Lézer

A lézer (az angol lézer  szó rövidítése a light a amplification by s stimulated emission of radiation ) vagy az optikai kvantumgenerátor  olyan eszköz, amely a szivattyú energiáját ( fény , elektromos , termikus , kémiai stb.) alakítja át energiává . koherens , monokromatikus , polarizált és szűken irányított sugárzási fluxus.

A lézer működésének fizikai alapja a stimulált (indukált) sugárzás kvantummechanikai jelensége . A lézersugárzás lehet folyamatos, állandó teljesítményű , vagy impulzusos , rendkívül magas csúcsteljesítményű. Egyes sémákban a lézer munkaelemét optikai erősítőként használják más forrásból származó sugárzáshoz. Számos olyan lézer létezik, amely az összes halmazállapotot használja munkaközegként . Egyes lézertípusok, mint például a festékoldatos lézerek vagy a polikromatikus szilárdtestlézerek , frekvenciák egész tartományát ( optikai üreges módokat ) képesek generálni széles spektrális tartományban. A lézerek mérete a mikroszkopikustól egyes félvezetőlézereknél a futballpálya méretéig terjed egyes neodímium üveglézereknél. A lézersugárzás egyedülálló tulajdonságai lehetővé tették a tudomány és a technika különböző ágaiban , valamint a mindennapi életben történő alkalmazásukat, kezdve a CD- k , vonalkódok olvasásától és írásától kezdve a szabályozott termonukleáris fúziós kutatásokig .

Kulcsdátumok

• 1916 : A. Einstein megjósolja a stimulált emisszió jelenségének létezését  – ez bármely lézer működésének fizikai alapja [1] .
• Ez a jelenség a kvantummechanika keretein belül szigorú elméleti igazolást kapott P. Dirac ( 1902-1984) francia tudós és fizikus 1927-1930 - as munkáiban  . [2] [3]
• 1928 : R. Ladenburg és G. Kopfermann kísérleti megerősítése a stimulált emisszió létezésének. [négy]
• 1940  -ben V. Fabrikant és F. Butaeva megjósolta a populációinverziós közeg stimulált sugárzásának lehetőségét az elektromágneses sugárzás erősítésére [4] .
• 1950 : A. Kastler ( 1966 -os fizikai Nobel-díj ) egy módszert javasol egy közeg optikai pumpálására , hogy inverz populációt hozzon létre benne. A gyakorlatban 1952-ben valósította meg Brossel , Kastler és Winter [5] . A kvantumgenerátor megalkotása előtt egy lépés volt hátra: pozitív visszacsatolás a közegbe , vagyis ezt a közeget egy rezonátorba helyezni [4] .
• 1954 : az első mikrohullámú generátor - ammónia maser ( Ch . Towns , Basov N. G. (1922-2001) és Prokhorov A. M. (1916-2001) - fizikai Nobel-díj 1964 -ben ). A visszacsatolás szerepét egy üregrezonátor játszotta , amelynek mérete körülbelül 12,6 mm volt ( az ammónia gerjesztett rezgésszintről a főre való átmenete során kibocsátott hullámhossz ) [ 4] . Az optikai tartomány elektromágneses sugárzásának felerősítéséhez egy üreges rezonátort kellett létrehozni, amelynek méretei egy mikron nagyságrendűek lennének . Az ezzel járó technológiai nehézségek miatt akkoriban sok tudós úgy gondolta, hogy lehetetlen látható sugárzás generátort létrehozni [6] .
• 1960 : T. Meiman május 16-án bemutatta az első optikai kvantumgenerátor - egy lézer - működését [7] . Aktív közegként mesterséges rubinkristályt használtak ( alumínium-oxid Al 2 O 3 kis króm -Cr-keverékkel), üreges rezonátor helyett Fabry-Perot rezonátort használtak , amelyet ezüsttükörbevonatok képeztek. a kristály végeit. Ez a lézer impulzus üzemmódban, 694,3 nm hullámhosszon működött [4] . Ugyanezen év decemberében létrehoztak egy hélium-neon lézert , amely folyamatos üzemmódban bocsát ki ( A. Javan , W. Bennett , D. Harriot). A lézer kezdetben az infravörös tartományban működött , majd úgy módosították, hogy látható vörös fényt bocsásson ki 632,8 nm hullámhosszon [6] .
• A lézerek fizikája még mindig intenzíven fejlődik. A lézer feltalálása óta szinte minden évben új típusok jelentek meg, különféle célokra adaptálva [6] . 1961 - ben  létrehoztak egy neodímium üveglézert , és a következő öt évben lézerdiódákat , festéklézereket , szén-dioxid -lézereket és vegyi lézereket fejlesztettek ki . 1963-  ban J. Alferov (1930-2019) és G. Kremer és Jack Colby ( fizikai Nobel-díj 2000  ) kidolgozta a félvezető heterostruktúrák elméletét , amely alapján számos lézert hoztak létre.

2000. december 10-én a Szovjetunió Tudományos Akadémia akadémikusa, Zh.Alferov, valamint Herbert Kremer és D.Kolby kapta meg a félvezetőfizikai Nobel-díjat Stockholmban a modern IT technológia fejlesztéséért, az optikai kábel megalkotásáért és a cd 💿-lemezek olvasási elve rendszerlemez meghajtókban PC blokk. 1963-ban az IR lézert N. Basov és A. Prohorov szovjet kvantumfizikusok szabadalmaztatták Ch. Towns amerikai fizikussal (Columbia Egyetem) együtt. 1964-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat kvantumelektronikáért.

Hogyan működik

A lézer működésének fizikai alapja a stimulált (indukált) sugárzás jelensége [8] . A jelenség lényege, hogy egy gerjesztett atom (vagy más kvantumrendszer ) egy másik foton hatására képes fotont kibocsátani annak elnyelése nélkül, ha az utóbbi energiája megegyezik az atom szintjei közötti energiakülönbséggel . sugárzás előtt és után. Ebben az esetben a kibocsátott foton koherens a sugárzást okozó fotonnal (ez a „pontos másolata”). Így erősödik a fény . Ez a jelenség különbözik a spontán emissziótól , amelyben a kibocsátott fotonok terjedésének, polarizációjának és fázisának véletlenszerű iránya [9] [10] .

Annak a valószínűsége , hogy egy véletlenszerű foton egy gerjesztett atom indukált emisszióját okozza, pontosan egyenlő annak a valószínűségével, hogy egy gerjesztetlen állapotban lévő atom ezt a fotont abszorpálja [11] . Ezért a fény erősítéséhez szükséges, hogy a közegben több gerjesztett atom legyen, mint gerjesztetlen (úgynevezett populációinverzió ). Termodinamikai egyensúlyi állapotban ez a feltétel nem teljesül, ezért a lézeraktív közeg pumpálására különféle rendszereket ( optikai , elektromos , kémiai stb.) alkalmaznak [12] .

A generálás elsődleges forrása a spontán emisszió folyamata, ezért a fotongenerációk folytonosságának biztosításához pozitív visszacsatolás megléte szükséges , melynek következtében a kibocsátott fotonok későbbi stimulált emissziós aktusokat idéznek elő. Ehhez a lézer aktív közegét egy optikai rezonátorba helyezik . A legegyszerűbb esetben két, egymással szemben elhelyezett tükörből áll , amelyek közül az egyik áttetsző - rajta keresztül a lézersugár részben kilép a rezonátorból. A tükrökről visszaverődő sugárnyaláb ismételten áthalad a rezonátoron, indukált átmeneteket okozva benne. A sugárzás lehet folyamatos vagy impulzusos. Ugyanakkor különféle eszközök (forgó prizmák , Kerr-cellák stb.) segítségével a visszacsatolás gyors ki- és bekapcsolása, és ezáltal az impulzusperiódus csökkentése érdekében lehetőség nyílik a nagyon nagy teljesítményű sugárzás (ún. óriás impulzusoknak nevezett ) [9] . Ezt a lézeres üzemmódot Q -kapcsolt üzemmódnak nevezik .

A lézer által keltett sugárzás monokromatikus (egy vagy diszkrét hullámhossz -készletű ), mivel egy bizonyos hullámhosszú foton kibocsátásának valószínűsége nagyobb, mint a kiszélesedéssel összefüggő, szorosan elhelyezkedő spektrális vonalé, és ennek megfelelően a az indukált átmenetek valószínűségének ezen a frekvencián is van maximuma. Ezért a keletkezés folyamatában fokozatosan az adott hullámhosszúságú fotonok dominálnak az összes többi foton felett [12] . Ráadásul a tükrök speciális elrendezése miatt csak azok a fotonok tárolódnak a lézersugárban, amelyek a rezonátor optikai tengelyével párhuzamos irányban, attól kis távolságra terjednek, a többi foton gyorsan elhagyja a rezonátort. hangerő. Így a lézersugárnak nagyon kicsi az eltérési szöge [13] . Végül a lézersugárnak szigorúan meghatározott polarizációja van . Ennek érdekében különféle polarizátorokat vezetnek be a rezonátorba , például a lézersugár terjedési irányához képest Brewster-szögben elhelyezett síküveglemezek [14] .

Lézeres készülék

Minden lézer három fő részből áll:

• aktív (munka) környezet;
• szivattyúrendszerek (energiaforrás);
• optikai rezonátor (hiányozhat, ha a lézer erősítő üzemmódban működik).

Mindegyikük biztosítja a lézer működését, hogy teljesítse sajátos funkcióit.

Aktív környezet

Jelenleg különféle halmazállapotú anyagokat használnak működő lézerközegként : szilárd , folyékony , gáznemű , plazma [15] . Normál állapotban a gerjesztett energiaszintekben lévő atomok számát a Boltzmann-eloszlás határozza meg [16] :

ahol N az E  energiájú gerjesztett állapotban lévő atomok száma , N 0  az alapállapotban lévő atomok száma (az energia nulla), k  a Boltzmann-állandó , T  a közeg hőmérséklete . Vagyis gerjesztett állapotban kevesebb ilyen atom van, mint alapállapotban, így annak a valószínűsége is kicsi, hogy egy közegen keresztül terjedő foton stimulált emissziót okozzon az abszorpció valószínűségéhez képest. Ezért egy elektromágneses hullám , amely áthalad az anyagon, energiáját atomok gerjesztésére fordítja. Ebben az esetben a sugárzás intenzitása a Bouguer-törvény szerint [2] csökken :

ahol I 0  a kezdeti intenzitás, I l az l  távolságot meghaladó sugárzás intenzitása az anyagban, a 1  az anyag abszorpciós indexe . Mivel a függőség exponenciális , a sugárzás nagyon gyorsan elnyelődik.

Abban az esetben, ha a gerjesztett atomok száma nagyobb, mint a gerjesztetlenek száma (vagyis populációinverzió állapotában), a helyzet éppen ellentétes. A stimulált emissziós aktusok érvényesülnek az abszorpcióval szemben, és az emissziót a törvény szerint felerősítik [2] :

ahol a 2  a kvantumerősítés. A valódi lézerekben az erősítés addig megy végbe, amíg a stimulált emisszió következtében érkező energia mennyisége egyenlővé nem válik a rezonátorban elvesztett energia mennyiségével [17] . Ezek a veszteségek a munkaanyag metastabil szintjének telítettségéhez kötődnek, amely után a szivattyú energiáját csak a fűtésre használják fel, valamint sok egyéb tényező jelenlétével (közeg inhomogenitások által okozott szórás, szennyeződések általi abszorpció , tökéletlenség). visszaverő tükrök, hasznos és nem kívánt sugárzás a környezetbe stb.). ) [2] .

Szivattyúrendszer

Különféle mechanizmusokat alkalmaznak a lézerközeg inverz populációjának létrehozására. A szilárdtestlézerekben ezt erős gázkisüléses villanólámpákkal történő besugárzással , fókuszált napsugárzással (az úgynevezett optikai pumpálással) és más lézerek (különösen a félvezetők) sugárzásával hajtják végre [9] [18] . Ebben az esetben csak impulzusos vagy ismétlődő impulzusos üzemmódban lehet dolgozni, mivel nagyon nagy szivattyúzási energiasűrűségre van szükség , ami a munkaanyag rúdjának erős felmelegedését és tönkremenetelét okozza hosszabb expozíció esetén [19] . A gáz- és folyadéklézerek (lásd hélium-neonlézer , festéklézer ) elektromos kisülési szivattyút használnak . Ezek a lézerek folyamatosan működnek. A kémiai lézerek pumpálása az aktív közegükben zajló kémiai reakciók áramlásán keresztül történik . Ebben az esetben a populáció inverziója vagy közvetlenül a reakciótermékekben, vagy speciálisan bejuttatott, megfelelő energiaszint-szerkezetű szennyeződésekben történik. A félvezető lézereket erős egyenáram pumpálja a pn átmeneten keresztül, valamint egy elektronsugár . Vannak más szivattyúzási módszerek is (gázdinamikus, előmelegített gázok éles hűtése ; fotodisszociáció , a kémiai szivattyúzás speciális esete stb.) [17] .

A munkaközeg szivattyúzására szolgáló klasszikus háromszintű rendszert például rubinlézerben használják. A rubin egy Al 2 O 3 korund kristálya, amelyet kis mennyiségű Cr 3+ krómionokkal adalékolnak , amelyek a lézersugárzás forrásai. A korund kristályrácsának elektromos mezőjének hatására a króm E 2 külső energiaszintje meghasad (lásd Stark-effektus ). Ez teszi lehetővé a nem monokromatikus sugárzás szivattyúként való alkalmazását [9] . Ebben az esetben az atom az E 0 energiájú alapállapotból egy E 2 körüli energiájú gerjesztett állapotba megy át . Egy atom viszonylag rövid ideig maradhat ebben az állapotban (nagyságrendileg 10-8 s ), szinte azonnal megtörténik a nem sugárzó átmenet az E 1 szintre , amelynél az atom sokkal tovább maradhat (akár 10-3 másodpercig ) . ), ez az úgynevezett metastabil szint . Lehetőség van indukált emisszió megvalósítására más véletlenszerű fotonok hatására. Amint több atom van metastabil állapotban, mint a főben, megkezdődik a generálási folyamat [17] [20] .

Lehetetlen a Cr atomok populációinverzióját létrehozni úgy, hogy közvetlenül az E 0 szintről az E 1 szintre pumpáljuk . Ennek az az oka, hogy ha két szint között történik abszorpció és stimulált emisszió, akkor mindkét folyamat azonos ütemben megy végbe. Ezért ebben az esetben a pumpálás csak a két szint populációit tudja kiegyenlíteni, ami nem elég a generáció létrejöttéhez [9] .

Egyes lézereknél, például a neodímium lézereknél, amelyekben a sugárzás Nd 3+ neodímium ionokon keletkezik , négyszintű szivattyúzási sémát alkalmaznak. Itt a metastabil E 2 és a fő E 0 szint között van egy E 1 köztes munkaszint . Stimulált emisszió akkor következik be, amikor egy atom az E 2 és E 1 szintek között halad át . A séma előnye, hogy ebben az esetben könnyen teljesíthető az inverz populációs feltétel, hiszen a felső munkaszint ( E 2 ) élettartama több nagyságrenddel hosszabb, mint az alsó szint élettartama ( E 1 ). Ez jelentősen csökkenti a szivattyúforrás követelményeit [17] . Ezen túlmenően egy ilyen séma lehetővé teszi nagy teljesítményű folyamatos hullámú lézerek létrehozását, ami bizonyos alkalmazásoknál nagyon fontos [15] . Az ilyen lézereknek azonban van egy jelentős hátránya az alacsony kvantumhatékonyság formájában, amelyet a kibocsátott foton energiájának és az elnyelt szivattyú foton energiájának arányában határoznak meg (η kvantum = hν sugárzás / hν pump ).

Optikai rezonátor

A lézertükrök nemcsak a pozitív visszacsatolás meglétét biztosítják, hanem rezonátorként is működnek, támogatva egyes, az adott rezonátor állóhullámainak megfelelő lézer által generált módokat [21] , másokat pedig elnyomva [16] . Ha a rezonátor L optikai hosszára egész számú n félhullám illeszkedik :

akkor az ilyen hullámok a rezonátoron áthaladva nem változtatják a fázisukat, és az interferencia miatt felerősítik egymást. Az összes többi, egymáshoz közeli frekvenciájú hullám fokozatosan kioltja egymást. Így az optikai rezonátor sajátfrekvenciáinak spektrumát a következő összefüggés határozza meg:

ahol c  a fény sebessége vákuumban . A szomszédos rezonátorfrekvenciák közötti intervallumok azonosak és egyenlőek

Különböző okok miatt ( Doppler kiszélesedés , külső elektromos és mágneses mezők, kvantummechanikai hatások, stb.) a sugárzási spektrum vonalai mindig véges szélességűek , ezért olyan helyzetek adódhatnak, amikor a spektrumvonal szélessége (a " kifejezés" erősítősáv” lézertechnológiában használatos) a rezonátor több természetes frekvenciájához illeszkedik. Ebben az esetben a lézersugárzás többmódusú lesz [22] . Ezen módok szinkronizálása lehetővé teszi annak biztosítását, hogy a sugárzás rövid és erőteljes impulzusok sorozata legyen. Ha azonban csak egy frekvencia van jelen a lézersugárzásban, ebben az esetben a tükörrendszer rezonanciatulajdonságai gyengén fejeződnek ki a spektrumvonal rezonanciatulajdonságaival szemben [12] .

Egy szigorúbb számításnál figyelembe kell venni, hogy a rezonátor optikai tengelyével nemcsak párhuzamosan, hanem azzal kis szögben is terjedő hullámok felerősödnek. Az erősítési feltétel ekkor a következő formában jelenik meg : [16] :

Ez oda vezet, hogy a lézersugár intenzitása a sugárra merőleges sík különböző pontjain eltérő . Világos foltok rendszere van, amelyeket sötét csomópontok választanak el. Ezen nemkívánatos hatások kiküszöbölésére különféle membránokat alkalmaznak , amelyek szétszórják a filamenteket, és különféle optikai rezonátorokat is alkalmaznak [23] .

Lézerek osztályozása

• Szilárdtest - lézerek lumineszcens szilárd közegre ( dielektromos kristályok és üvegek). Aktivátorként általában ritkaföldfém elemek vagy a Fe vascsoport ionjait használják . A szivattyúzás optikai és félvezető lézerekből történik, három- vagy négyszintes séma szerint. A modern szilárdtestlézerek képesek impulzusos, cw és kvázi-cw üzemmódban működni [18] .
• Félvezető lézerek . Formálisan szintén szilárdtestek, de hagyományosan külön csoportba sorolják őket, mivel eltérő szivattyúzási mechanizmussal rendelkeznek (többlet töltéshordozók befecskendezése pn átmeneten vagy heterojunkción keresztül , elektromos áttörés erős térben, gyors elektronok bombázása ), és a kvantumátmenetek a megengedett energiasávok között mennek végbe , nem pedig a diszkrét energiaszintek között . A félvezető lézerek a mindennapi életben leggyakrabban használt lézertípusok [24] . Ezenkívül a spektroszkópiában , más lézerek pumpáló rendszereiben, valamint az orvostudományban is használják (lásd fotodinamikus terápia ).
  • Függőlegesen kibocsátó lézerek (VCSEL-ek) – a „függőleges üreges felületet kibocsátó lézer” egy olyan dióda félvezető lézer, amely a kristály felületére merőleges irányban bocsát ki fényt, szemben a hagyományos lézerdiódákkal, amelyek a kristály felületével párhuzamos síkban bocsátanak ki fényt. ostyák.
• Festéklézerek . Olyan lézertípus, amely fluoreszcens oldatot használ aktív közegként széles spektrumú szerves festékek előállítására . Lézerátmenetek lépnek fel az első gerjesztett és földelt szingulett elektronikus állapot különböző rezgési alszintjei között. Optikai szivattyúzás, folyamatos és impulzus üzemmódban is működhet. A fő jellemzője a sugárzás hullámhosszának széles tartományban történő hangolása. Spektroszkópiai vizsgálatokban használják [25] .
• A gázlézerek  olyan lézerek, amelyek aktív közege gázok és gőzök keveréke . Megkülönböztetik őket a nagy teljesítmény, a monokromatikusság és a szűk sugárzási irány. Folyamatos és impulzus üzemmódban működnek. A szivattyúrendszertől függően a gázlézereket gázkisüléses lézerekre, optikai gerjesztésű gázlézerekre és töltött részecskék által gerjesztett gázlézerekre osztják (például nukleáris pumpás lézerek [26] , a 80-as évek elején az ezekre épülő rakétavédelmi rendszerek). tesztelték [27] , de nem sok sikerrel [28] ), gázdinamikus és kémiai lézereket. A lézerátmenetek típusa szerint megkülönböztetünk atomi átmeneten alapuló gázlézereket, ionlézereket, molekuláris lézereket, amelyek molekulák elektron-, vibrációs és forgási átmenetén alapulnak, valamint excimer lézereket [29] .
  • A gázdinamikus  lézerek olyan hőszivattyús gázlézerek, amelyekben a heteronukleáris molekulák gerjesztett rezgés-forgási szintjei között populációinverzió jön létre nagy sebességgel mozgó gázelegy adiabatikus expanziójával (általában N 2 + CO 2 + He vagy N 2 + CO 2 + H 2 O, a munkaanyag a CO 2 , lásd Szén-dioxid lézer ) [30] .
  • Az excimer lézerek olyan gázlézerek, amelyek excimer molekulák ( nemesgáz dimerek , valamint monohalogenidjeik )  energiaátmenetein működnek , amelyek gerjesztett állapotban csak egy ideig létezhetnek. A szivattyúzást úgy hajtják végre, hogy egy elektronnyalábot vezetnek át a gázelegyen, amelynek hatására az atomok gerjesztett állapotba kerülnek excimerek képződésével, amelyek valójában egy populációinverziós közeg . Az excimer lézereket a nagy energiajellemzők, a generálási hullámhossz kis szóródása és a széles tartományon belüli sima hangolás lehetősége jellemzi [31] .
  • A kémiai lézerek  egyfajta lézerek, amelyek energiaforrása a munkaközeg összetevői (gázkeverék) közötti kémiai reakciók . Lézerátmenetek jönnek létre a reakciótermékek vegyületmolekuláinak gerjesztett rezgés-forgási szintjei és talajszintjei között. A környezetben végbemenő kémiai reakciók megvalósításához a szabad gyökök állandó jelenléte szükséges , amihez különböző módszereket alkalmaznak a molekulák disszociációjának befolyásolására. A közeli infravörös tartományban széles generációs spektrummal, valamint a folyamatos és impulzusos sugárzás nagy teljesítményével tűnnek ki [32] .
• A szabadelektron -  lézerek olyan lézerek, amelyek aktív közege egy külső elektromágneses térben rezgő szabad elektronfolyam (amelynek következtében sugárzás történik) és a sugárzás irányában relativisztikus sebességgel terjed. A fő jellemző a generálási frekvencia zökkenőmentes széles tartományú hangolásának lehetősége. Vannak ubitronok és scattronok , az első szivattyúzása a hullámzó térben periodikus statikus mezőjében , a második - egy erős elektromágneses hullám által. Léteznek ciklotronrezonancia lézerek és strofotronok is , amelyek elektron-bremsstrahlungon alapulnak, valamint légymatronok , amelyek Cserenkov és átmeneti sugárzás hatását használják fel . Mivel minden elektron legfeljebb 10 8 fotont bocsát ki, a szabadelektron-lézerek valójában klasszikus eszközök, és a klasszikus elektrodinamika törvényei írják le őket [33] .
• A kvantumkaszkád lézerek olyan félvezető lézerek, amelyek a közép- és távoli infravörösben  bocsátanak ki [34] . A hagyományos félvezető lézerekkel ellentétben, amelyek a megengedett elektron- és lyukszintek közötti kényszerátmeneteken keresztül bocsátanak ki, amelyeket a félvezető sávszélessége választ el , a kvantumkaszkád lézerek sugárzása akkor következik be, amikor az elektronok áthaladnak a félvezető heterostruktúra rétegei között , és kétféle nyalábból és a másodlagos sugárból állnak. nagyon szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik, és nem igényel nagy mennyiségű energiát [35] .

• Szálas lézer  - olyan lézer, amelynek rezonátora optikai szálra épül , amelyben részben vagy teljesen sugárzás keletkezik. Teljesen szálas megvalósítás esetén az ilyen lézert összszálas lézernek, a szálak és egyéb elemek együttes felhasználásával a lézertervezésben száldiszkrétnek vagy hibridnek nevezik.
• Más típusú lézerek, amelyek alapelveinek kidolgozása jelenleg a kutatás prioritása ( röntgenlézerek [36] , gammalézerek [37] stb.).

A lézerek használata

Feltalálásuk óta a lézerek „gyári megoldásnak bizonyultak még ismeretlen problémákra” [38] . A lézersugárzás egyedi tulajdonságainak köszönhetően a tudomány és a technológia számos ágában, valamint a mindennapi életben széles körben alkalmazzák ( CD-lejátszók , lézernyomtatók , vonalkód - leolvasók , lézermutatók stb.). A könnyen elérhető nagy sugárzási energiasűrűség lehetővé teszi a helyi hőkezelést és az ehhez kapcsolódó megmunkálást ( vágás , hegesztés , forrasztás , gravírozás ). A forró zóna pontos szabályozása lehetővé teszi olyan anyagok hegesztését, amelyek hagyományos módszerekkel nem hegeszthetők (pl . kerámia és fém ). A lézersugár egy mikron nagyságrendű átmérőjű pontra fókuszálható , ami lehetővé teszi a mikroelektronikában történő felhasználását anyagok precíziós megmunkálására (félvezető kristályok vágására, nyomtatott áramköri lapokon rendkívül vékony lyukak fúrására ) [39] . A különféle anyagokból készült termékek lézeres jelölése és művészi gravírozása [40] (beleértve az átlátszó anyagok háromdimenziós gravírozását is) szintén széles körben elterjedt . A lézereket anyagok felületi bevonatainak készítésére használják (lézeres ötvözet , lézeres burkolat , vákuumlézeres leválasztás ), hogy növeljék kopásállóságukat . Az anyagok lézeres feldolgozása során mechanikailag nem érintettek, a melegítési zóna kicsi, így csak csekély termikus deformáció lép fel . Ezenkívül a teljes technológiai folyamat teljesen automatizálható. A lézeres feldolgozást ezért nagy pontosság és termelékenység jellemzi.

A lézereket a holográfiában maguknak a hologramoknak az elkészítésére és a holografikus térfogati kép készítésére használják. Egyes lézerek, mint például a festéklézerek , szinte bármilyen hullámhosszú monokromatikus fényt képesek generálni , míg a sugárzási impulzusok elérhetik a 10-16 s -ot , és ennek következtében hatalmas teljesítményt (ún . óriásimpulzusok ). Ezeket a tulajdonságokat használják a spektroszkópiában , valamint a nemlineáris optikai hatások vizsgálatában . Lézerrel több centiméteres pontossággal meg lehetett mérni a Hold távolságát. Az űrobjektumok lézeres mérése finomította számos alapvető csillagászati ​​állandó értékét, és hozzájárult az űrnavigáció paramétereinek finomításához, a légkör szerkezetének és a Naprendszer bolygóinak felszínének megértéséhez [17] ] . A légköri torzítások kijavítására adaptív optikai rendszerrel felszerelt csillagászati ​​teleszkópokban lézert használnak mesterséges referenciacsillagok létrehozására a felső légkörben.

A lézerek metrológiában és méréstechnikában való alkalmazása nem korlátozódik a távolságok mérésére. A lézerek széles körben alkalmazhatók itt: idő, nyomás, hőmérséklet, folyadékok és gázok áramlási sebessége, szögsebesség ( lézergiroszkóp ), anyagok koncentrációja, optikai sűrűség, különféle optikai paraméterek és jellemzők mérésére, vibrometriában stb.

Az ultrarövid lézerimpulzusokat a lézerkémiában használják a kémiai reakciók irányítására és elemzésére . Itt a lézersugárzás lehetővé teszi a pontos lokalizáció, adagolás, abszolút sterilitás és a rendszerbe történő nagy energiabevitel biztosítását [41] . Jelenleg különféle lézeres hűtési rendszerek fejlesztése folyik [42] , és mérlegelik a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósításának lehetőségeit lézerek segítségével . A lézereket katonai célokra is használják, például útmutatásra és célzási segédeszközökre . A légi, tengeri és szárazföldi védelmi harcrendszerek nagy teljesítményű lézerein alapuló létrehozásának változatait vizsgálják [43] [44] .

Az orvostudományban a lézereket vértelen szikeként használják, és szemészeti betegségek ( hályog , retinaleválás , lézeres látásjavítás stb.) kezelésére használják. A kozmetológiában is széles körben alkalmazzák (lézeres szőrtelenítés , érrendszeri és pigmentált bőrhibák kezelése, lézeres peeling , tetoválások és öregségi foltok eltávolítása ) [45] .

A lézersugárzás anyaggal való kölcsönhatásának tanulmányozására és a szabályozott termonukleáris fúzió elérésére nagy lézerkomplexeket építenek , amelyek teljesítménye meghaladhatja az 1 PW -ot .

Lézeres kommunikáció

Jelenleg az úgynevezett lézeres kommunikáció rohamosan fejlődik . Ismeretes, hogy minél nagyobb a kommunikációs csatorna vivőfrekvenciája , annál nagyobb a sávszélessége [2] . Ezért a rádiókommunikáció hajlamos egyre rövidebb hullámhosszra váltani. A fényhullám hullámhossza átlagosan hat nagyságrenddel kisebb, mint a rádiótartomány hullámhossza , ezért lézersugárzással sokkal nagyobb mennyiségű információ továbbítható . A lézeres kommunikáció nyitott és zárt fényvezető szerkezeteken, például optikai szálon keresztül is megvalósul . A teljes belső visszaverődés jelenségéből adódó fény nagy távolságokra terjedhet végig rajta, gyakorlatilag gyengülés nélkül [46] .

Lézeres biztonság

Bármelyik, még egy kis teljesítményű lézer is, veszélyt jelent az emberi látásra. A lézert gyakran használják a mindennapi életben, koncerteken, zenei eseményeken. Sok retina égési esetet jegyeztek fel [ 47 ] , amely átmeneti vagy teljes vaksághoz vezetett.

Filmek

• 1971 -ben az Odesszai Filmstúdió kiadta a "Kék égbolt" című játékfilmet (rendező: Mark Tolmachev, forgatókönyvíró: Igor Neverov, operatőr: Fedor Silchenko) - a lézerkorszak kezdetéről az orvostudományban, nevezetesen a szemészetben . A kép cselekménye a Szembetegségek Tudományos Intézetének falai között játszódik . V. P. Filatova, az Ukrán Orvostudományi Akadémia munkatársa . A főszereplő, Andrey Taran orvos prototípusa prof. L. A. Linnik , aki 1963-ban a világon először alkalmazott lézersugárzást a retina koagulálására.
• 1985 -ben a " Lennauchfilm " filmstúdió kiadta a "Ray Constructors" című népszerű tudományos filmet (rendező - A. Slobodskoy, operatőr V. Petrov ). A filmet a Szovjetunió Tudományos Akadémia Általános Fizikai Intézetében , A. M. Prokhorov akadémikus által vezetett lézerekkel kapcsolatos kutatásoknak szentelték .
• Az elfeledett győzelmek titkai. Beam Lords [1] . Dokumentumfilm. Rendező: Alekszej Vakhrusev. A szöveget Vaszilij Lanovoj olvassa fel. CJSC "Intellektus"

Jegyzetek

1. ↑ Eljasevics M.A. Einstein-együtthatók // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboszkópos eszközök - Fényerő. - S. 497. - 692 p. — 20.000 példány.  — ISBN 5-85270-101-7 .
2. ↑ 1 2 3 4 5 S. Trankovsky. LÉZER (optikai kvantumgenerátor) . Krugosvet.ru. Letöltve: 2009. július 28. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 24.. (határozatlan)
3. ↑ Dirac PAM (1927). A sugárzás kibocsátásának és elnyelésének kvantumelmélete . Proceedings of the Royal Society A . 114 . pp. 243-265. (Angol)
4. ↑ 1 2 3 4 5 Alekszej Levin. A Quantum Beacon: A 20. század egyik legfontosabb találmányának, a lézernek a története . Popmech.ru (2006. június 1.). Letöltve: 2009. július 28. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 24.. (határozatlan)
5. ↑ Ivar Waller. Fizikai Nobel-díj 1966 : Előadó beszéd  . Elsevier Publishing Company (1972). Hozzáférés időpontja: 2009. július 20. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 24..
6. ↑ 1 2 3 François Balembois és Sebastien Felejtsd el. Lézer : Alapok // Néhány fontos dátum  . Optika4 mérnökök. Letöltve: 2013. december 11. Az eredetiből archiválva : 2013. december 16..
7. ↑ Maiman, TH Stimulált optikai sugárzás rubinban   // Természet . - 1960. - 1. évf. 187. sz . 4736 . - P. 493-494 . - doi : 10.1038/187493a0 .
8. ↑ Sivukhin D.V. A fizika általános kurzusa. Optika. - M . : Nauka , 1985. - T. 4. - S. 704-706. — 735 p.
9. ↑ 1 2 3 4 5 Oraevsky A. N. Laser // Szerk. ME Zhabotinsky Quantum elektronika. Kis enciklopédia. - M . : "Szovjet Enciklopédia" , 1969. - S. 89-118 .
10. ↑ R. Feynman , R. Layton, M. Sands. 3 - sugárzás, hullámok, kvantumok; 4 - kinetika, hő, hang // Feynman Lectures on Physics . - 3. kiadás - M . : Mir, 1976. - T. 1. - S. 311-315. — 496 p.
11. ↑ Einstein A. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie  (német)  // Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. - 1916. - Bd. 18 . — S. 318 .
12. ↑ 1 2 3 Oraevsky A. N. Laser // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Minőségi tényező - Magneto-optika. - S. 546-552. - 704 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-061-4 .
13. ↑ François Balembois és Sebastien Felejtsd el. Lézer : Alapok // A kibocsátott lézersugár térbeli jellemzői  (angol)  (hivatkozás nem érhető el) . Prn1.univ-lemans.fr. Letöltve: 2009. július 30. Az eredetiből archiválva : 2008. június 6..
14. ↑ Redkin Yu. N. 5. rész. Az atom, a szilárd test és az atommag fizikája // Általános fizika tantárgy. - Kirov: VyatGGU, 2006. - S. 57. - 152 p.
15. ↑ 1 2 Sivukhin D.V. A fizika általános kurzusa. — 2. kiadás. - M . : Tudomány , 1985. - T. IV. Optika. - S. 714-721. — 735 p.
16. ↑ 1 2 3 Sivukhin D.V. A fizika általános kurzusa. — 2. kiadás. - M . : Tudomány , 1985. - T. IV. Optika. - S. 703-714. — 735 p.
17. ↑ 1 2 3 4 5 Zhabotinsky M.E. Lézer (optikai kvantumgenerátor) // Fizikai enciklopédikus szótár / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia, 1983. - S. 337-340. — 928 p. — 100.000 példány.
18. ↑ 1 2 Shcherbakov I. A. Szilárdtestlézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboszkópos eszközök - Fényerő. - S. 49-50. — 692 p. — 20.000 példány.  — ISBN 5-85270-101-7 .
19. ↑ Francesson A.V. Pumping // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1992. - T. 3: Magnetoplazma - Poynting tétele. - S. 239-241. — 672 p. - 48.000 példány.  — ISBN 5-85270-019-3 .
20. ↑ François Balembois és Sebastien Felejtsd el. Lézer : Alapok // Lézer létrehozásához használt spektroszkópiai rendszerek  (angol)  (hivatkozás nem érhető el) . Prn1.univ-lemans.fr. Letöltve: 2009. július 28. Az eredetiből archiválva : 2008. június 6..
21. ↑ Sivukhin D.V. A fizika általános kurzusa. Elektromosság. - M . : Tudomány , 1985. - T. 3. - S. 624-627. - 713 p.
22. ↑ François Balembois és Sebastien Felejtsd el. Lézer : Fundamentals // Működési feltételek az üreghez  (angol)  (hivatkozás nem érhető el) . Prn1.univ-lemans.fr. Letöltve: 2009. július 31. Az eredetiből archiválva : 2008. június 6..
23. ↑ Bykov V.P. Optikai rezonátor // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1992. - T. 3: Magnetoplazma - Poynting tétele. - S. 454-457. — 672 p. - 48.000 példány.  — ISBN 5-85270-019-3 .
24. ↑ Eliseev P. G. Semiconductor laser // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 51-55. - 704 p. - 40.000 példány.  - ISBN 5-85270-087-8 .
25. ↑ Rubinov A.N. Festéklézerek // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Minőségi tényező - Magneto-optika. - S. 564. - 704 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-061-4 .
26. ↑ Yakovlenko S.I. Nukleáris pumpás lézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Minőségi tényező - Magneto-optika. - S. 552. - 704 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-061-4 .
27. ↑ Hecht, Jeff. A röntgenlézer története  (neopr.)  // Optikai és fotonikai hírek. - Optical Society of America, 2008. - Május ( 19. köt. , 5. szám ). - S. 26-33 .  (Angol)
28. ↑ Egyesült Államok nukleáris kísérletei 1945-1992  (eng.) (pdf)  (a hivatkozás nem elérhető) . Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma. Letöltve: 2009. augusztus 16. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 24..
29. ↑ Petrash G. G. Gázlézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effektus - Hosszú sorok. - S. 381. - 707 p. — 100.000 példány.
30. ↑ Biryukov A.S. Gázdinamikus lézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effektus - Hosszú sorok. - S. 381-382. — 707 p. — 100.000 példány.
31. ↑ A. V. Jeletszkij. Excimer lézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboszkópos eszközök - Fényerő. - S. 500-501. — 692 p. — 20.000 példány.  — ISBN 5-85270-101-7 .
32. ↑ Yeletsky A.V. Kémiai lézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboszkópos eszközök - Fényerő. - S. 411-412. — 692 p. — 20.000 példány.  — ISBN 5-85270-101-7 .
33. ↑ Bratman V. L., Ginzburg N. S. Szabad elektronlézerek // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Minőségi tényező - Magneto-optika. - S. 564-566. - 704 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-061-4 .
34. ↑ Faist J. et al. Quantum Cascade Laser  (angol)  // Tudomány. - 1994. - április ( 264. évf. , 5158. sz.). - P. 553-556 . - doi : 10.1126/tudomány.264.5158.553 . — PMID 17732739 .  (Angol)
35. ↑ Kazarinov RF, Suris RA Elektromágneses hullámok erősítésének lehetősége szuperrácsos félvezetőben  (angol)  // Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov : folyóirat. - 1971. - április ( 5. köt . 4. sz .). - P. 797-800 .  (Angol)
36. ↑ Andreev A. V. röntgenlézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 365-366. - 704 p. - 40.000 példány.  - ISBN 5-85270-087-8 .
37. ↑ Andreev A.V. Gammalézer // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effektus - Hosszú sorok. - S. 411-412. — 707 p. — 100.000 példány.
38. ↑ Townes CH Az első lézer // A természet évszázada: Huszonegy felfedezés, amely megváltoztatta a tudományt és a világot . - University of Chicago Press, 2003. - S. 107-112. - ISBN 0-226-28413-1 .  (Angol)
39. ↑ Lézeres vágás és lyukasztás . Laser-reserv.ru. Letöltve: 2009. augusztus 6 .. Archiválva az eredetiből: 2011. augusztus 24.. (határozatlan)
40. ↑ Naydenov A. És mit lehet még csinálni természetes fából lézerrel? (nem elérhető link) . I-laser.ru (2008. január 24.). Letöltve: 2009. augusztus 7. Az eredetiből archiválva : 2012. január 24.. (határozatlan) 
41. ↑ Karlov N. V. Lézerkémia // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Minőségi tényező - Magneto-optika. - S. 340-341. - 704 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-061-4 .
42. ↑ Lézeres hűtés és semleges atomok befogása (hozzáférhetetlen kapcsolat) . RAS Spektroszkópiai Intézet. Letöltve: 2009. augusztus 6. Az eredetiből archiválva : 2011. december 3.. (határozatlan) 
43. ↑ Sakov V. Combat 100 kW-os Northrop Grumman lézer. Szinte hordozható . 3dnews.ru (2009. március 21.). Letöltve: 2009. augusztus 7. Az eredetiből archiválva : 2009. július 7. (határozatlan)
44. ↑ Pae, Péter. A Northrop Advance közelebb hozza a lézerfegyver korszakát  // Los Angeles Times  . — 2009-03-19. — P.B2 .
45. ↑ Sebészeti és kozmetológiai lézerek . Medlaser.ru. Letöltve: 2009. augusztus 7. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 24.. (határozatlan)
46. ↑ Ievsky A. V., Stelmakh M. F. [bse.sci-lib.com/article084692.html Optikai kommunikáció] // Szerk. A. M. Prokhorova Nagy Szovjet Enciklopédia . - M .: Szovjet Enciklopédia , 1977.
47. ↑ Káprázatos show: A közönség szem elől vesztette a koncertet . Letöltve: 2014. szeptember 19. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 29.. (határozatlan)

Irodalom

• Tarasov LV Folyamatok fizikája koherens optikai sugárzás generátoraiban . - M . : Rádió és kommunikáció, 1981. - 440 p. Archiválva : 2007. október 17. a Wayback Machine -nél
• Kondilenko I. I., Korotkov P. A., Khizhnyak A. I. Lézerek fizikája . - Kijev: Vishcha iskola, 1984. - 232 p.  (nem elérhető link)
• Zvelto O. A lézerek alapelvei . — M .: Mir, 1990. — 559 p. — ISBN 5-03-001053-X .
• Brunner V. A lézertechnika kézikönyve: Per. vele. — M. : Energoatomizdat, 1991. — 544 p. — ISBN 5-283-02480-6 .
• Kvantumelektronika. Kis enciklopédia. / Szerk. M. E. Zhabotinsky. - M . : "Szovjet Enciklopédia" , 1969. - 500 p.
• Tarasov L. V. Lézerek. Valóság és Remény . - M . : Tudomány , 1985. - T. 42. - 176 p. — ("Kvantum" könyvtár). Archiválva : 2010. február 25. a Wayback Machine -nél
• Wagner SD Optikai kvantumgenerátorok: Tankönyv egy speciális tanfolyamhoz. - Petrozavodszk, 1991.
• William T. Silfvast. A lézer alapjai. - New York: Cambridge University Press, 1996. - ISBN 0-521-55617-1 .  (Angol)
• A lézerek létrehozásának 50. évfordulójára  // UFN . - 2011. - T. 181 . (Orosz)
• Koebner G. Lézerek ipari alkalmazása. - M., Mashinostroenie , 1988. - ISBN 5-217-00266-2 . – Példányszám 19700 példány. — 280 s.

További olvasnivalók

• Maitland, A., Dunn, M. Bevezetés a lézerfizikába. - M., Mir , 1978. - 408 p.

Linkek

• Az UFN -ben a "Lézerek" témában megjelent cikkek listája ( PACS : 42.55.-f Lasers)
• A kvantumfény: a 20. század egyik legfontosabb találmányának, a lézernek a története
• lézeres portál
• NSU oktatási anyagok a lézerekről és a fotonikáról
• Sam's Laser GYIK: Gyakorlati útmutató a lézerekhez kísérletezőknek és amatőröknek (részleges orosz fordítás)
• Sam's Laser GYIK: Gyakorlati útmutató a lézerekhez kísérletezőknek és  amatőröknek
• források. Lézer: Alapok (François BALEMBOIS - et Sébastien FORGET  )
• Erőteljes barkácslézer egyetlen este alatt
• A nagyenergiájú lézerek és lézerrendszerek létrehozásának történetéből a Szovjetunióban  (hozzáférhetetlen link) , professzor, Ph.D. P. V. Zarubin, a műszaki tudományok doktora S. D. Polskikh
• Biológiai sejt alapú lézer

Tematikus oldalak	Óriásbomba
Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy norvég Nagy orosz a világ körül Britannica (online) Universalis Universalis Universalis Modern Ukrajna
Bibliográfiai katalógusokban BNE : XX524415 BNF : 119428293 GND : 4034610-9 J9U : 987007555606405171 LCCN : sh85074788 NDL : 00569431 NKC : ph122185