интенсивности и обратно пропорционально теплоте парообразования, так что имеем

С помощью лазерных импульсов можно достичь давления порядка 1012 атм. Это позволяет использовать реактивную силу как реактивный двигатель и ускорять микрочастицы в светореактивной струе.

4.3. Лазерное сжатие мишеней
С помощью фокусировки лазерного излучения можно получать интенсивности порядка 1016 Вт/см2. Кроме того, лазерное реактивное давление может очень сильно сжимать вещество, что приводит к идее использовать лазеры для инициирования термоядерных реакций в дейтериево-тритиевых смесях.

около 108К (для преодоления кулоновских отталкивания между «ободранными» от электронов

ядрами. Кроме того, необходимо для плотности плазмы выполнение условия Лоусона:

Для выполнения критерия Лоусона можно использовать сферическое сжатие термоядерных мишеней

Схема сферического сжатия термоядерных мишеней мощным лазерным излучением