Lāzers — definīcija, darbības princips, tehnoloģija un pielietojumi

Uzzini visu par lāzeru — definīciju, darbības principu, tehnoloģijām un praktiskiem pielietojumiem medicīnā, rūpniecībā un zinātnē.

Lāzers ir iekārta, kas rada pastiprinātu, vienkrāsas gaismas avotu. Tajā izmanto īpašas gāzes vai kristālus, lai radītu tikai vienas krāsas gaismu. Gāzēm vai citiem darbīgajiem materiāliem tiek pievadīta enerģija (elektriski, optiski vai ķīmiski), lai atomos vai molekulās izraisītu izstarojumu. Tad izmanto spoguļus, lai pastiprinātu (padarītu spēcīgāku) gaismu. Daudzos lāzeros visa gaisma ceļo vienā virzienā, tāpēc tā paliek kā šaurs kolimētas gaismas stars, kas nekļūst ne platāks, ne vājāks, kā tas notiek lielākajā daļā gaismas avotu. Uz kaut ko vērsts, šis šaurais staru kūlis veido vienu gaismas punktu — gaismas enerģija paliek šajā šaurā staru kūlī, nevis izkliedējas, kā tas ir ar lukturīti (elektrisko lukturīti).

Vārds "lāzers" ir saīsinājums no "gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju". Gan ierīce, gan tās nosaukums radās no agrākā masera, kas darbojās ar mikrodaloņu diapazonu.

Darbības princips — stimulētā emisija un populācijas inversija

Lāzera darbības pamatā ir stimulētā emisija: ja ekscitēts atoms vai molekula saskaras ar fotonu, kas atbilst tās enerģijas starpībai, tā var izstarot papildus fotonu ar tajā pašā fāzē, enerģijā un virzienā. Lai stimulētā emisija būtu efektīva, sistēmā jāpanāk populācijas inversija — vairāk daļiņu augstākā enerģijas līmenī nekā zemākā, kas ļauj kopējam izstarojošajam procesam pārsniegt absorbciju. Optiskajā rezonatorā (parasti divi spoguļi) šie fotoni tiek vairākkārt atstaroti, pastiprinot gaismu līdz tiek izvadīts koherents, monotons stars.

Tehnoloģijas un lāzeru veidi

Ir daudz lāzeru kategoriju, atkarībā no darbības materiāla un tehnoloģijas:

• Gāzu lāzeri (piem., He-Ne, CO2) — izmanto jonizētas gāzes vai maisījumus.
• Cietvielu lāzeri (piem., rubīna, Nd:YAG) — izmanto dopētus kristālus vai keramikas materiālus.
• Semvadītāju (pusvadītāju) lāzeri — ļoti izplatīti optiskajās datu komunikācijās un kā lāzerdiodes (piem., optiskie diskdziņi, lāzerprinteri).
• Optisko šķiedru lāzeri — gaisma tiek pastiprināta optiskajā šķiedrā, nodrošinot augstu efektivitāti un labu gaismas kvalitāti.
• Krāsvielu (dye) lāzeri — šķidri organiskie krāsvielu šķīdumi, ko var izmantot plašā viļņu garumu diapazonā.
• Eksotiskie un ķīmiskie lāzeri — izmanto specifiskas ķīmiskas reakcijas vai bezinfrara/mikrodalu spektru.

Enerģijas padeves (pumping) veidi var būt elektriskais strāvas impulss, optiskā pumpēšana ar citu lāzeru vai lampu, ķīmiska reakcija vai elektriskā izlāde. Lāzeri var darboties nepārtraukti (CW — continuous wave) vai īsos, augstas enerģijas impulsos (Q-switching, mode-locking), atkarībā no pielietojuma.

Lāzera raksturlielumi

• Monohromatisitāte: lāzeri emitē šauru viļņa garumu diapazonu, tāpēc gaisma ir vienas krāsas vai gandrīz vienas krāsas.
• Kohere­nce: lāzera stars ir laika un telpiskās kohērentas, kas ļauj iegūt asus, interferenci izmantojošus signālus.
• Direktivitāte: labi kolimēts stars ar nelielu izkliedi, ļauj attālumā saglabāt koncentrētu enerģiju.
• Jauda un intensitāte: lāzeri var sniegt gan zemu jaudu precīzai mērīšanai, gan ļoti augstu jaudu materiālu apstrādei.

Pielietojumi

Lāzeriem ir plašs un daudzveidīgs pielietojumu spektrs:

• Medicīna: ķirurģija (piem., acs operācijas, lāzerķirurģija), dermatoloģija, fototerapija un stomatoloģija.
• Rūpniecība: griešana, metināšana, gravēšana, materiālu apstrāde un 3D ražošana (lāzerkausēšana).
• Telekomunikācijas: optisko šķiedru datu pārraide ar lāzeri kā avotu.
• Metrologija un zinātne: interferometrija, spektroskopija, precīzi attāluma mērījumi (LIDAR) un fundamentāli pētījumi.
• Elektronika un biroja tehnika: optiskie diskdziņi (CD/DVD/Blu‑ray), lāzerprinteri, svītrkodu skeneri.
• Drošība un militārās tehnoloģijas: mērķēšanas sistēmas, lāzera attālināšana, daļēji arī aizsardzības un pretmērķu iekārtas.
• Izklaide un māksla: lāzershow, gaismas instalācijas un multimediālas performanses.

Drošība

Lāzeru izmantošana prasa uzmanību — spēcīgs lāzers var izraisīt acu bojājumus un apdegumus. Tie tiek klasificēti pēc bīstamības līmeņa (klases 1–4), un jāpārbauda, vai ierīce ir atbilstoši marķēta un darbības vietā ir nodrošināti aizsardzības pasākumi (aizsargbrilles, gaisa aizvadīšana, drošības slēdži).

Vēsturisks īss ieskats

Pirmie teorētiskie pamati stimulētajai emisijai tika uzrakstīti 20. gadsimta 30.–40. gados, bet praktiskais solis uz priekšu bija masera izgudrošana un pēc tam pirmais lāzers 1960. gadā. Kopš tā laika lāzeri ir kļuvuši par daudznozaru tehnoloģiju ar milzīgu ietekmi uz zinātni, rūpniecību un ikdienas dzīvi.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par kādu konkrētu lāzera veidu, tehnoloģiju vai drošības noteikumiem — norādiet tēmu, un es papildināšu rakstu ar detalizētāku informāciju.

Mehānisms

Lāzers rada gaismu, veicot īpašas darbības ar materiālu, ko dēvē par "optisko pastiprinājuma nesēju". Enerģiju šajā materiālā ievada, izmantojot "enerģijas sūkni". Tas var būt elektrība, cits gaismas avots vai kāds cits enerģijas avots. Enerģija liek materiālam pāriet tā sauktajā uzbudinātā stāvoklī. Tas nozīmē, ka elektroniem materiālā ir papildu enerģija, un pēc kāda laika tie šo enerģiju zaudē. Zaudējot enerģiju, tie izdala fotonu (gaismas daļiņu). Izmantotā optiskā pastiprinājuma nesēja veids mainīs to, kāda krāsa (viļņa garums) tiks radīta. Fotonu izdalīšanās ir lāzera "stimulētā starojuma emisija".

Daudzas lietas var izstarot gaismu, piemēram, spuldzīte, taču gaisma nav organizēta vienā virzienā un fāzē. Izmantojot elektrisko lauku, lai kontrolētu, kā tiek radīta gaisma, šī gaisma tagad būs viena veida un virzīsies vienā virzienā. Tas ir "koherentais starojums".

Šobrīd gaisma joprojām ir vāja. Spoguļi abās pusēs atstaro gaismu uz priekšu un atpakaļ, un tā nonāk citās optiskā pastiprinājuma elementa daļās, izraisot to fotonu izdalīšanos, tādējādi radot vairāk gaismas ("gaismas pastiprinājums"). Kad visa optiskā pastiprinošā vide rada gaismu, to sauc par piesātinājumu, un tas rada ļoti spēcīgu gaismas staru ar ļoti šauru viļņa garumu, ko mēs saucam par lāzera staru.

Lāzera griešana

Meklēt pēc burta