3. Применение лазеров

Определения и обозначения

Лазер — источник электромагнитного излучения, создающий узкий направленный пучок с высокой степенью упорядоченности. Такое определение подчёркивает отличие лазера от обычной лампы: энергия не рассеивается равномерно во все стороны. Направленность и упорядоченность делают лазер удобным для связи, измерений и обработки материалов.

Лазерное излучение — излучение, возникающее в результате вынужденного испускания. Для него характерны направленность, монохроматичность, то есть близость частот фотонов, и когерентность. Эти свойства определяют, насколько точно свет можно направить, сфокусировать или использовать в интерференционных опытах.

Когерентность — согласованность колебаний световых волн по частоте и фазе, благодаря которой сохраняется устойчивая интерференционная картина. Проще говоря, разность фаз таких волн меняется предсказуемо. Когерентность необходима для голографии и других методов, где результат зависит от наложения волн.

Голография — способ записи и восстановления объёмного изображения с использованием интерференции когерентного света. При записи сохраняется не только распределение яркости, но и информация о фазе волны. Поэтому при освещении голограммы можно восстановить световое поле, похожее на поле от исходного объекта.

Как это устроено

В активной среде лазера атомы или другие частицы переводят в возбуждённое состояние. Проходящий фотон может вызвать вынужденное испускание второго фотона, причём новый фотон имеет ту же частоту, направление распространения и согласованную фазу. Поэтому число одинаковых фотонов быстро увеличивается, а излучение становится упорядоченным.

Одного усиления в активной среде недостаточно для устойчивого пучка, поэтому используют оптический резонатор. Обычно это два зеркала, между которыми свет многократно проходит через активную среду и каждый раз усиливается. Одно зеркало делают частично прозрачным: через него выходит часть накопленного излучения и образует рабочий лазерный пучок.

Одинаковая частота возникает потому, что усиление особенно эффективно для определённых переходов между энергетическими уровнями. Резонатор дополнительно отбирает направления и частоты, для которых волна после отражений усиливает саму себя. Фазы волн согласуются именно благодаря повторным проходам и вынужденному испусканию, а не потому, что все фотоны движутся в одном месте.

Пучок распространяется почти в одном направлении, поскольку резонатор пропускает и усиливает преимущественно волны, идущие вдоль его оси. После выхода из резонатора свет сохраняет малую угловую расходимость. Однако поперечное сечение всё же постепенно увеличивается: абсолютно параллельного пучка в реальном устройстве не бывает.

Сочетание свойств определяет области применения. Монохроматичность облегчает передачу и фильтрацию сигналов, когерентность позволяет получать интерференцию, направленность уменьшает рассеяние, а высокая интенсивность даёт возможность нагревать и испарять малые участки вещества. Поэтому один и тот же физический принцип используется и в тонких измерениях, и в мощной промышленной обработке.

Применение лазеров и используемые свойства

Таблица связывает каждое применение не просто с названием прибора, а с физическим свойством, которое делает его полезным. При анализе новой ситуации сначала определите, требуется ли точное направление, согласованность волн, высокая концентрация энергии или возможность быстро менять интенсивность сигнала.

Разбор задач

Задача 1. Лазер в оптоволоконной связи

Условие. Объяснить, почему лазеры применяют для передачи сигналов по оптоволокну, а обычные источники света подходят для этого хуже. Нужно связать ответ с направленностью, монохроматичностью и когерентностью. Речь идёт не о том, что лампа совсем не может передать сигнал, а о сравнительной эффективности.

1. Направленный пучок лучше вводится в тонкое оптоволокно и меньше теряется из-за выхода за пределы световода.
2. Монохроматичность позволяет выбрать длину волны, на которой материал волокна поглощает и рассеивает свет слабее.
3. Высокая упорядоченность и возможность быстро изменять интенсивность помогают кодировать электрический сигнал световыми импульсами.
4. У обычной лампы излучение многократно рассеивается, имеет широкий спектр и хуже концентрируется в волокне, поэтому часть энергии теряется.

Ответ. Лазер удобнее для оптоволоконной связи благодаря направленности, узкому спектру и возможности быстро модулировать свет. Это обеспечивает передачу большего объёма информации на большие расстояния с меньшими потерями.

Задача 2. Частота и энергия фотона

Условие. Лазер излучает свет с длиной волны λ = 632,8 нм. Найти частоту излучения и энергию одного фотона. Используем c = 3,0 · 10⁸ м/с и h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с.

1. Переведём длину волны в метры: λ = 632,8 · 10⁻⁹ м = 6,328 · 10⁻⁷ м.
2. Свяжем частоту со скоростью света: ν = c/λ = 3,0 · 10⁸/(6,328 · 10⁻⁷) ≈ 4,74 · 10¹⁴ Гц.
3. Энергию фотона найдём по формуле E = hν: E ≈ 6,63 · 10⁻³⁴ · 4,74 · 10¹⁴ ≈ 3,14 · 10⁻¹⁹ Дж.

Ответ. Частота лазерного излучения примерно равна 4,74 · 10¹⁴ Гц, энергия одного фотона — 3,14 · 10⁻¹⁹ Дж. Чем меньше длина волны, тем больше частота и энергия фотона.

Задача 3. Лазерный дальномер

Условие. Лазерный дальномер послал импульс к объекту и принял отражённый сигнал через t = 2,0 мкс. Определить расстояние до объекта. Скорость света принять равной 3,0 · 10⁸ м/с.

1. За измеренное время импульс прошёл путь до объекта и обратно, поэтому полный путь равен ct.
2. Расстояние в одну сторону составляет половину полного пути: s = ct/2.
3. Подставим значения: s = 3,0 · 10⁸ · 2,0 · 10⁻⁶/2 = 3,0 · 10² м.
4. Лазер удобен тем, что его узкий малорасходящийся пучок направляется на нужную цель, а короткий импульс позволяет точно измерить время.

Ответ. Расстояние до объекта равно 300 м. Деление на два обязательно: зарегистрированное время относится к движению туда и обратно.

Типичные ошибки

Полная монохроматичность. Ошибка состоит в утверждении, что лазер излучает ровно одну частоту. Так считают из-за узкой спектральной линии, но у реального излучения есть конечная ширина; проверяйте, говорится ли о приближённой монохроматичности.

Когерентность как одинаковая яркость. Яркость или цвет сами по себе не означают согласованность фаз. Когерентность связана с устойчивой разностью фаз; проверить себя можно вопросом, сохранится ли предсказуемая интерференционная картина.

Нулевая расходимость. Видимый почти параллельный луч иногда принимают за идеально параллельный. Дифракция не позволяет реальному пучку сохранять строго постоянный диаметр, поэтому правильная формулировка — «малая расходимость».

Безопасность по одной мощности. Небольшая мощность не гарантирует безвредность: значение имеют длина волны, длительность воздействия и фокусировка. Оценивая риск, учитывайте весь режим работы и никогда не направляйте луч в глаза.

Связь с другими темами

Для понимания лазеров нужны знания об электромагнитных волнах, частоте, длине волны, фотонах, вынужденном излучении и интерференции. Тема продолжает идеи оптоволоконной связи, квантовой физики, медицинской диагностики, промышленной технологии и измерительных приборов. Позднее свойства лазерного света помогают изучать дифракцию, интерференцию, голографию и устройство оптических систем.

Что запомнить

• Лазер создаёт направленное, монохроматическое и когерентное излучение.
• Основой работы лазера является вынужденное испускание.
• Оптический резонатор усиливает излучение и формирует устойчивый световой пучок.
• Малая расходимость позволяет передавать лазерный сигнал на большие расстояния.
• Когерентность лазера необходима для интерференции и получения голограмм.
• Лазеры применяют в связи, медицине, промышленности, измерениях и бытовой технике.
• Безопасность лазерного излучения определяется не только его мощностью, но и условиями воздействия.