CC BY
1Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 12 (81) Том 3. ДЕКАБРЬ 2024 г. УДК 621.373.8
Кожахметова А.М.
студентка 2-го курса, по специальности: Научная физика
Кокшетауский государственный университет им. Ш. Уалиханова
(г. Кокшетау, Казахстан)
ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ: ТИПЫ, СВОЙСТВА, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
Аннотация: статья посвящена основам физики лазеров, включая их принципы работы, типы и уникальные свойства. Рассматриваются ключевые процессы, лежащие в основе лазерного излучения, такие как поглощение, спонтанное и вынужденное излучение, а также резонатор в генерации когерентного света. Описаны особенности различных типов лазеров, таких как газовые, твердотельные, лазеры на красителях и волоконные. Особое внимание уделяется их использованию в таких областях, как медицина, наука и промышленность.
Ключевые слова: лазер, наука, излучения, поглощения, технология, применение, принцип работы.
ВВЕДЕНИЕ.
Изобретение лазера можно считать одним из наиболее выдающихся достижений науки и техники XX века. История возникновения лазеров началась с теоретического предсказания Альберта Эйнштейна в 1917 году, а американский физик Теодор Майман сконструировал первый лазер в 1960 году. За сравнительно короткое время было реализовано множество типов лазеров, каждый из которых нашел свое применение в решении различных научных и технических задач. Лазеры используются в таких сферах, как фундаментальная наука, медицина, промышленность.
1582
1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ
Лазеры - это устройства, создающие когерентный, направленный и монохроматический свет. Их работа основана на уникальных физических процессах, которые можно разделить на несколько ключевых этапов:
Основные принципы работы лазера:
1.1. Поглощение энергии: Процесс работы лазера начинается с того, что энергия подается в активную среду, чтобы перевести атомы или молекулы на более высокие энергетические уровни. Этот процесс называется накачкой.
Накачка может быть осуществлена различными способами:
1) Оптическая накачка - энергия подается через световые импульсы от другого лазера или источника света.
2) Электрическая накачка - через электрический разряд.
3) Химическая накачка - при химической реакции, которая высвобождает энергию.
1.2. Спонтанное излучение: При воздействии фотона определенной энергии на возбужденный атом или молекулу происходит переход на более низкий энергетический уровень, при этом испускается еще один фотон с той же длиной волны, направлением и фазой. Этот процесс называется вынужденным излучением.
1.3. Резонатор: Лазерная среда помещена между двумя зеркалами. Одно зеркало полностью отражает свет, другое - частично пропускает его. Фотон многократно отражается, стимулируя излучение новых фотонов. Свет многократно отражается внутри резонатора, проходя через активную среду и усиливаясь за счёт вынужденного излучения. Это процесс называется оптическим усилением.
1.4. Выход лазерного излучения: Часть света, проходящего через полупрозрачное зеркало, выходит наружу, формируя лазерный луч. Этот луч отличается высокой интенсивностью, направленностью и монохроматичностью, что делает его уникальным инструментом для научных, медицинских и промышленных целей. (Рис 1).
1583
На схеме выделены: 1 - Активная среда, 2 - энергия накачки лазера, 3 -непрозрачное зеркало, 4 - полупрозрачное зеркало, 5- лазерный луч.
5 I
Рис 1. Схема работы лазера.
2. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
Лазеры классифицируется по различным параметрам, таким как тип активного вещества, длина волны излучаемого света и методы возбуждения. Среди ключевых категорий лазеров можно выделить твердотельные лазеры (например, рубиновый и Кё:УЛО), газовые (включая СО2, гелий-неоновые и аргоновые), полупроводниковые (диодные), а также на красителях и оптические волоконные лазеры.
Для наглядности рассмотрим таблицу:
1584
Таблица 1. Типы лазеров
Тип лазера Активная среда Длина волны Особенность Применения
1 2 3 4 5
Рубиновый Кристалл рубина 694нм (темно - красный цвет) Первый представленны й тип лазера(1960), работа в импульсном режиме. Наука (голография), косметология (удаление татуировок, веснушек, пигментных пятен).
Nd: YAG Алюмо-иттириевый с легированием неодимом 1064нм (инфракрасн ый свет) Имеет высокую мощность, работа в импульсном режиме. Обработка материалов, в медицине (хирургия, косметология), научные исследования.
CO2 Газ (углекислый газ) От 9,6 до 10,6 мкм Самый мощный лазер с излучением 80кВт. Промышленность (сварка, резка), медицина (хирургия).
Гелий -Неоновый Газовая смесь (гелий и неон) 632,8нм (красный цвет) Имеет высокую стабильность. Голография, лабораторные работы, спектроскопия.
Аргоновый Ионизированный газ 488нм, 514нм Высокая мощность, сильная интенсивность Офтальмология, научные исследования.
Диодный Полупроводниковый созданный на базе диода. 808нм Высокая эффективность, надежность. Телекоммуникация , медицина (лазерная эпиляция), сканеры.
Лазеры на красителях Органический краситель (родамин, кумарин и другие) 470 -515нм (Кумарин 102), 540 - 600 (Родамин 110) И другие. Перестройка длины волны. Спектроскопия, научные исследования.
Волоконный Оптические волокна с элементами (неодим, эрбий, и другие) 780 -1100нм (Неодим), 1460 -1640нм (Эрбий) Быстрое отражение луча от поверхности. Промышленность (резка, сварка), медицина (физиотерапия)
1585
3. СВОЙСТВА ЛАЗЕРОВ
Лазеры обладают рядом уникальных свойств, которые отличают их от обычных источников света. Эти характеристики делают лазеры незаменимыми в различных областях науки, техники, медицины и других сфер. Рассмотрим основные свойства лазерного излучения.
3.1. Когерентность
Лазерного излучения означает, что все фотоны в лазерном луче находятся в одной фазе. Это важное свойства имеет два аспекта:
Временная когерентность:
Все фотоны лазерного луча обладают одинаковой частотой, что делает излучение монохроматическим, то есть состоящим из фотонов одной длины волны. Это свойство позволяет сохранять стабильность фазового состояния в течение длительного времени, что в свою очередь, открывает возможности для применения лазеров в таких областях, как лазерная интерферометрия.
Пространственная когерентность: Фотоны лазерного луча движутся строго в одном направлении, формируя узкий и практически не расходящийся пучок света. Это свойство делает лазерное излучение высоконаправленным, позволяя лучу сохранить свою концентрацию даже на значительных расстояниях.
3.2. Монохроматичность
Лазеры излучают свет с чрезвычайно узким спектром, который практически полностью состоит из волн одной длины. Это свойство называется монохроматичностью. Например, лазер на основе гелий-неоновой смеси генерирует с длиной волны 632,8 нм, что соответствует красному цвету. Красные лазеры широко применяются в сфере показов, указателей и считывателей штрих - кодов. Монохроматичность играет ключевую роль в таких областях, как спектроскопия, где точность анализа вещества требует использования излучения с определенной частотой.
1586
3.3 Интенсивность
Лазерное излучение характеризуется высокой интенсивностью. Благодаря эффекту стимулированного излучения количество фотонов увеличивается по мере распространения света, что приводи к его значительному усилению. Это свойство позволяет лазерам создавать мощные световые пучки, которые находят применение в таких областях, как резка и сварка материалов, медицинская диагностика и терапия. Кроме того, уровень интенсивности лазерного излучения можно гибко регулировать - от слабых сигналов до высокоэнергетических импульсов.
4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
4.1. Медицина: Использование лазерных технологий привело к значительному прогрессу в медицине, улучшив методы обнаружения и лечения. Благодаря этим инструментом врачи могут проводить процедуры с большой точностью и минимальным дискомфортом для пациентов. Лазеры применяются в таких областях, как хирургия, терапия, дерматология, а также в ряде других направлений. В хирургии они используются для удаления опухолей, лечение аритмий, коррекция зрения, лечение катаракты и глаукомы и многих других направлений. Лазеры используется в терапии для лечения различных проблем, таких как воспаления, заживление ран и восстановление тканей. Для этого используется такие типы лазеров, как диодные, эрбиевые и неодимовые, каждый из которых имеет свою длину волны и особенностями воздействия на ткани. В дерматологии лазеры применяются для удаления шрамов, родинок, бородавок, а также для лечения акне, с помощью различных типов лазеров, таких как аргоновые, диодные и эрбиевые.
4.2. Промышленность: В различных отраслях промышленности лазерные технологии находят широкое применение благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая точность, мощность, когерентность
1587
и возможность работать с различными материалами. Вот основные направления их применение:
Обработка материалов: Одной из основных областей применения является резка: CO2 и волоконные лазеры позволяют быстро и точно разделить металл, пластик, дерево, стекло и другие материалы с минимальным искажением. Кроме того, лазеры широко используются для сварки, обеспечивая прочное и точное соединение деталей, что особенно важно в автомобильной и авиационной промышленности. Гравировка и маркировка с помощью диодных и волоконных лазеров позволяют наносить надписи, логотипы и серийные номера на поверхности металла или пластика. Все эти процессы характеризуются высокой скоростью, надежностью и минимальными отходами.
Микрообработка: Лазеры активно используются в микрообработке благодаря своей высокой точности и возможности работы с небольшими размерами. Они применяются для создания тонких токопроводящих дорожек на печатных платах и сверления микроотверстий в керамике и металлах. Еще одним направлением является лазерная абляция, которая позволяет удалить тонкий слой материала, не повреждая окружающие области, что важно для создания микросхем и наноструктур. Эти технологии востребованы в микроэлектронике и нанотехнология
4.3. Наука: Использование лазеров в науке является незаменимым инструментом для научных исследований благодаря их высокой точности, мощности и способности работать в широком диапазоне частот. Рассмотрим некоторые области их применения:
Физика и химия: В физике лазеры применяются для изучения свойств света, как дифракция и интерференция, а также для квантового охлаждения атомов и обнаружения гравитационных волн. Лазеры используются в лазерной интерферометрии для обнаружения гравитационных волн, как в проекте LIGO, где их применение дала возможность достичь точности, необходимой для измерения малых колебаний. В химии лазеры применяются в спектроскопии для анализа молекул и химических реакций, а также в лазерных катализаторах
1588
для активации и контроля химических процессов, открывая новые пути для создания эффективных методах синтеза.
Астрономия и космические исследования: В астрономии лазеры применяются для определения расстояний, например, они позволяют точно измерить дистанцию до Луны и других небесных тел с помощью лазерной дальнометрии. В рамках космических исследований лазеры играют ключевую роль в создании адаптивных оптических систем, которые корректируют искажения, вызванные атмосферой Земли, что дает возможность астрономам получить более четкие снимки удаленных объектов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение хотелось бы сказать, что лазеры представляют собой одно из важнейших достижений науки и техники, оказавшее существенное влияние на самые разные сферы жизни. С момента своего создания они нашли применение в медицине, промышленности, науке и многих других областях. Благодаря своим отличительным свойствам, таким как когерентность и монохроматичность излучения, лазеры стали важным инструментом и до сих пор продолжают активно развиваться. Их значение в решении современных задач велико, и в будущем эта тенденция будет только усиливаться.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Айрапетян, В.С., Ушаков, О.К. Физика лазеров: Учебное пособие.-Новосибирск: СГГА, 2012. - 112-115 с. - ISBN 978-5-87693-528-1;
2. Борейшо, А.С., Ивакин, С.В. Лазеры: Устройство и действие: Учебное пособие. - СПб: Издательство " Лань", 2016. - 8с. - ISBN 978-5-8114-2088-9;
3. Бородина, Е.Г., Лентовский, В.В. Основы квантовой электроники: Учебное пособие. - СПб : Балт .гос. техн. ун-т, 2017. - 129с. - ISBN 978906920-89-8;
1589
4. Минаев, И.В., Сергеев, А.Н., Кубанова, А.Н., Добровольский, Н.М., Гвоздев, А.Е., Кутепов, С.Н., Малий, Д.В. История развития лазера и его применение: Чебышевский сборник. Том 20. Выпуск 4. - 2019. - С. 427-428;
5. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Оптика. Том 4: Учебное пособие. -Москва: Наука, 1985. - 748с.;
6. ISSN 2949-2076// Лазер. Научно- образовательный портал: Большая российская энциклопедия: Электронный ресурс. - 2023- URL: https://bigenc.ru/c/lazer-430c3c.;
Kozhakhmetova A.M.
Kokshetau State University named after Sh. Ualikhanov (Kokshetau, Kazakhstan)
LASER PHYSICS: TYPES, PROPERTIES, PRINCIPLES OF OPERATION AND APPLICATION
Abstract: the article is devoted to the basics of laser physics, including their principles of operation, types and unique properties. The key processes underlying laser radiation, such as absorption, spontaneous and forced radiation, as well as a resonator in the generation of coherent light, are considered. The features of various types of lasers, such as gas, solid-state, dye-based and fiber lasers, are described. Special attention is paid to their use in areas such as medicine, science and industry.
Keywords: laser, science, radiation, absorption, technology, application, principle of operation.
1590
