Применение лазеров: свойства, виды и области использования

Лазеры - удивительные источники света, которые за короткое время нашли широчайшее применение во многих областях науки и техники. Их уникальные свойства позволяют решать задачи, недоступные обычным источникам света. В этой статье мы разберем основные виды лазеров, рассмотрим принцип их работы и области применения. Узнаем, как лазеры меняют нашу жизнь к лучшему.

История создания лазеров

История лазеров началась с теоретических работ Альберта Эйнштейна в начале XX века. Эйнштейн сформулировал принцип индуцированного излучения, положивший начало квантовой теории лазеров. Однако практическое воплощение идеи лазера заняло еще почти полвека.

Первый действующий лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом. Это был лазер на рубине, излучавший в импульсном режиме в красной области спектра. За это открытие Мейман получил Нобелевскую премию по физике в 1964 году.

После этого последовал бурный прогресс в области лазерной физики и техники. В 1961 году был создан первый газовый гелий-неоновый лазер, в 1962 - лазер на твердом теле, в 1964 - первый полупроводниковый лазер. К концу 1960-х годов было разработано уже множество типов лазеров, излучающих в разных диапазонах длин волн.

Принцип работы лазеров

Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, основанный на принципе вынужденного излучения. Чтобы понять, как работает лазер, нужно разобраться в нескольких ключевых моментах.

Во-первых, в лазере создается так называемая инверсная населенность уровней - когда верхний рабочий уровень оказывается более заселенным, чем нижний. Это противоположно нормальному тепловому равновесию, когда нижний уровень всегда более заселен.

Для создания инверсной населенности используется накачка - подвод дополнительной энергии к активному веществу лазера от внешнего источника. Этот источник “перекачивает” частицы с нижнего уровня на верхний.

Во-вторых, в лазере имеется оптический резонатор - система зеркал, которая возвращает излучение в активную среду, создавая обратную связь. Благодаря многократным проходам через усиливающую среду, излучение нарастает лавинообразно.

В результате на выходе лазера получается электромагнитное излучение с уникальными свойствами - высокой направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Основные свойства лазерного излучения

Рассмотрим подробнее уникальные свойства лазерного излучения, которые определяют широкий спектр его применения в различных областях:

• Высокая направленность - лазерный луч распространяется практически без расхождения, что позволяет фокусировать его в маленькую точку.
• Малая расходимость - типичные значения расходимости лазерного пучка составляют от 0,5 до 1,5 миллирадиан.
• Высокая яркость - лазер может давать плотность излучения в миллионы и миллиарды раз выше, чем у лампы накаливания.
• Монохроматичность - лазер излучает свет строго одной длины волны и частоты.
• Когерентность - волны в лазерном пучке имеют постоянную разность фаз.

Эти свойства позволяют эффективно использовать лазерное излучение для самых разных целей - от хирургических операций до передачи информации по оптоволокну. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром менее микрона, достичь плотности мощности в триллионы ватт на квадратный сантиметр и импульсов длительностью в фемтосекунды.

Такие экстремальные параметры открывают фантастические возможности для исследований и технологий.

Основные области применения лазеров

Сегодня лазеры активно применяются практически во всех областях человеческой деятельности. Рассмотрим основные направления использования лазеров.

Лазеры в науке и технике

В физических исследованиях лазеры широко используются как прецизионный инструмент для измерения расстояний, скоростей, ускорений. Например, лазерные дальномеры позволяют с точностью до миллиметров измерять расстояние до Луны. А метод лазерной интерферометрии дает возможность регистрировать смещения порядка длины волны света.

В технике лазеры применяются для обработки материалов (резка, сварка, напыление покрытий), в оптоволоконной связи, для записи и считывания информации в CD/DVD приводах, в лазерных принтерах и сканерах.

Лазеры в медицине

В медицине лазеры используются в хирургии для рассечения и сваривания тканей. Лазерный скальпель обеспечивает высокую точность разрезов и минимальную кровопотерю. Лазерная коагуляция позволяет останавливать кровотечения.

Лазеры применяются также в офтальмологии для коррекции зрения, в косметологии для омоложения кожи и удаления дефектов, в физиотерапии для безболезненного лечения различных заболеваний.

Лазеры в промышленности

В промышленном производстве лазеры используются для:

• Резки металлов и неметаллических материалов
• Маркировки и гравировки изделий
• Сварки и пайки деталей
• Напыления защитных покрытий

Лазерная резка отличается высокой скоростью, точностью и качеством обработки. Лазером можно резать практически любые материалы толщиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Лазеры в военном деле

В военном деле лазеры используются для:

• Прицеливания оружия (лазерные прицелы)
• Определения дальности до цели (лазерные дальномеры)
• Наведения ракет и снарядов (системы лазерного наведения)

Лазерные дальномеры позволяют мгновенно определять расстояние до цели на местности или в воздухе с точностью до нескольких метров. Лазерное наведение ракет использует отраженный от цели луч для ее точного поражения.

Также ведутся работы по созданию лазерного оружия, способного поражать цели сфокусированным лазерным излучением очень большой мощности. Однако пока такие системы остаются малоэффективными из-за больших затрат энергии.

Типы лазеров

Существует несколько основных типов лазеров, которые различаются используемой активной средой и методом накачки:

Твердотельные лазеры

В таких лазерах активной средой служит твердый кристалл (рубин, алюмо-иттриевый гранат) или стекло, активированные ионами neodymium, erbium, ytterbium. Накачка осуществляется лампами-вспышками или другими лазерами.

К твердотельным относятся также волоконные лазеры, в которых активной средой является оптическое волокно, легированное ионами редкоземельных металлов.

Газовые лазеры

В газовом лазере активной средой является смесь газов (CO2, He-Ne, Ar, Excimer). Накачка осуществляется электрическим разрядом или другими лазерами.

Газовые лазеры отличаются высокой мощностью излучения и КПД. Наиболее распространены CO2 и Excimer лазеры.

Полупроводниковые лазеры

Это компактные твердотельные лазеры на основе полупроводниковых кристаллов (GaAs, GaN, InP). Накачка осуществляется пропусканием электрического тока через p-n переход.

Полупроводниковые лазеры отличаются малыми размерами и высоким КПД (до 50%). Наиболее широко используются лазерные диоды.

Кроме того, существуют также жидкостные лазеры на красителях, химические лазеры, свободно-электронные лазеры и лазеры на свободных атомах.

Безопасность при работе с лазерами

Несмотря на огромную пользу, лазерное излучение может представлять серьезную опасность при неправильном обращении. Даже небольшая мощность лазера способна вызывать ожоги сетчатки и потерю зрения.

Поэтому при работе с лазерами обязательно должны соблюдаться меры предосторожности:

• Использование защитных очков, закрывающих глаза со всех сторон
• Установка защитных экранов вокруг лазера
• Применение блокирующих затворов, прерывающих лазерный луч
• Размещение предупреждающих знаков возле работающего лазера

В зависимости от мощности лазеры классифицируются на четыре класса опасности. Лазеры 3 и 4 классов представляют непосредственную угрозу здоровью и требуют строгого соблюдения правил техники безопасности.

Перспективы развития лазерной техники

Лазерная физика не стоит на месте и продолжает активно развиваться. Вот некоторые перспективные направления:

• Создание лазеров экстремального ультрафиолета и рентгеновского диапазона
• Разработка лазеров сверхвысокой мощности для термоядерного синтеза
• Уменьшение размеров и повышение эффективности полупроводниковых лазеров
• Генерация лазерных пучков с особыми свойствами (орбитальный угловой момент и др.)

Внедрение новых лазерных технологий позволит значительно расширить области применения лазеров в промышленности, медицине, научных исследованиях.

Лазеры в повседневной жизни

Лазеры и лазерные технологии прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Вот лишь несколько примеров использования лазеров в быту:

• CD/DVD-приводы
• Лазерные принтеры
• Сканеры и копиры
• Лазерные уровни
• Указки для презентаций
• Косметологические процедуры
• Лазерные шоу

Дисковые приводы используют лазеры не только для считывания информации, но и для записи - с их помощью производится локальный нагрев материала диска для формирования углублений.

В лазерных принтерах световой луч используется для сканирования по поверхности фоточувствительного барабана, на котором формируется статическое электрическое изображение для последующей переноски краски на бумагу.

Применение лазеров в связи

Одно из важнейших применений лазеров - в волоконно-оптических линиях связи. По сравнению с традиционными медными кабелями, оптоволокно имеет ряд преимуществ:

• Гораздо большая скорость передачи данных (до 100 Гбит/с)
• Меньшее затухание сигнала на больших расстояниях
• Высокая помехозащищенность
• Компактность и легкий вес

В качестве источника оптического излучения в волоконно-оптических линиях используются полупроводниковые лазеры, чаще всего на основе арсенида галлия. Длина волны таких лазеров обычно составляет 1,3 или 1,55 микрон.

Лазерное охлаждение

Лазерное излучение можно использовать не только для нагрева, но и для охлаждения вещества. Это кажется парадоксальным, но является следствием квантовых законов.

Принцип лазерного охлаждения основан на том, что при поглощении резонансного фотона атом теряет часть своей тепловой энергии. За счет многократного циклического возбуждения атомов лазерным излучением можно добиться снижения их температуры вплоть до абсолютного нуля.

Лазерное охлаждение позволяет получать так называемые дегенеративные квантовые газы, которые демонстрируют уникальные физические явления при сверхнизких температурах.

Лазеры в астрономии

Лазеры широко применяются в астрономии для:

• Коррекции искажений земной атмосферы (адаптивная оптика)
• Высокоточных измерений угловых расстояний между объектами
• Обнаружения гравитационных волн
• Измерения расстояний до Луны и планет с помощью лазерной локации

Например, лазерный интерферометр LIGO позволил в 2015 году впервые прямо зарегистрировать гравитационные волны от слияния черных дыр.

Перспективы лазерной энергетики

Ведутся работы по созданию лазеров сверхбольшой мощности для решения энергетических задач. Одно из направлений - инерциальный термоядерный синтез, при котором мишень облучается мощным лазерным импульсом со всех сторон.

Другое перспективное направление - лазерный термоядерный реактор, в котором плазма удерживается магнитным полем, а разогревается мощным лазерным излучением. Такие системы могут стать источником дешевой и чистой энергии в будущем.

Необычные применения лазеров

Кроме хорошо известных областей, лазеры находят применение и в некоторых неожиданных сферах:

• Археология - лазерное сканирование для создания 3D-моделей объектов
• Сельское хозяйство - лазерная стимуляция роста растений
• Развлечения - лазерные шоу, голограммы, проекторы
• Музыка - лазерные арфы, реагирующие на звук

Например, лазерное сканирование позволяет быстро получить точную трехмерную модель исследуемого археологического объекта. А лазерные проекторы создают фантастические зрелища на концертах и шоу.

По мере развития технологий все больше областей науки, техники и искусства будут осваивать лазеры для решения самых разнообразных задач.

Применение лазеров в искусстве

Лазеры открывают новые возможности для творчества в самых разных областях искусства:

• Лазерное шоу - яркие динамичные узоры, проекции, голограммы
• Лазерная живопись и гравировка - сверхточный контроль линий
• Лазерная резка и обработка материалов для скульптур
• Лазерные инсталляции - световые объекты и пространства

Благодаря управляемости, монохроматичности и когерентности лазерного излучения, художники получают принципиально новые инструменты для воплощения самых смелых идей.

Лазеры в криминалистике

Лазеры применяются в криминалистике для:

• Судебной баллистики - определение траектории полета пули
• Выявления отпечатков пальцев и других улик на месте преступления
• Восстановления серийных номеров стертого оружия
• Обнаружения микроследов крови, наркотиков, взрывчатых веществ

Например, метод лазерной спекторскопии позволяет обнаруживать следы веществ по их спектрам поглощения и люминесценции при облучении лазером.

Перспективы лазерной связи

Скорость и пропускная способность волоконно-оптических линий связи продолжает стремительно расти. В перспективе:

• Увеличение скорости передачи данных до 1 Тбит/с на канал
• Разработка новых типов оптических волокон
• Создание оптических процессоров для обработки данных
• Развитие квантовой криптографии на основе лазеров

Волоконно-оптические линии полностью вытеснят медные кабели и станут основой телекоммуникационных сетей будущего.

Нанотехнологии и лазеры

Лазеры играют ключевую роль в развитии нанотехнологий. Их используют для:

• Сверхточной лазерной нанолитографии
• Манипулирования нанообъектами в оптических пинцетах
• Анализа наноструктур методами лазерной спектроскопии
• Синтеза наночастиц с уникальными оптическими свойствами

Управление веществом на наноуровне открывает путь к созданию принципиально новых материалов, приборов и технологий, основанных на квантовых эффектах.

Экзотические лазеры

Помимо традиционных конструкций, разрабатываются лазеры с необычными свойствами и принципами работы:

• Атомные конденсаты в качестве активной среды
• Испускание пары сцепленных фотонов
• Генерация сверхкоротких импульсов аттосекундной длительности
• Излучение в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне

Подобные экзотические лазеры нужны для исследования фундаментальных законов квантовой оптики и атомной физики. В будущем они могут найти практическое применение.

Лазерное оружие: мифы и реальность

Лазерное оружие часто фигурирует в фантастических фильмах и книгах. Но что из этого реально?

Попытки создания боевых лазеров ведутся давно, но сталкиваются с серьезными техническими трудностями. Главная проблема - низкий КПД лазеров, требующий громоздких источников питания.

Тем не менее, компактные лазеры малой мощности уже используются для ослепления оптики и датчиков. А в перспективе появятся лазерные пушки для сбивания беспилотников и ракет.

Лазеры и искусственный интеллект

Лазерные технологии применяются в разработках по искусственному интеллекту для:

• Оптических нейронных сетей на основе лазеров
• Лазерной голографии для создания 3D-интерфейсов
• Лидаров на лазерных диодах для навигации роботов
• Оптоволоконной передачи больших объемов данных в ЦОДах ИИ

Лазерные технологии помогут сделать ИИ более компактным, быстрым и энергоэффективным.

Космические лазеры

Лазеры находят применение в космических исследованиях для:

• Дальней лазерной локации Луны и планет
• Определения состава атмосфер планет по спектрам
• Передачи энергии от орбитальных СЭС к наземным станциям
• Прямого оптического сканирования поверхности планет

В будущем лазерные двигатели малой тяги позволят совершать межзвездные перелеты за приемлемое время.

Риски применения лазеров

Наряду с пользой, неконтролируемое применение лазеров несет риски:

• Ослепление оптических систем военного назначения
• Нарушение работы спутников из-за подсветки с земли
• Утечка лазерных технологий двойного назначения
• Вред окружающей среде при использовании мощных лазеров

Для минимизации рисков необходим контроль за использованием высокоэнергетических лазерных систем и экспортом лазерных технологий.

Лазеры в ядерной физике

В ядерной физике лазеры применяются для:

• Ускорения заряженных частиц в плазме
• Инициирования термоядерных реакций
• Спектроскопии радиоактивных изотопов
• Разделения изотопов методом лазерного фотоионизации

В частности, лазеры могут использоваться в качестве компактных ускорителей заряженных частиц для проведения ядерных реакций.