Lazeris: apibrėžimas, veikimo principas ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra lazeris, kaip jis veikia ir kur naudojamas — nuo medicinos iki pramonės. Aiškus paaiškinimas ir praktiniai pavyzdžiai.

Lazeris - tai įrenginys, kuris sukuria sustiprintą, labai vienos bangos ilgio (vienspalvę) ir koherentišką šviesos spindulį. Jame naudojama aktyvioji terpė — tai gali būti specialios dujos, skystos medžiagos arba kietieji kristalai ir puslaidininkinės medžiagos — taip užtikrinama, kad šviesa būtų praktiškai tik vienos spalvos (siauras spektrinis profilis). Dujoms ar kitai terpei perduodama energija (vadinama „pumpavimu“), o šviesos sustiprinimui ir kelių atitikimui dažniausiai naudojami veidrodžiai, sudarantys optinį rezonatorių. Daugelyje lazerių visa šviesa sklinda beveik viena kryptimi, todėl formuojamas siauras ir stipriai kolimuotos šviesos pluoštas, kuris nereikšmingai plečiasi ir ilgais atstumais išlieka susitelkęs, skirtingai nei įprasta šviesa iš žibintuvėlyje naudojamų šaltinių.

Veikimo principas

Lazerio darbas grindžiamas stimuliuotos emisijos principu: atominės ar molekulinės dalelės, gavusios energijos, pereina į aukštesnę energetinę būseną. Kai tokia dalelė grįžta į žemesnę būseną, ji gali išmesti fotoną. Jei proomsesnė fotoną sutinka kita jau egzistuojanti banga (fotonas), ji gali priversti išmesti papildomą fotoną, kuris turi tokią pat fazę, kryptį ir dažnį — tai vadinama stimuliuota emisija. Kad ši emisija dominuotų, reikalinga gyventojų inversija (daugiau dalelių aukštesnėje būsenoje nei žemesnėje) ir optinis rezonatorius — dažniausiai du priešingi veidrodžiai, kur fotonai daugybę kartų atsimuša ir taip sustiprina šviesos intensyvumą. Vienas veidrodžių paprastai yra dalinai pralaidus, kad dalis susidariusios šviesos išeitų kaip nuolatinis arba impulsinis lazerio spindulys.

Svarbiausios savybės

• Monochromatiškumas: labai siauras bangos ilgų diapazonas;
• Koherentiškumas: fotonai išlieka faziškai susiderinę, todėl galima gauti interferenciją ir labai tikslų fokusavimą;
• Kolimuotumas: spindulys gerai išlaiko skerspjūvio matmenis ir mažai sklaidos net dideliais atstumais;
• Didelė spindulio intensyvumo koncentracija: leidžia pjaustyti, litavimo, ar atlikti medicinines procedūras su mažu energijos nuostoliu;
• Bangos ilgiai: nuo ultravioletinės iki infraraudonos — priklauso nuo aktyviosios terpės.

Lazerio tipai

• Dujos lazeriai: pvz., He–Ne (raudonas) ar CO2 (infraraudonas) — plačiai naudojami moksliniuose ir pramoniniuose taikymuose;
• Kietojo kūno lazeriai: aktyvioji terpė — kristalai ar stiklai su priemaišomis (pvz., rubino arba Nd:YAG); tinkami aukštai energijai generuoti;
• Semiconductor / diodų lazeriai: mažo dydžio, efektyvūs, plačiai naudojami optinės komunikacijos, lazerinių skaitytuvų srityse;
• Pluoštiniai lazeriai: šviesa generuojama optiniame pluošte — naudingi pramonėje dėl didelio efektyvumo ir gero šilumos valdymo;
• Dye (dažų) lazeriai: skysti aktyvieji junginiai, leidžiantys reguliuoti bangos ilgį plačiame diapazone (matuokliuose ir moksliniuose tyrimuose).

Panaudojimas

• Medicina: lazerinė chirurgija, akių korekcija (refrakcinė chirurgija), dermatologija, dantų gydyba;
• Pramonė: medžiagų pjovimas, suvirinimas, paviršių graviravimas, 3D spausdinimas ir apdirbimas;
• Ryšiai: optiniai pluoštai ir telekomunikacijos, kur diodų lazeriai perduoda informaciją dideliais greičiais;
• Duomenų laikmenos: CD, DVD, Blu‑ray — skaitymui ir įrašymui naudojami skirtingų bangų ilgių lazeriai;
• Moksliniai prietaisai: spektroskopija, interferometrija (pvz., LIGO gravitacinių bangų detektoriuose), lazerinė transmisija ir matavimai;
• Geodezija ir navigacija: LIDAR, atstumo matuokliai, spindulinės orientacijos prietaisai;
• Pramogos ir gynyba: lazerių šou, taikinių žymėjimas, taikikliai ir kai kuriais atvejais gynybinės technologijos.

Saugumas

Lazeriai gali būti pavojingi, ypač akims ir odai. Net santykinai silpnas, gerai kolimuotas spindulys gali pažeisti tinklainę. Lazeriai klasifikuojami pagal keliamos rizikos laipsnį (pvz., 1–4 klasės), todėl būtina laikytis gamintojo nurodymų, naudoti apsauginius akinius, ženklinti darbo zonas ir taikyti kitus apsaugos priemones. Aukštos galios pramoniniai lazeriai reikalauja papildomų saugumo procedūrų ir sertifikacijos.

Trumpa apžvalga

Žodis "lazeris" - tai akronimas, reiškiantis "šviesos stiprinimas stimuliuotu spinduliuotės skleidimu". Prietaisas ir jo pavadinimas istoriniu požiūriu kilo iš ankstesnio termino "Maser", kuris naudojo mikrobangų diapazoną. Lazeriai dėl savo unikalių savybių — monochromatiškumo, koherentiškumo ir didelio kolimuotumo — tapo nepakeičiami šiuolaikinėje medicinoje, pramonėje, komunikacijose ir moksle.

Mechanizmas

Lazeris sukuria šviesą, atlikdamas specialius veiksmus su medžiaga, vadinama "optinio stiprintuvo terpe". Energija į šią medžiagą tiekiama naudojant "energijos siurblį". Tai gali būti elektra, kitas šviesos šaltinis arba koks nors kitas energijos šaltinis. Dėl energijos medžiaga pereina į vadinamąją sužadintą būseną. Tai reiškia, kad medžiagos elektronai turi papildomos energijos ir po kurio laiko jos netenka. Praradę energiją, jie išskiria fotoną (šviesos dalelę). Nuo naudojamos optinio stiprinimo terpės tipo priklauso, kokia spalva (bangos ilgis) bus išgaunama. Fotonų išsiskyrimas yra lazerio "stimuliuojamos spinduliuotės emisija".

Daugelis daiktų gali skleisti šviesą, pavyzdžiui, elektros lemputė, tačiau šviesa nebus vienos krypties ir fazės. Naudojant elektrinį lauką šviesos sukūrimui valdyti, ši šviesa dabar bus vienos rūšies, sklindanti viena kryptimi. Tai yra "koherentinis spinduliavimas".

Šiuo metu šviesa vis dar silpna. Abiejose pusėse esantys veidrodžiai atspindi šviesą pirmyn ir atgal, o ši patenka į kitas optinio stiprintuvo dalis, todėl šios dalys taip pat išskiria fotonus ir sukuria daugiau šviesos ("šviesos stiprinimas"). Kai visa optinio stiprintuvo terpė gamina šviesą, tai vadinama prisotinimu ir sukuriamas labai stiprus labai siauro bangos ilgio šviesos pluoštas, kurį vadiname lazerio spinduliu.

Pjovimas lazeriu

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra lazeris?

K: Kaip lazeris skleidžia šviesą?

K: Ar lazeris skleidžia įvairių spalvų šviesą?

K: Kas yra kolimacinė šviesa?

K: Kokia yra žodžio lazeris reikšmė?

K: Kuo skiriasi lazerio spindulys nuo žibintuvėlio spindulio?

K: Koks ryšys tarp lazerio ir maserio?

Paieška pagal raidę