Лазер

Излучение света. Лазер
12 класс
Излучение света.
Свет – это электромагнитные волны с длиной
волны 410-7-810-7 м.
Электромагнитные волны излучаются при
ускоренном движении заряженных частиц.
Эти заряженные частицы входят в состав
атомов.
Ясно, что внутри атома нет света так же, как в
струне рояля нет звука. Подобно струне,
начинающей звучать лишь после удара
молоточка, атомы рождают свет только после
их возбуждения.
Для того чтобы атом начал излучать, ему
необходимо передать определенную
энергию. Излучая, атом теряет полученную
энергию, и для непрерывного свечения
вещества необходим приток энергии к его
атомам извне.
Тепловое излучение
Наиболее простой и распространенный вид
излучения – это тепловое излучение, при
котором потери атомами энергии на
излучение света компенсируются за счет
энергии теплового движения атомов (или
молекул) излучающего тела. Чем выше
температура тела, тем быстрее движутся
атомы. При столкновении быстрых атомов
(или молекул) друг с другом часть их
кинетической энергии превращается в
энергию возбуждения атомов, которые затем
излучают свет.
Электролюминесценция

Энергия, необходимая атомам для излучения света,
может заимствоваться и из нетепловых источников.
При разряде в газах электрическое поле сообщает
электронам большую кинетическую энергию. Быстрые
электроны испытывают неупругие соударения с
атомами. Часть кинетической энергии электронов идет
на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают
энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд
в газе сопровождается свечением. Это
электролюминесценция.
 Северное сияние есть проявление
электролюминесценции. Потоки заряженных частиц,
испускаемых Солнцем, захватываются магнитным
полем Земли. Они возбуждают у магнитных полюсов
Земли атомы верхних слоев атмосферы, благодаря
чему эти слои светятся. Электролюминесценция
используется в трубках для рекламных надписей.
Катодолюминесценция
•
Свечение твердых тел, вызванное
бомбардировкой их электронами,
называют катодолюминесценцией.
Благодаря катодолюминесценции светятся
экраны электронно-лучевых трубок
телевизоров.
Хемилюминесценция

При некоторых химических реакциях, идущих с
выделением энергии, часть этой энергии
непосредственно расходуется на излучение света.
Источник света остается холодным (он имеет
температуру окружающей среды). Это явление
называется хемилюминесценцией.
 Почти каждый из вас, вероятно, знаком с ним. Летом в
лесу можно ночью увидеть насекомое светлячка. На
теле у него «горит» маленький зеленый «фонарик». Вы
не обожжете пальцев, поймав светлячка. Светящееся
пятнышко на его спинке имеет почти ту же температуру,
что и окружающий воздух. Свойством светиться
обладают и другие живые организмы: бактерии,
насекомые, многие рыбы, обитающие на большой
глубине. Часто светятся в темноте кусочки гниющего
дерева.
Фотолюминесценция
 Некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под
действием падающего на него излучения. Это и есть
фотолюминесценция.
 Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю
энергию), и после этого они высвечиваются сами. Например,
светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные
игрушки, излучают свет после их облучения.
 Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило,
большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение.
 Явление фотолюминесценции широко используется в лампах
дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил
покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки
веществами, способными ярко светиться под действием
коротковолнового излучения газового разряда. Лампы
дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее
обычных ламп накаливания.
Лазер
Вынужденное и свободное
излучение
Свободное или спонтанное
излучение
Вынужденное или стимулированное
излучение
Альберт Эйнштейн - 1916 г.
Лазер • опти́ ческий ква́нтовый генера́тор —
устройство, преобразующее энергию
накачки (световую, электрическую,
тепловую, химическую и др.) в энергию
когерентного, монохроматического,
поляризованного и узконаправленного
потока излучения.
• Первый рубиновый лазер был создан в
1960 Т. Мейманом;
• первый газовый лазер— А. Джаваном.
• Главный элемент лазера — активная среда,
для образования которой используют
различные методы накачки.
Принцип работы лазера.
Лазер обычно состоит из трёх основных
элементов:
 Источник
энергии (механизм «накачки»);
 Рабочее тело;
 Система зеркал («оптический резонатор»).
Устройство лазера
На схеме
обозначены:
1. Рабочая среда
2. Энергия накачки
лазера
3-4. Непрозрачное
зеркало/полупрозра
чное зеркало
5. Лазерный луч
Рабочая среда
Рабочее тело (рабочая среда) — основной
определяющий фактор длины волны лазера, а
также остальных его свойств. Существуют сотни или
даже тысячи различных рабочих тел (рубин, газ,
полупроводники и.д.), на основе которых можно
построить лазер. Рабочее тело подвергается
«накачке», чтобы получить эффект инверсии
электронных населённостей, что вызывает
вынужденное излучение фотонов и эффект
оптического усиления.
Энергия накачки лазера
Источник накачки подаёт энергию в систему.
Это может быть электрический разрядник,
электрический ток, импульсная лампа,
дуговая лампа, другой лазер, химическая
реакция или даже взрывчатое вещество. Тип
используемого устройства накачки
напрямую зависит от используемого
рабочего тела, а также определяет способ
подвода энергии к системе.
Непрозрачное
зеркало/полупрозрачное зеркало
Оптический резонатор, простейшей формой которого
являются два параллельных
зеркала(прозрачное/полупрозрачное), находится
вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное
излучение рабочего тела отражается зеркалами
обратно и опять усиливается. Волна может
отражаться многократно до момента выхода
наружу. В более сложных лазерах применяются
четыре и более зеркал, образующих резонатор.
Качество изготовления и установки этих зеркал
является определяющим для качества полученной
лазерной системы.
Лазерный луч
•Исключительно высокая
плотность потока (до 1014 Вт/см²)
излучения лазерного луча (на
солнце 7*103 Вт/см²)
• Возможность концентрировать
энергию в световые пучки
предельно малого диаметра
(порядка длины волны
излучения) за короткое время
(длительность импульса < 1 мс).
•Свет лазера монохроматичный.
Классы лазеров
•
•
•
•
•
Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать
уровень мощности, превышающий максимально разрешённое облучение. Лазеры и
лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому
глазу.
Класс 2. Маломощные лазеры, способные причинить повреждение человеческому
глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазер на протяжении
длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне
головы.
Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность,
если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении
кратковременного периода. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на
них через оптические инструменты (бинокль, телескоп).
Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если
смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению
лазера.
Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны
причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25
с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и
лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение
коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и
горючие материалы.
Применение лазеров
• Сегодня применение лазера всесторонне.При помощи
лазеров создаются почти все продукты
промышленности(диски;одежда;мебель,и другие);их
используют в медицине, военной технике, в
компьютерах, дисководах, лазерных шоу с их
помощью добиваются сверхнизких температур, а так
же сверхмощных магнитов.
Лазерные диски
С недавнего времени стали
производиться лазерные диски
разных форматов.
Принцип их работы прост – на
«пустом» диске лазером
выгравироваются «бороздки» альтернатива двоичному коду.
Потом, при помощи дисководов
информация поступает в устройство.
Одежда и мебель
Резка металла на лазерном
станке.
То что лазер разрезает
металлы
используется в
промышленности.
При помощи лазера
делают тончайшие
порезы ткани так как
лазерный луч
чрезвычайно
тонок,но способен
резать как шёлк и
бархат, так и дерево
и метал.
Медицина
С появлением промышленных лазеров
наступила новая эра в хирургии. При этом
пригодился опыт специалистов по лазерной
обработке металла. Приваривание лазером
отслоившейся сетчатки глаза , лазерный
скальпель , сваривание костей, соединение
мышечной ткани.
Лазер применяется сегодня в желудочнокишечной хирургии, при операциях на
желчных путях, селезенке, печени, легких.
Военная техника
Лазерное оружие
В данном случае подразумевается «несмертельное»
вооружение, главное назначение которого —
предотвратить нападение со стороны противника.
Показанное на рисунке устройство создаёт лазерный
луч небольшой мощности, направляемый в сторону
противника (в основном, эта технология используется
против авиации и танков). Противник полагает, что на
него нацелено высокоточное оружие, он вынужден
спрятаться или отступить вместо нанесения
собственного удара.
Компьютеры и дисководы
В современных компьютерах лазеры используются
при создании трехмерных моделей объектов и в
Сегодня практически все форматы дисков читаются
при помощи дисковода.
В дисководе лазер класса «1»(почти безвреден)
Лазерные шоу
Уже давно лазеры
используют как
сопровождение
музыки, концертов,
выступлений для
создания нужного
настроения.
Новейшие технологии
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.
Лазерное охлаждение
Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных
ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки 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 антистоксовое охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод
лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод охлаждения идеален для
космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему
охлаждения.
Голография
Одно из быстро
развивающихся
направлений лазерной
индустрии- голография.
Фотографирование
голограммы
С её помощью уже
делают объёмные
фотографии и
«световую» клавиатуру.
Объёмные фото
1.
2.
• Объёмные фото, или голограммы,
создаются при помощи лазера и особой
системы зеркал.
• Для проявления голограммы надо только
направить луч лазера на плоский снимок, и
станет видна голограмма.
• Одну из интересных разработок в этом
направлении представила недавно
команда английских исследователей из
Кембриджского университета и компании
Light Blue Optics, создавших весьма
удачный компактный проектор для
генерации больших голограмм с помощью
практически любого компьютера.
«Световая» клавиатура
Осенью 2006 года небольшая американская фирма HoloTouch
объявила о выпуске на рынок своей одноименной разработки
— «полнофункционального бескасательного голографического
интерфейса». Это устройство проецирует в нужном месте
пространства голограмму клавиатуры и позволяет вводить
команды и данные простым проводом пальца через образы
клавиш, плавающих в воздухе. Программируемое
пользователем устройство комплектуется всем необходимым
ПО и набором инфракрасных сенсоров, которые, собственно, и
регистрируют взаимодействие пальцев оператора с
элементами парящей в пространстве голограммы.
Задача
• Гелий-неоновый газовый лазер,
работающий в непрерывном режиме,
дает излучение монохроматического
света с длиной волны 630нм, развивая
мощность 400МВт. Сколько фотонов
излучает лазер за 1 с?
Формулы
E=hf
E=A
P=A/t
f=c/λ
Pt = nhc / λ
n = Ptλ / hc