Hovedegenskapene til laserstråling er: monokromaticitet, romlig og tidsmessig koherens, retningsevne, høy effekt og lysstyrke.

Monokromaticitet og polarisering .

Monokromaticitet karakteriserer graden av strålingskonsentrasjon over hele spekteret. En kvantitativ karakteristikk av graden av monokromaticitet er bredden av spektrallinjen på et nivå på 0,5 fra dens maksimum eller spektralområdet okkupert av linjegruppen.

En mer objektiv karakteristikk er den relative bredden av spekteret
, Hvor ,- vinkelfrekvens og bølgelengde som tilsvarer maksimum av spekteret.

Bredden på spektralmodusen som sendes ut av resonatoren bestemmes av dens kvalitetsfaktor
. I sin tur verdien bestemt av tap i resonatoren.

Den teoretiske grensen for den spektrale linjebredden til laserstråling bestemmes av to faktorer: 1) støy forårsaket av termisk stråling i resonatoren; 2) støy forbundet med spontan utslipp av virkestoffet. I det optiske området råder støy på grunn av spontan emisjon over termisk støy. Hvis vi bare tar i betraktning støyen forårsaket av spontane overganger, viser det seg at spektrallinjen til utgangslaserstrålingen har en Lorentz-formel (se avsnitt 1.7) med en halv bredde
, Hvor R– utgangseffekt for laserstråling.

For laserutgangseffekt R= 1 mW, sender ut i det røde området av spekteret ( λ 0 = 0,63 µm) og har en resonatorkvalitetsfaktor på 10 8, får vi
≈ 5∙10 -16. Fordi
, kl L=1m er det tillatte avviket til resonatorlengden
= 5∙10-7 nm. Å stabilisere lengden på resonatoren innenfor slike grenser er åpenbart svært problematisk. Under reelle forhold bestemmes monokromatisk laserstråling av endringer i hulrommets lengde forårsaket av termiske effekter, vibrasjoner, etc.

La oss vurdere spørsmålet om polarisering laserstråling. Lys som det er en ordnet orientering av intensitetsvektorene forEOgH, kalles polarisert. En laser, generelt sett, kan generere upolarisert lys, men dette er skadelig for den stabile driften av laseren. For å sikre at laseren opererer på én polarisering og oppnå planpolarisert lys ved utgangen, er det nok å introdusere tap for en av de to polarisasjonene inne i resonatoren. Planpolarisert lys er lys hvis retning av oscillasjonsvektorer erEOgHtil enhver tid i rommet forbli uendret i tid. I faststofflasere brukes anisotropien til de optiske egenskapene til det aktive stoffet til dette formålet. For eksempel er strålingen fra en rubinlaser som regel polarisert på grunn av dens dobbeltbrytning og misforholdet mellom krystallens optiske akse og resonatoraksen.

Sammenheng karakteriserer den koordinerte forekomsten i tid og rom av to eller flere oscillerende bølgeprosesser som oppstår når de legges sammen.

I sin enkleste form innen optikk koherens er assosiert med konstansen til faseforskjellen mellom to forskjellige strålinger eller to deler av en stråling. Interferens av to strålinger når de legges til kan bare observeres hvis de er gjensidig koherente.

For en elektromagnetisk bølge kan to uavhengige begreper defineres - rom og koherenstid.

Romlig koherens refererer til korrelasjonen av fasene til elektromagnetiske bølger som sendes ut fra to forskjellige kildepunkter på samme tidspunkt.

Tidsmessig koherens refererer til korrelasjonen mellom fasene til elektromagnetiske bølger som sendes ut fra samme punkt.

Romlig og tidsmessig koherens er uavhengige parametere: en type koherens kan eksistere i fravær av den andre. Romlig koherens avhenger av den tverrgående laserutgangsmodusen. En kontinuerlig bølgelaser som opererer på en enkelt tverrmodus har nesten perfekt romlig koherens. En pulset laser i multimodusmodus har begrenset romlig koherens.

Tidsmessig koherens er direkte relatert til monokromaticitet. Enfrekvente (enkeltmodus) kontinuerligbølgelasere har en høy grad av tidsmessig koherens.

Graden av gjensidig koherens av to emittere kan bestemmes eksperimentelt av kontrasten til interferensmønsteret

, (1)

Og
- intensitet ved maksimum og minimum av interferenskanter.

Ved å måle intensiteten
Og
nær utvalgte punkter på skjermen, kan du bestemme funksjonen , som karakteriserer graden av gjensidig sammenheng av den første orden.

. (2)

Å observere kun romlig sammenheng på punkter X 1 Og X 2
, dvs. foreta målinger nær punktet 0 (se fig. 2.10). Å observere bare den tidsmessige sammenhengen til et hull X 1 Og X 2 skal plasseres så nært som ønsket (sammenfaller), men for to forstyrrende bølger en tidsforsinkelse på , for eksempel ved å skille bølgen fra hullet X 1 i to deler ved hjelp av et ekstra gjennomskinnelig speil, slik det gjøres i Michelson-interferometeret.

Ris. 2.10. Måling av koherensgraden til en elektromagnetisk bølge ved hjelp av et Young interferometer.

Koherenstiden er 1/∆ ω , Hvor ∆ ω – linjebredde i Hz. Koherenstiden multiplisert med lysets hastighet er koherenslengden. Sistnevnte karakteriserer dybdeskarpheten i holografi og de maksimale avstandene der interferometriske målinger er mulig.

Koherens av stråling er viktig i de laserapplikasjonene der splitting og påfølgende kombinering av komponentene i laserstrålen skjer. Disse applikasjonene inkluderer interferometrisk laseravstandsmåling og holografi.

Hvis vi ordner kildene til optisk stråling i rekkefølge etter avtagende grad av koherens for deres generering av stråling, vil vi ha: gasslasere - væske - faststoff-dielektriske lasere - halvlederlasere - gassutladningslamper - LED - glødelamper.

Retning og lysstyrke.

Strålingsretningen er lokaliseringen av stråling nær én retning, som er aksen for strålingsforplantning. Laserstråling er i sin natur svært retningsbestemt. For laserstråling kan direktivitetskoeffisienten nå 2000. Divergensen til laserstråling er begrenset av diffraksjonsfenomener.

Retningsevnen til laserstråling er preget av dens divergens, som bestemmes av forholdet mellom bølgelengden til den genererte strålingen og den lineære størrelsen til resonatoren.

Laserstråling er koherent og derfor er bølgefronten som regel nærmest et plan eller en kule med veldig stor radius. Dermed kan laseren betraktes som en kilde til nesten parallelle stråler med svært lav divergens. I prinsippet er denne divergensen bestemt av diffraksjonen av stråler ved utgangsåpningen. Vinkeldivergens  izl, bestemt ved diffraksjon, estimeres av uttrykket
, Hvor d– hullets diameter eller bjelkens diameter i den smaleste delen.

Koherent laserstråling kan fokuseres til et ekstremt lite sted, hvor energitettheten vil være svært høy. Den teoretiske grensen for minimumsstørrelsen til en laserstråle er bølgelengden. For industrielle lasere er dimensjonene til den fokuserte lysflekken 0,001-0,01 cm. For tiden har lasere oppnådd strålingseffekter på 10 11 W/cm 2 (strålingstettheten til solen er bare 7∙10 3 W/cm 2).

Den høye direktiviteten til laserstråling bestemmer også dens høye lysstyrke. Lysstyrken til en elektromagnetisk bølgekilde er kraften til stråling som sendes ut fra en enhetsoverflate i en enhets solid vinkel i en retning vinkelrett på den utstrålende overflaten.

I tillegg til energisk lysstyrke introduseres konseptet fotometrisk lysstyrke. Det tjener til å evaluere effektiviteten av lyseksponering på det menneskelige øyet. Overgangen fra energimengder til fotometriske skjer gjennom koeffisienten
, avhengig av bølgelengden.

Denne koeffisienten er lysekvivalenten til strålingsfluksen og kalles spektral lyseffektivitet av monokromatisk stråling eller synlighet. For normalt syn på dagtid inntreffer det maksimale siktfunksjonen ved bølgelengden = 555 nm (speillys). På =380 og 780 nm synlighet synker til nesten null.

Lasere

Leksjon som forklarer nytt stoff, 2 timer, 11. klasse

Materialet er laget for to leksjoner, en hjemmeleksjon og en 3. leksjon, hvor forberedte meldinger om bruk av laser blir hørt. Strukturen og innholdet i leksjonen skal ikke bare tjene til å utvide ens horisont basert på kunnskapen oppnådd innen kvanteoptikk, men også til å utvikle evnen til å tenke, sammenligne, generalisere og analysere.

I løpet av timene

JEG. Tittelen på emnet for dagens leksjon er skrevet på engelsk. Hva betyr dette på russisk? ( Svar. Laser er den engelske forkortelsen av navnet.) Velg passende substantiv for ordet «laser». (Svar: Vis, våpen, skriver, peker, disk...) Svarene viser at du er kjent med bruken av en fantastisk oppfinnelse fra det 20. århundre. – laser. Bekreftelsen av dens betydning er tildelingen i 1964 av Nobelprisen til N.G. Basov, A.M. Townes «for grunnleggende arbeid innen kvanteelektronikk, som førte til opprettelsen av generatorer og forsterkere basert på maser-laser-prinsippet. ."

Foran deg er en laboratorium laser og laserpekere. Jeg lurer på hva som er spesielt med disse lyskildene, hvordan de er utformet, siden en så høy vurdering av oppfinnelsen av laseren sannsynligvis er fortjent?

II. Kvanteforsterkning av elektromagnetiske bølger (EMW) er basert på to prosesser: eksitasjon av stimulert stråling og akkumulering av eksitasjon.

Stråling er generelt forbundet med overgangen av atomer (molekyler) fra en eksitert tilstand med energi E m til en stabil tilstand med lavere energi E n. Strålingsfrekvensen i dette tilfellet er . I konvensjonelle lyskilder, antall overganger E m E n lik antall overganger E n E m, stråling forekommer i et bredt spekter av frekvenser, fasene til bølgene som sendes ut av individuelle atomer er vilkårlige. Denne typen stråling kalles spontan, eller spontan.

Hvis vi kunstig skaper overbefolkning av de øvre energinivåene E m, da, ifølge V.A. Fabrikants gjetning, ekstern stråling med en frekvens mn passering gjennom et slikt aktivt medium kan forbedres på grunn av overganger i mediet "provosert" av det E m E n. Dette tvunget, eller indusert, stråling skiller seg fra spontan stråling: retningen for forplantning, polarisering, frekvens og fase av bølger som sendes ut av individuelle atomer er helt identiske med den eksterne bølgen.

Det var lenge ikke mulig å skape en stabil overbefolkning av nivåer i et to-lags system, fordi overganger til lavere nivå skjedde for raskt, etter 10–8 s. Et tre-nivå system viste seg å være mer stabilt da elektroner først passerte fra øvre nivå til midten (subnivå), og denne overgangen ble ikke ledsaget av stråling, ble der i opptil 10 -3 s, og deretter "falt ” til lavere nivå med stråling. I rubinlasere skapes et undernivå ved å introdusere kromurenheter i en aluminiumoksid (rubin) krystall. Det er også fire-nivå systemer.

Nivå m _____________
________________ Undernivå

Nivå n _____________

I kvantegeneratorer mellom speilene danner den såkalte Fabry-Perot resonator, plasser det aktive mediet. Ved å passere flere ganger fra ett speil til et annet, intensiveres bølgen og går delvis ut gjennom det gjennomskinnelige speilet til utsiden. Tror du lengden på resonatoren - banen mellom speilene - kan være hvilken som helst? Det viser seg at nei, resonansbetingelsen må være tilfredsstilt: lengden på resonatoren må inneholde et heltall av bølgelengder av bølgen som forplanter seg i resonatoren: 2 L = n, Hvor L– avstand mellom speil, – bølgelengde, n– et heltall.

Denne tilstanden er den viktigste for bølgegenerering, den sikrer monokromaticiteten til strålingen. Bølger med vilkårlige frekvenser kan ikke vises i en laser (kvantegenerator). Bølger genereres bare med et diskret sett med frekvenser:

En laser er i hovedsak et selvoscillerende system der udempede oscillasjoner eksiteres ved en av resonatorens naturlige frekvenser.

III. La oss sjekke hvordan du forsto det som ble fortalt, hvilke tanker og spørsmål som dukket opp i hodet ditt.

– Hvorfor kalles lasere kvantekilder, tross alt, i konvensjonelle kilder oppstår stråling også som følge av elektronoverganger fra øvre energinivåer til lavere? ( Svar. En laser er en kunstig strålingskilde, hvis hovedegenskaper, som skiller den fra naturlige kilder, er monokromaticitet og koherens av strålingen.)

– Hvilke egenskaper ved den primære bølgen som inntreffer på det aktive mediet endres i laseren? ( Svar. Intensitet.)

– Navngi prosessen omvendt til prosessen med stimulert utslipp. ( Svar. Eksitasjonsprosess, som tilsvarer overganger av elektroner fra lavere energinivåer til øvre.)

– Nevn elementene i en laser som et selvoscillerende system. ( Svar. Resonatorer, aktivt medium.)

– Hva i laserdesignet bestemmer monokromaticiteten til den utsendte bølgen? ( Svar. Avstand mellom speil.)

– Hva er fysikken til stimulert emisjon? ( Svar. Fenomenet resonans.)

IV. Basert på mottatt litteratur, utarbeide rapporter i grupper om driften av rubin-, halvleder-, gass- og kjemiske lasere på 3 minutter. Når du presenterer, hold deg til planen: metoden for å oppnå tre-nivå systemer, metoden for eksitasjon, funksjonene til enheten og anvendelsesomfanget. Tegn et forenklet diagram på et Whatman-papir.

V. Du har hørt meldingene. Sjekk din forståelse ved å svare på følgende spørsmål:

– Hva har ulike typer lasere til felles? ( Svar. Ulike typer energi omdannes til optisk strålingsenergi.)

– Nevn driftsmodusene til laseren. Hva bestemmer driftsmodusen? ( Svar. puls, kontinuerlig; bestemt av eksitasjonsmetoden og typen aktivt medium.)

– Nevn rekkevidden av bølger som sendes ut av kvantegeneratorer. Hva skyldes de? ( Svar. Radiorekkevidde – masere; røntgen, optisk, inkludert infrarød, lasere.)

– Er det en grense for forsterkning av stråling? ( Svar. Ja. Ellers vil selve systemet ødelegge seg selv. Men bruken av flerkanalsinstallasjoner utvider denne grensen betydelig.)

VI. En merknad vises på arket: "Ikke se inn i laseren med det gjenværende øyet."

Det er ikke verdt å se direkte inn i en laser, selv en laveffekt - lysintensiteten på netthinnen kan være 10 4 ganger høyere enn den maksimale intensiteten til en solstråle. Hvis strålen ved et uhell "smusser" øynene, som er fokusert på et annet objekt, kan du bli blind bare midlertidig, uten irreversibel skade på øyet. Men det nytter ikke å lete etter grensen mellom disse ytterpunktene!

VII. Eksperimentell studie av egenskapene til laserstråling

1. Monokromatisk– elektromagnetisk stråling har én, spesifikk og strengt konstant frekvens. Dette skyldes det faktum at kun bølger som tilfredsstiller resonansbetingelsen forsterkes. Imidlertid usikkerhetsforholdet E th fører til det faktum at energien til den eksiterte tilstanden er på nivået m kan ha betydninger mellom E m – E Og E m + E, derfor vil frekvensene som sendes ut av laseren avvike med , og .

Hvor d= 1 mm – avstand mellom slagene, +3 og –3 – vinkler der maksimum av +3. og –3. orden observeres, L= 1 m Etter å ha gjort transformasjoner, finner vi:

Hvor h+3 og h–3 – høyder av tilsvarende maksima. Etter å ha målt h–3 = 10 cm og h+3 = 14 cm og erstatter alle de numeriske verdiene, får vi: = 730 nm. – rød.]

Skoleelever forbereder seg på å måle bølgelengden til laserstråling ved hjelp av en skyvelære

For å sjekke vil vi utføre målinger med et standard diffraksjonsgitter med N= 600 stk/mm. Ved å rette strålen mot den vinkelrett får vi:

I følge målinger, L= 1 m, k= ±1, h+1 = 43,5 cm = 0,435 m, h–1 = 45 cm = 0,45 m.

Måling av bølgelengden til laserstråling ved hjelp av et konvensjonelt diffraksjonsgitter

2. Sammenheng– konsistens i tid og rom av flere oscillerende eller bølgeprosesser, som gjør det mulig å oppnå et tydelig interferensmønster når det legges sammen.

Tidsmessig koherens er ansvarlig for dannelsen av interferensmønsteret når strålen deles i to. Jo bredere spekteret av stråling, jo mindre sammenhengende er det: Dermed er monokromatisitet knyttet til koherens.

Hvis vi retter en laserstråle mot en skjerm eller svart kopipapir, vil vi se at det ikke er et jevnt punkt, som strålen til en elektrisk lommelykt, men et mønster av individuelle korn, som om de danser. Denne strukturen kalles - kornete, eller granulært, eller flekk. Den er skapt av en parallell stråle av romlig koherent lys, som er diffust spredt på den tynne strukturen til et papirark og forklares av interferensen av lys spredt av individuelle ruheter, hvis dimensjoner er sammenlignbare med lysets bølgelengde. Romlig koherens betyr at fasene til lysbølgene som sendes ut av en hvilken som helst del av laseren faller sammen, noe som sikrer stabiliteten til interferensmønsteret.

Klarheten til interferensmønsteret bestemmes av størrelsen på området med romlig koherens. Dette kan verifiseres eksperimentelt ved å observere forstyrrelsen av stråler som passerer gjennom to små hull, som i Youngs eksperiment. For å gjøre dette, plasserte vi to nåler med små ører oppå hverandre, og når de ble belyst med en laserpeker, fikk vi et tydelig interferensmønster, som er bevis på den romlige koherensen til laserstrålen.

3. Nærlys divergens. På grunn av den svake divergensen er laserstrålen synlig som et punkt på en hindring, selv på stor avstand. La oss verifisere dette av erfaring. Laserstrålen, reflektert i speilet, traff skjermen.

På L= 10 m (skaplengde) og strålediameter ( = 740 nm) når du går ut av pekeren D= 3 mm diameter på strålen når den faller på speilet var D 1 = 6 mm og når den faller ned på skjermen D 2 = 8 mm. Resultatet var en stråledivergens på ca. 2 mm i en avstand på 10 m.

Faktisk, teoretisk sett, bestemmes divergensvinkelen a bare av strålediameteren D og bølgelengde:

Ved en lengde på 10 m bør bjelkestørrelsen øke til 10 m 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 m = 2,5 mm. Strålen til en lommelykt divergerer betydelig mer.

4. Strålingskraft. Lasere er den kraftigste kilden til stråling: kraften deres når 10 14 W/cm 2, mens strålingseffekten til solen er 7 10 3 W/cm 2. Den spektrale strålingseffekten (tilskrives et smalt bølgelengdeintervall = 10 –6 cm) er 0,2 W/cm 2 for sola og ved laserpekeren.

La oss måle strålingseffekten til en laserpeker ved hjelp av installasjonen vår og sammenligne den med strålingseffekten til en elektrisk lampe.

Strømmen som forbrukes av lampen er 0,15 A ved en spenning på 3,6 V. Lampeeffekt P 1 = 0,15 A 3,6 V = 0,54 W. Fotostrømmen oppnådd ved å bestråle en fotocelle med denne lampen plassert på avstand L= 10 cm, utgjorde 25 μA.

Lysstrømmen til lampen, tatt i betraktning lampens lyseffektivitet (5%) og diameteren til fotocellen (3 cm), er kun:

Fotostrøm fra en laserpeker plassert i samme avstand L= 10 cm, utgjorde 300 μA.

Hvis lyseffekten til en laserpeker er 0,6, er forholdet mellom fotostrømmer:

derfor strålingskraften til laserpekeren

VIII. I dag i klassen lærte du ( sier elevene): hvordan og hvorfor laserstråling skiller seg fra stråling fra andre kilder; Hvordan produseres denne strålingen? Det gjenstår å finne ut hvordan disse egenskapene brukes i tekniske enheter: medieteknologi, medisinsk utstyr, holografiske midler for opptak og reprodusering av bilder, våpen, termonukleære reaktorer. Hver gruppe hjemme forbereder ett spørsmål og løser problemet.

Lasere blir stadig viktigere forskningsverktøy innen medisin, fysikk, kjemi, geologi, biologi og ingeniørfag. Hvis de brukes på feil måte, kan de forårsake blending og skade (inkludert brannskader og elektrisk støt) på operatører og annet personell, inkludert tilskuere i laboratoriet, samt betydelig skade på eiendom. Brukere av disse enhetene må fullt ut forstå og bruke de nødvendige sikkerhetstiltakene når de håndteres.

Hva er en laser?

Ordet «laser» (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) er en forkortelse som står for «light amplification by stimulated emission of radiation». Frekvensen av strålingen generert av en laser er innenfor eller nær den synlige delen av det elektromagnetiske spekteret. Energien forsterkes til ekstremt høy intensitet gjennom en prosess som kalles laserindusert emisjon.

Begrepet stråling blir ofte misforstått fordi det også brukes til å beskrive I denne sammenheng betyr det overføring av energi. Energi overføres fra et sted til et annet gjennom ledning, konveksjon og stråling.

Det finnes mange forskjellige typer lasere som opererer i forskjellige miljøer. Arbeidsmediet som brukes er gasser (for eksempel argon eller en blanding av helium og neon), faste krystaller (for eksempel rubin) eller flytende fargestoffer. Når energi tilføres arbeidsmediet, blir det opphisset og frigjør energi i form av lyspartikler (fotoner).

Et par speil i hver ende av et forseglet rør enten reflekterer eller sender lys i en konsentrert strøm kalt en laserstråle. Hvert driftsmiljø produserer en stråle med unik bølgelengde og farge.

Fargen på laserlys uttrykkes vanligvis ved bølgelengde. Den er ikke-ioniserende og inkluderer ultrafiolette (100-400 nm), synlige (400-700 nm) og infrarøde (700 nm - 1 mm) deler av spekteret.

Elektromagnetisk spektrum

Hver elektromagnetisk bølge har en unik frekvens og lengde knyttet til denne parameteren. Akkurat som rødt lys har sin egen frekvens og bølgelengde, har alle andre farger – oransje, gul, grønn og blå – unike frekvenser og bølgelengder. Mennesker er i stand til å oppfatte disse elektromagnetiske bølgene, men er ikke i stand til å se resten av spekteret.

Ultrafiolett stråling har også den høyeste frekvensen. Infrarød, mikrobølgestråling og radiobølger okkuperer de lavere frekvensene i spekteret. Synlig lys ligger i et veldig smalt område mellom de to.

innvirkning på mennesker

Laseren produserer en intens, rettet lysstråle. Hvis den rettes, reflekteres eller fokuseres på et objekt, vil strålen bli delvis absorbert, noe som øker temperaturen på overflaten og det indre av objektet, noe som kan føre til at materialet endres eller deformeres. Disse egenskapene, som brukes i laserkirurgi og materialbehandling, kan være farlige for menneskelig vev.

I tillegg til stråling som har en termisk effekt på vev, er laserstråling som gir en fotokjemisk effekt farlig. Dens tilstand er en tilstrekkelig kort, dvs. ultrafiolett eller blå del av spekteret. Moderne enheter produserer laserstråling, hvis innvirkning på mennesker minimeres. Laveffektlasere har ikke nok energi til å forårsake skade, og de utgjør ingen fare.

Menneskelig vev er følsomt for energi, og under visse omstendigheter kan elektromagnetisk stråling, inkludert laserstråling, forårsake skade på øyne og hud. Det er utført studier på terskelnivåer for traumatisk stråling.

Øyefare

Det menneskelige øyet er mer utsatt for skade enn huden. Hornhinnen (den klare ytre frontflaten av øyet), i motsetning til dermis, har ikke et ytre lag av døde celler for å beskytte den mot miljøpåvirkninger. Laseren absorberes av øyets hornhinne, noe som kan skade den. Skaden er ledsaget av hevelse av epitelet og erosjon, og i tilfelle alvorlige skader - uklarhet av det fremre kammeret.

Øyets linse kan også være utsatt for skader når den utsettes for ulike laserstråling - infrarød og ultrafiolett.

Den største faren er imidlertid laserens innvirkning på netthinnen i den synlige delen av det optiske spekteret – fra 400 nm (fiolett) til 1400 nm (nær infrarød). Innenfor denne regionen av spekteret er kollimerte stråler fokusert på svært små områder av netthinnen. Den mest ugunstige påvirkningen oppstår når øyet ser i det fjerne og blir truffet av en direkte eller reflektert stråle. I dette tilfellet når konsentrasjonen på netthinnen 100 000 ganger.

En synlig stråle med en effekt på 10 mW/cm 2 påvirker således netthinnen med en effekt på 1000 W/cm 2. Dette er mer enn nok til å forårsake skade. Hvis øyet ikke ser i det fjerne, eller hvis strålen reflekteres fra en diffus, ikke-speiloverflate, fører betydelig kraftigere stråling til skade. Lasereksponering for huden har ikke en fokuseringseffekt, så den er mye mindre utsatt for skader ved disse bølgelengdene.

Røntgenstråler

Noen høyspentsystemer med spenninger over 15 kV kan generere røntgenstråler med betydelig kraft: laserstråling, hvis kilder er kraftige elektronisk pumpede, samt plasmasystemer og ionekilder. Disse enhetene må testes for å sikre riktig skjerming, blant annet.

Klassifisering

Avhengig av kraften eller energien til strålen og bølgelengden til strålingen, er lasere delt inn i flere klasser. Klassifiseringen er basert på enhetens potensial til å forårsake umiddelbar skade på øyne, hud eller brann når den eksponeres direkte for strålen eller når den reflekteres fra diffuse reflekterende overflater. Alle kommersielle lasere må identifiseres med merking på dem. Hvis enheten var hjemmelaget eller på annen måte ikke merket, bør du innhente råd om passende klassifisering og merking. Lasere kjennetegnes ved kraft, bølgelengde og eksponeringsvarighet.

Sikre enheter

Enheter av første klasse genererer laserstråling med lav intensitet. Det kan ikke nå farlige nivåer, så kilder er unntatt fra de fleste kontroller eller andre former for overvåking. Eksempel: laserskrivere og CD-spillere.

Betinget sikre enheter

Andreklasselasere sender ut i den synlige delen av spekteret. Dette er laserstråling, hvis kilder forårsaker hos mennesker en normal reaksjon av aversjon mot for sterkt lys (blinkrefleks). Når det utsettes for strålen, blinker det menneskelige øyet innen 0,25 s, noe som gir tilstrekkelig beskyttelse. Imidlertid kan laserstråling i det synlige området skade øyet ved konstant eksponering. Eksempler: laserpekere, geodetiske lasere.

Klasse 2a-lasere er spesialenheter med en utgangseffekt på mindre enn 1 mW. Disse enhetene forårsaker bare skade når de eksponeres direkte i mer enn 1000 sekunder på en 8-timers arbeidsdag. Eksempel: strekkodelesere.

Farlige lasere

Klasse 3a inkluderer enheter som ikke forårsaker skade under kortvarig eksponering for et ubeskyttet øye. Kan utgjøre en fare ved bruk av fokusoptikk som teleskoper, mikroskoper eller kikkerter. Eksempler: 1-5 mW helium-neon laser, noen laserpekere og bygningsnivåer.

En klasse 3b laserstråle kan forårsake skade ved direkte eksponering eller speilrefleksjon. Eksempel: Helium-neon laser 5-500 mW, mange forsknings- og terapeutiske lasere.

Klasse 4 inkluderer enheter med effektnivåer over 500 mW. De er farlige for øynene, huden og er også en brannfare. Eksponering for strålen, dens speilende eller diffuse refleksjoner kan forårsake øye- og hudskader. Alle sikkerhetstiltak må tas. Eksempel: Nd:YAG-lasere, skjermer, kirurgi, metallskjæring.

Laserstråling: beskyttelse

Hvert laboratorium skal gi tilstrekkelig beskyttelse for personer som arbeider med laser. Romvinduer som stråling fra en klasse 2, 3 eller 4 enhet kan passere gjennom og forårsake skade i ukontrollerte områder, må tildekkes eller på annen måte beskyttes mens slik enhet er i drift. For å sikre maksimal øyebeskyttelse anbefales følgende.

• Bunten må være innelukket i en ikke-reflekterende, ikke-brennbar beskyttende innkapsling for å minimere risikoen for utilsiktet eksponering eller brann. For å justere strålen, bruk fluorescerende skjermer eller sekundære sikter; Unngå direkte kontakt med øynene.
• Bruk den laveste effekten for strålejusteringsprosedyren. Hvis mulig, bruk enheter av lav klasse for foreløpige innrettingsprosedyrer. Unngå tilstedeværelse av unødvendige reflekterende gjenstander i laseroperasjonsområdet.
• Begrens bjelkens passasje inn i faresonen i ikke-arbeidstid ved bruk av skodder og andre barrierer. Ikke bruk romvegger til å justere strålen til klasse 3b og 4 lasere.
• Bruk ikke-reflekterende verktøy. Noe utstyr som ikke reflekterer synlig lys blir speilet i det usynlige området av spekteret.
• Ikke bruk reflekterende smykker. Metallsmykker øker også risikoen for elektrisk støt.

Vernebriller

Vernebriller bør brukes ved arbeid med klasse 4 lasere med et åpent fareområde eller der det er fare for refleksjon. Deres type avhenger av typen stråling. Briller bør velges for å beskytte mot reflekser, spesielt diffuse reflekser, og for å gi beskyttelse til et nivå der den naturlige beskyttelsesrefleksen kan forhindre øyeskader. Slike optiske enheter vil opprettholde en viss synlighet av strålen, forhindre hudforbrenninger og redusere muligheten for andre ulykker.

Faktorer du bør vurdere når du velger vernebriller:

• bølgelengde eller område av strålingsspekteret;
• optisk tetthet ved en viss bølgelengde;
• maksimal belysning (W/cm2) eller stråleeffekt (W);
• type laser system;
• strømmodus - pulserende laserstråling eller kontinuerlig modus;
• refleksjonsmuligheter - speilende og diffuse;
• siktelinjen;
• tilstedeværelsen av korrigerende linser eller tilstrekkelig størrelse til å tillate bruk av briller for synskorreksjon;
• komfort;
• tilstedeværelsen av ventilasjonshull for å forhindre dugg;
• påvirkning på fargesyn;
• slagmotstand;
• evne til å utføre nødvendige oppgaver.

Fordi vernebriller er utsatt for skade og slitasje, bør laboratoriets sikkerhetsprogram inkludere periodisk inspeksjon av disse sikkerhetsfunksjonene.

I en smal stråle brukes vanligvis en bikonveks kollimatorlinse. Men med høykvalitets fokusering av strålen (som kan gjøres uavhengig ved å stramme linsens klemmutter), kan pekeren brukes til å utføre eksperimenter med en laserstråle (for eksempel for å studere interferens). Kraften til de vanligste laserpekerne er 0,1-50 mW; kraftigere opp til 2000 mW er også tilgjengelig for salg. I de fleste av dem er ikke laserdioden lukket, så de må demonteres med ekstrem forsiktighet. Over tid "brenner den åpne laserdioden ut", noe som får kraften til å reduseres. Over tid vil en slik peker praktisk talt slutte å skinne, uavhengig av batterinivået. Grønne laserpekere har en kompleks struktur og minner mer om ekte lasere i design.

Laserpeker

Typer laserpekere

Tidlige modeller av laserpekere brukte helium-neon (HeNe) gasslasere og sendte ut stråling i 633 nm-området. De hadde en effekt på ikke mer enn 1 mW og var veldig dyre. I dag bruker laserpekere vanligvis rimeligere røde dioder med en bølgelengde på 650-670 nm. Litt dyrere pekere bruker oransje-røde dioder med λ=635 nm, som gjør dem lysere for øyet, siden det menneskelige øyet ser lys med λ=635 nm bedre enn lys med λ=670 nm. Det produseres også laserpekere i andre farger; for eksempel er en grønn peker med λ=532 nm et godt alternativ til en rød med λ=635 nm, siden det menneskelige øyet er omtrent 6 ganger mer følsomt for grønt lys sammenlignet med rødt. Nylig har gul-oransje pekere med λ=593,5 nm og blå laserpekere med λ=473 nm blitt stadig mer populære.

Røde laserpekere

Den vanligste typen laserpeker. Disse pekerne bruker laserdioder med kollimator. Effekten varierer fra omtrent en milliwatt til en watt. Pekere med lav effekt i form av en nøkkelbrikke drives av små "nettbrett"-batterier og koster i dag (april 2012) omtrent $1. Kraftige røde visere er blant de billigste når det gjelder pris/effektforhold. Dermed koster en fokuserbar laserpeker med en effekt på 200 mW, som er i stand til å antenne materialer som absorberer stråling godt (fyrstikker, elektrisk tape, mørk plast, etc.), ca $20-30. Bølgelengden er omtrent 650 nm.

Sjeldnere røde laserpekere bruker en diodepumpet solid-state (DPSS) laser og opererer ved en bølgelengde på 671 nm.

Grønne laserpekere

Grønn laserpekerenhet, DPSS-type, bølgelengde 532nm.

En 100mW laserpekerstråle rettet mot nattehimmelen.

Grønne laserpekere begynte å bli solgt i 2000. Den vanligste typen diode pumped solid state (DPSS) laser. Grønne laserdioder produseres ikke, så en annen krets brukes. Enheten er mye mer kompleks enn konvensjonelle røde pekere, og det grønne lyset oppnås på en ganske tungvint måte.

Først pumpes en neodym-dopet yttriumorthovanadatkrystall (Nd:YVO 4) av en kraftig (vanligvis >100 mW) infrarød laserdiode med λ=808 nm, hvor strålingen konverteres til 1064 nm. Deretter, passerer gjennom en krystall av kaliumtitanylfosfat (KTiOPO 4, forkortet KTP), dobles strålingsfrekvensen (1064 nm → 532 nm) og synlig grønt lys oppnås. Effektiviteten til kretsen er omtrent 20 %, hvorav det meste kommer fra en kombinasjon av 808 og 1064 nm IR. På kraftige visere >50 mW må det installeres et infrarødt filter (IR-filter) for å fjerne gjenværende IR-stråling og unngå skade på synet. Det er også verdt å merke seg det høye energiforbruket til grønne lasere – de fleste bruker to AA/AAA/CR123-batterier.

473 nm (turkis farge)

Disse laserpekerne dukket opp i 2006 og har et lignende driftsprinsipp som grønne laserpekere. 473 nm lys produseres vanligvis ved å doble frekvensen til 946 nm laserlys. For å oppnå 946 nm brukes en krystall av yttriumaluminiumgranat med neodymtilsetningsstoffer (Nd:YAG).

445 nm (blå)

I disse laserpekerne sendes det ut lys fra en kraftig blå laserdiode. De fleste av disse pekerne tilhører laserfareklasse 4 og utgjør en svært alvorlig fare for øyne og hud. De begynte aktivt å spre seg i forbindelse med utgivelsen av Casio av projektorer som bruker kraftige laserdioder i stedet for konvensjonelle lamper.

Lilla laserpekere

Lyset i de lilla viserne genereres av en laserdiode som sender ut en stråle med en bølgelengde på 405 nm. Bølgelengden på 405 nm er på grensen for rekkevidden som oppfattes av menneskelig syn, og derfor virker laserstrålingen fra slike pekere svak. Lyset fra pekeren får imidlertid noen av objektene den er rettet mot til å fluorescere, noe som er lysere for øyet enn lysstyrken til selve laseren.

Lilla laserpekere dukket opp umiddelbart etter bruken av Blu-ray-stasjoner, i forbindelse med starten av masseproduksjon av 405 nm laserdioder.

Gule laserpekere

Gule laserpekere bruker en DPSS-laser som sender ut to linjer samtidig: 1064 nm og 1342 nm. Denne strålingen går inn i en ikke-lineær krystall, som absorberer fotoner fra disse to linjene og sender ut 593,5 nm fotoner (den totale energien til 1064 og 1342 nm fotoner er lik energien til 593,5 nm fotonet). Effektiviteten til slike gule lasere er omtrent 1 %.

Bruk av laserpekere

Sikkerhet

Laserstråling er farlig hvis den kommer i kontakt med øynene.

Konvensjonelle laserpekere har en effekt på 1-5 mW og tilhører fareklasse 2 - 3A og kan utgjøre en fare dersom strålen rettes inn i det menneskelige øyet i lang nok tid eller gjennom optiske instrumenter. Laserpekere med en effekt på 50-300 mW tilhører klasse 3B og er i stand til å forårsake alvorlig skade på netthinnen i øyet selv når de kortvarig eksponeres for en direkte laserstråle, så vel som en speilende eller diffust reflektert en.

I beste fall er laserpekere bare irriterende. Men konsekvensene vil være farlige hvis strålen treffer noens øye eller er rettet mot en sjåfør eller pilot og kan distrahere dem eller til og med blinde dem. Fører dette til en ulykke, vil det medføre straffansvar.

Stadig flere «laserhendelser» forårsaker krav i Russland, Canada, USA og Storbritannia om å begrense eller forby laserpekere. Allerede i New South Wales er det en bot for å ha en laserpeker, og for "laserangrep" - en fengselsstraff på opptil 14 år.

Det er også viktig å tenke på at de fleste billige kinesiske lasere som opererer etter pumpeprinsippet (det vil si grønn, gul og oransje) ikke har IR-filter av økonomiske årsaker, og slike lasere utgjør faktisk en større fare for øynene enn oppgitt av produsentene.

Notater

Lenker

• Laser Pointer Safety-nettstedet Inkluderer sikkerhetsdata

Varighet av laserstråling

Varigheten bestemmes av utformingen av laseren. Følgende typiske moduser for strålingsfordeling over tid kan skilles:

Kontinuerlig modus;

Pulsmodus, pulsvarigheten bestemmes av blinktiden til pumpelampen, typisk varighet Dfl ~ 10-3 s;

Q-svitsjmodus til resonatoren (varigheten av strålingspulsen bestemmes av overskuddet av pumping over laserterskelen og hastigheten og hastigheten for å slå på Q-faktoren, den typiske varigheten ligger i området 10-9 - 10-8 s, dette er det såkalte nanosekundområdet for strålingsvarigheter);

Synkroniseringsmodus og langsgående modus i resonatoren (strålingspulsvarighet Dfl ~ 10-11 s - picosecond range of strålingsvarigheter);

Ulike moduser for tvungen forkorting av strålingspulser (Dfl ~ 10-12 s).

Strålingseffekttetthet

Laserstråling kan konsentreres til en smal stråle med høy effekttetthet.

Strålingseffekttettheten Ps bestemmes av forholdet mellom strålingseffekten som passerer gjennom tverrsnittet til laserstrålen og tverrsnittsarealet og har dimensjonen W cm-2.

Følgelig bestemmes strålingsenergitettheten Ws av forholdet mellom energien som passerer gjennom tverrsnittet til laserstrålen og tverrsnittsarealet og har dimensjonen J cm-2

Effekttettheten i en laserstråle når store verdier på grunn av tilsetningen av energien til et stort antall koherente strålinger fra individuelle atomer som ankommer et valgt punkt i rommet i samme fase.

Ved hjelp av et optisk linsesystem kan koherent laserstråling fokuseres på et lite område som kan sammenlignes med bølgelengden på overflaten av objektet.

Effekttettheten til laserstråling på dette stedet når enorme verdier. I midten av stedet er krafttettheten:

hvor P er utgangseffekten til laserstråling;

D er diameteren til linsen til det optiske systemet;

l - bølgelengde;

f er brennvidden til det optiske systemet.

Laserstråling med enorm krafttetthet, som påvirker forskjellige materialer, ødelegger og til og med fordamper dem i området med fokusert stråling. Samtidig, i området for forekomst av laserstråling på overflaten av materialet, skapes et lett trykk på hundretusenvis av megapascal på det.

Som et resultat bemerker vi at ved å fokusere laserstråling til et punkt hvis diameter er omtrent lik strålingsbølgelengden, er det mulig å oppnå et lett trykk på 106 MPa, samt enorme strålingstettheter som når verdier på 1014- 1016 W.cm-2, mens temperaturer opp mot flere millioner kelvin.

Blokkdiagram av en optisk kvanteresonator

Laseren består av tre hoveddeler: det aktive mediet, pumpeenheten og det optiske hulrommet. Noen ganger er det også lagt til en termisk stabiliseringsenhet.

Figur 3 - Laserblokkdiagram

1) Aktivt medium.

For resonansabsorpsjon og forsterkning på grunn av stimulert emisjon, er det nødvendig at bølgen passerer gjennom et materiale hvis atomer eller systemer av atomer er "innstilt" til ønsket frekvens. Differansen i energinivåene E2 - E1 for atomene i materialet må med andre ord være lik frekvensen til den elektromagnetiske bølgen multiplisert med Plancks konstant: E2 - E1 = hn. Videre, for at stimulert emisjon skal råde over absorpsjon, må det være flere atomer på det øvre energinivået enn på det nedre. Dette skjer vanligvis ikke. Dessuten kommer ethvert system av atomer, overlatt til seg selv i tilstrekkelig lang tid, i likevekt med omgivelsene ved lav temperatur, dvs. når en tilstand med lavest energi. Ved forhøyede temperaturer blir noen av atomene i systemet begeistret av termisk bevegelse. Ved en uendelig høy temperatur ville alle kvantetilstander være like fylt. Men siden temperaturen alltid er begrenset, er den overveiende andelen atomer i den laveste tilstanden, og jo høyere tilstandene er, jo mindre fylte er de. Hvis det ved absolutt temperatur T er n0 atomer i den laveste tilstanden, er antallet atomer i den eksiterte tilstanden, hvis energi overstiger energien til den laveste tilstanden med en mengde E, gitt av Boltzmann-fordelingen: n=n0e -E/kT, hvor k er Boltzmann-konstanten. Siden det alltid er flere atomer i lavere tilstander under likevektsforhold enn i høyere, dominerer alltid absorpsjon under slike forhold i stedet for forsterkning på grunn av stimulert emisjon. Et overskudd av atomer i en viss eksitert tilstand kan opprettes og opprettholdes bare ved å kunstig overføre dem til denne tilstanden, og raskere enn de vender tilbake til termisk likevekt. Et system der det er et overskudd av eksiterte atomer har en tendens til termisk likevekt, og det må opprettholdes i en ikke-likevektstilstand ved å lage slike atomer i det.

2) Resonator.

En optisk resonator er et system av spesialtilpassede to speil, valgt på en slik måte at svak stimulert emisjon som oppstår i resonatoren på grunn av spontane overganger forsterkes mange ganger, og passerer gjennom et aktivt medium plassert mellom speilene. På grunn av flere refleksjoner av stråling mellom speilene, oppstår en forlengelse av det aktive mediet i retning av resonatoraksen, som bestemmer laserstrålingens høye retningsevne. Mer komplekse lasere bruker fire eller flere speil for å danne et hulrom. Kvaliteten på produksjonen og installasjonen av disse speilene er avgjørende for kvaliteten på det resulterende lasersystemet. Dessuten kan ekstra enheter monteres i lasersystemet for å oppnå ulike effekter, som roterende speil, modulatorer, filtre og absorbere. Bruken deres lar deg endre laserstrålingsparametrene, for eksempel bølgelengde, pulsvarighet, etc.

Resonatoren er den viktigste bestemmende faktoren for operasjonsbølgelengden, så vel som andre egenskaper til laseren. Det er hundrevis eller til og med tusenvis av forskjellige arbeidsvæsker som en laser kan bygges på. Arbeidsvæsken "pumpes" for å oppnå effekten av elektronpopulasjonsinversjon, som forårsaker stimulert emisjon av fotoner og en optisk forsterkningseffekt. Følgende arbeidsvæsker brukes i lasere.

Væsken, for eksempel i fargelasere, består av et organisk løsningsmiddel som metanol, etanol eller etylenglykol der kjemiske fargestoffer som kumarin eller rhodamin er oppløst. Konfigurasjonen av fargestoffmolekylene bestemmer arbeidsbølgelengden.

Gasser som karbondioksid, argon, krypton eller blandinger som i helium-neon-lasere. Slike lasere pumpes oftest av elektriske utladninger.

Faste stoffer som krystaller og glass. Det faste materialet dopes (aktiveres) vanligvis ved å tilsette små mengder krom-, neodym-, erbium- eller titanioner. Typiske krystaller som brukes er aluminiumgranat (YAG), yttriumlitiumfluorid (YLF), safir (aluminiumoksid) og silikatglass. De vanligste alternativene er Nd:YAG, titansafir, kromsafir (også kjent som rubin), kromdopet strontiumlitiumaluminiumfluorid (Cr:LiSAF), Er:YLF og Nd:glass (neodymglass). Solid-state lasere pumpes vanligvis av en blitslampe eller annen laser.

Halvledere. Et materiale der overgangen av elektroner mellom energinivåer kan ledsages av stråling. Halvlederlasere er svært kompakte og pumpes med elektrisk strøm, slik at de kan brukes i forbrukerenheter som CD-spillere.

3) Pumpeanordning.

Pumpekilden leverer energi til systemet. Dette kan være et elektrisk gnistgap, en blitslampe, en lysbuelampe, en annen laser, en kjemisk reaksjon eller til og med et eksplosiv. Typen pumpeanordning som brukes direkte avhenger av arbeidsvæsken som brukes, og bestemmer også metoden for å tilføre energi til systemet. For eksempel bruker helium-neon-lasere elektriske utladninger i en helium-neon-gassblanding, og lasere basert på neodym-dopet yttrium-aluminium-granat (Nd:YAG-lasere) bruker fokusert lys fra en xenon-blitslampe, og excimer-lasere bruker energien til kjemiske reaksjoner.