Progettazione e utilizzo del laser. Il principio di funzionamento del laser: caratteristiche della radiazione laser Uso pratico dei laser

Al giorno d'oggi è difficile trovare una persona che non abbia mai sentito questa parola "laser", tuttavia, pochissimi capiscono chiaramente di cosa si tratta.

Mezzo secolo dall'invenzione dei laser diversi tipi hanno trovato applicazione in una vasta gamma di settori, dalla medicina alla tecnologia digitale. Allora, cos'è un laser, qual è il suo principio di funzionamento e a cosa serve?

Cos'è un laser?

La possibilità dell'esistenza dei laser fu prevista da Albert Einstein, che nel 1917 pubblicò un articolo in cui parlava della possibilità che gli elettroni emettano quanti di luce di una certa lunghezza. Questo fenomeno è stato chiamato emissione stimolata, ma per molto tempo era considerato irrealizzabile dal punto di vista tecnico.

Tuttavia, con lo sviluppo delle capacità tecniche e tecnologiche, la creazione del laser è diventata una questione di tempo. Nel 1954 ricevettero gli scienziati sovietici N. Basov e A. Prokhorov Premio Nobel per la realizzazione del maser, il primo generatore di microonde alimentato ad ammoniaca. E nel 1960, l'americano T. Maiman produsse il primo generatore quantistico di raggi ottici, che chiamò laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Il dispositivo converte l'energia in radiazione ottica a direzione stretta, cioè fascio di luce, un flusso di quanti di luce (fotoni) ad alta concentrazione.

Principio di funzionamento del laser

Il fenomeno su cui si basa il funzionamento di un laser è chiamato radiazione forzata, o indotta, del mezzo. Gli atomi di una determinata sostanza possono emettere fotoni sotto l'influenza di altri fotoni e l'energia del fotone agente deve essere uguale alla differenza tra i livelli energetici dell'atomo prima e dopo la radiazione.

Il fotone emesso è coerente con quello che ha causato la radiazione, cioè esattamente come il primo fotone. Di conseguenza, il debole flusso di luce nel mezzo viene amplificato, e non in modo caotico, ma in una determinata direzione. Si forma un raggio di radiazione stimolata, chiamato laser.

Classificazione laser

Man mano che venivano esplorate la natura e le proprietà dei laser, vari tipi questi raggi. A seconda dello stato della sostanza iniziale, i laser possono essere:

gas;
liquido;
stato solido;
sugli elettroni liberi.

Attualmente sono stati sviluppati diversi metodi per produrre un raggio laser:

utilizzo di una luce elettrica o di una scarica ad arco in un ambiente gassoso - scarica di gas;
utilizzando l'espansione del gas caldo e la creazione di inversioni di popolazione - gas-dinamica;
facendo passare la corrente attraverso un semiconduttore con eccitazione del mezzo - diodo o iniezione;
mediante pompaggio ottico del mezzo con lampada flash, LED, altro laser, ecc.;
mediante pompaggio con fascio di elettroni del mezzo;
pompaggio nucleare quando la radiazione proviene da un reattore nucleare;
utilizzando reazioni chimiche speciali: laser chimici.

Tutti hanno le loro caratteristiche e differenze, grazie alle quali vengono utilizzati in vari campi dell'industria.

Uso pratico dei laser

Oggi i laser diversi tipi utilizzato in decine di industrie, medicina, tecnologie IT e altri campi di attività. Con il loro aiuto, viene effettuato quanto segue:

taglio e saldatura di metalli, plastica e altri materiali;
applicare immagini, iscrizioni e marcare la superficie dei prodotti;
perforazione di fori ultrasottili, lavorazione di precisione di parti in cristallo semiconduttore;
formazione di rivestimenti del prodotto mediante spruzzatura, affioramento, legatura superficiale, ecc.;
trasmissione di pacchetti di informazioni tramite fibra di vetro;
eseguire operazioni chirurgiche e altri interventi terapeutici;
procedure cosmetiche per il ringiovanimento della pelle, la rimozione di formazioni difettose, ecc.;
prendere di mira vari tipi di armi, dalle armi leggere ai missili;
creazione e utilizzo di metodi olografici;
applicazione in vari lavori di ricerca;
misurazione di distanze, coordinate, densità dei mezzi di lavoro, velocità del flusso e molti altri parametri;
avviare reazioni chimiche per eseguire vari processi tecnologici.

Ci sono molte altre aree in cui i laser sono già utilizzati o troveranno applicazione in un futuro molto prossimo.

Il laser è una delle invenzioni più sorprendenti e utili del 20 ° secolo, che ha aperto un numero enorme di nuove aree di attività per l'umanità.

Prima di tutto, scopriamo cos'è un laser?

Il raggio laser è un flusso luminoso coerente, monocromatico, polarizzato e strettamente diretto. In termini umani, ciò significa quanto segue:

Coerente, cioè quello in cui la frequenza della radiazione proveniente da tutte le fonti è sincrona (e dobbiamo capire che la luce è un'onda elettromagnetica emessa dagli atomi e ha una propria frequenza).
Monocromatico significa concentrato in una gamma ristretta di lunghezze d'onda.
Polarizzato – avente un vettore di vibrazione direzionale campo elettromagnetico(questa vibrazione stessa è un'onda luminosa).

In una parola, si tratta di un raggio di luce emesso non solo da sorgenti sincrone, ma anche in un intervallo molto ristretto e direzionale. Una sorta di flusso luminoso estremamente concentrato.

Dispositivo laser.

Il concetto fisico stesso di un laser sarebbe di scarsa utilità se non si sapesse come crearlo. La base del dispositivo è un generatore quantistico ottico che, utilizzando energia elettrica, chimica, termica o di altro tipo, produce un raggio laser. E lo produce mediante radiazione forzata o, come si dice anche, indotta - cioè quando un atomo nel quale cade un fotone (particella di luce) non lo assorbe, ma emette un altro fotone, che è una copia esatta del primo (coerente). In questo modo la luce risulta amplificata.

I laser sono generalmente costituiti da tre parti:

Fonte di energia o meccanismo di pompaggio;
Fluido di lavoro;
Un sistema di specchi o un risonatore ottico.

Di cosa è responsabile ciascuna di queste parti:

Fonte di energia, come risulta evidente dal nome, fornisce l'energia necessaria al funzionamento del dispositivo. I laser utilizzano diversi tipi di energia, a seconda di cosa viene utilizzato esattamente come fluido di lavoro. Tale energia iniziale, tra le altre cose, può essere un'altra fonte di luce, nonché una scarica elettrica, una reazione chimica, ecc. Va detto qui che la luce è un trasferimento di energia e un fotone non è solo una particella o, in altre parole, un quanto di luce, ma anche una particella di energia.

Fluido di lavoro– Questo è il componente più importante del laser. È proprio il corpo in cui ci sono atomi che emettono fotoni coerenti. Affinché avvenga il processo di emissione di fotoni coerenti, il corpo che lavora è sottoposto a un pompaggio di energia, il che porta, grosso modo, al fatto che maggior parte gli atomi che compongono il fluido di lavoro sono passati in uno stato energetico eccitato con un denominatore comune. In questo stato, la transizione allo stato inverso - fondamentale - non eccitato avverrà se un fotone passa attraverso l'atomo, corrispondente nella sua energia alla differenza tra questi due stati dell'atomo. Pertanto, un atomo eccitato, durante la transizione allo stato fondamentale, aggiunge la sua copia esatta al fotone che “vola attraverso di esso”.

È il fluido di lavoro che determina tutte le caratteristiche più importanti del laser, come potenza, portata, ecc. La scelta del fluido di lavoro viene fatta in base a considerazioni dettate da cosa vogliamo ottenere da questo laser.

Bene, e, di conseguenza, ci sono molte opzioni qui: vengono utilizzati anche tutti gli stati di aggregazione (gas, solido, liquido e persino plasma), tutti i tipi di materiali, semiconduttori (ad esempio, nelle unità CD).

Risonatore ottico- questo è un normale sistema di specchi situati attorno al fluido di lavoro, perché emette luce in tutte le direzioni e dobbiamo raccoglierla in un raggio stretto. A questo scopo serve un risonatore ottico.

I laser vengono utilizzati ovunque, purché vi sia sufficiente pensiero ingegneristico per capire come applicare questa tecnologia in determinati casi. Hanno un posto nella medicina, nell'industria, nella vita di tutti i giorni, negli affari militari e persino nella trasmissione di informazioni.

Il diagramma mostra: 1 - mezzo attivo; 2 - energia della pompa laser; 3 - specchio opaco; 4 - specchio traslucido; 5 - raggio laser.

Tutti i laser sono costituiti da tre parti principali:

ambiente (lavorativo) attivo;

sistemi di pompaggio (fonte di energia);

risonatore ottico (può essere assente se il laser funziona in modalità amplificatore).

Ognuno di essi garantisce che il laser svolga le sue funzioni specifiche.

Ambiente attivo

Attualmente, come mezzo di lavoro del laser vengono utilizzati vari stati aggregati della materia: solido, liquido, gassoso, plasma. Nello stato normale, il numero di atomi situati a livelli energetici eccitati è determinato dalla distribuzione di Boltzmann:

Qui N- il numero di atomi in uno stato eccitato con energia E, N 0 - numero di atomi nello stato fondamentale, k- Costante di Boltzmann, T- temperatura ambiente. In altre parole, ci sono meno atomi di questo tipo nello stato eccitato che nello stato fondamentale, quindi anche la probabilità che un fotone che si propaga attraverso il mezzo provochi un'emissione stimolata è piccola rispetto alla probabilità del suo assorbimento. Pertanto un’onda elettromagnetica, attraversando una sostanza, consuma la sua energia per eccitare gli atomi. L’intensità della radiazione diminuisce secondo la legge di Bouguer:

Qui IO 0 - intensità iniziale, IO l è l'intensità della radiazione che percorre la distanza l in materia UN 1 è il tasso di assorbimento della sostanza. Poiché la dipendenza è esponenziale, la radiazione viene assorbita molto rapidamente.

Nel caso in cui il numero di atomi eccitati sia maggiore di quelli non eccitati (cioè in uno stato di inversione di popolazione), la situazione è esattamente l'opposto. Gli atti di emissione stimolata prevalgono su quelli di assorbimento, e l’irraggiamento aumenta secondo la legge:

Dove UN 2 - fattore di guadagno quantistico. Nei laser reali l'amplificazione avviene fino a quando la quantità di energia ricevuta a causa dell'emissione stimolata diventa pari alla quantità di energia persa nel risonatore. Queste perdite sono associate alla saturazione del livello metastabile della sostanza di lavoro, dopo di che l'energia di pompaggio viene utilizzata solo per riscaldarla, nonché alla presenza di molti altri fattori (dispersione per disomogeneità del mezzo, assorbimento da parte di impurità , imperfezioni degli specchi riflettenti, radiazioni utili e indesiderate nell'ambiente, ecc.).

Sistema di pompaggio

Vari meccanismi vengono utilizzati per creare l'inversione della popolazione nell'ambiente laser. Nei laser a stato solido, il suono del clacson si ottiene mediante irradiazione con potenti lampade flash a scarica di gas, radiazione solare focalizzata (il cosiddetto pompaggio ottico) e radiazione di altri laser (in particolare laser a semiconduttore). In questo caso, il funzionamento è possibile solo in modalità pulsata, poiché sono richieste densità di energia di pompaggio molto elevate che, con un'esposizione prolungata, provocano un forte riscaldamento e la distruzione dell'asta della sostanza di lavoro. I laser a gas e liquidi utilizzano il pompaggio a scarica elettrica. Tali laser funzionano in modalità continua. Pompaggio laser chimici avviene attraverso il verificarsi di reazioni chimiche nel loro mezzo attivo. In questo caso, l'inversione di popolazione avviene direttamente nei prodotti di reazione o in impurità appositamente introdotte con un'adeguata struttura dei livelli energetici. Il pompaggio dei laser a semiconduttore avviene sotto l'influenza di una forte corrente diretta attraverso la giunzione p-n, nonché di un fascio di elettroni. Esistono altri metodi di pompaggio (gasdinamico, che comporta un forte raffreddamento dei gas preriscaldati; fotodissociazione, un caso speciale di pompaggio chimico, ecc.).

Nella figura: a - circuiti di pompaggio a tre livelli eb - quattro livelli per il mezzo attivo del laser.

Il classico sistema a tre livelli per il pompaggio del mezzo di lavoro viene utilizzato, ad esempio, in un laser a rubino. Il rubino è un cristallo di corindone Al 2 O 3 drogato con una piccola quantità di ioni di cromo Cr 3+, che sono la sorgente della radiazione laser. A causa dell'influenza del campo elettrico del reticolo cristallino del corindone, il livello energetico esterno del cromo E 2 è diviso (vedi effetto Stark). Questo è ciò che rende possibile utilizzare la radiazione non monocromatica come pompaggio. In questo caso l'atomo passa dallo stato fondamentale con energia E 0 in eccitato con energia circa E 2. Un atomo può rimanere in questo stato per un tempo relativamente breve (circa 10-8 s); la transizione al livello non radiativo avviene quasi immediatamente E 1, dove un atomo può rimanere per molto più tempo (fino a 10 −3 s), questo è il cosiddetto livello metastabile. Esiste la possibilità di radiazione indotta sotto l'influenza di altri fotoni casuali. Non appena nello stato metastabile ci sono più atomi che nello stato principale, inizia il processo di generazione.

È da notare che per creare un'inversione di popolazione degli atomi di cromo Cr si utilizza il pompaggio direttamente dal livello E 0 per livello E 1 non è possibile. Ciò è dovuto al fatto che se l'assorbimento e l'emissione stimolata avvengono tra due livelli, entrambi i processi avvengono alla stessa velocità. Pertanto, in questo caso, il pompaggio può solo pareggiare le popolazioni di due livelli, il che non è sufficiente perché avvenga il lasering.

Alcuni laser, ad esempio i laser al neodimio, in cui la radiazione viene generata utilizzando ioni neodimio Nd 3+, utilizzano uno schema di pompaggio a quattro livelli. Qui tra metastabile E 2 e livello principale E 0 c'è un livello intermedio - lavorativo E 1. L'emissione stimolata si verifica quando un atomo passa da un livello all'altro E 2 e E 1. Il vantaggio di questo schema è che in questo caso è facile soddisfare la condizione di inversione di popolazione, poiché la vita del livello operativo superiore è ( E 2) diversi ordini di grandezza più lunghi della durata del livello inferiore ( E 1). Ciò riduce significativamente i requisiti per la fonte della pompa. Inoltre, questo schema consente di creare laser ad alta potenza che funzionano in modalità continua, il che è molto importante per alcune applicazioni. Tuttavia, tali laser presentano uno svantaggio significativo sotto forma di bassa efficienza quantistica, che è definita come il rapporto tra l'energia del fotone emesso e l'energia del fotone della pompa assorbito (η quanto = radiazione hν / pompa hν)

Il laser è necessariamente costituito da tre componenti principali:

1) mezzo attivo, in cui si creano stati con inversione demografica;

2) sistemipompaggio− dispositivi per creare inversione nel mezzo attivo;

3) otticoriguardo al risonatore− un dispositivo che modella la direzione del fascio di fotoni.

Inoltre, il risonatore ottico è progettato per l'amplificazione multipla della radiazione laser.

Attualmente come attivo (lavorando) ambiente i laser utilizzano diversi stati aggregati della materia: solido, liquido, gassoso, plasma.

Per creare una popolazione inversa dell'ambiente laser, vario metodi di pompaggio . Il laser può essere pompato in modo continuo o pulsato. Nella modalità a lungo termine (continua), la potenza della pompa introdotta nel mezzo attivo è limitata dal surriscaldamento del mezzo attivo e dai fenomeni correlati. Nella modalità a impulso singolo è possibile introdurre nel mezzo attivo una quantità di energia significativamente maggiore rispetto alla modalità continua nello stesso tempo. Ciò si traduce in una maggiore potenza di un singolo impulso.

Generatore quantistico che emette nel visibile e radiazione infrarossa, sono chiamati laser. La parola "laser" è l'abbreviazione dell'espressione: Amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni, che significa l'amplificazione della luce come risultato dell'emissione di quanti indotta o, come talvolta chiamata, stimolata.

Dispositivo laser

Un laser generalizzato è costituito da un mezzo attivo laser, un sistema di "pompaggio" - una sorgente di tensione e una cavità ottica.

Il sistema di pompaggio trasferisce energia agli atomi o alle molecole del mezzo laser, dando loro l’opportunità di entrare in uno “stato metastabile” eccitato creando un’inversione di popolazione.

· Il pompaggio ottico utilizza i fotoni forniti da una sorgente, come una lampada flash riempita di gas xeno o un altro laser, per trasferire energia alla sostanza laser. La sorgente ottica deve fornire fotoni che corrispondano ai livelli di transizione accettabili nel materiale laser.

· Il pompaggio di collisione si basa sul trasferimento di energia a una sostanza laser a seguito di collisioni con gli atomi (o molecole) della sostanza laser. Allo stesso tempo deve essere fornita anche l'energia corrispondente alle transizioni consentite. Ciò viene solitamente ottenuto utilizzando una scarica elettrica in un gas puro o una miscela di gas in un tubo.

· Sistemi chimici Le pompe utilizzano l'energia di legame rilasciata a seguito di reazioni chimiche per trasformare la sostanza laser in uno stato metastabile.

È necessaria una cavità ottica per fornire la forza desiderata nel laser e per selezionare i fotoni che si muovono nella direzione desiderata. Quando il primo atomo o molecola in uno stato metastabile di inversione di popolazione viene scaricato, a causa dell'emissione stimolata, inizia la scarica di altri atomi o molecole in uno stato metastabile. Se i fotoni si spostano verso le pareti della sostanza laser, solitamente un'asta o un tubo, vengono persi e il processo di amplificazione viene interrotto. Sebbene possano essere riflessi dalle pareti dell'asta o del tubo, prima o poi verranno persi dal sistema e non contribuiranno alla creazione del raggio.

D'altra parte, se uno degli atomi o delle molecole distrutte rilascia un fotone parallelo all'asse della sostanza laser, può avviare il rilascio di un altro fotone ed entrambi verranno riflessi da uno specchio all'estremità dell'asta generatrice. o tubo. I fotoni riflessi passano poi indietro attraverso la sostanza, iniziando esattamente lo stesso percorso, iniziando ulteriore radiazione, che viene nuovamente riflessa dagli specchi alle estremità della sostanza laser. Finché questo processo di amplificazione continua, parte dell'amplificazione uscirà sempre attraverso lo specchio parzialmente riflettente. Poiché il guadagno o il guadagno di questo processo supera le perdite dalla cavità, inizia il laser. Si forma così un fascio stretto e concentrato di luce coerente. Gli specchi nella cavità ottica del laser devono essere regolati con precisione per garantire che i raggi luminosi siano paralleli all'asse. Il risonatore ottico stesso, ad es. la sostanza del mezzo non dovrebbe assorbire fortemente l'energia luminosa.

Mezzo laser (materiale laser) – I laser sono generalmente designati in base al tipo di sostanza laser utilizzata. Esistono quattro tipi di questo tipo:

solido,

Tintura,

Semiconduttore.

I laser a stato solido utilizzano materiale laser distribuito in una matrice solida. I laser a stato solido occupano un posto unico nello sviluppo dei laser. Il primo mezzo laser funzionante era un cristallo di rubino rosa (cristallo di zaffiro drogato con cromo); da allora, il termine "laser a stato solido" è stato generalmente utilizzato per descrivere un laser il cui mezzo attivo è un cristallo drogato con impurità ioniche. I laser a stato solido sono dispositivi di grandi dimensioni e di facile manutenzione in grado di generare energia ad alta potenza. La cosa più notevole dei laser a stato solido è che la potenza di uscita solitamente non è costante, ma consiste in gran numero singoli picchi di potenza.

Un esempio è il laser al neodimio-YAG. Il termine YAG è l'abbreviazione del cristallo: granato di ittrio e alluminio, che funge da vettore per gli ioni neodimio. Questo laser emette un raggio infrarosso con una lunghezza d'onda di 1.064 micrometri. Inoltre possono essere utilizzati altri elementi droganti, come l'erbio (laser Er:YAG).

I laser a gas utilizzano gas o una miscela di gas in un tubo. La maggior parte dei laser a gas utilizza una miscela di elio e neon (HeNe), con un segnale di uscita primario di 6.328 nm (nm = 10-9 metri), rosso visibile. Questo laser fu sviluppato per la prima volta nel 1961 e divenne il precursore di un'intera famiglia di laser a gas.

Tutti i laser a gas sono abbastanza simili nel design e nelle proprietà. Ad esempio, un laser a gas CO2 emette una lunghezza d'onda di 10,6 micrometri nella regione del lontano infrarosso dello spettro. I laser a gas argon e kripton funzionano a frequenze multiple, emettendo prevalentemente nella parte visibile dello spettro. Le principali lunghezze d'onda della radiazione laser ad argon sono 488 e 514 nm.

I laser a colorante utilizzano un mezzo laser che è un colorante organico complesso in una soluzione o sospensione liquida.

La caratteristica più significativa di questi laser è la loro “adattabilità”. La scelta giusta il colorante e la sua concentrazione consentono la generazione di luce laser su un'ampia gamma di lunghezze d'onda nello o vicino allo spettro visibile. I laser a colorante utilizzano tipicamente un sistema di eccitazione ottica, sebbene alcuni tipi di laser a colorante utilizzino l'eccitazione chimica.

Laser a semiconduttore (diodo): sono costituiti da due strati di materiale semiconduttore impilati insieme. Un diodo laser è un diodo emettitore di luce con una capacità ottica per amplificare la luce emessa da un gioco in un'asta semiconduttrice, come mostrato nella figura. Possono essere sintonizzati modificando la corrente applicata, la temperatura o il campo magnetico.

Le diverse modalità temporali di funzionamento del laser sono determinate dalla frequenza alla quale viene fornita l'energia.

I laser a onda continua (CW) funzionano a velocità costante potenza media trave.

I laser a impulso singolo hanno tipicamente durate dell'impulso che vanno da diverse centinaia di microsecondi a diversi millisecondi. Questa modalità di funzionamento è solitamente chiamata impulso lungo o modalità normale.

I laser Q-switched a impulso singolo sono il risultato di un ritardo intracavità (cella Q-switched), che consente al mezzo laser di trattenere la massima energia potenziale. Poi, al massimo condizioni favorevoli, vengono emessi singoli impulsi, solitamente con un intervallo di tempo di 10-8 secondi. Questi impulsi hanno una potenza di picco elevata, spesso compresa tra 106 e 109 watt.

I laser pulsati o laser a scansione funzionano in linea di principio allo stesso modo dei laser pulsati, ma con una frequenza di impulsi fissa (o variabile), che può variare da pochi impulsi al secondo a di grande importanza come 20.000 impulsi al secondo.

Principio di funzionamento del laser

La base fisica del funzionamento del laser è il fenomeno della radiazione forzata (indotta). L'essenza del fenomeno è che un atomo eccitato è in grado di emettere un fotone sotto l'influenza di un altro fotone senza il suo assorbimento, se l'energia di quest'ultimo è uguale alla differenza nelle energie dei livelli dell'atomo prima e dopo l'atomo. radiazione. In questo caso il fotone emesso è coerente con il fotone che ha provocato la radiazione (ne è la “copia esatta”). In questo modo la luce viene amplificata. Questo fenomeno differisce dall'emissione spontanea, in cui i fotoni emessi hanno direzioni di propagazione, polarizzazione e fase casuali.

La probabilità che un fotone casuale provochi un'emissione stimolata da un atomo eccitato è esattamente uguale alla probabilità di assorbimento di questo fotone da parte di un atomo in uno stato non eccitato. Pertanto, per amplificare la luce, è necessario che nel mezzo siano presenti più atomi eccitati che non eccitati (la cosiddetta inversione di popolazione). In uno stato di equilibrio termodinamico, questa condizione non è soddisfatta, pertanto vengono utilizzati vari sistemi per il pompaggio del mezzo attivo laser (ottico, elettrico, chimico, ecc.).

La fonte primaria di generazione è il processo di emissione spontanea, pertanto, per garantire la continuità delle generazioni di fotoni, è necessaria l'esistenza di un feedback, per cui i fotoni emessi provocano successivi atti di emissione indotta. Per fare ciò, il mezzo attivo del laser viene posizionato in una cavità ottica. Nel caso più semplice, è costituito da due specchi, uno dei quali è traslucido: attraverso di esso il raggio laser esce parzialmente dal risonatore. Riflettendo dagli specchi, il raggio di radiazione passa ripetutamente attraverso il risonatore, provocando in esso transizioni indotte. La radiazione può essere continua o pulsata. Allo stesso tempo, utilizzando vari dispositivi (prismi rotanti, celle Kerr, ecc.) Per disattivare e attivare rapidamente il feedback e quindi ridurre il periodo dell'impulso, è possibile creare condizioni per la generazione di radiazioni molto alta potenza(i cosiddetti impulsi giganti). Questa modalità di funzionamento del laser è chiamata modalità Q-switched.

La radiazione generata da un laser è monocromatica (una o un insieme discreto di lunghezze d'onda), poiché la probabilità di emissione di un fotone di una certa lunghezza d'onda è maggiore di quella di uno vicino, associato all'allargamento della linea spettrale, e , di conseguenza, anche la probabilità di transizioni indotte a questa frequenza ha un massimo. Pertanto, gradualmente durante il processo di generazione, i fotoni di una determinata lunghezza d'onda domineranno su tutti gli altri fotoni. Inoltre, grazie alla particolare disposizione degli specchi, solo i fotoni che si propagano in direzione parallela all'asse ottico del risonatore a breve distanza da esso vengono trattenuti nel raggio laser; i restanti fotoni lasciano rapidamente il volume del risonatore; Pertanto, il raggio laser ha un angolo di divergenza molto piccolo. Infine, il raggio laser ha una polarizzazione rigorosamente definita. Per fare ciò, nel risonatore vengono introdotte diverse polaroid, ad esempio lastre di vetro piatte installate con un angolo di Brewster rispetto alla direzione di propagazione del raggio laser.

Applicazioni dei laser

radiazione del generatore quantistico laser

Sin dalla loro invenzione, i laser hanno dimostrato di essere " soluzioni già pronte problemi non ancora conosciuti." Grazie alle proprietà uniche della radiazione laser, sono ampiamente utilizzati in molti rami della scienza e della tecnologia, nonché nella vita di tutti i giorni (lettori CD, stampanti laser, lettori di codici a barre, puntatori laser, ecc.). Nell'industria, i laser vengono utilizzati per tagliare, saldare e saldare parti in vari materiali. Alta temperatura la radiazione consente di saldare materiali che non possono essere saldati con metodi convenzionali (ad esempio ceramica e metallo). Il raggio laser può essere focalizzato su un punto con un diametro dell'ordine di un micron, il che ne rende possibile l'utilizzo in microelettronica (il cosiddetto laser scribing). I laser vengono utilizzati per ottenere rivestimenti superficiali dei materiali (laser lega, laser surfacing, deposizione laser sotto vuoto) al fine di aumentarne la resistenza all'usura. Sono ampiamente utilizzate anche la marcatura laser di progetti industriali e l'incisione di prodotti realizzati con vari materiali. Durante la lavorazione laser dei materiali non vi è alcun impatto meccanico su di essi, quindi si verificano solo lievi deformazioni. Inoltre, tutto processo può essere completamente automatizzato. La lavorazione laser è quindi caratterizzata da elevata precisione e produttività.

Un laser a semiconduttore utilizzato nell'unità di generazione delle immagini di una stampante Hewlett-Packard.

I laser vengono utilizzati nell'olografia per creare essi stessi ologrammi e ottenere un'immagine tridimensionale olografica. Alcuni laser, come i laser a coloranti, sono in grado di generare luce monocromatica di quasi tutte le lunghezze d'onda, e gli impulsi di radiazione possono raggiungere 10−16 s, e quindi potenze enormi (i cosiddetti impulsi giganti). Queste proprietà sono utilizzate in spettroscopia e nello studio degli effetti ottici non lineari. Utilizzando un laser è stato possibile misurare la distanza dalla Luna con una precisione di diversi centimetri. La misurazione laser degli oggetti spaziali ha chiarito il valore della costante astronomica e ha contribuito al perfezionamento dei sistemi di navigazione spaziale, ampliando le idee sulla struttura dell'atmosfera e sulla superficie dei pianeti sistema solare. Nei telescopi astronomici dotati di un sistema ottico adattivo per la correzione delle distorsioni atmosferiche, i laser vengono utilizzati per creare stelle guida artificiali negli strati superiori dell'atmosfera.

Gli impulsi laser ultracorti vengono utilizzati nella chimica laser per innescare e analizzare reazioni chimiche. Qui, la radiazione laser consente di garantire una localizzazione precisa, un dosaggio, un'assoluta sterilità e un'elevata velocità di immissione di energia nel sistema. Attualmente sono in fase di sviluppo vari sistemi di raffreddamento laser e si stanno prendendo in considerazione le possibilità di implementare la fusione termonucleare controllata utilizzando i laser (il laser più adatto per la ricerca nel campo delle reazioni termonucleari sarebbe un laser che utilizza lunghezze d'onda nella parte blu dello spettro visibile ). I laser vengono utilizzati anche per scopi militari, ad esempio come ausilio alla guida e alla mira. Si stanno prendendo in considerazione opzioni per la creazione di sistemi di difesa da combattimento aerei, marittimi e terrestri basati su laser ad alta potenza.

In medicina, i laser vengono utilizzati come bisturi senza sangue e vengono utilizzati nel trattamento delle malattie oftalmiche (cataratta, distacco della retina, correzione della vista laser, ecc.). Sono anche ampiamente utilizzati in cosmetologia (depilazione laser, trattamento di difetti vascolari e pigmentati della pelle, peeling laser, rimozione di tatuaggi e macchie senili). Attualmente, la cosiddetta comunicazione laser si sta sviluppando rapidamente. È noto che maggiore è la frequenza portante del canale di comunicazione, maggiore è la frequenza rendimento. Pertanto, le comunicazioni radio tendono a spostarsi su lunghezze d’onda sempre più corte. La lunghezza d'onda della luce è in media sei ordini di grandezza più corta della lunghezza d'onda della gamma radio, quindi la radiazione laser può trasmettere una quantità molto maggiore di informazioni. La comunicazione laser viene effettuata attraverso strutture di guida di luce sia aperte che chiuse, ad esempio la fibra ottica. A causa del fenomeno della riflessione interna totale, la luce può propagarsi attraverso di essa su lunghe distanze, praticamente senza indebolirsi.

Produzione quotidiana e attività scientifica. Nel corso degli anni, questo “strumento” verrà sempre più migliorato e, allo stesso tempo, la portata dei laser si espanderà continuamente. Il ritmo crescente della ricerca nel campo della tecnologia laser sta aprendo la possibilità di creare nuovi tipi di laser con caratteristiche notevolmente migliorate, consentendo loro di espandere le loro aree di applicazione in...

Non solo per materiali particolarmente duri, ma anche per materiali altamente fragili. Il trapano laser si è rivelato non solo uno “strumento” potente, ma anche molto delicato. Esempio: l'uso di un laser durante la perforazione di substrati di chip realizzati in ceramica di allumina. La ceramica è insolitamente fragile. Per questo motivo, la perforazione meccanica dei fori nel substrato del truciolo...