Все о лазерах. Лазеры

Лазерная безопасность знаний

1. Что такое лазер?
Лазерное устройство, которое излучает свет (электромагнитное излучение) в процессе оптического усиления на основе вынужденного излучения фотонов. Термин "лазер" возник как аббревиатура усиление света вынужденным излучением. Испускается лазерное излучение отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, недостижимой с помощью других технологий.

2. Лазерная указка Структурная схема


3. Что такое лазерная приложения?
Лазеры получили широкое применение в повседневной жизни. Лазеры является наиболее применимым в презентации для указывая объекты, согласования на строительство и проект, медицинское лечение для косметических и хирургических процедур. Нижняя указатель мощности лазера идеально подходит для презентаций и астрономии звездопада. Более высокая мощность лазерного указателя до 100 mW было бы прекрасно для сжигания эксперимент. Высокой мощности класса IV лазер используется для эксперимента, научные исследования, военные и т.д. таргетинг

4. Что такое длина волны?
Наши глаза чувствительны к свету, который находится в очень маленькой области электромагнитного спектра с надписью "видимый свет". Этот видимый свет соответствует диапазон длин волн 400 - 700 нанометров (nm) и цветовую гаnmу фиолетового до красного. Человеческий глаз не способен "видеть" излучение с длинами волн за пределами видимого спектра. Видимого цвета из кратчайших в длину волны длинной являются: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны, чем видимый свет фиолетовый. Инфракрасное излучение имеет длину волны, чем видимый красный свет. Белый свет представляет собой смесь из цветов видимого спектра. Черный является полное отсутствие света.

Спектральные цвета и длины волны

Этот график показывает цвета видимого спектра света и связанных с длинами волн в нанометрах. Диапазоны традиционно дается как:
ультрафиолетовом свете, 100 nm, 400 nm;
видимый свет, 400 nm-750nm;
инфракрасный свет, 750 nm-1 nm.

5. Что такое лазерная поперечной моде?


Поперечная электромагнитная режиме (TEM) структура лазерного луча описывает распределение мощности по сечению пучка. Большинство приложений лазерной потребует фундаментальных режима луча (TEM00) с гауссовым распределением мощности по сечению пучка, как показано на рисунке справа. Это фундаментальные результаты в режиме наименьшего диаметра пучка и расходимость пучка и может быть сосредоточено до наименьшего возможного размера пятна.
Прочие доходы приложений с повышенной мощностью доступны в первом режиме порядке (TEM01 *), или даже мод высшего порядка. Мощность лазера имеющих режим структуры над фундаментальным обычно называют multitra nsverse режиме (MTM). Режим структуры производства лазерных может быть изменен, просто изменив зеркала.

6. Различные классификации лазеров

Класс I

По своей сути безопасны, нет возможности повреждения глаз. Это может быть либо из-за низкой выходной мощности (в случае повреждения глаз невозможно даже после нескольких часов воздействия), или из-за шкафа предотвращения доступа пользователей к лазерным лучом при нормальной эксплуатации, такие как проигрыватели компакт-дисков или лазерных принтеров.

Класс II

Рефлекс моргания человеческого глаза (отвращение ответ) позволит предотвратить повреждение глаз, если человек намеренно смотрит в пучке в течение длительного периода. Выходная мощность может быть до 1 mW. Этот класс включает в себя только лазеры, которые излучают видимый свет. Большинство лазерных указателей и коnmерческие сканеры лазерные в этой категории.

Класс IIIa

Лазеры этого класса в основном опасные в сочетании с оптическими инструментами, которые изменяют диаметр луча или плотности мощности, хотя даже без оптического инструмента повышения прямого контакта с глазом в течение двух минут может привести к серьезному повреждению сетчатки. Выходная мощность не превышает 5 mW. Плотность мощности излучения не превышает 2,5 mW / кв.см, если устройство не маркирован с "осторожностью" предупредительный знак, в противном случае "опасности" предупредительной этикетке не требуется. Многие достопримечательности лазерные для огнестрельного оружия и лазерных указателей в этой категории.

Класс IIIb

Лазеры в этом классе может привести к повреждению, если луч попадает в глаз напрямую. Как правило, это относится к лазерам питается от 5-500 mW. Лазеры в этой категории может привести к необратимому повреждению глаз с экспозиции 1/100-й секунду или меньше в зависимости от силы лазера. Диффузного отражения, как правило, не опасны, но зеркальных отражений может быть таким же опасным, как прямые воздействия. Защитные очки рекомендуется при прямом просмотре луч лазера класса IIIb может произойти. Лазеры на высоком конце мощность этого класса могут также представлять опасность возникновения пожара и может слегка обжечь кожу.

Класс IV

Лазеры в этом классе имеют выходную мощность более 500 mW в пучке и может вызвать тяжелые, необратимые повреждения глаз или кожи без увеличены оптики глаза или приборов. Диффузного отражения лазерного луча могут быть опасными для кожи или глаз в течение Номинальный зону опасности. Многие промышленные, научные, военные и медицинские лазеры в этой категории.

7. Что такое лазерная безопасность знаний?
Даже первый лазер был признан как потенциально опасные. Теодор Мейман характеризуется первый лазер как имеющий власть одного "Gillette", как это могло гореть через одну лезвие бритвы Gillette. Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с помощью всего нескольких милливатт мощности могут быть опасными для человека зрение, когда луч такого лазера попадает на глаза непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, роговица и хрусталик может сосредоточиться хорошо, согласованности и малой расходимостью лазерного света означает, что она может быть направлена на глаз в очень маленькое пятно на сетчатке глаза, что приводит к локализованным жжения и повреждению в течение секунд или даже меньше времени. Лазеры обычно обозначен ряд класса безопасности, которая определяет, насколько опасны лазера:

. Класс I/1 по своей сути безопасны, как правило, потому что свет, содержащийся в корпусе, например, проигрыватели компакт-дисков.
. Класс II/2 является безопасной при нормальной эксплуатации; рефлекс моргания из глаз позволит предотвратить повреждение. Обычно до 1 mW, для указателей например лазера.
. Класс IIIa/3A лазеры, как правило, до 5 mW и привлекать небольшой риск повреждения глаз за время рефлекс моргания. Вглядываясь в таком пучке в течение нескольких секунд может привести к повреждению пятна на сетчатке.
. Класс IIIb/3B может привести к немедленному повреждению глаз при воздействии.
. Класс IV/4 лазеры могут обжечь кожу, а в некоторых случаях даже рассеянного света может вызвать раздражение глаз и / или повреждения кожи. Многие промышленные и научные лазеров в этом классе. Указанные полномочия для видимого света, непрерывно лазеров. Для импульсных лазеров и невидимых волн, другие ограничения мощности применяются.

Люди, работающие с классом 3В и 4 класса лазеров могут защитить свои глаза защитные очки, которые предназначены для поглощают свет определенной длины волны.

Некоторые инфракрасный лазеры с длиной волны за пределами около 1,4 микрометров часто упоминается как "безопасный для глаз». Это потому, что внутренняя молекулярных колебаний молекул воды очень сильно поглощают свет в этой части спектра, и, таким образом лазерный луч на этих длинах волн ослабляется настолько, как она проходит через роговицу глаза, что нет света остаются должно быть сосредоточено на объективе на сетчатку. Ярлык "безопасный для глаз" может ввести в заблуждение, однако, как это относится только к относительно малой мощности непрерывных пучков волн, любой большой мощности или модуляцией добротности лазера на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз.

8. Опасности лазерного излучения
Лазерные указки получили широкое применение от его первого появления. Лазеры в основном применимы в качестве инструмента для представления в преподавание, астрономии звездопада, и встреч. Тем не менее, эти лазеры постепенно принадлежащих лазерных поклонников и энтузиастов в том числе детей в связи с низкой стоимостью и бесчисленное множество поставщиков, и использоваться таким образом, не предусмотренных производителями. В результате, это серьезно Важно понимать опасности лазерных указок перед реальной обладание лазерной указкой.

Лазерная опасности
Лазерное излучение преимущественно вызывает повреждение путем термического воздействия. Даже умеренно питания лазера может привести к травмам глаз. Лазеров высокой мощности также может обжечь кожу. Некоторые лазеры настолько мощным, что даже диффузного отражения от поверхности может быть опасным для глаз.

Хотя существует потенциальная опасность для сетчатки, не все лазеры видимого пучка, вероятно, привести к необратимому повреждению сетчатки. Воздействия смотреть на луч лазерной указки, скорее всего, причиной остаточного изображения, флэш-слепоты и бликов. Временная боль в сетчатке восстановится через несколько минут.

Малым углом расходимости лазерного света и механизма фокусировки на глаза означают, что лазерный свет может быть сконцентрирован в очень маленькое пятно на сетчатке. Если лазер достаточно мощный, постоянный ущерб может происходить в течение доли секунды, буквально быстрее, чем мгновение ока. Достаточно мощный в видимой до ближней ИК лазерным излучением (400-1400nm) будет проникать глазного яблока и может привести к нагреву сетчатки, в то время как воздействие лазерного излучения с длиной волны менее 400 nm и больше, чем 1400nm в основном поглощаются роговицей и хрусталиком, приводит к развитию катаракты или ожогов.

Инфракрасные лазеры являются особенно опасными, так как защитные тела "рефлекс моргания" ответ срабатывает только видимый свет. Например, некоторые люди подвергаются воздействию высоких Nd мощность: YAG лазера с невидимым 1064 излучению, не может чувствовать боль или заметите непосредственного ущерба их зрение. Поп-музыка или звук щелчка, вытекающих из глазного яблока может быть единственным признаком того, что повреждение сетчатки произошло то есть сетчатка нагревали до 100 ° C в результате локализованного взрывного вскипания сопровождается немедленного создания постоянного слепое пятно.

Ответственные владельцы лазерных должны полностью понимать опасности лазерного излучения, и признать FAA правила, связанные с использованием лазерной указки. Защитные очки, как правило, требуется, когда непосредственное наблюдение мощный луч может произойти.

9. Как защитить себя от лазерной опасности?
Это весьма важно для принятия эффективных методов предотвращения ущерба от класса 3В или класса IIIb. Лазерные защитные очки являются главным аксессуаром для защиты глаз на рынке в настоящее время. Различные выбор лазерных датчиков, очки должны быть выбраны для конкретного типа, чтобы заблокировать соответствующую длину волны. Например, поглощающий 532 очков обычно имеет оранжевый очков.

Непосредственно глядя на лазерные указки строго запрещено в любых условиях. Не забывайте надевать защитные очки перед использованием лазерной указки.

Советы по безопасности лазерной указкой:

● Поставьте лазер в недоступном для несовершеннолетних. Не допускать несовершеннолетних (до 18 лет) на приобретение и использование лазерной указкой ни при каких надзора. Только взрослые могут использовать лазерные указки после того, как они поняли знаний безопасности и риска лазерных продуктов.

● Будьте особенно осторожны, если вы используете высокой мощности лазерного излучения. Вы никогда не должны пытаться указать свой лазерный указатель на любого человека и животных, пилот самолета и движущихся транспортных средств, или вы будете заключены в тюрьму в тюрьме за неправильное использование лазерных устройств.

● Хранить вдали от мощных лазеров. Пожалуйста, всегда держать себя вдали от мощных лазера, такие как сжигание лазера. Они существенно отличаются от формальных лазеров для презентации. Никогда не пытайтесь купить лазер без никакой выявить класса и мощности.

10. Как мощные лазерные указки будет?

Различные приложения должны лазеров с различной выходной мощностью. Лазеры, которые производят непрерывный пучок или серия коротких импульсов можно сравнить на основе их средней мощности. Лазеры, которые производят импульсы могут быть охарактеризованы на основе пиковая мощность каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше, чем его средняя мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше, чем потребляемая мощность.

Непрерывным или средней мощности, необходимой для некоторых применений:
Мощность использование
1-5 mW лазерного указателя
5 mW компакт-дисков
5-10 mW DVD-плеер или DVD-дисков
100 mW высокоскоростной CD-RW горелки
250 mW потребительских 16x DVD-R горелки
400 mW горения через футляре диска в том числе в течение 4 секунд
1 W Зеленый лазер в текущем Голографический Универсальный развития прототип диска
1-20 W Выходная большинства коnmерчески доступных твердотельных лазеров, используемых для микро-обработки
30-100 W Типичные запечатанных СО2 хирургических лазеров
100-3000 W Типичные запечатанных CO2 лазеров, используемых в промышленных лазерной резки
5 KW Выходная мощность достигается за счет 1 см бар лазерный диод
100 KW Заявленная мощность СО2-лазера, разрабатываемый Northrop Grumman для военных (оружие) приложений

11. Что лазерных обслуживания?

Правильное обслуживание вашего лазерного прекрасно продлить срок его службы. Нам просто нужно следовать следующим советам:

Что нужно:
1. Салфетка из микрофибры
Пожалуйста, убедитесь, что ткань из микроволокна специально разработана для очистки линз. Вы можете найти это в вашем местном камеры или очки магазине.
2. Q-наконечником или зуб выбор
Вам нужно будет сложить ткань над одним из них, чтобы быть в состоянии достичь линзы правильно.
3. Объектив очистки растворов (необязательно)
Используйте для очистки линз решение, только если объектив не очищается салфетка из микрофибры в одиночку. Пожалуйста, убедитесь, что чистящий раствор разработан специально для очистки объектива.
* Внимание: не используйте воду.

Процедура:
1. Мойте руки с мылом и водой. Убедитесь в том, чтобы высушить их должным образом.
2. Сложите ткань из микроволокна на зубочистку или ручку часть Q-Tip. Убедитесь, что вы не трогайте часть ткани, которая будет очистка линз. Вы, наверное, не сможет сложить ткань вдвое, так что вы должны быть очень осторожны, чтобы не нажимать слишком сильно на объектив.
3. Аккуратно переместите ткань в отверстие, пока она вступает в контакт с объективом. Натрите его из стороны в сторону, но не нажимайте слишком сильно. Плавно поворачивайте ткань в вращательным движением вперед и назад. Повторите эту процедуру, пока объектив вашей лазерной чист.
4. Превратите ваш лазерный блок, чтобы увидеть, если объектив чист.

Тем не менее грязным? Попробуйте использовать раствор для очистки объектива.
Применяют по 1 капле только часть ткани, которая будет очистка линз, следовать той же процедуре, что и выше. Вы хотите, чтобы закончить с помощью сухой части ткань для протирки объектива сухой, это должно занять один проход стороны в сторону или нежно вращаться.

Основными свойствами лазерного излучения являются: монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность, высокая мощность и яркость.

Монохроматичность и поляризация .

Монохроматичность характеризует степень концентрации излучения по спектру. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума или спектральный диапазон , занимаемый группой линии.

Более объективной характеристикой является относительная ширина спектра
, где,- угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

Ширина спектральной моды, выделяемой резонатором, определяется его добротностью
. В свою очередь величинаопределяется потерями в резонаторе.

Теоретический предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется двумя факторами: 1) шумами, обусловленными тепловым излучением в резонаторе; 2) шумами, связанными со спонтанным излучением активного вещества. В оптическом диапазоне шумы за счет спонтанного излучения преобладаю над тепловыми шумами. Если учитывать только шумы, вызванные спонтанными переходами, то окажется, что спектральная линия выходного лазерного излучения имеет лоренцову формулу (см. п.1.7) с полушириной
, гдеР – выходная мощность лазерного излучения.

Для лазера с выходной мощностью Р = 1 мВт, излучающего в красной области спектра (λ 0 = 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора 10 8 , получаем
≈ 5∙10 -16 . Так как
, приL =1м допустимое отклонение длины резонатора составляет
= 5∙10 -7 нм. Очевидно, стабилизировать длину резонатора в таких пределах весьма проблематично. В реальных условиях монохроматическое лазерное излучение определяется изменениями длины резонатора, вызванными тепловыми эффектами, вибрациями и т.д.

Рассмотрим вопрос о поляризации лазерного излучения. Свет, у которого существует упорядоченность ориентации векторов напряженностей E и H , называется поляризованным . Лазер, вообще говоря, может генерировать неполяризованный свет, но это вредит стабильной работы лазера. Для обеспечения работы лазера на одной поляризации и получить на выходе плоскополяризованный свет, достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Плоскополяризованным называется свет, у которого направления колебаний векторов E и H в любой точке пространства остаются неизменными во времени . В твердотельных лазерах для этого используется анизотропия оптических свойств активного вещества. Например, излучение рубинового лазера, как правило, поляризовано вследствие его двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора.

Когерентность характеризует согласованное протекание во времени и в пространстве двух или нескольких колебательных волновых процессов, появляющееся при их сложении.

В простейшем виде в оптике когерентность связана с постоянством разности фаз двух различных излучений или двух частей одного излучения . Интерференция двух излучений при их сложении может наблюдаться только, если они взаимно когерентны .

Для электромагнитной волны можно определить два независимых понятия - пространство и время когерентности.

Под пространственной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из двух различных точек источника в одинаковые моменты времени.

Под временной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из одной и той же точки.

Пространственная и временная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность.

Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

Степень взаимной когерентности двух излучателей можно экспериментально определить по контрасту интерференционной картины

, (1)

и
- интенсивности в максимуме и минимуме нтерференционных полос.

Измерив интенсивности
и
вблизи выбранных точек экрана, можно определить функцию, характеризующую степень взаимной когерентности первого порядка.

. (2)

Для наблюдения только пространственной когерентности в точках х 1 и х 2
, т.е. производить измерения вблизи точки 0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только временной когерентности отверстиях 1 и х 2 должны быть расположены сколь угодно близко (совпадать), но для двух интерферирующих волн должна быть обеспечена задержка во времени на , например, путем разделения волны от отверстиях 1 на две части с помощью дополнительного полупрозрачного зеркала, как это делается в интерферометре Майкельсона.

Рис. 2.10. Измерение степени когерентности электромагнитной волны с помощью интерферометра Юнга.

Время когерентности равно 1/∆ ω , где ∆ ω – ширина линии в Гц. Время когерентности, помноженное на скорость света, представляет собой длину когерентности. Последняя характеризует глубину резкости в голографии и предельные дистанции, на которых возможны интерферометрические измерения.

Когерентность излучения имеет значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Если расположить источники оптического излучения в порядке уменьшения степени когерентности генерации ими излучения, то будем иметь: газовые лазеры – жидкостные - твердотельные лазеры на диэлектриках- полупроводниковые лазеры- газоразрядные лампы – светодиоды - лампы накаливания.

Направленность и яркость.

Направленностью излучения называют локализацию излучения вблизи одного направления, которое является осью распространения излучения. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Для лазерного излучения коэффициент направленности может достигать 2000. Расходимость лазерного излучения ограничивается явлениями дифракции.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора .

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу с очень большим радиусом. Таким образом, лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень малой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией лучей на выходном отверстии. Угловая расходимость  изл , определяемая дифракцией, оценивается выражением
, гдеd – диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части.

Когерентное излучение лазера можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. Теоретическим пределом минимального размера лазерного пучка является длина волны. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001-0,01 см. В настоящее время с помощью лазеров достигнуты мощности излучения 10 11 Вт/см 2 (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10 3 Вт/см 2).

Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Яркость источника электромагнитной волны есть мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности.

Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости. Она служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент
, зависящий от длины волны.

Этот коэффициент является световым эквивалентом потока излучения и называется спектральной световой эффективностью монохроматического излучения или видностью. Для нормального дневного зрения максимум функции видности приходится на длину волны = 555 нм (зеркальный свет). При=380 и 780 нм видность уменьшается почти до нуля.

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Лазеры

Урок объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Материал рассчитан на два урока, домашнее занятие и 3-й урок, на котором заслушивают подготовленные сообщения о применении лазеров. Структура и содержание урока должны служить не только расширению кругозора на основе полученных знаний по квантовой оптике, но и развивать умение думать, сопоставлять, обобщать, анализировать.

Ход урока

I. Название темы сегодняшнего урока записано по-английски. А что это означает по-русски? (Ответ. Лазер – английская аббревиатура названия.) Подберите к слову «лазерный» подходящие существительные. (Ответ. Шоу, оружие, принтер, указка, диск...) Ответы показывают, что вы знакомы с применением удивительного изобретения ХХ в. – лазера. Подтверждением его важности является присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера».

Перед вами лабораторный лазер и лазерные указки. Интересно, что же особенного в этих источниках света, как они устроены, ведь столь высокая оценка изобретения лазера, наверное, заслуженная?

II. В основе квантового усиления электромагнитных волн (ЭМВ) лежат два процесса: возбуждение индуцированного излучения и накапливание возбуждения.

Излучение вообще связано с переходом атомов (молекул) из возбуждённого состояния с энергией E m в стабильное состояние с более низкой энергией E n . Частота излучения при этом . В обычных источниках света число переходов E m E n равно числу переходов E n E m , излучение происходит в широком диапазоне частот, фазы волн, излучаемых отдельными атомами, произвольны. Такое излучение называется самопроизвольным , или спонтанным .

Если же искусственно создать перенаселённость верхних энергетических уровней E m , то, по догадке В.А.Фабриканта, внешнее излучение частотой mn , проходящее через такую активную среду, может быть усилено за счёт «спровоцированных» им переходов в среде E m E n . Такое вынужденное , или индуцированное , излучение отличается от спонтанного: направление распространения, поляризация, частота и фаза волн, излучаемых отдельными атомами, полностью тождественны внешней волне.

Создать стабильную перенаселённость уровней в двухуровневой системе долго не удавалось, т.к. переходы на нижний уровень происходили слишком быстро, через 10 –8 с. Более стабильной оказалась трёхуровневая система, когда электроны переходили сначала с верхнего уровня на средний (подуровень), причём этот переход не сопровождался излучением, задерживались на нём до 10 –3 с, а потом уже с излучением «сваливались» на нижний уровень. В рубиновых лазерах подуровень создаётся за счёт введения примесей хрома в кристалл оксида алюминия (рубина). Бывают и четырёхуровневые системы.

Уровень m _____________
________________Подуровень

Уровень n _____________

В квантовых генераторах между зеркалами, образующими так называемый резонатор Фабри–Перо , помещают активную среду. Проходя несколько раз от одного зеркала до другого, волна усиливается и частично выходит через полупрозрачное зеркало наружу. Как вы думаете, длина резонатора – путь между зеркалами – может быть любой? Оказывается, нет, должно выполняться условие резонанса: на длине резонатора должно укладываться целое число длин волн распространяющейся в резонаторе волны: 2L = n , где L – расстояние между зеркалами, – длина волны, n – целое число.

Это условие является важнейшим для генерации волны, оно и обеспечивает монохроматичность излучения. В лазере (квантовом генераторе) не могут возникать волны произвольной частоты. Генерируются волны лишь с дискретным набором частот:

Лазер, по существу, представляет собой автоколебательную систему, в которой возуждаются незатухающие колебания на одной из собственных частот резонатора.

III. Проверим, как вы поняли рассказанное, какие мысли, вопросы возникли у вас.

– Почему лазеры называют квантовыми источниками , ведь и в обычных источниках излучение возникает тоже вследствие переходов электронов с верхних энергетических уровней на нижние? (Ответ . Лазер – искусственный источник излучения, основными свойствами которого, отличающими его от естественных источников, являются монохроматичность и когерентность излучения.)

– Какие характеристики первичной волны, падающей на активную среду, изменяются в лазере? (Ответ . Интенсивность.)

– Назовите процесс, обратный процессу индуцированного излучения. (Ответ . Процесс возбуждения, которому соответствуют переходы электронов с нижних уровней энергии на верхние.)

– Назовите элементы лазера как автоколебательной системы. (Ответ . Резонаторы, активная среда.)

– Что в конструкции лазера определяет монохроматичность излучаемой волны? (Ответ . Расстояние между зеркалами.)

– В чём физика индуцированного излучения? (Ответ . Явление резонанса.)

IV. По полученной литературе за 3 минуты подготовьте сообщения в группах о работе рубинового, полупроводникового, газового, химического лазеров. При изложении придерживайтесь плана: способ получения трёхуровневых систем, способ возбуждения, особенности устройства и область применения. На листе ватмана начертите упрощённую схему.

V. Вы заслушали сообщения. Проверьте степень усвоения, ответив на вопросы:

– Что общего в работе разных типов лазеров? (Ответ . Разные виды энергии переходят в энергию оптического излучения.)

– Назовите режимы работы лазера. Чем обусловлен режим работы? (Ответ . Импульсный, непрерывный; обусловлен способом возбуждения и видом активной среды.)

– Назовите диапазоны волн, излучаемых квантовыми генераторами. Чем они обусловлены? (Ответ . Радиодиапазон – мазеры; рентгеновский, оптический, в том числе инфракрасный, – лазеры.)

– Есть ли предел усиления излучения? (Ответ . Да. Иначе сама система себя разрушит. Но использование многоканальных установок значительно расширяет этот предел.)

VI. На листе появляется запись: «Не смотри в лазер оставшимся глазом».

Смотреть прямо в лазер, даже слабомощный, не стоит – интенсивность света на сетчатке может оказаться в 10 4 раз выше, чем максимальная интенсивность солнечного луча. Если луч случайно «мазнул» по глазам, сфокусированным на каком-то другом предмете, то можно ослепнуть лишь на время, без необратимых повреждений глаза. Но искать границу между этими крайностями не стоит!

VII. Экспериментальное исследование особенностей излучения лазеров

1. Монохроматичность – электромагнитное излучение имеет одну, определённую и строго постоянную, частоту. Это обусловлено тем, что усиливаются только волны, удовлетворяющие условию резонанса. Однако соотношение неопределённостей E t h приводит к тому, что энергия возбуждённого состояния на уровне m может иметь значения между E m – E и E m + E , поэтому и частоты, излучаемые лазером, будут отличаться на , причём .

где d = 1 мм – расстояние между штрихами, +3 и –3 – углы, под которыми наблюдаются максимумы +3-го и –3-го порядков, L = 1 м. Сделав преобразования, находим:

где h +3 и h –3 – высоты расположения соответствующих максимумов. Измерив h –3 = 10 см и h +3 = 14 см и подставив все числовые значения, получаем: = 730 нм. – Ред .]

Школьники готовятся к измерению длины волны лазерного излучения с помощью штангенциркуля

Для проверки проведём измерения со стандартной дифракционной решёткой с N = 600 штр./мм. Направив луч на неё перпендикулярно, получим:

Cогласно измерениям, L = 1 м, k = ±1, h +1 = 43,5 см = 0,435 м, h –1 = 45 см = 0,45 м. Тогда:

Измерение длины волны лазерного излучения с помощью обычной дифракционной решётки

2. Когерентность – согласованность во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, что позволяет получить при их сложении чёткую интерференционную картину.

Времення когерентность отвечает за формирование интерференционной картины при делении луча на два. Чем шире спектр излучения, тем оно менее когерентно: Таким образом, монохроматичность связана с когерентностью.

Если направить луч лазера на экран или чёрную копировальную бумагу, то мы увидим, что он представляет собой не ровное пятно, как луч электрического фонаря, а узор из отдельных как бы пляшущих зёрен. Эта структура так и называется – зернистой , или гранулированной , или спеклом . Она создаётся параллельным пучком пространственно когерентного света, который диффузно рассеивается на тонкой структуре листа бумаги и объясняется интерференцией света, рассеиваемого отдельными шероховатостями, размеры которых сравнимы с длиной волны света. Пространственная когерентность означает, что фазы световых волн, излучаемых любой частью лазера, совпадают, что и обеспечивает устойчивость интерференционной картины.

Чёткость интерференционной картины определяется размерами области пространственной когерентности. В этом можно убедиться опытным путём, наблюдая интерференцию лучей, прошедших через два маленьких отверстия, как в опыте Юнга. Для этого мы наложили друг на друга две иголки с маленькими ушками и получили при освещении лазерной указкой чёткую интерференционную картину, что является доказательством пространственной когерентности лазерного луча.

3. Малая расходимость пучка. Благодаря слабой расходимости лазерный пучок виден, как точка на препятствии, даже удалённом на большое расстояние. Убедимся в этом на опыте. Лазерный луч, отразившись в зеркале, попадал на экран.

При L = 10 м (длина кабинета) и диаметре луча ( = 740 нм) при выходе из указки D = 3 мм диаметр луча при падении на зеркало составил D 1 = 6 мм и при падении на экран D 2 = 8 мм. Получилась расходимость луча примерно 2 мм на расстоянии 10 м.

Действительно, теоретически угол расходимости a определяется только диаметром пучка D и длиной волны :

На длине 10 м размер пучка должен увеличиться до 10 м 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 м = 2,5 мм. Луч карманного фонарика расходится значительно больше.

4. Мощность излучения. Лазеры являются самым мощным источником излучения: их мощность достигает 10 14 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца 7 10 3 Вт/см 2 . Спектральная мощность излучения (приходящаяся на узкий интервал длин волн = 10 –6 см) составляет 0,2 Вт/см 2 у Солнца и у лазерной указки.

Измерим на нашей установке мощность излучения лазерной указки и сравним её с мощностью излучения электрической лампы.

Ток, потребляемый лампой, составляет 0,15 А при напряжении 3,6 В. Мощность лампы P 1 = 0,15 А 3,6 В = 0,54 Вт. Фототок, полученный при облучении фотоэлемента этой лампой, расположенной на расстоянии L = 10 см, составил 25 мкА.

Мощность светового потока лампы с учётом светоотдачи лампы (5%) и диаметра фотоэлемента (3 см) составляет всего:

Фототок от лазерной указки, расположенной на таком же расстоянии L = 10 см, составил 300 мкА.

Если светоотдача лазерной указки равна 0,6, то отношение фототоков:

следовательно, мощность излучения лазерной указки

VIII. Сегодня на уроке вы узнали (говорят ученики ): чем и почему лазерное излучение отличается от излучения других источников; как образуется это излучение. Осталось разобраться, как эти свойства используются в технических устройствах: медиатехнике, медицинских аппаратах, голографических средствах записи и воспроизведения изображений, оружии, термоядерных реакторах. Каждая группа дома готовит один вопрос и решает задачу.

Типы лазерных указок

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень громоздкими и дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зелёная указка с λ=532 нм - хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в несколько раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время появились в продаже жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

Красные лазерные указки

Самый распространённый тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелока питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на апрель 2012 года стоят порядка 1-5 долларов США. Мощные красные указки (длина волны 650-660 нм) мощностью от нескольких сотен милливатт до ватта, способные зажигать хорошо поглощающие излучение материалы, стоят порядка 50-500$.

Более редкие красные лазерные указки используют твердотельный лазер с диодной накачкой ( англ. Diode-pumped solid-state laser , DPSS) и работают на длине волны 671 нм. Отличаются от указок на лазерном диоде круглым сечением луча (у обычной лазерной указки луч уплощён вследствие астигматизма резонатора лазерного диода).

Зелёные лазерные указки (510-530нм)

Сначала мощным (обычно 200-1000мВт ) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия, легированный неодимом (Nd:YVO 4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO 4 , сокращённо KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Генерация и вывод зелёного излучения обеспечиваются зеркалами, одно из которых полностью отражает излучение с длиной волны 1064 и 532 нм и полностью пропускает излучение накачки 808 нм, а другое полностью отражает излучение 1064 нм, но полностью пропускает 532 нм. Частично отражается и излучение накачки.

В большинстве современных зелёных лазерных указок кристаллы ванадата иттрия и KTP вместе с зеркалами резонатора объединены в так называемый «микрочип» - склейку из двух кристаллов с напылёнными на грани зеркалами. Для генерации лазерного излучения достаточно сфокусировать внутри кристалла Nd:YVO 4 излучение лазерного диода накачки.

КПД схемы сильно зависит от мощности накачки и может достигать не более 20 %. Кроме зелёного света такой лазер излучает значительную мощность в ИК на длинах волн 808 и 1064 нм, поэтому в таких указках обязательно нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр ), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. В недорогих вариантах зелёных указок такой фильтр могут не устанавливать, в таком случае даже указка с мощностью 1-5 мВт представляет серьёзную опасность для зрения, так как мощность ИК-излучения может достигать десятков милливатт. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же хорошо, как и зелёное и представляет опасность при попадании в глаз даже на большой дистанции, тогда как излучение накачки 808 нм сильно расфокусировано и не сконцентрировано вдоль луча, представляя опасность на расстоянии до нескольких метров.

Стоит отметить высокое энергопотребление зелёных лазеров - потребляемый ток достигает сотен миллиампер. Так как эффективность генерации и удвоения с ростом мощности накачки быстро возрастает, увеличение выходной мощности с 5 до 100 мВт требует повышения потребляемого тока лишь примерно в два раза.

Малые размеры зелёной лазерной указки не позволяют установить в них систему стабилизации температуры лазерного диода и активных сред. Особенно сильное влияние температура оказывает на длину волны, излучаемую лазерным диодом, что приводит к уходу её с максимума линии поглощения неодима и падению выходной мощности. Это приводит к тому, что такие указки нестабильно работают при изменении температуры. Частично этот недостаток устраняется путём стабилизации мощности излучения на выходе лазера. Для этого на выходе устанавливают светоделитель (роль которого исполняет ИК-фильтр, от которого отражается часть излучения) и фотодиод, и вводят отрицательную обратную связь. Недостатком такого решения является возможность выхода из строя лазерного диода при значительном отклонении температуры, при котором система стабилизации, компенсируя падение выходной мощности, вынуждена значительно поднять ток через него.

Голубые лазерные указки (473 нм)

Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путём удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима ( Nd:YAG).

Синие лазерные указки (445 нм)

В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом в 1-5 Вт. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи как непосредственно, так и в виде рассеянного поверхностью излучения.

Активное распространение синие указки получили в связи с серийным выпуском мощных лазерных диодов, в основном для компактных LED-проекторов, например Casio Slim .

Фиолетовые лазерные указки (405нм)

Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Эти лазеры используются в проигрывателях для записи Blu-ray Disc . Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого