Лазеры. Принцип действия

1. Лазеры

ЛАЗЕРЫ

2. Что такое лазер?

ЧТО ТАКОЕ ЛАЗЕР?
Лазер или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию
накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного,
монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантомеханическое явление вынужденного
(индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной
мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В
некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя
для излучения от другого источника.

3. Виды излучения

ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
- Спонтанное излучение – Атом, поглотив фотон
переходит в возбужденное состояние, однако пребывает в
нем всего несколько десятимиллионных долей секунды,
после чего самопроизвольно излучает один или несколько
фотонов.
- Вынужденное излучение - Если на атом падает свет,
частота которого совпадает с частотой света, которую этот
атом может излучить, то вероятность излучения
значительно увеличивается (излучение атомов под
действием падающего света).
Излученный атомом фотон имеет точно такую же
частоту и направление движения, что и падающий на
атом фотон
Вследствие ВИ удваивается!
Метастабильное состояние – состояние в котором атом пребывает в десятки
тысяч раз дольше, чем в других. Атом как бы застревает в нем, благодаря чему
может скопиться очень много атомов с одной и той же энергией. Если заставить
атомы одновременно излучить фотоны, то излучение будет крайне интенсивным
и будет иметь определенную частоту

4. Принцип действия лазера

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА
Если в среде много атомов, находящихся в возбужденном состоянии с одной
и той же энергией, то излученные фотоны будут вынуждать другие атомы
излучать точно такие же фотоны, вызывая лавинообразное нарастание с
коэффициентом 1:2 (1 фотон заставляет атом делать 2 таких же фотона).
На этом основано действие квантовых генераторов. Если излучение
происходит в оптическом диапазоне, то квантовый генератор называют
лазером.

5. Трехуровневый лазер

ТРЕХУРОВНЕВЫЙ ЛАЗЕР
При создании лазера часто
используется система трех
энергетических уровней атома: 1основное состояние атома, 2метастабильный уровень, 3уровень три (безызлучательный
уровень).
Под действием света лампы накачки атомы хрома
переходят с 1 на 3 уровень, а затем на 2. Энергия
передается кристаллической решетке. В результате на
2 уровне скапливается много атомов, и поэтому она
часто называется активной.
Однако без «задержки» фотоны разлетелись бы, не
вызвав лавину, поэтому торцы кристалла покрывают
тонким слоем серебра, что вызывает многократное
отражение фотонов, в результате чего нарастает
излучение, направленное вдоль оси кристалла.
Чтобы выпустить часть излучения наружу, один из
торцов делают прозрачным, а выходящее из него
излучение и является лучом лазера.
Все вылетающие из
лазера фотоны имеют
одинаковую частоту и
одно и то же
направление.

6. Применение лазеров

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
- Для сварки металлических
конструкций
- Пришивание сетчатки глаза
- Считывание информации с компактдисков
- «несущая частота» для радио- и
телесигналов (1 лазерный
луч=80млн ТВ-каналов=50млрд
одновременных телефонных
разговоров)
- Голограммы
- Оружие

7. Звездные войны: Правда или вымысел?

ЗВЕЗДНЫЕ ВОЙНЫ: ПРАВДА ИЛИ
ВЫМЫСЕЛ?
Звезда смерти
Знаменитая «Звезда смерти» стреляла не чем
иным как лазером. Несколько лазерных лучей
(лавинообразное излучение направленное вдоль
оси кристалла) концентрировались в один
единый луч, обладающий огромной
разрушительной энергией, ведь это были те
самые фотоны, которые «задерживаются» на
метастабильном уровне.
Так что Звезда смерти вполне реальна.

8.

Световой меч
Во-первых, луч света не может быть
твёрдым телом, а во-вторых, световой луч
не может резко обрываться, как
показывается во всех случаях, и поэтому
вместо фиксированной длины по идее
должен стремиться в бесконечность;
Однако есть теоретическая возможность
изготовить световой меч из
ионизированной плазмы, которая будет
выходить из маленьких отверстий по всей
длине цилиндрического выдвижного
телескопического полого клинка (однако в
этом случае остается проблема создания
мощного источника энергии).
Вариант светового меча - генератор плазмы, находящийся в рукояти, после
активации выбрасывает перегретую плазму, которая обжимается силовым
(магнитным) полем до состояния стержня (клинок). Искусство в создании
меча состоит в точной настройке фокусировки силового поля, что почти
невозможно сделать даже на высокоточном оборудовании. При этом высокая
температура плазмы способна разрубить любое физическое тело. Поскольку
плазма имеет заряд, то столкновение одноименно заряженных клинков
отталкивают друг друга. Плазменный выстрел бластера так же отталкивается
от плазменного клинка, а кинетический боеприпас просто сгорает. Однако
такой меч всё же будет не световым (фотонным), а плазменным (ионным).