Физические основы работы лазеров. Применение лазеров
Лазер — это устройство, которое излучает узкий, мощный и очень упорядоченный световой пучок. Слово LASER расшифровывается как усиление света посредством вынужденного излучения. Теоретическую основу работы лазеров заложил Альберт Эйнштейн.
1. Виды излучения
В квантовой физике различают три процесса:
1) Спонтанное излучение
Атом самопроизвольно переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон.
2) Поглощение
Атом поглощает фотон и переходит на более высокий уровень энергии.
3) Вынужденное излучение
Если на возбуждённый атом действует фотон, он испускает второй фотон:
-
с той же частотой;
-
в той же фазе;
-
в том же направлении.
Это основной процесс в лазере.
Наглядная схема процессов излучения
2. Инверсия населённости
В обычных условиях большинство атомов находится на низких уровнях энергии. Для работы лазера необходимо:
создать инверсию населённости — состояние, при котором больше атомов находится в возбуждённом состоянии.
Это достигается с помощью внешнего источника энергии (накачки).
3. Устройство лазера
Основные элементы:
-
Активная среда (газ, кристалл, полупроводник);
-
Источник накачки (лампа, электрический ток);
-
Резонатор (два зеркала).
Одно зеркало полностью отражает свет, второе — частично пропускает.
Наглядная схема лазера
4. Принцип работы
-
Атомы возбуждаются (накачка);
-
Возникает вынужденное излучение;
-
Фотоны отражаются между зеркалами;
-
Усиливается световой поток;
-
Через полупрозрачное зеркало выходит лазерный луч.
5. Свойства лазерного излучения
-
Когерентность (волны согласованы);
-
Монохроматичность (одна длина волны);
-
Направленность (узкий пучок);
-
Высокая мощность.
Эти свойства делают лазер уникальным источником света.
6. Применение лазеров
Лазеры широко используются в науке и технике:
В медицине
-
операции (лазерная хирургия);
-
коррекция зрения;
-
лечение кожи.
В технике
-
резка и сварка металлов;
-
3D-печать;
-
измерения расстояний.
В быту
-
лазерные принтеры;
-
сканеры штрих-кодов;
-
оптические диски.
В науке
-
исследования атомов;
-
спектроскопия;
-
квантовые технологии.
Наглядная схема применения лазеров
7. Значение лазеров
-
позволяют работать с высокой точностью;
-
применяются в современных технологиях;
-
играют важную роль в развитии науки.
8. Итоги
-
Лазер основан на вынужденном излучении;
-
Требуется инверсия населённости;
-
Свет усиливается в резонаторе;
-
Лазеры имеют уникальные свойства и широкое применение.
Вопросы для самопроверки
-
Что означает слово «лазер»?
-
Какие виды излучения существуют?
-
Что такое вынужденное излучение?
-
Что называется инверсией населённости?
-
Из каких элементов состоит лазер?
-
Какие свойства имеет лазерное излучение?
-
Где применяются лазеры?