A lézermutatók típusai. A lézersugárzás alkalmazása a sebészetben

Főbb tulajdonságok lézersugárzás a következők: monokromatikusság, térbeli és időbeli koherencia, irányultság, nagy teljesítmény és fényerő.

Monokromatikusság és polarizáció .

A monokromatikusság jellemzi a sugárzás koncentrációjának mértékét a spektrumban. A monokromatikusság mértékének kvantitatív jellemzője a spektrumvonal szélessége a maximumától 0,5-re, vagy a vonalcsoport által elfoglalt spektrális tartománytól.

Objektívebb jellemző a spektrum relatív szélessége
, Hol ,- a spektrum maximumának megfelelő szögfrekvencia és hullámhossz.

A rezonátor által kibocsátott spektrális módus szélességét annak minőségi tényezője határozza meg
. Viszont az érték a rezonátor veszteségei határozzák meg.

A lézersugárzás spektrális vonalszélességének elméleti határát két tényező határozza meg: 1) a hősugárzás okozta zaj a rezonátorban; 2) a hatóanyag spontán kibocsátásához kapcsolódó zaj. Az optikai tartományban a spontán emisszióból származó zaj érvényesül a termikus zaj felett. Ha csak a spontán átmenetek okozta zajt vesszük figyelembe, akkor kiderül, hogy a kimenő lézersugárzás spektrumvonalának félszélességű Lorentz-képlete (lásd 1.7. fejezet)
, Hol R – kimeneti teljesítmény lézersugárzás.

Lézer kimeneti teljesítményhez R= 1 mW, a spektrum vörös tartományában bocsát ki ( λ 0 = 0,63 µm) és 10 8 rezonátorminőségi tényezővel kapjuk
≈ 5∙10 -16.
Mert , at L
=1m a rezonátor hosszának megengedett eltérése

= 5∙10 -7 nm. Nyilvánvaló, hogy a rezonátor hosszának stabilizálása ilyen határokon belül nagyon problematikus. Valós körülmények között a monokromatikus lézersugárzást a hőhatások, rezgések stb. okozta üreghossz-változások határozzák meg. Nézzük meg a kérdést polarizáció lézersugárzás.Olyan fény, amelynél az intenzitásvektorok rendezett orientációval rendelkeznekEÉsH, polarizáltnak nevezzük . A lézer általában polarizálatlan fényt tud generálni, de ez káros a lézer stabil működésére. Ahhoz, hogy a lézer egy polarizáción működjön, és a kimeneten síkpolarizált fényt kapjon, elegendő a rezonátoron belüli két polarizáció egyikénél veszteségeket bevezetni.Olyan fény, amelynél az intenzitásvektorok rendezett orientációval rendelkeznekEÉsA síkpolarizált fény olyan fény, amelynek az oszcillációs vektorainak iránya az. A szilárdtestlézereknél erre a célra a hatóanyag optikai tulajdonságainak anizotrópiáját alkalmazzák. Például a rubinlézer sugárzása általában polarizált a kettős törés és a kristály optikai tengelyének a rezonátor tengelyével való eltérése miatt.

Koherencia két vagy több oszcillációs hullámfolyamat koordinált időben és térben történő előfordulását jellemzi, amelyek összeadásakor jelentkeznek.

A legegyszerűbb formájában az optikában a koherencia a kettő közötti fáziskülönbség állandóságához kapcsolódik különféle sugárzások vagy egy sugárzás két része. Két sugárzás interferenciája összeadva csak akkor figyelhető meg, ha kölcsönösen koherensek.

Egy elektromágneses hullám esetében két független fogalom definiálható - a tér és a koherenciaidő.

A térbeli koherencia a két különböző forráspontból, azonos időpillanatban kibocsátott elektromágneses hullámok fázisainak korrelációját jelenti.

Az időbeli koherencia az azonos pontból kibocsátott elektromágneses hullámok fázisai közötti korrelációt jelenti.

A térbeli és időbeli koherencia független paraméterek: az egyik típusú koherencia létezhet a másik hiányában. A térbeli koherencia a lézer transzverzális kimeneti módjától függ. Az egyetlen transzverzális üzemmódban működő folyamatos hullámú lézer csaknem tökéletes térbeli koherenciával rendelkezik. A többmódusú üzemmódban működő impulzuslézer térbeli koherenciája korlátozott.

Az időbeli koherencia közvetlenül összefügg a monokromatikussággal. Az egyfrekvenciás (egymódusú) folytonos hullámú lézerek nagy fokú időbeli koherenciával rendelkeznek.

Két emitter kölcsönös koherenciájának mértéke kísérletileg meghatározható az interferenciamintázat kontrasztjával

, (1)

És
- intenzitás a maximális és minimális interferencia peremeken.

Az intenzitás mérésével
És
a képernyő kiválasztott pontjai közelében, meghatározhatja a funkciót , amely az elsőrendű kölcsönös koherencia mértékét jellemzi.

. (2)

Pontokban csak a térbeli koherenciát figyelni X 1 És X 2
, azaz végezzen méréseket a 0 pont közelében (lásd 2.10. ábra). Csak egy lyuk időbeli koherenciáját figyelni X 1 És X 2 a kívánt közelnek kell lennie (egybe kell esnie), de két zavaró hullám esetén késleltetést kell biztosítani például a hullám és a lyuk elválasztásával X 1 két részre egy további áttetsző tükör segítségével, ahogyan a Michelson interferométerben is történik.

Rizs. 2.10. Elektromágneses hullám koherenciájának mérése Young interferométerrel.

A koherencia ideje az 1/∆ ω , Hol ∆ ω – vonalszélesség Hz-ben. A koherenciaidő és a fénysebesség szorzata a koherencia hossza. Ez utóbbi jellemzi a holográfia mélységélességét és azokat a maximális távolságokat, amelyeknél interferometrikus mérések lehetségesek.

A sugárzás koherenciája fontos azokban a lézeres alkalmazásokban, ahol a lézersugár összetevőinek felhasadása, majd ezt követő egyesítése történik. Ezek az alkalmazások közé tartozik az interferometrikus lézeres távolságmérés és a holográfia.

Ha az optikai sugárzás forrásait a sugárzás keletkezésének koherenciájának csökkenő foka szerint rendezzük, akkor a következők lesznek: gázlézerek - folyadék - szilárdtest dielektromos lézerek - félvezető lézerek - gázkisüléses lámpák - LED-ek - izzólámpák.

Irányítottság és fényerő.

A sugárzás iránya a sugárzás lokalizációja egy irány közelében, amely a sugárzás terjedési tengelye. A lézersugárzás természeténél fogva rendelkezik magas fokú

irány. Lézersugárzásnál az irányíthatósági együttható elérheti a 2000-et. A lézersugárzás divergenciáját a diffrakciós jelenségek korlátozzák..

A lézersugárzás irányultságát a divergenciája jellemzi, amelyet a generált sugárzás hullámhosszának a rezonátor lineáris méretéhez viszonyított aránya határoz meg.  A lézersugárzás koherens, ezért a hullámfront általában majdnem egy sík vagy egy nagyon nagy sugarú gömb. Így a lézer csaknem párhuzamos, nagyon alacsony divergenciájú nyalábok forrásának tekinthető. Elvileg ezt az eltérést a sugarak diffrakciója határozza meg a kimeneti nyíláson. Szögdivergencia izl
, Hol diffrakcióval meghatározott értéket a kifejezés becsüli meg d

– a furat átmérője vagy a gerenda átmérője a legkeskenyebb részén.

A koherens lézersugárzás egy rendkívül kis pontra fókuszálható, ahol az energiasűrűség nagyon magas lesz. A lézersugár minimális méretének elméleti határa a hullámhossz. Az ipari lézereknél a fókuszált fényfolt mérete 0,001-0,01 cm Jelenleg a lézerek 10 11 W/cm 2 sugárzási teljesítményt értek el (a Nap sugárzási sűrűsége mindössze 7∙10 3 W/cm 2 ). Az elektromágneses hullámforrás fényereje az egységnyi felületről egységnyi térszögben, a sugárzó felületre merőleges irányban kibocsátott sugárzás ereje.

Az energetikai fényerő mellett bevezetik a fotometriai fényerő fogalmát. Az emberi szem fényexpozíciójának hatékonyságának értékelésére szolgál. Az energiamennyiségekről a fotometrikusokra való átmenet az együtthatón keresztül történik
, a hullámhossztól függően.

Ez az együttható a sugárzási fluxus fényegyenértéke, és ún monokromatikus sugárzás spektrális fényhatékonysága vagy láthatóság. Normál nappali látás esetén a láthatósági függvény maximuma a hullámhosszon jelentkezik = 555 nm ( tükörfény). at =380 és 780 nm-es láthatóság szinte nullára csökken.

Mindannyian szeretitek a lézereket. Tudom, jobban megszállott vagyok velük, mint te. És ha valaki nem szereti, akkor egyszerűen nem látta a szikrázó porszemcsék táncát, vagy azt, ahogy egy káprázatos apró fény marja át a rétegelt lemezt

Az egész egy cikkel kezdődött Fiatal technikus 1991-es évre a festéklézer megalkotásáról - akkor egyszerűen irreális volt egy egyszerű iskolásnak megismételni a tervezést... Most szerencsére a lézerekkel egyszerűbb a helyzet - kivehetők a törött berendezésekből, készen is megvásárolhatóak, alkatrészekből összeállíthatók... A lézerek valóságához legközelebb állókról, amelyekről ma lesz szó, valamint ezek alkalmazási módjairól. De mindenekelőtt a biztonságról és a veszélyről.

Miért veszélyesek a lézerek?

A probléma az, hogy a párhuzamos lézersugarat a szem a retina egy pontjára fókuszálja. Ha pedig 200 fok kell a papír meggyulladásához, akkor már csak 50 elég ahhoz, hogy a retinát megsértse, így a vér megalvad. Eltalálhatod a lényeget véredényés blokkolja, egy vakfoltba kerülhet, ahol az idegek az egész szemből az agyba mennek, kiégetheti a „pixelek” sorát... És akkor elkezdhet leválni a sérült retina, és ez a látás teljes és visszafordíthatatlan elvesztéséhez vezető út. A legkellemetlenebb pedig az, hogy elsőre nem fogsz észrevenni semmilyen sérülést: nincsenek ott fájdalomreceptorok, az agy a sérült területeken a tárgyakat kiegészíti (úgymond újratérképezi az elhalt pixeleket), és csak akkor, ha a sérült terület nagy lesz. elég észrevehető, hogy a tárgyak eltűnnek, amikor bekerülnek. Nem fog látni fekete területeket a látóterében – egyszerűen nem lesz itt-ott semmi, de semmi sem észrevehető. Az első szakaszokban csak egy szemész láthatja a károsodást.

A lézerek veszélyét az alapján mérlegelik, hogy képesek-e károsodást okozni, mielőtt a szem reflexszerűen pislogna – és az 5 mW-os látható sugárzás teljesítményét nem tartják túl veszélyesnek. Ezért az infravörös lézerek rendkívül veszélyesek (és részben az ibolyalézerek – egyszerűen nagyon nehezen láthatóak) – megsérülhet, és soha nem látja, hogy a lézer közvetlenül a szemébe világít.

Ezért ismétlem, jobb elkerülni az 5 mW-nál erősebb lézereket és az infravörös lézereket.

Továbbá soha, semmilyen körülmények között ne nézzen a lézer „kijáratába”. Ha úgy tűnik, hogy „valami nem működik” vagy „valahogy gyenge”, nézzen át egy webkamerán/irányító kamerán (ne egy DSLR-en!). Ez lehetővé teszi az infravörös sugárzás megtekintését is.

Természetesen vannak védőszemüvegek, de van egy csomó finomság. Például a DX weboldalán vannak szemüvegek a zöld lézerek ellen, de ezek továbbítják az infravörös sugárzást, és éppen ellenkezőleg, növelik a veszélyt. Szóval légy óvatos.

PS. Hát persze, egyszer kitüntettem magam - véletlenül lézerrel megégettem a szakállam ;-)

650 nm – piros

Talán ez a legelterjedtebb lézertípus az interneten, és mindez azért, mert minden DVD-RW-n van egy 150-250 mW teljesítményű (mint nagyobb sebesség rekordok – annál magasabb). 650 nm-en nem túl jó a szem érzékenysége, mert bár 100-200 mW-on vakítóan fényes a pont, nappal csak alig látszik a sugár (éjszaka persze jobban látszik). 20-50 mW-tól kezdődően egy ilyen lézer elkezd "égni" - de csak akkor, ha a fókusz megváltoztatható, hogy a folt egy apró pontra fókuszáljon. 200 mW-on nagyon gyorsan ég, de ismét fókusz kell. Golyók, karton, szürke papír...

Készen is megvásárolhatod (például az első képen piros). Kis lézereket is árulnak "nagyban" - igazi kicsiket, pedig minden van bennük, mint egy felnőttnél - áramrendszer, állítható fókusz - ami a robotokhoz és az automatizáláshoz kell.

És ami a legfontosabb, az ilyen lézerek óvatosan eltávolíthatók a DVD-RW-ről (de ne feledje, hogy ott van egy infravörös dióda is, nagyon óvatosnak kell lennie vele, erről lentebb). (Mellesleg a szervizekben halom a garancián túli DVD-RW - 20 darabot vettem, többet nem tudtam hozni). A lézerdiódák nagyon gyorsan meghalnak a túlmelegedéstől, a maximum túllépésétől fényáram- azonnal. A névleges áramerősség felére történő túllépése (feltéve, hogy a fényáramot nem lépi túl) 100-1000-szeresére csökkenti az élettartamot (ezért legyen óvatos a „túlhúzással”).

Teljesítmény: 3 fő áramkör van: a legprimitívebb, ellenállással, áramstabilizátorral (LM317-en, 1117-en) és a legtöbb műrepülő - felhasználásával visszacsatolás fotodiódán keresztül.

A normál gyári lézermutatókban általában a 3. sémát használják - ez biztosítja a kimeneti teljesítmény maximális stabilitását és maximális futamidő dióda szerviz.

A második séma könnyen kivitelezhető és jó stabilitást biztosít, különösen, ha kis teljesítménytartalékot hagyunk (~10-30%). Pontosan ezt javaslom - a lineáris stabilizátor az egyik legnépszerűbb alkatrész, és minden rádióüzletben, még a legkisebbben is, vannak az LM317 vagy az 1117 analógjai.

Az előző cikkben leírt legegyszerűbb ellenállásos áramkör csak egy kicsit egyszerűbb, de vele könnyű megölni a diódát. A tény az, hogy ebben az esetben a lézerdiódán átmenő áram/teljesítmény nagymértékben függ a hőmérséklettől. Ha például 20 C-on 50 mA-es áramot kap, és a dióda nem ég ki, majd működés közben a dióda 80 C-ra melegszik, az áram megnő (annyira alattomosak ezek a félvezetők), és miután elérte, mondjuk 120mA-nél a dióda csak fekete fénnyel kezd világítani. Azok. Egy ilyen séma akkor is használható, ha legalább három-négyszeres teljesítménytartalékot hagy.

És végül hibakeresni kell az áramkört egy normál piros LED-del, és a legvégén forrasztani a lézerdiódát. A hűtés kötelező! A „vezetékeken” lévő dióda azonnal kiég! A lézerek optikáját ne törölje le és ne érintse meg kézzel (legalább >5mW) - minden sérülés „kiég”, ezért ha szükséges, fújjuk le fúvóval, és kész.

És így néz ki egy lézerdióda közelről működés közben. A horpadások azt mutatják, milyen közel voltam a kudarchoz, amikor eltávolítottam a műanyag tartóról. Ez a fotó sem volt könnyű számomra.

532nm – zöld

Bonyolult szerkezetűek - ezek az úgynevezett DPSS lézerek: Az első lézer, 808 nm-en infravörös, egy Nd:YVO4 kristályba világít - 1064 nm-es lézersugárzást kapunk. Eltalálja a „frekvenciaduplázó” kristályt - az ún. KTP, és 532 nm-t kapunk. Nem könnyű ezeket a kristályokat termeszteni, mert hosszú ideig A DPSS lézerek baromi drágák voltak. De hála a kemény munkának kínai elvtársak, most meglehetősen megfizethetőek lettek - darabonként 7 dollártól. Mindenesetre ezek mechanikailag összetett eszközök, félnek az esésektől és a hirtelen hőmérséklet-változásoktól. Legyen óvatos.

A zöld lézerek fő előnye, hogy az 532 nm nagyon közel van a szem maximális érzékenységéhez, és mind a pont, mind a sugár jól látható. 5mW-ot mondanék zöld lézer 200mW pirosnál fényesebben világít (az első fotón 5mW zöld, 200mW piros és 200mW lila). Ezért nem javaslom 5 mW-nál erősebb zöld lézer vásárlását: az első zöld, amit vettem, 150 mW-os volt, és ez egy igazi káosz - szemüveg nélkül nem tudsz vele mit kezdeni, még a visszaverődő fény is vakít és távozik. kellemetlen érzés.

A zöld lézereknek is nagy a veszélye: 808 és főleg 1064 nm-es infravörös sugárzás jön ki a lézerből, és a legtöbb esetben több van belőle, mint zöldből. Néhány lézer rendelkezik infravörös szűrővel, de a legtöbb 100 dollár alatti zöld lézer nem rendelkezik. Azok. A lézer „károsító” képessége a szemre sokkal nagyobb, mint amilyennek látszik – és ez egy újabb ok, amiért ne vegyünk 5 mW-nál erősebb zöld lézert.

Természetesen lehet zöld lézerekkel is égetni, de ismét 50 mW + teljesítmény kell, ha az oldalsó infrasugár „segít” a közeledben, akkor a távolsággal gyorsan „életlenné válik”. És ha figyelembe vesszük, mennyire vakító, semmi mulatság nem lesz belőle.

405 nm – lila

Ez inkább ultraibolya közelében. A legtöbb dióda közvetlenül 405 nm-t bocsát ki. Az a probléma velük, hogy a szem érzékenysége 405nm-en kb 0,01%, azaz. egy 200 mW-os lézerszem aprónak tűnik, de valójában rohadt veszélyes és vakítóan fényes - a teljes 200 mW-on károsítja a retinát. További probléma, hogy az emberi szem hozzászokott a „zöld” fény alatti fókuszáláshoz, és a 405 nm-es folt mindig életlen lesz – nem túl kellemes érzés. De van egy jó oldala is - sok tárgy, például a papír, élénk kék fénnyel fluoreszkál, ami az egyetlen dolog, ami megmenti ezeket a lézereket a tömegek feledésétől. De hát megint nem olyan szórakoztatóak. Bár a kábelköteg 200 mW, légy egészséges, a lézer pontra fókuszálásának nehézsége miatt nehezebb, mint a pirosakkal. Emellett a fotorezisztek 405 nm-re is érzékenyek, és aki velük dolgozik, az kitalálja, miért lehet erre szükség ;-)

780nm – infravörös

Az ilyen lézerek CD-RW-ben és második diódaként a DVD-RW-ben találhatók. A probléma az, hogy az emberi szem nem látja a sugarat, ezért az ilyen lézerek nagyon veszélyesek. Megégetheti a retináját, és nem veszi észre. A velük való munka egyetlen módja az, ha infraszűrő nélküli kamerát használunk (például webkamerákban könnyen beszerezhető) - akkor a sugár és a folt is látható lesz. Az infravörös lézereket valószínűleg csak házi készítésű lézeres „gépekben” lehet használni, nem javasolnám, hogy vacakoljunk velük.

Az infravörös lézerek a lézernyomtatókban is megtalálhatók egy letapogató áramkörrel - 4 vagy 6 oldalas forgó tükör + optika.

10µm – infravörös, CO2

Ez a legnépszerűbb lézertípus az iparágban. Fő előnyei az alacsony ár (csövek 100-200 dollár), a nagy teljesítmény (100 W - rutin), a nagy hatékonyság. Fémet és rétegelt lemezt vágtak. Gravírozás stb. Ha saját maga szeretne lézergépet készíteni, akkor Kínában (alibaba.com) megvásárolhatja a szükséges teljesítményű kész csöveket, és csak hűtő- és táprendszert állíthat össze. Speciális kézművesek azonban házilag is készítenek csöveket, bár nagyon nehéz (a probléma a tükrökben és az optikában van - a 10 μm-es üveg nem engedi át a sugárzást - ide csak a szilíciumból, germániumból és néhány sóból készült optika alkalmas).

Lézerek alkalmazásai

Főleg prezentációkhoz használják, macskákkal/kutyákkal való játékra (5mW, zöld/piros), csillagászok csillagképekre mutatnak (zöld 5mW és nagyobb). Házi készítésű gépek– 200 mW-ról működik vékony fekete felületeken. A CO2 lézerek szinte bármit képesek vágni. Egyszerűen nehéz egy nyomtatott áramköri lapot vágni - a réz nagyon jól visszaveri a 350 nm-nél hosszabb sugárzást (ezért a gyártásban, ha nagyon akarod, drága 355 nm-es DPSS lézereket használnak). Nos, standard szórakozás a YouTube-on - durranó lufi, papír- és kartonvágás - bármilyen 20-50 mW-os lézer, feltéve, hogy egy pontra lehet fókuszálni.

A komolyabb oldalon - fegyverekhez céltáblák (zöld), otthon készíthetsz hologramot (ehhez a félvezető lézer bőven elég), UV-érzékeny műanyagból nyomtathatsz 3D-s objektumokat, sablon nélkül exponálhatsz fotoreziszt, rávilágíthatsz egy sarokreflektorra a Holdon , és 3 másodperc múlva meglátod a választ, építhetsz egy 10 Mbit-es lézeres kommunikációs vonalat... A kreativitás lehetősége korlátlan

Szóval, ha még gondolkodik, hogy milyen lézert vegyen, vegye az 5mW-os zöldet :-) (na és a 200mW-os pirosat, ha égetni akar)

Kérdések/vélemények/ észrevételek - a stúdióba!

Címkék:

• lézer
• dvd-rw
• szélsőséges üzlet

Címkék hozzáadása

A lézersugárzás időtartama

Az időtartamot a lézer kialakítása határozza meg. A sugárzás időbeli eloszlásának következő tipikus módjai különböztethetők meg:

Folyamatos üzemmód;

Impulzus üzemmód, az impulzus időtartamát a szivattyú lámpa villanási időtartama határozza meg, tipikus időtartam Dfl ~ 10-3 s;

A rezonátor Q-kapcsolási módja (a sugárzási impulzus időtartamát a lézerküszöb feletti szivattyúzási többlet, valamint a Q-faktor bekapcsolási sebessége és sebessége határozza meg, jellemző időtartama 10-9 - 10-8 s, ez a sugárzási időtartamok úgynevezett nanoszekundumos tartománya);

Szinkronizálási mód és longitudinális üzemmódok a rezonátorban (sugárzási impulzus időtartama Dfl ~ 10-11 s - a sugárzási időtartamok pikoszekundumos tartománya);

A sugárzási impulzusok kényszerlerövidítésének különféle módjai (Dfl ~ 10-12 s).

Sugárzási teljesítménysűrűség

A lézersugárzás keskeny sugárba koncentrálható nagy sűrűségű hatalom.

A Ps sugárzási teljesítménysűrűséget a lézersugár keresztmetszetén áthaladó sugárzási teljesítmény és a keresztmetszeti terület aránya határozza meg, mérete W cm-2.

Ennek megfelelően a Ws sugárzási energiasűrűséget a lézersugár keresztmetszetén áthaladó energia és a keresztmetszeti terület aránya határozza meg, és mérete J cm-2

A lézersugár teljesítménysűrűsége nagy értékeket ér el az azonos fázisban a tér egy kiválasztott pontjára érkező egyedi atomok hatalmas számú koherens sugárzásának energiájának hozzáadásával.

Koherens lézersugárzás használatával optikai rendszer a lencséket a tárgy felületén lévő hullámhosszal összemérhető kis területre lehet fókuszálni.

A lézersugárzás teljesítménysűrűsége ezen a helyen óriási értékeket ér el. A helyszín közepén a teljesítménysűrűség:

ahol P a lézersugárzás kimenő teljesítménye;

D az optikai rendszer lencséjének átmérője;

l - hullámhossz;

f az optikai rendszer gyújtótávolsága.

Hatalmas teljesítménysűrűségű lézersugárzás, befolyásoló különféle anyagok, elpusztítja, sőt elpárologtatja őket a beeső fókuszált sugárzás tartományában. Ugyanakkor a lézersugárzásnak az anyag felületén való előfordulásának területén több százezer megapascal fénynyomás keletkezik rajta.

Ennek eredményeként megjegyezzük, hogy a lézersugárzás fókuszálása olyan foltra, amelynek átmérője kb hosszával egyenlő sugárzási hullámok esetén 106 MPa fénynyomás, valamint óriási sugárzási teljesítménysűrűség érhető el, elérve az 1014-1016 W.cm-2 értéket, miközben akár több millió kelvin hőmérséklet is fellép.

Optikai kvantumrezonátor blokkvázlata

A lézer három fő részből áll: az aktív közegből, a pumpás eszközből és az optikai üregből. Néha termikus stabilizáló eszközt is adnak hozzá.

3. ábra - Lézer blokkdiagram

1) Aktív közeg.

A stimulált emisszió miatti rezonáns abszorpcióhoz és erősítéshez szükséges, hogy a hullám áthaladjon egy olyan anyagon, amelynek atomjai vagy atomrendszerei a kívánt frekvenciára vannak „hangolva”. Más szavakkal, az anyag atomjainál az E2 - E1 energiaszintek különbségének meg kell egyeznie az elektromágneses hullám frekvenciájának szorzatával Planck állandó: E2 - E1 = hn. Továbbá ahhoz, hogy a stimulált emisszió felülkerekedjen az abszorpcióval szemben, több atomnak kell lennie a felső energiaszinten, mint az alsón. Ez általában nem történik meg. Sőt, bármilyen atomrendszer, kellőképpen hosszú ideig magára hagyva alacsony hőmérsékleten egyensúlyba kerül környezetével, azaz. eléri a legalacsonyabb energiájú állapotot. Magasabb hőmérsékleten a rendszer egyes atomjai hőmozgás hatására gerjesztődnek. Végtelenül magas hőmérsékleten mindent kvantumállapotok egyformán megtelne. De mivel a hőmérséklet mindig véges, az atomok túlnyomó hányada a legalacsonyabb állapotban van, és minél magasabbak az állapotok, annál kevésbé vannak kitöltve. Ha T abszolút hőmérsékleten n0 atom van a legalacsonyabb állapotban, akkor a gerjesztett állapotban lévő atomok számát, amelyek energiája E mennyiséggel meghaladja a legalacsonyabb állapot energiáját, a Boltzmann-eloszlás adja meg: n=n0e -E/kT, ahol k - Boltzmann állandó. Mivel egyensúlyi körülmények között mindig több atom van alacsonyabb állapotban, mint magasabb állapotban, ilyen körülmények között mindig az abszorpció dominál, nem pedig a stimulált emisszió miatti amplifikáció. Egy bizonyos gerjesztett állapotban lévő atomok feleslegét csak úgy lehet létrehozni és fenntartani, ha mesterségesen ebbe az állapotba visszük át őket, és gyorsabban, mint ahogy visszakerülnek. termikus egyensúly. Egy rendszer, amelyben túl van gerjesztett atomok, hajlamos a termikus egyensúlyra, és nem egyensúlyi állapotban kell tartani, ha ilyen atomokat hozunk létre benne.

2) Rezonátor.

Az optikai rezonátor egy speciálisan egymáshoz illesztett két tükör rendszere, amelyet úgy választanak ki, hogy a spontán átmenetek miatt a rezonátorban fellépő gyenge stimulált emisszió sokszorosára felerősödjön, áthaladva a tükrök között elhelyezett aktív közegen. A tükrök közötti többszörös visszaverődés következtében az aktív közeg megnyúlik a rezonátor tengelye irányában, ami meghatározza a lézersugárzás nagy irányíthatóságát. A bonyolultabb lézerek négy vagy több tükröt használnak egy üreg kialakításához. E tükrök gyártásának és beszerelésének minősége kritikus a létrejövő lézerrendszer minősége szempontjából. A lézerrendszer is felszerelhető további eszközök fogadni különféle hatások, például forgó tükrök, modulátorok, szűrők és abszorberek. Használatuk lehetővé teszi a lézersugárzás paramétereinek megváltoztatását, például a hullámhosszt, az impulzus időtartamát stb.

A rezonátor a fő meghatározó tényezője a működési hullámhossznak, valamint a lézer egyéb tulajdonságainak. Több száz vagy akár több ezer különféle munkafolyadék létezik, amelyekre lézer építhető. A munkafolyadékot „szivattyúzzák”, hogy elérjék az elektronpopuláció-inverzió hatását, ami stimulált fotonkibocsátást és optikai erősítési hatást okoz. A lézerekben a következő munkafolyadékokat használják.

A folyadék például a festéklézerekben a következőkből áll szerves oldószer, mint a metanol, etanol vagy etilénglikol, amelyekben kémiai színezékek, például kumarin vagy rodamin vannak feloldva. A festékmolekulák konfigurációja határozza meg a munkahullámhosszt.

A gázok pl. szén-dioxid, argon, kripton vagy keverékek, például hélium-neon lézerekben. Az ilyen lézereket leggyakrabban elektromos kisülések szivattyúzzák.

Szilárd anyagok, például kristályok és üveg. A szilárd anyagot általában adalékkal adalékolják (aktiválják). kis mennyiségben króm, neodímium, erbium vagy titán ionjai. Tipikus használt kristályok az alumínium gránát (YAG), ittrium-lítium-fluorid (YLF), zafír (alumínium-oxid) és szilikátüveg. A leggyakoribb lehetőségek a következők: Nd:YAG, titán zafír, króm zafír (más néven rubin), krómmal adalékolt stroncium-lítium-alumínium-fluorid (Cr:LiSAF), Er:YLF és Nd:üveg (neodímium üveg). A szilárdtestlézereket általában villanólámpával vagy más lézerrel pumpálják.

Félvezetők. Olyan anyag, amelyben az elektronok átvitele között energiaszintek sugárzás kísérheti. A félvezető lézerek nagyon kompaktak, pumpálhatók áramütés, lehetővé téve azok használatát fogyasztói eszközökben, például CD-lejátszókban.

3) Szivattyús készülék.

A szivattyúforrás táplálja a rendszert. Ez lehet elektromos kisülő, villanólámpa, ívlámpa, másik lézer, kémiai reakció vagy akár robbanó. A használt szivattyúberendezés típusa közvetlenül függ a használt munkaközegtől, és meghatározza a rendszer energiaellátásának módját is. Például a hélium-neon lézerek elektromos kisüléseket használnak hélium-neon gázkeverékben, a neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránát alapú lézerek (Nd:YAG lézerek) pedig xenon villanólámpa fókuszált fényét, az excimer lézerek pedig kémiai reakciók.

A lézerek egyre fontosabb kutatási eszközökké válnak az orvostudomány, a fizika, a kémia, a geológia, a biológia és a mérnöki tudományok területén. at visszaélés Vakítást és sérülést (beleértve az égési sérüléseket és az áramütést) okozhatják a kezelőknek és más személyeknek, beleértve a közelben tartózkodókat, valamint jelentős anyagi károkat okozhatnak. Ezen eszközök felhasználóinak teljes mértékben meg kell érteniük és alkalmazniuk kell a szükséges biztonsági óvintézkedéseket a kezelésük során.

Mi az a lézer?

A „lézer” szó (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a „fényerősítés stimulált sugárzáskibocsátással” rövidítése. A lézer által keltett sugárzás frekvenciája az elektromágneses spektrum látható részén belül vagy annak közelében van. Az energiát rendkívül nagy intenzitással erősítik fel a lézer-indukált emissziónak nevezett folyamat révén.

A sugárzás kifejezést gyakran félreértik, mert leírására is használják Ebben az összefüggésben az energia átadását jelenti. Az energia vezetés, konvekció és sugárzás révén kerül át egyik helyről a másikra.

Sokan vannak különféle típusok különböző környezetben működő lézerek. Gázokat használnak munkaközegként (például argont vagy hélium és neon keverékét), kemény kristályok(pl. rubin) vagy folyékony színezékek. Amikor energiát juttatnak a munkaközegbe, az gerjesztődik, és fényrészecskék (fotonok) formájában energiát szabadít fel.

A lezárt cső mindkét végén lévő tükörpár visszaveri vagy továbbítja a fényt koncentrált áramban, amelyet lézersugárnak neveznek. Minden működési környezet egyedi hullámhosszú és színű sugarat állít elő.

A lézerfény színét jellemzően a hullámhossz fejezi ki. Nem ionizáló, és a spektrum ultraibolya (100-400 nm), látható (400-700 nm) és infravörös (700 nm - 1 mm) részeit tartalmazza.

Elektromágneses spektrum

Minden elektromágneses hullámnak egyedi frekvenciája és hossza ehhez a paraméterhez kapcsolódik. Ahogy a vörös fénynek megvan a maga frekvenciája és hullámhossza, az összes többi színnek – narancssárga, sárga, zöld és kék – egyedi frekvenciája és hullámhossza van. Az emberek képesek ezeket érzékelni elektromágneses hullámok, de nem látja a spektrum többi részét.

Az ultraibolya sugárzásnak is a legmagasabb a frekvenciája. Az infravörös sugárzás, a mikrohullámú sugárzás és a rádióhullámok a spektrum alsó frekvenciáit foglalják el. A látható fény nagyon szűk tartományban van a kettő között.

hatása az emberekre

A lézer intenzív, irányított fénysugarat hoz létre. Ha egy tárgyra irányítják, visszaverik vagy fókuszálják, a sugár részben elnyelődik, ami megemeli a tárgy felületének és belsejének hőmérsékletét, ami az anyag megváltozását vagy deformálódását okozhatja. Ezek a lézeres sebészetben és anyagfeldolgozásban használt tulajdonságok veszélyesek lehetnek az emberi szövetre.

A szövetekre termikus hatást kifejtő sugárzás mellett veszélyes a fotokémiai hatást kiváltó lézersugárzás. Feltétele a spektrum kellően rövid, azaz ultraibolya vagy kék része. Modern eszközök lézersugárzást bocsátanak ki, amelynek az emberre gyakorolt ​​hatása minimális. A kis teljesítményű lézereknek nincs elég energiájuk ahhoz, hogy kárt okozzanak, és nem is jelentenek veszélyt.

Az emberi szövetek érzékenyek az energiára, és bizonyos körülmények között elektromágneses sugárzás, beleértve a lézert is, károsíthatja a szemet és a bőrt. Tanulmányokat végeztek a traumás sugárzás küszöbértékeivel kapcsolatban.

Szemveszély

Az emberi szem érzékenyebb a sérülésekre, mint a bőr. A szaruhártya (a szem tiszta külső elülső felülete), a dermisszel ellentétben, nem rendelkezik elhalt sejtekből álló külső réteggel, amely megvédené a károsodástól. környezet. A lézert a szem szaruhártya elnyeli, ami károsíthatja azt. A sérülést a hám duzzanata és erózió, súlyos sérülések esetén pedig az elülső kamra homályosodása kíséri.

A szemlencse is érzékeny lehet a sérülésekre, ha különféle lézersugárzásnak – infravörös és ultraibolya sugárzásnak van kitéve.

A legnagyobb veszélyt azonban a lézernek a retinára gyakorolt ​​hatása jelenti az optikai spektrum látható részén - 400 nm-től (ibolya) 1400 nm-ig (infravörös közelében). A spektrum ezen tartományán belül a kollimált nyalábok a retina nagyon kis területeire fókuszálnak. A legkedvezőtlenebb hatás akkor következik be, amikor a szem a távolba néz, és közvetlen vagy visszavert sugár éri. Ebben az esetben a retinán való koncentrációja eléri a 100 000-szeresét.

Így egy 10 mW/cm 2 teljesítményű látható nyaláb 1000 W/cm 2 teljesítménnyel hat a retinára. Ez több mint elég ahhoz, hogy károkat okozzon. Ha a szem nem néz a távolba, vagy ha a sugár diffúzról verődik vissza, tükörfelület, lényegesen több sérüléshez vezet erős sugárzás. A bőrt érő lézeres expozíciónak nincs fókuszáló hatása, így sokkal kevésbé érzékeny a sérülésekre ezeken a hullámhosszokon.

röntgensugarak

Egyes, 15 kV-nál nagyobb feszültségű nagyfeszültségű rendszerek jelentős teljesítményű röntgensugarakat generálhatnak: lézersugárzást, amelynek forrásai erős elektronikus szivattyúzásúak, valamint plazmarendszereket és ionforrásokat. Ezeket az eszközöket tesztelni kell a megfelelő árnyékolás biztosítása érdekében, többek között.

Osztályozás

A sugár teljesítményétől vagy energiájától és a sugárzás hullámhosszától függően a lézereket több osztályba sorolják. Az osztályozás alapja potenciális képesség Az eszközök azonnali szem-, bőr- vagy tüzet okozhatnak, ha közvetlenül a sugárnak vannak kitéve, vagy ha visszaverődnek a diffúz fényvisszaverő felületekről. Minden kereskedelmi forgalomba hozott lézert a rájuk helyezett jelölésekkel kell azonosítani. Ha az eszköz házilag készült vagy más módon nem volt jelölve, tanácsot kell kérni a megfelelő osztályozással és címkézéssel kapcsolatban. A lézereket teljesítmény, hullámhossz és expozíciós időtartam különbözteti meg.

Biztonságos eszközök

Az első osztályú készülékek alacsony intenzitású lézersugárzást generálnak. Nem érhet el veszélyes szintet, ezért a források mentesülnek a legtöbb ellenőrzés vagy egyéb felügyelet alól. Példa: lézernyomtatók és CD-lejátszók.

Feltételesen biztonságos eszközök

A másodosztályú lézerek a spektrum látható részén bocsátanak ki. Ez lézersugárzás, amelynek forrásai az emberben keletkeznek normális reakció túl sok elutasítás erős fény (pislogási reflex). Ha sugárnak van kitéve emberi szem 0,25 s után villog, ami elegendő védelmet biztosít. A látható tartományban lévő lézersugárzás azonban állandó expozíció esetén károsíthatja a szemet. Példák: lézermutatók, geodéziai lézerek.

A 2a osztályú lézerek eszközök speciális célú 1 mW-nál kisebb kimeneti teljesítménnyel. Ezek az eszközök csak akkor okoznak kárt, ha egy 8 órás munkanapon belül több mint 1000 másodpercig vannak közvetlenül kitéve. Példa: vonalkód olvasók.

Veszélyes lézerek

A 3a osztályba azok az eszközök tartoznak, amelyek nem okoznak sérülést, ha rövid ideig védik a szemet. Veszélyt jelenthet fókuszáló optikák, például teleszkópok, mikroszkópok vagy távcsövek használatakor. Példák: 1-5 mW hélium-neon lézer, néhány lézermutató és épületszint.

A 3b osztályú lézersugár sérülést okozhat a közvetlen expozíció vagy tükörkép. Példa: 5-500 mW hélium-neon lézer, számos kutató és terápiás lézer.

A 4. osztályba olyan eszközök tartoznak, amelyek teljesítményszintje meghaladja az 500 mW-ot. Veszélyesek a szemre, a bőrre, és tűzveszélyesek is. A sugárnak való kitettség, tükör- vagy diffúz visszaverődése szem- és bőrsérüléseket okozhat. Minden biztonsági intézkedést meg kell tenni. Példa: Nd:YAG lézerek, kijelzők, sebészet, fémvágás.

Lézersugárzás: védelem

Minden laboratóriumnak biztosítania kell megfelelő védelmet lézerrel dolgozó személyek. Azokat a helyiségablakokat, amelyeken keresztül a 2., 3. vagy 4. osztályú készülékek sugárzása áthaladhat, és az ellenőrizetlen területeken kárt okoz, le kell takarni vagy más módon védeni kell, amíg az eszköz működik. A maximális szemvédelem érdekében a következőket javasoljuk.

• A gerendát nem tükröződő, nem gyúlékony anyagba kell zárni visszatartás a véletlen expozíció vagy tűz kockázatának minimalizálása érdekében. A sugár igazításához használjon fluoreszkáló képernyőket vagy másodlagos irányzékokat; Kerülje a szemmel való közvetlen érintkezést.
• Használja a legkisebb teljesítményt a sugárigazítási eljáráshoz. Ha lehetséges, használjon alacsony osztályú eszközöket az előzetes beállítási eljárásokhoz. Kerülje el a szükségtelenül tükröződő tárgyak jelenlétét a lézerműködési területen.
• Korlátozza a sugár bejutását a veszélyzónába munkaidőn kívül redőnyök és egyéb akadályok segítségével. Ne használja a helyiség falait a 3b és 4 osztályú lézerek sugarának igazításához.
• Használjon nem tükröződő eszközöket. Néhány készlet nem tükrözi látható fény, tükörképessé válik a spektrum láthatatlan tartományában.
• Ne viseljen fényvisszaverő ékszert. A fém ékszerek növelik az áramütés kockázatát is.

Védőszemüveg

Biztonsági szemüveget kell viselni, ha 4. osztályú lézerekkel dolgozik nyílt veszélyes területen, vagy ahol fennáll a visszaverődés veszélye. Típusuk a sugárzás típusától függ. A szemüveget úgy kell megválasztani, hogy védjen a visszaverődésektől, különösen a diffúz visszaverődésektől, és olyan szintű védelmet nyújtson, hogy a természetes védőreflex megakadályozza a szemsérülést. Az ilyen optikai eszközök bizonyos mértékben megőrzik a sugár láthatóságát, megakadályozzák a bőrégést, és csökkentik az egyéb balesetek lehetőségét.

A védőszemüveg kiválasztásakor figyelembe veendő tényezők:

• a sugárzási spektrum hullámhossza vagy tartománya;
• optikai sűrűség egy bizonyos hullámhosszon;
• maximális megvilágítás (W/cm2) vagy sugárteljesítmény (W);
• lézerrendszer típusa;
• teljesítmény üzemmód - impulzusos lézersugárzás vagy folyamatos üzemmód;
• tükrözési lehetőségek - tükör és diffúz;
• látómező;
• korrekciós lencsék vagy megfelelő méretű lencse megléte a látásjavító szemüveg viseléséhez;
• kényelem;
• szellőzőnyílások megléte a párásodás megakadályozása érdekében;
• befolyásolja a színlátást;
• ütésállóság;
• a szükséges feladatok elvégzésének képessége.

Mivel a védőszemüvegek hajlamosak a sérülésekre és a kopásra, a laboratóriumi biztonsági programnak tartalmaznia kell e biztonsági elemek időszakos ellenőrzését.

Egy rendkívül stabil CC2 lézer sémája, amely több lépéses sémával készült.  

A szilárdtestlézerek megalkotása óta és napjainkig sugárzásuk ereje folyamatosan nő. Ha azonban az első években a növekedési ráták megközelítőleg azonosak voltak az összes főbb szilárdtestlézer-típusnál, akkor utóbbi időben A rubin és gránát lézerek sugárzási teljesítményének növekedési üteme észrevehetően csökkent a neodímium üveg lézereihez képest.  

A lézeremisszió a stimulált emissziónak köszönhető, melynek eredményeként a fotonok emissziója részben szinkronizálódik. A szinkronizálás mértékét és az adott időpontban kibocsátott kvantumok számát az jellemzi statisztikai paraméterek, mint például a kibocsátott fotonok átlagos száma és az átlagos emissziós intenzitás. Ezért a lézersugárzás teljesítményspektruma többé-kevésbé szűknek bizonyul, és autokorrelációs függvénye úgy viselkedik, mint egy szinuszos oszcillációs generátor autokorrelációs függvénye, amelynek kimenőjele fázisban és amplitúdójában instabil.  

Ez elsősorban azzal magyarázható, hogy az elfogadható paraméterekkel rendelkező gázlézereket hazai és külföldi ipar gyártja, és gyakorlatilag a távírók is használhatják. Ezek a lézerek azonban korlátozott számú diszkrét hullámhosszal rendelkeznek, amelyek alkalmasak monokróm és színes holografikus képek rögzítésére. A hullámhossz megválasztását nemcsak az ezen a hullámhosszon elért lézersugárzási teljesítmény határozza meg, hanem a felvételi és lejátszási hullámhosszok maximális illeszkedésének lehetősége is abból a szempontból, hogy a néző szubjektív észlelése szempontjából optimális kép jöjjön létre.  

ábrán. A 147. ábra b mutatja az érzékelők elhelyezése során a lehetőségeket ezt a módszert mérések. Ha egyetlen érzékelőt használunk a méréshez, azt célszerű a diffrakciós minta helyére elhelyezni, pontnak megfelelő V. Ha azonban egy érzékelőt használnak erős befolyást A mérési eredményt befolyásolja a lézersugárzás teljesítményének instabilitása és az egyenetlen intenzitáseloszlás keresztmetszet gerenda, amely a mért termék keresztirányú elmozdulásával nyilvánul meg.  

Tulajdonságukat fentebb tárgyaltuk. A kereskedelmi forgalomban előállított típusok száma több tucatnyira tehető. Kisugárzásuk hullámhossz-tartománya lefedi az UV, VI és IR spektrális tartományt. A lézerek sugárzási teljesítménye 0 1 mW és 10 W között mozog.  

A mikrofluoreszcencia lézergerjesztést használ, aminek természetesen vannak előnyei a hagyományos fényforrásokkal történő gerjesztéssel szemben. A lézersugárzás nagy koherenciája és irányítottsága rendkívül nagy sugárzási teljesítménysűrűség elérését teszi lehetővé. táblázatban A 8.2. ábra az elért teljesítménysűrűségek összehasonlítását mutatja különféle forrásokból. A lézeres megvilágítás a legintenzívebb, és ennek köszönhetően nagy sűrűségű A mikrofluoreszcencia analízis számos előnnyel jár a lézersugárzás teljesítményéből.  

Legtöbbjüket azonban oldatban tanulmányozták, és csak néhány részletes, polarizációs méréssel végzett vizsgálatot végeztek egykristályokon. A helyzet teljesen megváltozott a folytonos hullámú lézer megjelenésével, amelynek kollimált, polarizált és gyakorlatilag monokromatikus sugárzása ideális akár kisméretű egykristályok Raman-spektroszkópiájához is. Közvetlenül a Raman-effektus felfedezése után világossá vált a kristályok Raman-anizotrópiájának mérésének jelentősége a rezgések hozzárendelése szempontjából. Az ilyen vizsgálatok azonban csak azután válhattak rutinná, hogy a lézereket sugárforrásként használták. A sugárkollimáció fontosabb, mint a lézerteljesítmény, és ez utóbbi gyakran kisebb, mint a jó Toronto-típusú lámpáké, amelyek használata ösztönözte a Raman-spektroszkópia fejlődését az 50-es és a 60-as évek elején.  

A fényáram fokozásában csaknem egyidejűleg részt vevő atomok számának növeléséhez a keletkezés kezdetét késleltetni kell, hogy minél több gerjesztett atom halmozódjon fel, inverz populációt hozva létre, amihez szükséges a lézergeneráció növelése. küszöböt és csökkenti a minőségi tényezőt. Például a tükrök párhuzamossága megszakadhat, ami jelentősen csökkenti a rendszer minőségi tényezőjét. Ha ilyen helyzetben elindítják a szivattyúzást, akkor a szintsokaság jelentős inverziója esetén sem indul el a generáció, mivel magas a generációs küszöb. A tükör egy másik tükörrel párhuzamos helyzetbe forgatása növeli a rendszer minőségi tényezőjét, és ezáltal csökkenti a lézeres küszöböt. Ezért a lézer sugárzási teljesítménye nagymértékben megnő. A lézergeneráció szabályozásának ezt a módszerét Q-kapcsolt módszernek nevezik.  

Ez a lehetőség a gyakorlatban a lézer Q tényezőjének átkapcsolásával valósul meg. Ennek végrehajtása folyamatban van alábbiak szerint. Képzelje el, hogy az egyik lézerüreges tükröt eltávolították. A lézert megvilágítással pumpálják, és a felső szint populációja eléri azt maximális érték stimulált emisszió azonban még nincs. Amíg a populáció még mindig megfordul, a korábban eltávolított tükör gyorsan a helyére kerül. Ebben az esetben stimulált emisszió következik be, a felső szint populációja gyorsan csökken, és óriási impulzus jelenik meg, amelynek időtartama mindössze 10-8 másodperc. 25 J impulzusban kibocsátott energiával a lézer sugárzási teljesítménye 25 - 109 W - ez nagyon lenyűgöző érték, megközelítőleg megegyezik a teljesítménnyel nagy erőmű. Igaz, az erőmű ezen a teljesítményszinten működik egész évben, nem 10 - - 8 s. Az első lézeres modelleknél a tükröket mozgatták mechanikusan, de ez most elektro-optikailag történik Kerr vagy Pockels cella segítségével.  

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete