Классификация лазеров виды и принципы работы (5 видео)

Лазер – это устройство, способное генерировать узкий пучок монохроматического излучения. Они применяются в самых различных областях, от науки до медицины. Однако не все лазеры одинаковы, их можно разделить на разные классы в зависимости от основных принципов работы и спектральных характеристик.

Лазеры классифицируются по различным признакам, включая активные среды, используемые в процессе генерации излучения. Самый распространенный тип лазера – твердотельный лазер. Он использует кристаллическую или стеклянную активную среду, в которой происходит процесс спонтанной и вынужденной эмиссии. Твердотельные лазеры обладают высокой энергетической эффективностью и обычно работают в инфракрасном или видимом спектре.

Еще одной распространенной категорией лазеров являются газовые лазеры. Они используют различные газы, такие как гелий-неон, аргон, углекислота или дейтерий, в качестве активных сред. Газовые лазеры отличаются высокой мощностью и способностью работать в широком спектре длин волн. Они применяются в лазерной хирургии, в исследованиях и в промышленности.

Содержание

Что такое лазеры и как они работают?
Основные принципы работы лазеров
Стимулированное излучение
Усиление излучения
Положительная обратная связь
Преимущества применения лазерного излучения
Основные области применения лазеров
Классификация лазеров
Классификация по активной среде
Классификация по длине волны
Классификация по типу моды
Классификация по способу накачки
Классификация по типу излучения
Классификация по энергии излучения
🔍 Видео

Видео:Как работает лазер , для Чайников ...!!!Скачать

Что такое лазеры и как они работают?

Процесс работы лазера основан на трех основных составляющих: активной среде, возбуждающем источнике и резонаторе.

Активная среда является важной частью лазера и представляет собой материал, способный переходить из одного энергетического состояния в другое под воздействием энергии, которую поступает от возбуждающего источника.

Возбуждающий источник может предоставить активной среде энергию для перехода в возбужденное состояние. Этот источник может быть в виде электрического разряда, сверхпроводников, химических реакций или других методов.

Резонатор представляет собой оптическую систему, которая позволяет лазеру создавать и организовать колебания световой волны. Резонатор состоит из зеркал, которые образуют решетку и пропускают свет в сеть для дополнительного усиления.

Когда активная среда получает энергию от возбуждающего источника, она переходит в возбужденное состояние, а затем в метастабильное состояние. Наблюдается заметный накопительный эффект, когда при возбуждении метастабильного состояния активная среда производит фотоны и запускается процесс СЭИ.

Природа света позволяет фотонам распространяться в одной длине волны и в одной фазе. Этот коэффициент когерентности света позволяет лазерам создавать узкую и сильно усиленную пучок света. Это делает лазеры полезными во многих областях, включая медицину, науку, коммуникации и промышленность.

Основные принципы работы лазеров

Стимулированное излучение

Стимулированное излучение — это процесс, при котором атом, молекула или ион поглощают фотон и излучают два фотона, имеющих одну и ту же энергию, фазу и направление.
При этом, один из фотонов будет иметь ту же энергию и направление, что и исходный фотон, а другой фотон будет иметь энергию, равную разнице энергий между двумя энергетическими состояниями атома или молекулы.
Таким образом, стимулированное излучение позволяет создать когерентный пучок света с определенными характеристиками — направлением, фазой и энергией.

Усиление излучения

Усиление излучения — это процесс, при котором энергия стимулированных фотонов усиливается, проходя через активную среду.
Активная среда может быть выполнена в форме газа, жидкости или твердого тела и содержит атомы или молекулы, способные переходить между различными энергетическими состояниями.
Прохождение стимулированных фотонов через активную среду приводит к их усилению и созданию когерентного пучка света.

Положительная обратная связь

Положительная обратная связь — это условие, при котором пучок света возвращается обратно в активную среду, создавая усиление излучения.
Это достигается с помощью резонатора — системы зеркал, отражающих свет, размещенных на концах активной среды.
Зеркала позволяют отражать фотоны назад, создавая условия для положительной обратной связи и усиления излучения.

Таким образом, основные принципы работы лазеров — стимулированное излучение, усиление излучения и положительная обратная связь — обеспечивают создание когерентного пучка света с высокой интенсивностью и специфическими характеристиками.

Преимущества применения лазерного излучения

Лазерное излучение обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с другими видами излучения и применяется в различных областях науки и техники:

1. Высокая монохроматичность. Лазерный луч имеет очень узкий спектр частот, что позволяет использовать его в точной спектроскопии и медицинских процедурах, таких как лечение поражений кожи и сосудов.

2. Высокая направленность. Благодаря острым лазерным пучкам, энергия распространяется в узком направлении, что позволяет использовать лазеры в техниках точного резания и сверления материалов.

3. Высокая когерентность. Лазерное излучение генерируется в фазе или когерентно, что позволяет использовать его в голографии и квантовой оптике.

4. Высокая интенсивность. Лазерные лучи обладают высокой плотностью энергии, что делает их полезными в лазерной гравировке и обработке материалов.

5. Низкое распространение. Лазеры обладают малым распространением света, что позволяет использовать их в оптических волокнах для передачи информации на большие расстояния.

6. Регулируемая мощность. Мощность лазерного излучения может быть легко регулирована, что позволяет его использование в медицине, промышленности, коммуникациях и научных исследованиях.

7. Применение в медицине. Лазерное излучение широко используется в медицинских процедурах, таких как удаление рубцов, лечение глазных заболеваний, ожогов и онкологических заболеваний.

8. Применение в научных исследованиях. Лазеры являются незаменимым инструментом в физике, химии, биологии и других научных дисциплинах, позволяя исследовать различные явления и процессы.

Основные области применения лазеров

Лазеры нашли широкое применение в различных областях науки, технологии и медицине. Ниже приведены основные области применения лазеров:

Область применения	Описание
Медицина	Лазеры используются в хирургии для различных операций, удаления опухолей и обработки тканей. Также они применяются в косметологии для лазерного омоложения и удаления татуировок.
Наука	Лазеры используются в научных исследованиях для изучения различных явлений, создания экспериментальных условий и генерации мощных импульсов света.
Коммуникации	Лазеры применяются в оптической связи для передачи данных по оптоволоконным кабелям. Такая передача обеспечивает высокую скорость передачи и большую погрешность передачи данных.
Технологии	Лазеры используются в промышленности для различных процессов обработки материалов, таких как резка, сварка, нанесение покрытий и гравировка.
Астрономия	Лазерное освещение применяется в астрономии для создания искусственных звездных точек и определения параметров атмосферы Земли.
Развлечения	Лазерные шоу и проекции в развлекательных целях являются популярными формами развлечений и используются на концертах, в клубах и на различных спектаклях.

Современные технологии и постоянное развитие лазерных систем позволяют находить все новые области и способы применения лазеров, что делает их все более ценными инструментами в различных сферах жизни и производства.

Видео:Лазеры | Физика 11 класс #44 | ИнфоурокСкачать

Классификация лазеров

1. По источнику питания:

Постоянного тока — работают от источников питания постоянного тока, таких как батареи или источники питания;
Переменного тока — работают от источников питания переменного тока, таких как сетевое напряжение;
Импульсные — работают на коротких импульсах электрического тока;
Генераторы собственного питания — работают на энергии, выделяемой самим лазером, принцип работы основан на стимулированном излучении;

2. По активной среде:

Газовые — активная среда представлена газами, такими как гелий и неон;
Твердотельные — активная среда представлена твердыми веществами, например, кристаллами или стеклом;
Полупроводниковые — активная среда представлена полупроводниками;
Жидкостные — активная среда представлена жидкостями, такими как растворы окрасителей;

3. По длине волны:

Ультрафиолетовые — работают в ультрафиолетовой области спектра;
Видимые — работают в видимой области спектра;
Инфракрасные — работают в инфракрасной области спектра;

4. По способу генерации:

Непрерывные — генерируют постоянный лазерный луч без прерываний;
Модулированные — изменяют мощность или длительность лазерного импульса во времени;
Сверхкороткодействующие — создают лазерные импульсы очень короткой длительности, в диапазоне фемтосекунд и пикосекунд;

Это лишь некоторые примеры классификации лазеров. Изобретатели и ученые постоянно разрабатывают новые типы лазеров с уникальными свойствами и применениями, расширяя возможности этой удивительной технологии.

Классификация по активной среде

Наиболее распространенные типы активной среды включают:

Газовые лазеры — используют газовую среду, включающую атомы или молекулы газов. Примеры газовых лазеров включают углекислотные лазеры (CO2), гелий-неоновые лазеры (HeNe) и аргоновые ионные лазеры (Ar+).
Твердотельные лазеры — используют кристаллические или стеклянные материалы в качестве активной среды. Примеры твердотельных лазеров включают иттриево-алюминиевые гранаты с допantами (Nd:YAG), рубиновые лазеры (Cr:Al2O3) и эрбиево-примесные стекла.
Полупроводниковые лазеры — используют полупроводниковую активную среду, такую как галлиево-арсенид (GaAs) или ингаас (InGaAs). Они обычно меньшие по размеру и более эффективны, чем газовые или твердотельные лазеры.

Каждый тип лазера имеет свои особенности и применения. Газовые лазеры обычно используются для высокой мощности и широкого спектра возможного излучения. Твердотельные лазеры обладают высокой эффективностью и точностью излучения. Полупроводниковые лазеры нашли применение в различных технологиях, включая коммуникации и медицину.

Классификация по длине волны

Лазеры могут быть классифицированы по длине волны излучаемого света. Длина волны определяется как расстояние между двумя соседними точками на волне, которые находятся в фазе. В зависимости от длины волны используемого света, лазеры могут быть разделены на следующие типы:

Инфракрасные лазеры (IR) — имеют длину волны более 700 нм. Инфракрасные лазеры часто используются в медицине и исследованиях из-за своей способности проникать в ткани.

Видимые лазеры — имеют длину волны в диапазоне от 400 до 700 нм и возможность восприниматься человеческим глазом. Эти лазеры широко используются в научных и медицинских исследованиях, а также в различных промышленных приложениях.

Ультрафиолетовые лазеры (UV) — имеют длину волны от 100 до 400 нм. Ультрафиолетовые лазеры применяются в различных областях, таких как микроэлектроника, фотолитография и медицинская диагностика.

Рентгеновские и гамма-лазеры — имеют длину волны менее 100 нм. Такие лазеры используются в научных исследованиях, медицине и промышленности для создания изображений и анализа материалов с высокой разрешающей способностью.

Радарные и микроволновые лазеры — имеют длину волны более 1 мм. Эти лазеры используются в различных радарных и телекоммуникационных системах.

Классификация лазеров по длине волны является важным аспектом в их использовании, поскольку различные типы лазеров могут применяться в различных областях науки, медицины, промышленности и коммуникации. Это позволяет выбирать наиболее подходящий лазер для конкретной задачи и достичь оптимальных результатов.

Классификация по типу моды

Модой лазерного излучения называется распределение энергии в пространстве или во времени, характеризующее его электромагнитное поле.

Классификация лазеров по типу моды является одним из основных способов классификации. При этом выделяют несколько основных типов мод:

Основная мода (TEM₀₀) — это мода с наименьшими размерами поперечного сечения и минимальной дифракцией. Она обладает симметричной и центрально симметричной энергетической распределением в поперечных сечениях лазерного излучения. Основная мода является наиболее стабильной и широко используется в различных областях, таких как научные исследования, медицина, коммуникации и промышленность.
Высшая мода (TEM₀₁) — это мода со следующим по величине поперечным размером. Она обладает асимметричной энергетической распределением и используется в случаях, когда требуется увеличить мощность лазерного излучения или изменить характеристики пучка (например, волнообразность).
Многоэлементные моды — это моды, которые имеют более сложные распределения энергии в пространстве и состоят из суперпозиций основной и высших мод.

Каждый тип моды обладает своими характеристиками и может быть применен в различных областях, в зависимости от требований и задач.

Классификация по способу накачки

Лазеры могут быть классифицированы в зависимости от способа, с помощью которого происходит накачка лазерной среды. Существует несколько основных подходов к накачке лазеров:

Оптическая накачка: при этом способе накачки лазерная среда накачивается с использованием оптического излучения. Энергия света передается в активную среду, вызывая переход атомов в возбужденное состояние. Примерами оптической накачки являются процессы флуоресценции и поглощения света, которые используются в различных лазерных системах.
Электрическая накачка: в этом случае лазерная среда накачивается с помощью электрического тока. Ток пропускается через активную среду, создавая электромагнитное поле, которое вызывает переход атомов в возбужденное состояние. Электрическая накачка широко используется в полупроводниковых лазерах и диодных лазерах.
Химическая накачка: данный способ накачки лазерной среды основан на химических реакциях. В результате химической реакции происходит выделение энергии, которая передается в активную среду и вызывает ее возбуждение. Химическая накачка используется в некоторых типах газовых и химических лазеров.
Ядерная накачка: при такой накачке лазерной среды используются ядерные реакции. Ядерная реакция приводит к выделению энергии, которая передается в активную среду и вызывает ее возбуждение. Ядерная накачка используется в некоторых типах ядерных лазеров.

Классификация лазеров по способу накачки позволяет лучше понять принципы работы различных типов лазерных систем и их применение в различных областях науки и техники.

Классификация по типу излучения

Лазеры могут быть классифицированы по типу излучения, которое они генерируют. Существуют следующие основные типы излучения лазеров:

1. Непрерывное излучение (НИ)

Лазеры с непрерывным излучением генерируют постоянный поток света, который не прерывается. Такие лазеры широко используются в медицине, науке и промышленности.

2. Импульсное излучение (ИИ)

Лазеры с импульсным излучением генерируют серию коротких импульсов света. Это позволяет им создавать очень высокую энергию за очень короткий промежуток времени. Такие лазеры используются в науке, медицине, а также в военных и промышленных приложениях.

3. Когерентное излучение (КИ)

Лазеры с когерентным излучением генерируют свет, волновые фронты которого коллимируют и фазы волн синхронизированы. Это означает, что свет создает когерентные волны, которые находятся в фазе друг с другом. Такие лазеры широко используются в оптике и коммуникационных системах.

4. Некогерентное излучение (НКИ)

Лазеры с некогерентным излучением генерируют свет, волновые фронты которого не коллимируют и фазы волн не синхронизированы. Это означает, что свет создает некогерентные волны, которые находятся в разных фазах друг с другом. Такие лазеры используются в промышленности, науке и различных приложениях, где не требуется точность и согласованность волновых фронтов.

Классификация лазеров по типу излучения является важным аспектом при изучении и применении лазерных технологий. Каждый тип излучения имеет свои особенности и предназначен для определенных приложений.

Классификация по энергии излучения

Лазеры могут быть классифицированы по энергии излучения, которую они способны выпускать. Энергия излучения лазера определяет его применение и способности.

Существуют следующие категории лазеров в зависимости от энергии излучения:

Низкоэнергетические лазеры:
Этот тип лазеров обычно генерирует энергию излучения на уровне до 1 милливатта (мВт). Низкоэнергетические лазеры используются в медицине, косметологии и эстетической медицине для лечения различных заболеваний, удаления татуировок, эпиляции и рядом других процедур.
Среднеэнергетические лазеры:
Эти лазеры имеют выходную энергию в диапазоне от 1 мВт до 500 мВт. Они находят применение в научной и промышленной сферах, а также в таких областях, как обработка материалов, лазерная гравировка, научные исследования и многое другое.
Высокоэнергетические лазеры:
Эти лазеры способны выдавать энергию излучения вплоть до нескольких десятков джоулей. Они наиболее мощные и широко применяются в научных исследованиях, военном деле, промышленности и многих других областях, где требуется высокая энергия лазерного излучения.

Классификация лазеров по энергии излучения позволяет более точно определить возможности и применение каждого конкретного типа лазера.