м.
1. Источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.
2. Мощный узконаправленный пучок света из такого источника.
лазер
Толковый словарь
ЛА́ЗЕР - сущ., м., употр. сравн. часто
Морфология: (нет) чего? ла́зера, чему? ла́зеру, (вижу) что? ла́зер, чем? ла́зером, о чём? о ла́зере; мн. что? ла́зеры, (нет) чего? ла́зеров, чему? ла́зерам, (вижу) что? ла́зеры, чем? ла́зерами, о чём? о ла́зерах
1. Лазером называют оптический генератор - источник очень узкого и мощного пучка света, имеющего строго определённую длину волны.
Мощный лазер. | Первые успешные опыты по исправлению зрения с помощью лазера были проведены в 1981 году.
2. Лазером называют луч, получаемый при помощи такого оптического генератора и используемый практически.
Сварка лазером. | Сейчас очень много говорят о лечении лазером.
Толковый словарь Ожегова
ЛА́ЗЕР [зэ ], -а, муж. (спец.).
1. Оптический квантовый генератор, устройство для получения мощных узконаправленных пучков света. Импульсный л. Л. непрерывного действия.
2. Пучок света, луч, получаемый при помощи такого генератора. Лечение лазером. Сварка лазером.
| прил. лазерный, -ая, -ое. Л. луч. Лазерная хирургия.
Энциклопедический словарь
ЛА́ЗЕР -а; м. [англ. laser]
1. Оптический генератор - источник очень узкого и мощного пучка света, имеющего строго определённую длину волны. Импульсный л. Л. непрерывного действия.
2. Луч, получаемый при помощи лазера и используемый практически. Лечение лазером. Сварка лазером.
◁ Ла́зерный, -ая, -ое. Л. луч. Л-ая хирургия. ● Из словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света в результате вынужденного излучения).
* * *
ла́зер (оптический квантовый генератор) (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стёклах, полупроводниках; смотри Лазерные материалы). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера - активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия. Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
* * *
ЛАЗЕР - ЛА́ЗЕР (оптический квантовый генератор) (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках; см. Лазерные материалы (см. ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ)). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера - активная среда (см. АКТИВНАЯ СРЕДА), для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор (см. ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР). Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (УТС)).
* * *
ЛА́ЗЕР (оптический квантовый генератор (см. КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР)), устройство, генерирующее электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до субмиллиметрового инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор. Название представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление света за счет вынужденного излучения). Первыми приборами этого типа были квантовые генераторы коротких радиоволн, получившие название мазеры (та же аббревиатура с заменой «light» на «microwave» - микроволны).
В советской литературе употреблялся также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).
Принцип работы лазера
Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:
E1 - E0 = h,
где h- постоянная Планка (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ), - частота излученного фотона (см. ФОТОН (элементарная частица)).
В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.
Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам - его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом - вынужденном - переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается - по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по эспоненциальному закону:
I = I0exp(z),
где - коэффициент квантового усиления среды, z - пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere - сцепленный).
Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор - устройство, создающее положительную обратную связь.
Активная среда - смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.
Накачка - внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных - импульсная лампа, в жидкостных - свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых - электрический ток или поток электронов.
Оптический резонатор - пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи.
1. За счет отражения фотонов в зеркалах он заставляет световую волну многократно проходить по активной среде, повышая эффективность ее использования.
2. В момент начала генерации лазера в нем одновременно и независимо появляется множество волн. После отражения от зеркал резонатора усиливаются по преимуществу те, для которых выполняется условие образования стоячих волн: на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Все остальные частоты будут подавлены, излучение станет когерентным.
Процесс генерации
Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.
Режимы генерации
В зависимости от конструкции, способа накачки и состава активной среды лазеры излучают либо в непрерывном, либо в импульсном режиме. Непрерывное излучение дают газовые лазеры, импульсное - твердотельные; полупроводниковые и жидкостные лазеры могут работать как в том, так и в другом режиме.
Импульсный режим генерации обычно обусловлен импульсным режимом накачки (лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если не приняты специальные меры, в активной среде возникает режим свободной генерации, при котором за время продолжения вспышки в активной среде успевает возникнуть целая серия импульсов. Чтобы лазер в каждом акте генерации излучал отдельный импульс, перед одним из зеркал его резонатора ставят оптический затвор, который открывается на время 10-4 - 10-10 в момент, когда активная среда уже находится в состоянии инверсной заселенности. Вся энергия, накопленная в среде (от долей джоуля до нескольких сот джоулей), излучается в виде очень короткого, длительностью до фемтосекунд (10-15 с) и соответствующей мощностью порядка гигаватт (109 Вт), т. н. гигантского импульса.
Затвором для получения сверхкоротких лазерных импульсов может, например, служить кювета с раствором веществ, которые под действием светового импульса на короткое время становятся прозрачными.
Типы лазеров
В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов - твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители - лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.
Твердотельные лазеры
Рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами. Широко используются лазеры на кристалле рубина - оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмо-иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы-вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.
Газовые лазеры
Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон-ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.
Лазеры на нейтральных атомах. Наиболее распространены лазеры на смеси гелия и неона (10:1), дающие непрерывное излучение в красной области ( = 0,6328 нм). К настоящему времени получена генерация свыше 450 частот от 34 элементов.
Ионные лазеры. Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar2+ ( = 0,4880; 0,5145 мкм, сине-зеленая область), Kr2+ ( = 0,5682; 0,6471 мкм, желто-красная область), Kr3+, Ne2+ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.
Молекулярные лазеры. Обладают высокой эффективностью (КПД до 25%) и мощностью (до десятков кВт в непрерывном режиме и десятков кДж в импульсном); излучают в ИК-диапазоне. Инверсная населенность создается УФ-излучением или электронным пучком. Наиболее распространены лазеры на CO2, H2O, N2. Лазеры на парах димера серы S2 обладают уникальной особенностью: за счет большого числа метастабильных уровней эта молекула излучает одновременно на 15 длинах волн видимого диапазона. Поэтому луч лазера на S2 кажется белым.
Газодинамические лазеры. Разновидность молекулярных газовых лазеров; представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000 оС и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора; инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO2 работают в ИК диапазоне ( = 10,6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт.
Лазеры на парах металлов. Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах Cu излучают на длинах волн 510,4 и 578,2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт. Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.
Химические лазеры. Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме - свыше 2 кДж при длительности импульса имп 30 нс; в непрерывном - несколько кВт).
Эксимерные лазеры. Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) - короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar2, KrCl, XeO и т. п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 104 Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.
Жидкостные лазеры
Их активной средой служат растворы органических соединений, комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu), неорганические жидкости. Эти материалы в определенной мере сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов (большая однородность). При необходимости рабочие параметры среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной лампы.
Лазеры на красителях - наиболее распространенный тип жидкостных лазеров. Активной средой служат органические красители на основе бензола (см. БЕНЗОЛ) и ряда других соединений. Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором. Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так и последовательности ультракоротких импульсов длительностью до 210-13с.
Полупроводниковые лазеры
Активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны (n-проводимость, от англ. negativ - отрицательный) либо дырки, их нехватка (p-проводимость, от positiv - положительный). При их рекомбинации в слое p-n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком. Лазеры имеют очень высокий КПД (до 50%, а отдельные модели - около 100%) и большой коэффициент усиления. Благодаря этому размеры активного элемента лазеров исключительно малы (менее 1 мм). Широкий набор полупроводниковых материалов дают возможность получать излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 40 мкм. Лазеры разных типов работают и в непрерывном, и в импульсном режиме, развивая мощность от долей мВт до 1 МВт (только в импульсе).
Лазеры на свободных электронах
Действие лазеров основано на излучении электронов, которые колеблются под действием внешнего магнитного и/или электрического поля и перемещаются с околосветовой скоростью в направлении излучаемой волны. Из-за эффекта Доплера частота излучения во много раз превышает частоту колебаний электронов и попадает в диапазон длин волн от рентгеновского (менее 6 нм) до СВЧ-радиоизлучения. Наиболее коротковолновое излучение дают лазеры, в которых колебательные движения электронам сообщает поле мощной электромагнитной волны (комптоновский лазер или скаттрон) или периодическое поле т. н. ондулятора (предложен академиком В. Л. Гинзбургом (см. ГИНЗБУРГ Виталий Лазаревич) в 1947). Возможны и другие способы получения вынужденного излучения - вращение электронов в однородном магнитном поле (т. н. циклотронный резонанс), колебания в неоднородном электростатическом поле, различные виды черенковского излучения (см. ЧЕРЕНКОВА - ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ). Частота излучения лазеров на свободных электронах может плавно меняться в широких пределах простым изменением скорости движения электронов.
Применение лазеров
Широкое применение лазеров обусловлено свойствами их излучения - малой расходимостью луча, монохроматичностью и когерентностью излучения. Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оруждия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии - как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO2) - для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства. Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химичесчких экспериментах.
Основные этапы развития лазерной техники
Первым обосновал возможность получать индуцированное (вынужденное) излучение и указал на его когерентность А. Эйнштейн (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт) в 1916. В 1923 П. Эренфест (см. ЭРЕНФЕСТ Пауль) подтвердил его выводы.
В 1927-1903 П. Дирак (см. ДИРАК Поль) создал квантово-механическую теорию вынужденного излучения.
Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928, и В. А. Фабрикантом (СССР) в 1939.
Сформулирована теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя мощности Ч. Таунсом (см. ТАУНС Чарлз Хард) (США) в 1951, Н. Г. Басовым (см. БАСОВ Николай Геннадиевич) и А. М. Прохоровым (см. ПРОХОРОВ Александр Михайлович) (СССР) в 1953.
Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радио- и оптическом диапазонах создал В. А. Фабрикант (см. ФАБРИКАНТ Валентин Александрович) с сотрудниками в 1951.
Теорию полупроводникового лазера на p-n-переходах сформулировал Дж. фон Нейман (см. НЕЙМАН Джон) (США) в 1953.
Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке ( = 1,25 см) и усилителя мощности построены одновременно и независимо Ч. Таунсом (США), Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым (СССР) в 1954 - 1956 (Нобелевская премия по физике за 1964).
Первый квантовый генератор видимого света - импульсный лазер на рубине ( = 0,69 мкм) - сконструировал Т. Мейман (США) в 1960.
Первый газовый лазер на He-Ne сделал А. Джаван (США) в 1961.
Ионный лазер - У. Б. Бриджес (США), 1964.
Лазер на свободных электронах - Дж. Мейди (США), 1976-77.
Полупроводниковые лазеры были предложены Н. Г. Басовым в 1962, осуществлены на p-n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962.
Большой энциклопедический словарь
ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения) - источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках; см. Лазерные материалы). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера - Активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы "накачки". Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Академический словарь
-а, м.
Оптический генератор - источник очень узкого и мощного пучка света, имеющего строго определенную длину волны.
[англ. laser]
Энциклопедия Кольера
ЛАЗЕР - квантовый генератор, источник мощного оптического излучения (laser - аббревиатура выражения light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света вынужденным излучением). Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного мазера
(см. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ),
поэтому его иногда называют оптическим мазером. В обоих этих устройствах излучение избыточной энергии возбужденных атомов вынуждается внешним воздействием. Лазер отличается от обычных источников света (например, лампы с вольфрамовой нитью) двумя важными свойствами излучения. Во-первых, оно когерентно, т.е. пики и провалы всех его волн появляются согласованно, и эта согласованность остается неизменной в течение достаточно длительного времени. Все обычные источники света эмиттируют некогерентное излучение, в котором нет согласованности между пиками и провалами различных волн. В некогерентном процессе световые волны излучаются независимо друг от друга, энергия излучаемого пучка рассеивается по пространству и быстро убывает по мере удаления от источника. При когерентном излучении волны испускаются не хаотично и могут усиливать друг друга. Лучи лазерного пучка почти параллельны между собой, поэтому он расходится незначительно даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок диаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое пятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенность лазерного излучения - монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что от конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всех существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра и соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногие традиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненные разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучение некогерентно и малоинтенсивно.
Применения. Особенности лазерного излучения и разнообразные способы его использования помогли сдвинуться с мертвой точки во многих разделах современного знания и способствовали развитию различных областей науки, техники и производства: физики (в основном оптики), фотографии, связи, дальнометрии, топографии, термоядерного синтеза, медицины, химии, порошковой металлургии и др. Лазеры продолжают внедряться почти во все отрасли народного хозяйства; непрерывно открываются новые возможности их применения.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЛАЗЕР
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРА в обследовании и хирургии глаза. Мощными лазерными импульсами (длительностью порядка миллисекунды и меньше) "приваривают" отслоившуюся сетчатку.
Принцип действия. Свет - особая форма движущейся материи. Он соткан из отдельных сгустков, именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе (см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний - либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы - с повышением или понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными - вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении число квантов уменьшается и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект - усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется - накачка. Типы лазеров различаются в основном по видам накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде. Рис. 1 и 2 поясняют действие рубинового лазера. Посеребренные торцы цилиндрического стержня из искусственного рубина служат зеркалами (рис. 1). Одно из них покрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно полупрозрачно и через него излучается лазерный свет. Рубин - кристалл, состоящий из окиси алюминия с примесями окиси хрома. Атомы алюминия и кислорода не играют определяющей роли в лазерной генерации; главные энергетические переходы реализуются в хроме. При возбуждении атомы хрома переходят из основного состояния на один из двух уровней возбуждения, обозначенных F1 и F2 (рис. 2). Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не происходит, а высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке окиси алюминия, где и рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает вынужденно и переходит вследствие этого на основной уровень. Кванты, эмиттированные атомами хрома, многократно отражаются между посеребренными зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесс нарастает лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света. Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно и побольше пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения - ок. 80%. При самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E не более 10-7 с, а при вынужденном - в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у лазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучение огромного числа возбужденных атомов активной среды.
Рис. 1. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР - усовершенствованная схема конструкции Т.Меймана (1960). Основные его элементы - цилиндрический рубиновый стержень с плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в устройстве Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 - посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 - рубиновый стержень; 3 - охлаждающая жидкость; 4 - газоразрядная лампа накачки; 5 - кожух (трубка) охлаждения; 6 - слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).
Рис. 2. ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРА начинается с возбуждения атомов хрома и их переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень.
Типы лазеров. Лазерное излучение реализовано во многих активных средах - твердых телах, жидкостях и газах.
См. также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА.
Твердотельные лазеры с оптической накачкой. Лазерный эффект в твердом теле осуществляется благодаря наличию в нем примеси (например, окиси хрома в случае рубина), концентрация которой - единицы процентов. Примеси неодима обеспечивают лазерную генерацию многих твердых структур, из которых чаще используются стекло и алюмоиттриевый гранат (АИГ). Такие лазеры излучают короткие импульсы очень высокой мощности, пиковое значение которой ограничено сверху лишь световым пробоем в активной среде, вызывающим ее повреждение (например, локальное плавление). Лазер на стекле с неодимом (диаметр стержня 10 см) при длительности импульса в одну миллиардную секунды может обеспечить пиковую мощность около триллиона ватт. У более длительных импульсов пиковая мощность меньше.
Газовые лазеры. Многие газы и газовые смеси при возникновении в них электрического разряда начинают генерировать лазерное излучение. Их пучки характеризуются очень высокой степенью когерентности и малой расходимостью, близкой к теоретическому пределу; по этим параметрам они выгодно отличаются от пучков твердотельных лазеров. Для решения прикладных задач успешно применяются лазеры с газовой смесью в качестве активной среды (углекислого газа с азотом и гелием, гелия с неоном или криптона со фтором). Лазер первого типа излучает в инфракрасной области спектра; в непрерывном режиме генерации у него высокий КПД и большая выходная мощность. Его широко применяют при резании и сварке различных материалов. Гелий-неоновый лазер излучает видимый (красный) свет; его используют во многих исследовательских и образовательных программах. Лазер на криптоне со фтором - наиболее эффективный из генераторов излучения в ультрафиолетовой области спектра.
Химические лазеры. В ходе некоторых химических реакций выделяется много энергии, и в конечных продуктах таких реакций оказывается достаточно возбужденных атомов, чтобы осуществить лазерную генерацию. Наиболее перспективным из лазеров этого типа представляется генератор на фтороводороде, образующемся при прямом взаимодействии атомарных компонентов. Из-за особенностей природы химических лазеров их непрерывная генерация затруднительна. Но этот недостаток восполняется достоинством их импульсных модификаций - они требуют малых энергетических затрат, а составляющие активной среды химических лазеров легко транспортируются на отдаленные объекты, где есть проблемы с сетевым питанием (например, космические летательные аппараты). Лазер на фтороводороде может излучать импульсы очень большой энергии (в несколько тысяч джоулей) при весьма скромном блоке питания.
Полупроводниковые лазеры. Если через полупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать электрический ток, то можно добиться лазерного эффекта. Габариты и выходная мощность полупроводниковых лазеров малы, но их КПД высок. Такие лазеры делают в основном на арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в системах связи. См. также ТРАНЗИСТОР.
Лазеры на красителях. Многие жидкие органические красители генерируют лазерное излучение при накачке ультрафиолетовым излучением, газоразрядными импульсными лампами и лазерами (обычно газовыми) непрерывного действия. У лазеров на красителях два важных достоинства: во-первых, они способны перестраиваться по длине волны и, во-вторых, могут излучать сверхкороткие импульсы - длительностью менее одной триллионной доли секунды. В связи с этим лазеры на красителях широко применяются в методах спектроскопии, в том числе в спектральном анализе с временным разрешением.
ЛИТЕРАТУРА
Ратнер А.М. Спектральные, пространственные и временные характеристики лазера. Киев, 1968 Звелто О. Физика лазеров. М., 1984 Рябов С. Г. и др. Приборы квантовой электроники. М., 1985
Иллюстрированный энциклопедический словарь
Лазер в научной лаборатории.
ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор; аббревиатура от начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой степенью монохроматичности, направленностью и большой плотностью энергии. Один из основных приборов квантовой электроники. Первый лазер (на рубине) был создан в 1960 Т. Мейманом (США); первый газовый лазер (на смеси Не-Ne) - А. Джаваном (США). Главный элемент лазера - активная среда, для образования которой используют различные методы накачки. Разработаны лазеры на основе газовых, жидкостных и твердотельных активных сред (в том числе на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках). Лазеры применяются в научных исследованиях (в физике, астрономии, химии, биологии и других областях), медицине (хирургии, офтальмологии и т.п.), а также в технике (лазерная технология, в том числе создание материалов полупроводниковой электроники, высокоточная обработка поверхностей сверхтвердых материалов и другие методы обработки). Лазеры позволили осуществить эффективную оптическую (в том числе космическую) связь и локацию.
Орфографический словарь
Словарь ударений
Трудности произношения и ударения
Формы слов для слова лазер
Синонимы к слову лазер
Морфемно-орфографический словарь
Грамматический словарь
Этимологический словарь
Английское - laser.
В русском языке слово появилось в середине XX в., в русских словарях впервые встречается в 1963 г.
В современном русском языке значение слова «лазер» следующее: «прибор или аппарат для получения чрезвычайно сильных и узких пучков монохроматического, т.е. одноцветного света». В словарях слово может употребляться как «ласер».
Слово появилось в русском языке путем заимствования из английского. Значение слова - аббревиатура от английского словосочетания «light amplification by simulated emission of radiation», что в переводе означает «усиление света с помощью стимулированного излучения».
Производное: лазерный.
Заимств. в 60-е годы XX в. из англ. яз., где laser образовано сложением сокращенных основ из сочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «усиление света посредством стимулированного излучения» (ср. вуз < высшее учебное заведение).
Лазер - прибор для получения чрезвычайно узких и сильных пучков света был создан сравнительно недавно, его название появилось в словарях только в 1963 году, хотя идея подобного аппарата, казавшегося фантастическим, существовала и раньше (если вы не читали повесть А.Н.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» - прочтите на досуге). По происхождению своему слово «лазер» - аббревиатура (см.): Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - «усиление света путем индуцированного излучения».
Словарь иностранных слов
ЛАЗЕР [англ. laser, сокр. < light amplification by stimulated emisson of radiation] - техн. прибор для получения сильно концентрированных световых пучков; применяется в различных областях (технике, медицине и др.).
Сканворды для слова лазер
- «Чтец» компакт-дисков.
- Свет, который не только глаза режет.
- «Световой нож».
- Современный заменитель скальпеля.
- Оптический прибор, умеющий работать скальпелем.
- Прибор для получения интенсивного излучения.
- Луч для точного прицела.
- «... резал» (палиндром).
- Скажите одним словом «усиление света в результате вынужденного излучения».
- Луч, бегущий по компакт-диску.
- Источник разрушающего луча.
- Каким словом мы заменяем английское выражение «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation»?
- Прибор-излучатель.