Скажите одним словом: «усиление света в результате вынужденного излучения»
Ла́зер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») , опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др. ) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Остальные ответы
Опасный спектр
Когда лазерный луч попадает на стекло пилотской кабины, он преломляется и дает сильные блики, слепя глаза, как электросварка. О том, какой ущерб здоровью способен нанести даже рассеянный луч, все узнали три года назад.
Слово «лазер» составлено из начальных букв слов английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В СССР в промышленности и обороне был принят термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ). Лазер – это источник электромагнитного излучения трех диапазонов: видимого, инфракрасного и ультрафиолетового.
Видимое излучение – это тот самый луч красного, зеленого или синего света, который различает человеческий глаз. Инфракрасное (тепловое) излучение придает лучу температуру, позволяющую наиболее мощным карманным лазерам прожигать с близкого расстояния дырки в одноразовых стаканчиках и лопать надувные шарики. Его энергоэффективность можно сравнить с выжиганием лупой в солнечный день.
Ультрафиолетовое излучение лазера самое опасное для глаз. Именно оно обжигает сетчатку. При этом опасно даже в отраженном и преломленном виде. Когда лазерный луч попадает на стекло пилотской кабины, он преломляется и дает сильные блики, слепя глаза, как электросварка. О том, какой ущерб здоровью способен нанести даже рассеянный луч, все узнали три года назад. В ночь на 6 июля 2008 года под Киржачом (Владимирская обл.) прошел фестиваль техномузыки «Аквамарин». На следующий день 32 человека были госпитализированы с поражением глаз ультрафиолетовым излучением. Некоторые лишились 80% зрения.
Медицинский институт гражданской авиации FAA в июне 2004 года провел исследование «Воздействие лазерного излучения на операционные и визуальные возможности летчиков во время конечного этапа захода на посадку». Оценивалась реакция 34 летчиков, подвергшихся четырем безопасным уровням лазерного излучения. Имитировался заход на посадку на тренажере самолета «Боинг-727-200» на высоте 30 метров.
Оказалось, что 75% испытуемых почувствовали неблагоприятное визуальное воздействие, которое привело в некоторой степени к операционным трудностям. Летчики временно теряли зрение, ориентировку в пространстве и испытывали стресс. Напомню, что испытания проходили при мизерном, безопасном для глаз уровне лазерного облучения.
Выяснилось также, что вызвать значительное ухудшение зрения можно, посветив в темное время дня в лицо человеку лазером мощностью всего 8 мВт (милливатт). Игрушечные лазеры-указки с красным лучом, продающиеся в газетных киосках, обычно имеют мощность 1 мВт, максимум – 5 мВт. Так что запрет в Чечне таких указок иначе, как недоразумением, не назовешь.
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, которое регулирует допустимую мощность бытовых лазеров, в начале 2005 года установило предел мощности в 5 мВт для лазерных указателей для продажи на рынке США. Позже этот же предел был установлен в целом ряде стран. А в Великобритании свободно продавать можно лишь указки мощностью в 1 мВт. Более мощное лазерное оборудование во многих странах требует специального разрешения или лицензирования.
Опасность лазера в высокой поверхностной плотности энергии в поперечном сечении луча. Проще говоря, чем более узок луч, тем больше его энергия. Хрусталик глаза, как линза, фокусирует луч или отраженный блик на сетчатку. Мгновенно возникают симптомы лазерного ожога: головная боль, слезы, появление перед глазами плавающих темных мушек. Это отдельные кусочки омертвелых тканей, отделившиеся от сетчатки и плавающие в стекловидном теле глаза. При сильном ожоге возможны обильные кровоизлияния, появление впоследствии бельма, значительная или даже полная потеря зрения.
В то же время в России произошел очередной случай ослепления лазерным лучом пилотов садящегося самолета. Правоохранительные органы Башкирии разыскивают неизвестных, которые в ночь на пятницу, 15 июля 2011 г., направили лазерный луч на самолет, шедший на посадку. Пострадавших нет, воздушное судно приземлилось успешно. Дежурному международного аэропорта «Уфа» поступило сообщение от командира Ту-134, выполнявшего рейс из Самары в Уфу, что из поселка Жуково Уфимского района при заходе на посадку на корпус самолета был направлен лазерный луч зеленого цвета.
«К счастью, на работе воздушного судна лазер не отразился, самолет успешно совершил посадку в аэропорту», — сказал представитель транспортной прокуратуры Башкирии, отметив, что сотрудники линейного управления на транспорте ищут людей, которые совершили лазерную атаку.
Усиление света в результате вынужденного излучения что это
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Наша галактика и другие галактики
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
«Красное смещение» в спектрах галактик
Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
Медиаматериалы
ЛАЗЕР
Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиление света в результате вынужденного излучения».
Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера,— это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).
В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча.
Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии .
Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.
Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная населенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.
На возможность давления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.
При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо «снимать» инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.
Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. На 2 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.
В 1955 г. одновременно и независимо Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.
Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона—лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптичехрома происходит переход ионов в возбужденное состояние . В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.
Торцы рубинового стержня полируют, покрывают светоотражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса ~10~3с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1 Дж.
При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние.
С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно «включить» обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет
чрезвычайно велика и инверсия населенности «снимется» вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме «свободной генерации», но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения ~108Вт.
Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.
При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 107—108 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.
Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее Ю-4 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.
Зеркальный отражатель света
Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча — его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.
В настоящее время созданы лазеры на самых различных средах — газах, жидкостях, стеклах, кристаллах.