stringtranslate.com

Лазер

Телескоп, испускающий четыре оранжевых лазерных луча.
Телескоп в системе Очень Большого Телескопа, создающий четыре оранжевые лазерные опорные звезды

Лазер — это устройство, которое излучает свет посредством процесса оптического усиления , основанного на вынужденном излучении электромагнитного излучения . Слово лазер — это анакроним, который возник как аббревиатура от light amplification by impulseed emit of radiation (усиление света посредством вынужденного излучения) . [1] [2] Первый лазер был построен в 1960 году Теодором Майманом в исследовательских лабораториях Хьюза на основе теоретических работ Чарльза Х. Таунса и Артура Леонарда Шавлова . [3]

Лазер отличается от других источников света тем, что он излучает когерентный свет . Пространственная когерентность позволяет фокусировать лазер в узкой точке, что позволяет использовать его в таких приложениях, как оптическая связь, [4] лазерная резка и литография . Она также позволяет лазерному лучу оставаться узким на больших расстояниях ( коллимация ), что используется в таких приложениях, как лазерные указки , лидары и оптическая связь в свободном пространстве . Лазеры также могут иметь высокую временную когерентность , что позволяет им излучать свет с очень узким частотным спектром . Временная когерентность также может использоваться для создания сверхкоротких импульсов света с широким спектром, но длительностью всего лишь аттосекунду . [ 5]

Лазеры используются в оптических дисководах , лазерных принтерах , сканерах штрихкодов , инструментах для секвенирования ДНК , волоконно-оптических и оптических коммуникациях в свободном пространстве, производстве полупроводниковых чипов ( фотолитография , травление ), лазерной хирургии и лечении кожи, режущих и сварочных материалах, военных и правоохранительных устройствах для маркировки целей и измерения дальности и скорости, а также в лазерных световых дисплеях для развлечений. Полупроводниковые лазеры в синем и ближнем УФ-диапазоне также использовались вместо светодиодов для возбуждения флуоресценции в качестве источника белого света; это позволяет использовать гораздо меньшую площадь излучения из-за гораздо большей яркости лазера и избежать падения , характерного для светодиодов; такие устройства уже используются в некоторых автомобильных фарах . [6] [7] [8] [9]

Терминология

Первое устройство, использующее усиление с помощью вынужденного излучения, работало на микроволновых частотах и ​​называлось мазером , что означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». [10] Когда были разработаны подобные оптические устройства, их сначала называли оптическими мазерами , пока в аббревиатуре «микроволна» не заменили на «свет», и они стали называться лазером . [11] [12] [13]

Сегодня все подобные устройства, работающие на частотах выше микроволн (примерно выше 300 ГГц ), называются лазерами (например, инфракрасные лазеры , ультрафиолетовые лазеры , рентгеновские лазеры , гамма-лазеры ), тогда как устройства, работающие на микроволнах или более низких радиочастотах, называются мазерами. [14] [15]

Образованный глагол «to lase» часто используется в этой области, означая «излучать когерентный свет», особенно в отношении активной среды лазера; [16] когда лазер работает, говорят, что он «генерирует лазер». [17] Термины лазер и мазер также используются для обозначения естественного когерентного излучения, как в астрофизическом мазере и атомном лазере . [18] [19]

Лазер, который сам по себе производит свет, технически является оптическим осциллятором, а не оптическим усилителем , как предполагает аббревиатура. [20] Было с юмором отмечено, что аббревиатура LOSER, означающая «light oscillation by impulseed emit of radiation», была бы более правильной. [19] С широким использованием оригинальной аббревиатуры в качестве нарицательного, оптические усилители стали называть лазерными усилителями . [21]

Основы

Лазер обычно создает очень узкий луч света одной длины волны, в данном случае зеленого цвета.

Современная физика описывает свет и другие формы электромагнитного излучения как групповое поведение фундаментальных частиц , известных как фотоны . Фотоны высвобождаются и поглощаются посредством электромагнитных взаимодействий с другими фундаментальными частицами, которые несут электрический заряд . Обычный способ высвобождения фотонов — нагрев объекта; часть тепловой энергии , применяемой к объекту, заставит молекулы и электроны внутри объекта получить энергию, которая затем теряется через тепловое излучение , которое мы видим как свет. Это процесс, который заставляет пламя свечи испускать свет.

Тепловое излучение является случайным процессом, и поэтому испускаемые фотоны имеют диапазон различных длин волн , движутся в разных направлениях и высвобождаются в разное время. Однако энергия внутри объекта не случайна: она хранится атомами и молекулами в « возбужденных состояниях », которые испускают фотоны с различными длинами волн. Это дает начало науке спектроскопии , которая позволяет определять материалы с помощью определенных длин волн, которые они испускают.

Основной физический процесс создания фотонов в лазере такой же, как и в тепловом излучении, но фактическое излучение не является результатом случайных тепловых процессов. Вместо этого высвобождение фотона инициируется близлежащим прохождением другого фотона. Это называется вынужденным излучением . Чтобы этот процесс работал, проходящий фотон должен быть похож по энергии и, следовательно, длине волны на тот, который может быть испущен атомом или молекулой, а атом или молекула должны находиться в подходящем возбужденном состоянии.

Фотон, испускаемый при вынужденном излучении, идентичен фотону, вызвавшему его излучение, и оба фотона могут продолжить вызывать вынужденное излучение в других атомах, создавая возможность цепной реакции . Чтобы это произошло, многие атомы или молекулы должны находиться в надлежащем возбужденном состоянии, чтобы фотоны могли их вызвать. В большинстве материалов атомы или молекулы довольно быстро выходят из возбужденных состояний, что затрудняет или делает невозможным возникновение цепной реакции. Для лазеров выбирают материалы, которые имеют метастабильные состояния , которые остаются возбужденными в течение относительно длительного времени. В лазерной физике такой материал называется активной лазерной средой . В сочетании с источником энергии, который продолжает «закачивать» энергию в материал, можно иметь достаточно атомов или молекул в возбужденном состоянии для развития цепной реакции.

Лазеры отличаются от других источников света своей когерентностью . Пространственная (или поперечная) когерентность обычно выражается через выход, представляющий собой узкий луч, который ограничен дифракцией . Лазерные лучи могут быть сфокусированы в очень маленькие пятна, достигая очень высокой освещенности , или они могут иметь очень низкую расходимость, чтобы концентрировать свою мощность на большом расстоянии. Временная (или продольная) когерентность подразумевает поляризованную волну на одной частоте, фаза которой коррелируется на относительно большом расстоянии ( длина когерентности ) вдоль луча. [22] [ нужна страница ] Луч, создаваемый тепловым или другим некогерентным источником света, имеет мгновенную амплитуду и фазу , которые случайным образом изменяются относительно времени и положения, таким образом имея короткую длину когерентности.

Лазеры характеризуются в соответствии с их длиной волны в вакууме . Большинство «одноволновых» лазеров производят излучение в нескольких режимах с немного отличающимися длинами волн. Хотя временная когерентность подразумевает некоторую степень монохроматичности , некоторые лазеры излучают широкий спектр света или излучают разные длины волн света одновременно. Некоторые лазеры не являются одноволновыми и имеют световые лучи, которые расходятся больше, чем требуется дифракционным пределом . Все такие устройства классифицируются как «лазеры» на основе метода получения света путем вынужденного излучения. Лазеры используются там, где свет требуемой пространственной или временной когерентности не может быть получен с использованием более простых технологий.

Дизайн

Компоненты типичного лазера:
  1. Средний коэффициент усиления
  2. Энергия лазерной накачки
  3. Высокий отражатель
  4. Выходной соединитель
  5. Лазерный луч

Лазер состоит из усиливающей среды , механизма для ее возбуждения и чего-то, что обеспечивает оптическую обратную связь . [23] Усиливающая среда — это материал со свойствами, которые позволяют ему усиливать свет посредством вынужденного излучения. Свет определенной длины волны, который проходит через усиливающую среду, усиливается (мощность увеличивается). Обратная связь позволяет вынужденному излучению усиливать преимущественно оптическую частоту на пике кривой усиления-частоты. По мере роста вынужденного излучения, в конечном итоге, одна частота доминирует над всеми остальными, что означает, что сформирован когерентный луч. [24]

Процесс вынужденной эмиссии аналогичен процессу аудиогенератора с положительной обратной связью, который может возникнуть, например, когда динамик в системе оповещения находится в непосредственной близости от микрофона. Слышимый визг — это аудиоколебание на пике кривой усиления-частоты для усилителя. [25] [ нужна страница ]

Для того, чтобы среда усиления усиливала свет, она должна быть снабжена энергией в процессе, называемом накачкой . Энергия обычно подается в виде электрического тока или света с другой длиной волны. Свет накачки может быть получен от импульсной лампы или другого лазера.

Наиболее распространенный тип лазера использует обратную связь от оптического резонатора — пары зеркал на обоих концах усиливающей среды. Свет отражается вперед и назад между зеркалами, проходя через усиливающую среду и усиливаясь каждый раз. Обычно одно из двух зеркал, выходной соединитель , частично прозрачно. Часть света выходит через это зеркало. В зависимости от конструкции резонатора (являются ли зеркала плоскими или изогнутыми ), свет, выходящий из лазера, может распространяться или образовывать узкий луч . По аналогии с электронными осцилляторами это устройство иногда называют лазерным осциллятором .

Большинство практических лазеров содержат дополнительные элементы, которые влияют на свойства излучаемого света, такие как поляризация, длина волны и форма луча. [ необходима ссылка ]

Лазерная физика

Электроны и то, как они взаимодействуют с электромагнитными полями , важны для нашего понимания химии и физики .

Вынужденное излучение

Анимация, объясняющая вынужденное излучение и принцип работы лазера

В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома . Однако квантово-механические эффекты заставляют электроны занимать дискретные положения на орбиталях . Таким образом, электроны находятся на определенных энергетических уровнях атома, два из которых показаны ниже :

Электрон в атоме может поглощать энергию света ( фотоны ) или тепла ( фононы ) только в том случае, если существует переход между уровнями энергии, которые соответствуют энергии, переносимой фотоном или фононом. Для света это означает, что любой данный переход будет поглощать только одну конкретную длину волны света. Фотоны с правильной длиной волны могут заставить электрон перейти с более низкого на более высокий уровень энергии. Фотон расходуется в этом процессе.

Когда электрон возбуждается из одного состояния в состояние на более высоком энергетическом уровне с разницей энергий ΔE, он не останется таким навсегда. В конце концов, из вакуума спонтанно будет создан фотон с энергией ΔE. Сохраняя энергию, электрон переходит на более низкий энергетический уровень, который не занят, причем переходы на разные уровни имеют разные постоянные времени. Этот процесс называется спонтанным излучением . Спонтанное излучение является квантово-механическим эффектом и прямым физическим проявлением принципа неопределенности Гейзенберга . Испускаемый фотон имеет случайное направление, но его длина волны совпадает с длиной волны поглощения перехода. Это механизм флуоресценции и теплового излучения .

Фотон с правильной длиной волны, который должен быть поглощен переходом, также может заставить электрон упасть с более высокого на более низкий уровень, испуская новый фотон. Испускаемый фотон точно соответствует исходному фотону по длине волны, фазе и направлению. Этот процесс называется вынужденным излучением.

Усиление среды и полости

Демонстрация гелий -неонового лазера . Свечение, проходящее через центр трубки, является электрическим разрядом. Эта светящаяся плазма является усиливающей средой для лазера. Лазер создает крошечное, интенсивное пятно на экране справа. Центр пятна выглядит белым, потому что изображение там переэкспонировано .
Спектр гелий-неонового лазера. Фактическая полоса пропускания гораздо уже, чем показано; спектр ограничен измерительной аппаратурой.

Среда усиления приводится в возбужденное состояние внешним источником энергии. В большинстве лазеров эта среда состоит из популяции атомов, которые были возбуждены в такое состояние с помощью внешнего источника света или электрического поля, которое поставляет энергию для поглощения атомами и преобразования их в возбужденные состояния.

Среда усиления лазера обычно представляет собой материал контролируемой чистоты, размера, концентрации и формы, который усиливает луч с помощью процесса вынужденного излучения, описанного выше. Этот материал может находиться в любом состоянии : газ, жидкость, твердое тело или плазменное . Среда усиления поглощает энергию накачки, которая переводит некоторые электроны в квантовые состояния с более высокой энергией (« возбужденные ») . Частицы могут взаимодействовать со светом, поглощая или испуская фотоны. Излучение может быть спонтанным или вынужденным. В последнем случае фотон испускается в том же направлении, что и проходящий свет. Когда число частиц в одном возбужденном состоянии превышает число частиц в некотором состоянии с более низкой энергией, достигается инверсия населенности . В этом состоянии скорость вынужденного излучения больше скорости поглощения света в среде, и поэтому свет усиливается. Система с таким свойством называется оптическим усилителем . Когда оптический усилитель помещается внутрь резонансной оптической полости, получается лазер. [26]

Для лазерных сред с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления, так называемой суперлюминесценции , свет может быть достаточно усилен за один проход через среду усиления без необходимости использования резонатора. Хотя его часто называют лазером (см., например, азотный лазер ), [27] световой выход такого устройства не имеет пространственной и временной когерентности, достижимой с помощью лазеров. Такое устройство нельзя описать как осциллятор, а скорее как оптический усилитель с высоким коэффициентом усиления, который усиливает свое спонтанное излучение. Тот же механизм описывает так называемые астрофизические мазеры /лазеры.

Оптический резонатор иногда называют «оптической полостью», но это неправильное название: лазеры используют открытые резонаторы в отличие от буквальной полости, которая использовалась бы на микроволновых частотах в мазере . Резонатор обычно состоит из двух зеркал, между которыми когерентный луч света распространяется в обоих направлениях, отражаясь от себя, так что средний фотон будет многократно проходить через среду усиления, прежде чем он будет испущен из выходной апертуры или потерян из-за дифракции или поглощения. Если усиление (усиление) в среде больше потерь резонатора, то мощность рециркулирующего света может расти экспоненциально . Но каждое событие стимулированного излучения возвращает атом из возбужденного состояния в основное состояние, уменьшая усиление среды. С увеличением мощности луча чистое усиление (усиление за вычетом потерь) уменьшается до единицы, и говорят, что среда усиления насыщается. В лазере непрерывного действия (CW) баланс мощности накачки против насыщения усиления и потерь в полости создает равновесное значение мощности лазера внутри полости; это равновесие определяет рабочую точку лазера. Если приложенная мощность накачки слишком мала, усиление никогда не будет достаточным для преодоления потерь в резонаторе, и лазерный свет не будет генерироваться. Минимальная мощность накачки, необходимая для начала работы лазера, называется порогом генерации . Усиливающая среда будет усиливать любые проходящие через нее фотоны, независимо от направления; но только фотоны в пространственной моде, поддерживаемой резонатором, пройдут через среду более одного раза и получат существенное усиление.

Излучаемый свет

Красный (660 и 635 нм), зеленый (532 и 520 нм) и сине-фиолетовый (445 и 405 нм) лазеры

В большинстве лазеров генерация начинается со спонтанного излучения в режиме генерации. Этот начальный свет затем усиливается стимулированным излучением в среде усиления. Стимулированное излучение производит свет, который соответствует входному сигналу по направлению, длине волны и поляризации, тогда как фаза излучаемого света на 90 градусов опережает стимулирующий свет. [28] Это, в сочетании с фильтрующим эффектом оптического резонатора, придает лазерному свету его характерную когерентность и может придать ему равномерную поляризацию и монохроматичность, в зависимости от конструкции резонатора. Основная ширина лазерной линии [29] света, излучаемого лазерным резонатором, может быть на порядки уже, чем ширина линии света, излучаемого пассивным резонатором. Некоторые лазеры используют отдельный инжекционный затравочный ускоритель , чтобы начать процесс с пучком, который уже является высококогерентным. Это может производить пучки с более узким спектром, чем это было бы возможно в противном случае.

В 1963 году Рой Дж. Глаубер показал, что когерентные состояния образуются из комбинаций состояний числа фотонов , за что он был удостоен Нобелевской премии по физике . [30] Когерентный луч света образуется одночастотными квантовыми состояниями фотонов, распределенными в соответствии с распределением Пуассона . В результате скорость поступления фотонов в лазерный луч описывается статистикой Пуассона. [31]

Многие лазеры производят луч, который можно аппроксимировать как гауссов луч ; такие лучи имеют минимально возможную расходимость для данного диаметра луча. Некоторые лазеры, особенно высокомощные, производят многомодовые лучи, при этом поперечные моды часто аппроксимируются с помощью функций Эрмита - Гаусса или Лагерра -Гаусса. Некоторые высокомощные лазеры используют плоский профиль, известный как « луч tophat ». Нестабильные лазерные резонаторы (не используемые в большинстве лазеров) производят лучи фрактальной формы. [32] Специализированные оптические системы могут производить более сложную геометрию луча, такую ​​как лучи Бесселя и оптические вихри .

Вблизи «талии» (или фокальной области ) лазерного луча он сильно коллимирован : волновые фронты плоские, перпендикулярны направлению распространения, без расходимости луча в этой точке. Однако из-за дифракции это может оставаться верным только в пределах диапазона Рэлея . Луч лазера с одной поперечной модой (гауссовым пучком) в конечном итоге расходится под углом, который обратно пропорционален диаметру луча, как того требует теория дифракции . Таким образом, «карандашный луч», непосредственно генерируемый обычным гелий-неоновым лазером, будет распространяться до размера, возможно, 500 километров при освещении Луны (с расстояния Земли). С другой стороны, свет от полупроводникового лазера обычно выходит из крошечного кристалла с большой расходимостью: до 50°. Однако даже такой расходящийся луч может быть преобразован в аналогично коллимированный луч с использованием системы линз , как это всегда включено, например, в лазерную указку, свет которой исходит от лазерного диода . Это возможно благодаря тому, что свет является единственной пространственной модой. Это уникальное свойство лазерного света, пространственная когерентность , не может быть воспроизведено с использованием стандартных источников света (за исключением отбрасывания большей части света), что можно оценить, сравнив луч от фонарика (фонарика) или прожектора с лучом почти любого лазера.

Профилометр лазерного луча используется для измерения профиля интенсивности, ширины и расхождения лазерных лучей.

Диффузное отражение лазерного луча от матовой поверхности создает спекл-узор с интересными свойствами.

Квантовые и классические процессы излучения

Механизм получения излучения в лазере основан на вынужденном излучении , когда энергия извлекается из перехода в атоме или молекуле. Это квантовое явление, предсказанное Альбертом Эйнштейном , который вывел соотношение между коэффициентом A , описывающим спонтанное излучение, и коэффициентом B , который применяется к поглощению и вынужденному излучению. В случае лазера на свободных электронах атомные энергетические уровни не задействованы; похоже, что работу этого довольно экзотического устройства можно объяснить без ссылки на квантовую механику .

Режимы работы

Лидарные измерения рельефа Луны, выполненные миссией «Клементина »
Laserlink оптическая беспроводная сеть точка-точка
Ртутный лазерный высотомер (MLA) космического корабля MESSENGER

Лазер можно классифицировать как работающий в непрерывном или импульсном режиме, в зависимости от того, является ли выходная мощность по существу непрерывной во времени или ее выход принимает форму импульсов света в той или иной временной шкале. Конечно, даже лазер, выход которого обычно непрерывен, можно намеренно включать и выключать с некоторой скоростью для создания импульсов света. Когда скорость модуляции на временных масштабах намного медленнее, чем время жизни резонатора и период, в течение которого энергия может храниться в лазерной среде или механизме накачки, то он все равно классифицируется как «модулированный» или «импульсный» лазер непрерывной волны. Большинство лазерных диодов, используемых в системах связи, попадают в эту категорию.

Непрерывный режим работы

Некоторые применения лазеров зависят от луча, выходная мощность которого постоянна с течением времени. Такой лазер известен как лазер непрерывного излучения ( CW ). Многие типы лазеров могут работать в режиме непрерывного излучения, чтобы удовлетворить такое применение. Многие из этих лазеров генерируют лазерное излучение в нескольких продольных модах одновременно, и биения между слегка различающимися оптическими частотами этих колебаний будут создавать амплитудные изменения на временных масштабах, которые короче времени полного обхода (обратной величины частотного интервала между модами), обычно несколько наносекунд или меньше. В большинстве случаев эти лазеры по-прежнему называют «непрерывными», поскольку их выходная мощность стабильна при усреднении за более длительные периоды, а очень высокочастотные изменения мощности оказывают незначительное или вообще не оказывают влияния на предполагаемое применение. (Однако этот термин не применяется к лазерам с синхронизацией мод , где намерение состоит в создании очень коротких импульсов со скоростью полного обхода.)

Для работы в непрерывном режиме инверсия заселенности среды усиления должна постоянно пополняться постоянным источником накачки. В некоторых лазерных средах это невозможно. В некоторых других лазерах это потребовало бы накачки лазера на очень высоком уровне непрерывной мощности, что было бы непрактично, или разрушения лазера из-за чрезмерного нагрева. Такие лазеры не могут работать в режиме CW.

Импульсный режим работы

Импульсный режим работы лазеров относится к любому лазеру, не классифицированному как непрерывный, так что оптическая мощность появляется в импульсах некоторой длительности с некоторой частотой повторения. Это охватывает широкий спектр технологий, направленных на решение многих различных задач. Некоторые лазеры являются импульсными просто потому, что они не могут работать в непрерывном режиме.

В других случаях приложение требует создания импульсов с максимально возможной энергией. Поскольку энергия импульса равна средней мощности, деленной на частоту повторения, эта цель иногда может быть достигнута путем снижения частоты импульсов, чтобы между импульсами можно было накопить больше энергии. Например, при лазерной абляции небольшой объем материала на поверхности заготовки может быть испарен, если он нагревается за очень короткое время, в то время как постепенная подача энергии позволит теплу поглощаться основной массой детали, никогда не достигая достаточно высокой температуры в определенной точке.

Другие приложения полагаются на пиковую мощность импульса (а не на энергию в импульсе), особенно для получения нелинейных оптических эффектов. Для заданной энергии импульса это требует создания импульсов максимально короткой длительности с использованием таких методов, как модуляция добротности .

Оптическая полоса пропускания импульса не может быть уже, чем обратная величина ширины импульса. В случае чрезвычайно коротких импульсов это подразумевает генерацию в значительной полосе пропускания, что совершенно противоположно очень узким полосам пропускания, типичным для лазеров непрерывного действия. Лазерная среда в некоторых лазерах на красителях и вибронных твердотельных лазерах обеспечивает оптическое усиление в широкой полосе пропускания, что делает возможным лазер, который может генерировать импульсы света длительностью всего несколько фемтосекунд (10−15 с ).

Q-переключение

В лазере с модуляцией добротности инверсия населенности может нарастать за счет введения потерь внутри резонатора, которые превышают усиление среды; это также можно описать как снижение добротности или «Q» резонатора. Затем, после того как энергия накачки, сохраненная в лазерной среде, приблизилась к максимально возможному уровню, введенный механизм потерь (часто электро- или акустооптический элемент) быстро удаляется (или это происходит само по себе в пассивном устройстве), позволяя начать лазерную генерацию, которая быстро получает сохраненную энергию в среде усиления. Это приводит к короткому импульсу, включающему эту энергию, и, таким образом, к высокой пиковой мощности.

Блокировка режима

Лазер с синхронизацией мод способен излучать чрезвычайно короткие импульсы длительностью порядка десятков пикосекунд до менее 10  фемтосекунд . Эти импульсы повторяются за время кругового обхода, то есть за время, необходимое свету для совершения одного кругового обхода между зеркалами, составляющими резонатор. Из-за предела Фурье (также известного как неопределенность энергии-времени ) импульс такой короткой временной длины имеет спектр, распределенный по значительной полосе пропускания. Таким образом, такая усиливающая среда должна иметь достаточно широкую полосу пропускания для усиления этих частот. Примером подходящего материала является легированный титаном искусственно выращенный сапфир ( Ti:sapphire ), который имеет очень широкую полосу пропускания и, таким образом, может производить импульсы длительностью всего несколько фемтосекунд.

Такие лазеры с синхронизацией мод являются наиболее универсальным инструментом для исследования процессов, происходящих в чрезвычайно коротких временных масштабах (известных как фемтосекундная физика, фемтосекундная химия и сверхбыстрая наука ), для максимизации эффекта нелинейности в оптических материалах (например, в генерации второй гармоники , параметрическом преобразовании вниз , оптических параметрических генераторах и т. п.). В отличие от гигантского импульса лазера с модуляцией добротности, последовательные импульсы лазера с синхронизацией мод являются фазово-когерентными; то есть импульсы (а не только их огибающие ) идентичны и идеально периодически. По этой причине, а также чрезвычайно большой пиковой мощности, достигаемой такими короткими импульсами, такие лазеры бесценны в определенных областях исследований.

Импульсная накачка

Другой метод достижения импульсной работы лазера заключается в накачке лазерного материала источником, который сам является импульсным, либо посредством электронной зарядки в случае импульсных ламп, либо другим лазером, который уже является импульсным. Импульсная накачка исторически использовалась с лазерами на красителях, где инвертированное время жизни молекулы красителя было настолько коротким, что требовалась высокоэнергетическая быстрая накачка. Способом решения этой проблемы была зарядка больших конденсаторов , которые затем переключались на разряд через импульсные лампы, производя интенсивную вспышку. Импульсная накачка также требуется для трехуровневых лазеров, в которых нижний энергетический уровень быстро становится высоконаселенным, предотвращая дальнейшую генерацию, пока эти атомы не релаксируют в основное состояние. Эти лазеры, такие как эксимерный лазер и лазер на парах меди, никогда не могут работать в непрерывном режиме.

История

Фонды

В 1917 году Альберт Эйнштейн заложил теоретические основы лазера и мазера в статье « Zur Quantentheorie der Strahlung » («О квантовой теории излучения») посредством повторного вывода закона излучения Макса Планка , концептуально основанного на коэффициентах вероятности ( коэффициентах Эйнштейна ) для поглощения, спонтанного излучения и вынужденного излучения электромагнитного излучения. [33] В 1928 году Рудольф В. Ладенбург подтвердил существование явлений вынужденного излучения и отрицательного поглощения. [34] [ нужна страница ] В 1939 году Валентин А. Фабрикант предсказал использование вынужденного излучения для усиления «коротких» волн. [35] В 1947 году Уиллис Э. Лэмб и Р.  К.  Ретерфорд обнаружили явное вынужденное излучение в спектрах водорода и осуществили первую демонстрацию вынужденного излучения. [34] [ нужна страница ] В 1950 году Альфред Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предложил метод оптической накачки , который был экспериментально продемонстрирован два года спустя Бросселем, Кастлером и Винтером. [36]

Мазер

Александр Прохоров

В 1951 году Джозеф Вебер представил статью об использовании стимулированного излучения для создания микроволнового усилителя на конференции по исследованию электронных ламп Института радиоинженеров в Оттаве , Онтарио, Канада, в июне 1952 года. [37] После этой презентации RCA попросила Вебера провести семинар по этой идее, а Чарльз Х. Таунс попросил у него копию статьи. [38]

Чарльз Х. Таунс

В 1953 году Чарльз Х. Таунс и аспиранты Джеймс П. Гордон и Герберт Дж. Зейгер создали первый микроволновый усилитель, устройство, работающее по схожим с лазером принципам, но усиливающее микроволновое излучение, а не инфракрасное или видимое излучение. Мазер Таунса был неспособен на непрерывный выход. [39] Тем временем в Советском Союзе Николай Басов и Александр Прохоров независимо работали над квантовым генератором и решили проблему систем с непрерывным выходом, используя более двух уровней энергии. Эти усиливающие среды могли испускать стимулированное излучение между возбужденным состоянием и более низким возбужденным состоянием, а не основным состоянием, способствуя поддержанию инверсии населенности . В 1955 году Прохоров и Басов предложили оптическую накачку многоуровневой системы в качестве метода получения инверсии населенности, позже ставшую основным методом лазерной накачки.

Таунс сообщает, что несколько выдающихся физиков — среди них Нильс Бор , Джон фон Нейман и Ллевеллин Томас — утверждали, что мазер нарушает принцип неопределенности Гейзенберга и, следовательно, не может работать. Другие, такие как Исидор Раби и Поликарп Куш, ожидали, что это будет непрактично и не стоит усилий. [40] В 1964 году Чарльз Х. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров разделили Нобелевскую премию по физике «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на принципе мазера–лазера».

Лазер

В апреле 1957 года японский инженер Дзюнъити Нисидзава предложил концепцию « полупроводникового оптического мазера » в заявке на патент. [41]

В том же году Чарльз Х. Таунс и Артур Леонард Шавлов, тогда работавшие в Bell Labs , начали серьезное изучение инфракрасных «оптических мазеров». По мере развития идей они отказались от инфракрасного излучения, чтобы вместо этого сосредоточиться на видимом свете . В 1958 году Bell Labs подали заявку на патент на предложенный ими оптический мазер; а Шавлов и Таунс представили рукопись своих теоретических расчетов в Physical Review , которая была опубликована в 1958 году. [42]

Записная книжка LASER: Первая страница записной книжки, где Гордон Гулд придумал аббревиатуру LASER и описал элементы, необходимые для ее создания. Текст рукописи: «Некоторые грубые расчеты осуществимости / LASER: усиление света путем стимулированного / излучения. / Представьте себе трубку, заканчивающуюся оптически плоскими / [Набросок трубки] / частично отражающими параллельными зеркалами...»

Одновременно аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд работал над докторской диссертацией об энергетических уровнях возбужденного таллия . Когда Гулд и Таунс встретились, они говорили об излучении излучения , как об общем предмете; позже, в ноябре 1957 года, Гулд изложил свои идеи о том, как можно сделать «лазер», в том числе с использованием открытого резонатора (необходимого компонента лазерного устройства). В 1958 году Прохоров независимо предложил использовать открытый резонатор, что стало первым опубликованным появлением этой идеи. В том же году Bell Labs подала патентную заявку на свой предложенный оптический мазер, а Шавлов и Таунс представили рукопись своих теоретических расчетов в Physical Review , которая была опубликована в 1958 году. [43] [44] [45] [46]

На конференции в 1959 году Гордон Гулд впервые опубликовал аббревиатуру «LASER» в статье «ЛАЗЕР, усиление света с помощью вынужденного излучения » . [47] [19] Гулд хотел, чтобы для разных частей спектра использовались разные аббревиатуры «-ASER»: «XASER» для рентгеновских лучей, «UVASER» для ультрафиолетовых, «RASER» для радиоволн и т. д. Вместо этого термин «LASER» в конечном итоге стал использоваться для всех устройств, работающих на длинах волн короче микроволн.

Заметки Гулда включали возможные применения лазера, такие как оптическая телекоммуникация, спектрометрия , интерферометрия , радар и ядерный синтез . Он продолжил развивать идею и подал заявку на патент в апреле 1959 года. Патентное и товарное ведомство США (USPTO) отклонило его заявку и выдало патент Bell Labs в 1960 году. Это спровоцировало двадцативосьмилетний судебный процесс , в котором ставками были научный престиж и деньги. Гулд выиграл свой первый небольшой патент в 1977 году, однако только в 1987 году он одержал первую значительную победу в патентном суде, когда федеральный судья приказал USPTO выдать Гулду патенты на оптически накачиваемые и газоразрядные лазерные устройства. Вопрос о том, как именно приписать себе заслугу за изобретение лазера, остается нерешенным историками. [48]

16 мая 1960 года Теодор Х. Майман запустил первый функционирующий лазер [49] [50] в исследовательских лабораториях Хьюза , Малибу, Калифорния, опередив несколько исследовательских групп, включая Таунса из Колумбийского университета , Артура Л. Шавлова из Bell Labs [51] [ нужна страница ] и Гулда из компании TRG (Technical Research Group). Функциональный лазер Маймана использовал накачиваемый лампой -вспышкой синтетический кристалл рубина для получения красного лазерного света с длиной волны 694 нанометра. Устройство было способно работать только в импульсном режиме из-за трехуровневой схемы накачки. Позже в том же году иранский физик Али Джаван , Уильям Р. Беннетт-младший и Дональд Р. Херриотт построили первый газовый лазер , используя гелий и неон , который был способен непрерывно работать в инфракрасном диапазоне (патент США 3,149,290); позже Джаван получил Всемирную премию имени Альберта Эйнштейна в области науки в 1993 году. В 1962 году Роберт Н. Холл продемонстрировал первый полупроводниковый лазер , который был изготовлен из арсенида галлия и излучал в ближнем инфракрасном диапазоне спектра на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Холоняк-младший продемонстрировал первый полупроводниковый лазер с видимым излучением. Этот первый полупроводниковый лазер мог использоваться только в импульсном режиме и при охлаждении до температур жидкого азота (77 К). В 1970 году Жорес Алферов в СССР и Идзуо Хаяши и Мортон Паниш из Bell Labs также независимо разработали диодные лазеры непрерывного действия, работающие при комнатной температуре, используя структуру гетероперехода .

Последние инновации

График, показывающий историю максимальной интенсивности лазерного импульса с 1960 года.

Начиная с раннего периода истории лазеров, исследования в этой области привели к появлению множества усовершенствованных и специализированных типов лазеров, оптимизированных для различных целей производительности, в том числе:

и эти исследования продолжаются по сей день.

В 2015 году исследователи создали белый лазер, свет которого модулируется синтетическим нанолистом, изготовленным из цинка, кадмия, серы и селена, который может излучать красный, зеленый и синий свет в различных пропорциях, причем каждая длина волны охватывает 191 нм. [52] [53] [54]

В 2017 году исследователи из Делфтского технического университета продемонстрировали микроволновый лазер на основе переменного тока Джозефсона . [55] Поскольку лазер работает в сверхпроводящем режиме, он более стабилен, чем другие полупроводниковые лазеры. Устройство имеет потенциал для применения в квантовых вычислениях . [56] В 2017 году исследователи из Мюнхенского технического университета продемонстрировали самый маленький лазер с синхронизацией мод , способный излучать пары фазово-синхронизированных пикосекундных лазерных импульсов с частотой повторения до 200 ГГц. [57]

В 2017 году исследователи из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) совместно с американскими исследователями из JILA , совместного института Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере , установили новый мировой рекорд, разработав волоконный лазер, легированный эрбием, с шириной линии всего 10  миллигерц. [58] [59]

Типы и принципы работы

Длины волн коммерчески доступных лазеров. Типы лазеров с четкими лазерными линиями показаны над полосой длин волн, а ниже показаны лазеры, которые могут излучать в диапазоне длин волн. Цвет кодирует тип материала лазера (см. описание рисунка для получения более подробной информации).

Газовые лазеры

После изобретения газового лазера HeNe было обнаружено, что многие другие газовые разряды когерентно усиливают свет. Газовые лазеры, использующие множество различных газов, были созданы и использовались для многих целей. Гелий-неоновый лазер (HeNe) может работать на многих различных длинах волн, однако подавляющее большинство из них спроектировано для генерации на длине волны 633 нм; эти относительно недорогие, но высококогерентные лазеры чрезвычайно распространены в оптических исследовательских и образовательных лабораториях. Коммерческие лазеры на диоксиде углерода (CO2 ) могут излучать многие сотни ватт в одной пространственной моде, которая может быть сконцентрирована в крошечном пятне. Это излучение находится в тепловом инфракрасном диапазоне на длине волны 10,6 мкм; такие лазеры регулярно используются в промышленности для резки и сварки. Эффективность лазера на CO2 необычайно высока: более 30%. [60] Аргон-ионные лазеры могут работать на нескольких лазерных переходах между 351 и 528,7 нм. В зависимости от оптической конструкции один или несколько из этих переходов могут генерировать лазерную энергию одновременно; наиболее часто используемые линии - 458 нм, 488 нм и 514,5 нм. Азотный поперечный электрический разряд в газе при атмосферном давлении (TEA) - это недорогой газовый лазер, часто собираемый любителями в домашних условиях, который производит довольно некогерентный ультрафиолетовый свет на длине волны 337,1 нм. [61] Металлоионные лазеры - это газовые лазеры, которые генерируют глубокие ультрафиолетовые длины волн. Гелий -серебряный (HeAg) 224 нм и неон -медный (NeCu) 248 нм - два примера. Как и все газовые лазеры низкого давления, усиливающие среды этих лазеров имеют довольно узкую ширину линий колебаний , менее 3 ГГц (0,5 пикометра ), [62] что делает их кандидатами для использования в рамановской спектроскопии с подавлением флуоресценции .

Лазерная генерация без поддержания среды в возбужденном состоянии с инверсной населенностью была продемонстрирована в 1992 году в газообразном натрии и снова в 1995 году в газообразном рубидии различными международными группами. [63] [64] [ нужна страница ] Это было достигнуто с помощью внешнего мазера для создания «оптической прозрачности» в среде путем введения и деструктивного вмешательства в переходы основных электронов между двумя путями, так что вероятность поглощения энергии основными электронами была аннулирована.

Химические лазеры

Химические лазеры питаются от химической реакции, позволяющей быстро высвобождать большое количество энергии. Такие очень мощные лазеры особенно интересны для военных; однако были разработаны химические лазеры непрерывной волны с очень высокими уровнями мощности, питаемые потоками газов, которые имеют некоторые промышленные применения. Например, в лазере на фтористом водороде (2700–2900 нм) и лазере на фтористом дейтерии (3800 нм) реакция представляет собой соединение водорода или дейтерия с продуктами сгорания этилена в трифториде азота .

Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры — это особый вид газового лазера, работающего от электрического разряда, в котором лазерной средой является эксимер , или, точнее, эксиплекс в существующих конструкциях. Это молекулы, которые могут существовать только с одним атомом в возбужденном электронном состоянии . Как только молекула передает свою энергию возбуждения фотону, ее атомы больше не связаны друг с другом, и молекула распадается. Это резко снижает заселенность более низкого энергетического состояния, тем самым значительно облегчая инверсию заселенности. Все используемые в настоящее время эксимеры представляют собой соединения благородных газов ; благородные газы химически инертны и могут образовывать соединения только в возбужденном состоянии. Эксимерные лазеры обычно работают на ультрафиолетовых длинах волн, и их основные применения включают полупроводниковую фотолитографию и хирургию глаза LASIK . Обычно используемые эксимерные молекулы включают ArF (излучение при 193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм) и XeF (351 нм). [65] [ нужна страница ] Молекулярный фтористый лазер, излучающий на длине волны 157 нм в вакуумном ультрафиолете, иногда называют эксимерным лазером; однако, по-видимому, это название неверно, поскольку F 2 является стабильным соединением.

Твердотельные лазеры

FASOR мощностью 50 Вт на основе лазера Nd:YAG, используемый на оптическом полигоне Starfire

Твердотельные лазеры используют кристаллический или стеклянный стержень, который «легирован» ионами, которые обеспечивают требуемые энергетические состояния. Например, первым работающим лазером был рубиновый лазер , изготовленный из рубина ( легированного хромом корунда ). Инверсия населенности поддерживается в легирующей примеси. Эти материалы накачиваются оптически с использованием более короткой длины волны, чем длина волны лазерной генерации, часто от импульсной трубки или другого лазера. Использование термина «твердотельный» в лазерной физике уже, чем в типичном использовании. Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) обычно не называют твердотельными лазерами.

Неодим является распространенной примесью в различных кристаллах твердотельных лазеров, включая ортованадат иттрия ( Nd:YVO4 ) , фторид иттрия-лития ( Nd:YLF ) и гранат иттрий-алюминий ( Nd:YAG ). Все эти лазеры могут производить высокую мощность в инфракрасном спектре на длине волны 1064 нм. Они используются для резки, сварки и маркировки металлов и других материалов, а также в спектроскопии и для накачки лазеров на красителях . Эти лазеры также обычно удваивают , утраивают или учетверяют по частоте для получения лучей 532 нм (зеленый, видимый), 355 нм и 266 нм ( УФ ) соответственно. Твердотельные лазеры с диодной накачкой и удвоенной частотой (DPSS) используются для изготовления ярких зеленых лазерных указок.

Иттербий , гольмий , тулий и эрбий являются другими распространенными «легирующими добавками» в твердотельных лазерах. [66] [ нужна страница ] Иттербий используется в таких кристаллах, как Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF 2 , обычно работающих около 1020–1050 нм. Они потенциально очень эффективны и высокомощны из-за небольшого квантового дефекта. Чрезвычайно высокие мощности в сверхкоротких импульсах могут быть достигнуты с помощью Yb:YAG. Кристаллы YAG, легированные гольмием, излучают на длине волны 2097 нм и образуют эффективный лазер, работающий на инфракрасных длинах волн, сильно поглощаемых водосодержащими тканями. Ho-YAG обычно работает в импульсном режиме и пропускается через оптоволоконные хирургические устройства для восстановления поверхности суставов, удаления гнили с зубов, испарения раковых опухолей и измельчения почечных и желчных камней.

Сапфир, легированный титаном ( Ti:sapphire ), производит высоконастраиваемый инфракрасный лазер , обычно используемый в спектроскопии . Он также примечателен тем, что используется в качестве лазера с синхронизацией мод, производящего сверхкороткие импульсы чрезвычайно высокой пиковой мощности.

Тепловые ограничения в твердотельных лазерах возникают из-за непреобразованной мощности накачки, которая нагревает среду. Это тепло, в сочетании с высоким термооптическим коэффициентом (d n /d T ), может вызвать термическое линзирование и снизить квантовую эффективность. Тонкие дисковые лазеры с диодной накачкой преодолевают эти проблемы, имея среду усиления, которая намного тоньше диаметра луча накачки. Это позволяет добиться более равномерной температуры в материале. Было показано, что тонкие дисковые лазеры производят лучи мощностью до одного киловатта. [67]

Волоконные лазеры

Твердотельные лазеры или лазерные усилители, в которых свет направляется за счет полного внутреннего отражения в одномодовом оптическом волокне, называются волоконными лазерами . Направление света обеспечивает чрезвычайно длинные области усиления, обеспечивая хорошие условия охлаждения; волокна имеют высокое отношение площади поверхности к объему, что обеспечивает эффективное охлаждение. Кроме того, волноводные свойства волокна имеют тенденцию уменьшать тепловые искажения луча. Ионы эрбия и иттербия являются обычными активными частицами в таких лазерах.

Довольно часто волоконный лазер проектируется как волокно с двойной оболочкой . Этот тип волокна состоит из сердцевины волокна, внутренней оболочки и внешней оболочки. Индекс трех концентрических слоев выбирается таким образом, чтобы сердцевина волокна действовала как одномодовое волокно для лазерного излучения, а внешняя оболочка действовала как многомодовая сердцевина для лазера накачки. Это позволяет накачке распространять большое количество мощности в активную внутреннюю область сердечника и через нее, при этом сохраняя высокую числовую апертуру (NA) для обеспечения легких условий запуска.

Свет накачки можно использовать более эффективно, создав волоконный дисковый лазер или стек таких лазеров.

Волоконные лазеры, как и другие оптические среды, могут страдать от эффектов фотозатемнения , когда они подвергаются воздействию излучения определенных длин волн. В частности, это может привести к деградации материала и потере функциональности лазера с течением времени. Точные причины и последствия этого явления различаются от материала к материалу, хотя часто оно связано с образованием центров окраски . [68]

Фотонные кристаллические лазеры

Фотонные кристаллические лазеры – это лазеры на основе наноструктур, которые обеспечивают ограничение мод и плотность оптических состояний (DOS), необходимые для осуществления обратной связи. [ необходимо разъяснение ] Они имеют типичный микрометровый размер [ сомнительно – обсудите ] и настраиваются на полосы фотонных кристаллов. [69] [ необходимо разъяснение ]

Полупроводниковые лазеры

Коммерческий лазерный диод в закрытом корпусе диаметром 5,6 мм, например, используемый в проигрывателях компакт-дисков или DVD.

Полупроводниковые лазеры — это диоды с электрической накачкой. Рекомбинация электронов и дырок, созданных приложенным током, вносит оптическое усиление. Отражение от концов кристалла образует оптический резонатор, хотя в некоторых конструкциях резонатор может быть внешним по отношению к полупроводнику.

Коммерческие лазерные диоды излучают на длинах волн от 375 нм до 3500 нм. [70] Лазерные диоды малой и средней мощности используются в лазерных указках , лазерных принтерах и проигрывателях CD/DVD. Лазерные диоды также часто используются для оптической накачки других лазеров с высокой эффективностью. Самые мощные промышленные лазерные диоды, мощностью до 20 кВт, используются в промышленности для резки и сварки. [71] Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором имеют полупроводниковую активную среду в большем резонаторе. Эти устройства могут генерировать высокую выходную мощность с хорошим качеством луча, узкополосное излучение с настраиваемой длиной волны или сверхкороткие лазерные импульсы.

В 2012 году компании Nichia и OSRAM разработали и изготовили коммерческие мощные зеленые лазерные диоды (515/520 нм), которые конкурируют с традиционными твердотельными лазерами с диодной накачкой. [72] [73]

Вертикальные резонаторные поверхностно-излучающие лазеры ( VCSEL ) являются полупроводниковыми лазерами, направление излучения которых перпендикулярно поверхности пластины. Устройства VCSEL обычно имеют более круглый выходной луч, чем обычные лазерные диоды. По состоянию на 2005 год широко доступны только 850 нм VCSEL, при этом 1300 нм VCSEL начинают поступать в продажу [74] , а устройства 1550 нм являются областью исследований. VECSEL являются VCSEL с внешним резонатором. Квантовые каскадные лазеры являются полупроводниковыми лазерами, которые имеют активный переход между энергетическими подзонами электрона в структуре, содержащей несколько квантовых ям .

Разработка кремниевого лазера важна в области оптических вычислений . Кремний является предпочтительным материалом для интегральных схем , и поэтому электронные и кремниевые фотонные компоненты (например, оптические соединения ) могут быть изготовлены на одном и том же чипе. К сожалению, кремний является сложным лазерным материалом для работы, поскольку он обладает определенными свойствами, которые блокируют лазерную генерацию. Однако недавно группы создали кремниевые лазеры с помощью таких методов, как изготовление лазерного материала из кремния и других полупроводниковых материалов, таких как фосфид индия (III) или арсенид галлия (III) , материалов, которые позволяют получать когерентный свет из кремния. Их называют гибридными кремниевыми лазерами . Недавние разработки также показали использование монолитно интегрированных нанопроволочных лазеров непосредственно на кремнии для оптических соединений, что прокладывает путь для приложений на уровне чипа. [75] Эти гетероструктурные нанопроволочные лазеры, способные к оптическим соединениям в кремнии, также способны излучать пары пикосекундных импульсов с фазовой синхронизацией и частотой повторения до 200 ГГц, что позволяет осуществлять обработку оптических сигналов на кристалле. [57] Другим типом является рамановский лазер , который использует комбинационное рассеяние для создания лазера из таких материалов, как кремний.

Лазеры на красителях

Крупный план настольного лазера на красителе на основе родамина 6G

Лазеры на красителях используют органический краситель в качестве усиливающей среды. Широкий спектр усиления доступных красителей или смесей красителей позволяет этим лазерам быть высоконастраиваемыми или производить очень короткие импульсы ( порядка нескольких фемтосекунд ). Хотя эти настраиваемые лазеры в основном известны в своей жидкой форме, исследователи также продемонстрировали узкополосное настраиваемое излучение в конфигурациях дисперсионных осцилляторов, включающих твердотельные усиливающие среды на красителях. В своей наиболее распространенной форме эти твердотельные лазеры на красителях используют легированные красителем полимеры в качестве лазерной среды.

Пузырьковые лазеры — это лазеры на красителях, которые используют пузырек в качестве оптического резонатора. Моды шепчущей галереи в пузыре создают выходной спектр, состоящий из сотен равномерно расположенных пиков: частотный гребень . Расстояние между модами шепчущей галереи напрямую связано с окружностью пузырька, что позволяет использовать пузырьковые лазеры в качестве высокочувствительных датчиков давления. [76]

Лазеры на свободных электронах

Лазер на свободных электронах FELIX в Институте физики плазмы FOM в Рейнхёйзене, Ньювегейн

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) генерируют когерентное, мощное излучение, которое можно настраивать в широких пределах, в настоящее время длина волны варьируется от микроволн до терагерцового излучения и инфракрасного диапазона, видимого спектра и мягкого рентгеновского излучения. Они имеют самый широкий диапазон частот среди всех типов лазеров. Хотя пучки ЛСЭ обладают теми же оптическими характеристиками, что и другие лазеры, такими как когерентное излучение, работа ЛСЭ совершенно иная. В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, которые полагаются на связанные атомные или молекулярные состояния, ЛСЭ используют релятивистский электронный пучок в качестве лазерной среды, отсюда и термин « свободный электрон» .

Экзотические медиа

Стремление к созданию лазера с высокой квантовой энергией, использующего переходы между изомерными состояниями атомного ядра, было предметом широкомасштабных академических исследований с начала 1970-х годов. Большая часть этого обобщена в трех обзорных статьях. [77] [78] [79] Это исследование было международным по своему охвату, но в основном базировалось в бывшем Советском Союзе и Соединенных Штатах. Хотя многие ученые сохраняют оптимизм в отношении близости прорыва, рабочий гамма-лазер еще не создан. [80]

Некоторые из ранних исследований были направлены на короткие импульсы нейтронов, возбуждающих верхнее изомерное состояние в твердом теле, так что переход гамма-излучения мог выиграть от сужения линии эффекта Мёссбауэра . [81] [ нужна страница ] [82] В связи с этим ожидалось несколько преимуществ от двухступенчатой ​​накачки трехуровневой системы. [83] Было высказано предположение, что ядро ​​атома, внедренного в ближнее поле когерентно колеблющегося электронного облака, управляемого лазером, будет испытывать большее дипольное поле, чем поле управляющего лазера. [84] [85] Кроме того, нелинейность колеблющегося облака будет производить как пространственные, так и временные гармоники, поэтому ядерные переходы более высокой мультиполярности также могут управляться на частотах, кратных частоте лазера. [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92]

В сентябре 2007 года BBC News сообщила, что существуют предположения о возможности использования аннигиляции позитрония для управления очень мощным гамма- лазером. [93] Дэвид Кэссиди из Калифорнийского университета в Риверсайде предположил, что один такой лазер может быть использован для зажигания реакции ядерного синтеза , заменив батареи из сотен лазеров, которые в настоящее время используются в экспериментах по инерционному удержанию термоядерного синтеза . [93]

Космические рентгеновские лазеры, накачиваемые ядерными взрывами, также предлагались в качестве противоракетного оружия. [94] [95] Такие устройства были бы одноразовым оружием.

Живые клетки использовались для получения лазерного света. [96] [97] Клетки были генетически сконструированы для производства зеленого флуоресцентного белка , который служил средой усиления лазера. Затем клетки были помещены между двумя зеркалами шириной 20 микрометров, которые действовали как лазерная полость. Когда клетка освещалась синим светом, она испускала интенсивно направленный зеленый лазерный свет.

Природные лазеры

Подобно астрофизическим мазерам , облученные планетарные или звездные газы могут усиливать свет, создавая естественный лазер. [98] Марс , [99] Венера и MWC 349 демонстрируют это явление.

Использует

Лазеры различаются по размеру от микроскопических диодных лазеров ( вверху ), имеющих многочисленные области применения, до лазеров на неодимовом стекле размером с футбольное поле (внизу), используемых для инерциального термоядерного синтеза , исследований ядерного оружия и других экспериментов по физике высокой плотности энергии.

Когда лазер был впервые изобретен, его называли «решением, ищущим проблему», [100] хотя Гулд отметил многочисленные возможные применения в своей записной книжке и патентных заявках. [101] [102] С тех пор они стали повсеместными, находя применение в тысячах самых разнообразных приложений в каждой части современного общества, включая бытовую электронику , информационные технологии, науку, медицину, промышленность, правоохранительные органы , развлечения и армию . Волоконно-оптическая связь опирается на мультиплексированные лазеры в плотных системах волнового мультиплексирования (WDM) для передачи больших объемов данных на большие расстояния. [103] [104] [105]

Первым широко известным применением лазеров стал сканер штрих-кодов в супермаркете , представленный в 1974 году. Проигрыватель лазерных дисков , представленный в 1978 году, стал первым успешным потребительским товаром, включающим лазер, но проигрыватель компакт-дисков стал первым устройством с лазером, получившим распространение и выпущенным в продажу в 1982 году, а вскоре за ним последовали лазерные принтеры .

Вот некоторые другие варианты использования:

В 2004 году, за исключением диодных лазеров, было продано около 131 000 лазеров на сумму 2,19 млрд долларов США  . [111] В том же году  было продано около 733 млн диодных лазеров на сумму 3,20 млрд долларов США . [112]

В медицине

Лазеры широко применяются в медицине, включая лазерную хирургию (особенно в хирургии глаза ), лазерную терапию (фотобиомодуляционную терапию), лечение камней в почках , офтальмоскопию и косметические процедуры для кожи, такие как лечение акне , уменьшение целлюлита и растяжек , а также удаление волос .

Лазеры используются для лечения рака путем уменьшения или разрушения опухолей или предраковых новообразований. Чаще всего они используются для лечения поверхностных видов рака, которые находятся на поверхности тела или на слизистой оболочке внутренних органов. Они используются для лечения базальноклеточного рака кожи и очень ранних стадий других, таких как рак шейки матки , полового члена , влагалища , вульвы и немелкоклеточного рака легких . Лазерная терапия часто сочетается с другими методами лечения, такими как хирургия , химиотерапия или лучевая терапия . Лазерно-индуцированная интерстициальная термотерапия (LITT) или интерстициальная лазерная фотокоагуляция использует лазеры для лечения некоторых видов рака с помощью гипертермии, которая использует тепло для уменьшения опухолей путем повреждения или уничтожения раковых клеток. Лазеры более точны, чем традиционные методы хирургии, и вызывают меньше повреждений, боли, кровотечения , отеков и рубцов. Недостатком является то, что хирурги должны получить специальную подготовку, и поэтому это, вероятно, будет дороже, чем другие методы лечения. [113] [114]

Как оружие

Тактическое высокоэнергетическое оружие США и Израиля использовалось для сбивания ракет и артиллерийских снарядов

Лазерное оружие — это тип оружия направленной энергии , которое использует лазеры для нанесения урона. [115] Будут ли они развернуты в качестве практичного, высокоэффективного военного оружия, еще предстоит увидеть. [116] [117] Одной из основных проблем с лазерным оружием является атмосферное тепловое свечение , которое до сих пор в значительной степени не решено. Эта проблема усугубляется, когда есть туман, дым, пыль, дождь, снег, смог, пена или намеренно распыленные затемняющие химикаты. [118]

YAL -1 — модифицированный Boeing 747 с лазерным оружием на борту. Проект был отменен в декабре 2011 года и списан в сентябре 2014 года.

Лазеры могут использоваться в качестве выводящего из строя нелетального оружия . Они могут вызвать временную или постоянную потерю зрения, если их направить на глаза. Даже лазеры с выходной мощностью менее одного ватта могут вызвать немедленную и постоянную потерю зрения при определенных условиях, что делает их потенциально нелетальным, но выводящим из строя оружием. Использование таких лазеров является морально спорным из-за чрезвычайной инвалидности, которую представляет собой слепота, вызванная лазером. Протокол об ослепляющем лазерном оружии запрещает использование оружия, предназначенного для вызывания постоянной слепоты. Оружие, предназначенное для вызывания временной слепоты, известное как ослепляющее , используется военными и иногда правоохранительными органами.

Лазерное оружие, способное напрямую повредить или уничтожить цель в бою, все еще находится на экспериментальной стадии. Военно-морские силы США провели испытания системы лазерного оружия LaWS мощностью 30 кВт с очень малым радиусом действия (1 миля), которая будет использоваться против таких целей, как небольшие беспилотные летательные аппараты , реактивные гранаты и видимые двигатели моторных лодок или вертолетов . [119] [120] Ее описывают как «шесть сварочных лазеров, соединенных вместе». Система HELIOS мощностью 60 кВт разрабатывается для кораблей класса эсминцев с 2020 года . [121]

Увлечения

В последние годы некоторые любители заинтересовались лазерами. Лазеры, используемые любителями, обычно относятся к классу IIIa или IIIb (см. § Безопасность) , хотя некоторые изготавливают свои собственные типы класса IV. [122] Однако из-за стоимости и потенциальной опасности это необычное хобби. Некоторые любители спасают лазерные диоды из сломанных DVD-плееров (красные), Blu-ray- плееров (фиолетовые) или даже более мощные лазерные диоды из CD- или DVD-рекордеров . [123]

Любители также использовали излишки лазеров, взятые из отставных военных приложений, и модифицировали их для голографии . Импульсные рубиновые и YAG-лазеры хорошо подходят для этого применения.

Примеры по мощности

Применение лазера в астрономической адаптивной оптической визуализации

Для разных приложений нужны лазеры с разной выходной мощностью. Лазеры, которые производят непрерывный луч или серию коротких импульсов, можно сравнивать на основе их средней мощности. Лазеры, которые производят импульсы, также можно характеризовать на основе пиковой мощности каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше его средней мощности. Средняя выходная мощность всегда меньше потребляемой мощности.

Примеры импульсных систем с высокой пиковой мощностью:

Безопасность

Слева: Европейский предупреждающий символ лазера, требуемый для лазеров класса 2 и выше. Справа: Предупреждающая этикетка лазера США, в данном случае для лазера класса 3B

Даже первый лазер был признан потенциально опасным. Теодор Майман охарактеризовал первый лазер как имеющий мощность одного «Gillette», поскольку он мог прожечь одно лезвие бритвы Gillette . [128] [129] Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с выходной мощностью всего в несколько милливатт могут быть опасны для зрения человека, когда луч попадает в глаз напрямую или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, которые роговица и хрусталик могут хорошо фокусировать, когерентность и низкая расхождение лазерного света означают, что он может быть сфокусирован глазом в чрезвычайно маленькое пятно на сетчатке , что приведет к локализованному ожогу и постоянному повреждению за секунды или даже меньше.

Лазеры обычно маркируются номером класса безопасности, который определяет, насколько опасен лазер:

Указанные мощности относятся к видимому свету, лазерам с непрерывным излучением. Для импульсных лазеров и невидимых длин волн применяются другие ограничения мощности. Люди, работающие с лазерами классов 3B и 4, могут защитить свои глаза с помощью защитных очков, которые предназначены для поглощения света определенной длины волны.

Инфракрасные лазеры с длиной волны более 1,4  микрометра часто называют «безопасными для глаз», поскольку роговица имеет тенденцию поглощать свет на этих длинах волн, защищая сетчатку от повреждения. Однако ярлык «безопасный для глаз» может быть обманчивым, поскольку он применим только к относительно маломощным непрерывным волновым пучкам; мощный или Q-switched лазер на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз, и даже лазеры средней мощности могут повредить глаз.

Лазеры могут представлять опасность как для гражданской, так и для военной авиации из-за возможности временно отвлекать или ослеплять пилотов. Подробнее об этой теме см. в статье Лазеры и безопасность полетов .

Камеры на основе устройств с зарядовой связью могут быть более чувствительны к лазерному повреждению, чем биологические глаза. [130]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Тейлор, Ник (2000). Лазер: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Simon & Schuster . стр. 66. ISBN 978-0684835150.
  2. ^ Росс Т., Адам; Беккер Г., Дэниел (2001). Труды лазерной хирургии: расширенная характеристика, терапия и системы. SPIE . стр. 396. ISBN 978-0-8194-3922-2.
  3. ^ "Декабрь 1958: Изобретение лазера". aps.org . Архивировано из оригинала 10 декабря 2021 г. . Получено 27 января 2022 г. .
  4. ^ Нин, Джинна; Чжан, Вэньруй; Цао, Чанцин; Фэн, Чжэцзюнь; Цзэн, Сяодун; Ван, Тин; Ван, Руи; Сун, Ци; Фань, Шуанлинь (2019). «Коллимация лазерных диодных лучей для оптической связи в открытом космосе». Инфракрасная физика и технология . 102 . Elsevier BV: 102996. doi : 10.1016/j.infrared.2019.102996. ISSN  1350-4495.
  5. ^ Кастельвекки, Давиде; Сандерсон, Кэтрин (3 октября 2023 г.). «Физики, построившие сверхбыстрые аттосекундные лазеры, получили Нобелевскую премию». Nature.com . Получено 14 ноября 2024 г. .
  6. ^ "Semiconductor Sources: Laser plusphosphor emits white light without droop". 7 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала 13 июня 2016 г. Получено 4 февраля 2019 г.
  7. ^ "Лазерное освещение: лазеры белого света бросают вызов светодиодам в приложениях направленного освещения". 22 февраля 2017 г. Архивировано из оригинала 7 февраля 2019 г. Получено 4 февраля 2019 г.
  8. ^ "Как работают фары с лазерным приводом". 7 ноября 2011 г. Архивировано из оригинала 16 ноября 2011 г. Получено 4 февраля 2019 г.
  9. ^ "Лазерный свет для фар: последняя тенденция в автомобильном освещении | OSRAM Automotive". Архивировано из оригинала 7 февраля 2019 г. Получено 4 февраля 2019 г.
  10. ^ Хейлброн, Джон Л. (27 марта 2003 г.). Оксфордский компаньон по истории современной науки . Oxford University Press . стр. 447. ISBN 978-0-19-974376-6.
  11. ↑ Бертолотти, Марио (1 октября 2004 г.). История лазера . ЦРК Пресс . стр. 215, 218–219. ISBN 978-1-4200-3340-3.
  12. ↑ Холл, Карла (17 декабря 1987 г.). «Изобретатель сияет над патентами на лазеры: спустя 30 лет Гордон Гулд получает заслуженное признание». Los Angeles Times . Получено 1 ноября 2024 г.
  13. ↑ II, Thomas H. Maugh (21 сентября 2005 г.). «Гордон Гулд, 85 лет; физик наконец-то получил должное за лазер». Los Angeles Times . Получено 1 ноября 2024 г.
  14. ^ МакОлей, Аластер Д. (31 мая 2011 г.). Военные лазерные технологии для обороны: технологии для революционного ведения войны в 21 веке . John Wiley & Sons . стр. 127. ISBN 978-0-470-25560-5.
  15. ^ Ренк, Карл Ф. (9 февраля 2012 г.). Основы лазерной физики: для студентов естественных и технических специальностей . Springer Science & Business Media . стр. 4. ISBN 978-3-642-23565-8.
  16. ^ "LASE". Словарь Коллинза . Получено 6 января 2024 г.
  17. ^ "LASING". Словарь Коллинза . Получено 6 января 2024 г.
  18. ^ Стрельницкий, Владимир (1997). «Мазеры, лазеры и межзвездная среда». Астрофизика и космическая наука . 252 : 279–287. Bibcode :1997Ap&SS.252..279S. doi :10.1023/A:1000892300429. S2CID  115181195.
  19. ^ abc Чу, Стивен ; Таунс, Чарльз (2003). "Артур Шавлов". В Эдвард П. Лазир (ред.). Биографические мемуары. Т. 83. Национальная академия наук. стр. 202. ISBN 978-0-309-08699-8.
  20. ^ Аль-Амри, Мохаммед Д.; Эль-Гомати, Мохамед; Зубайри, М. Сухайль (12 декабря 2016 г.). Оптика в наше время . Спрингер . п. 76. ИСБН 978-3-319-31903-2.
  21. ^ Хехт, Джефф (27 декабря 2018 г.). Understanding Lasers: An Entry-Level Guide . John Wiley & Sons . стр. 201. ISBN 978-1-119-31064-8.
  22. ^ Концептуальная физика , Пол Хьюитт, 2002
  23. ^ Зигман, Энтони Э. (1986). Лазеры . Университетские научные книги. п. 2. ISBN 978-0-935702-11-8.
  24. ^ Пирсолл 2020, стр. 276=285.
  25. ^ Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Архивировано из оригинала 17 августа 2021 г. . Получено 23 февраля 2021 г. .
  26. ^ Зигман, Энтони Э. (1986). Лазеры . Университетские научные книги. п. 4. ISBN 978-0-935702-11-8.
  27. ^ Уокер, Джерл (июнь 1974). «Азотный лазер». Свет и его применение . WH Freeman. стр. 40–43. ISBN 978-0-7167-1185-8. {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  28. ^ Pollnau, M. (2018). "Фазовый аспект в испускании и поглощении фотонов" (PDF) . Optica . 5 (4): 465–474. Bibcode :2018Optic...5..465P. doi : 10.1364/OPTICA.5.000465 . Архивировано из оригинала 8 февраля 2023 г. . Получено 28 июня 2020 г. .
  29. ^ Pollnau, M.; Eichhorn, M. (2020). "Спектральная когерентность, часть I: ширина линии пассивного резонатора, ширина линии фундаментального лазера и приближение Шавлова-Таунса". Прогресс в квантовой электронике . 72 : 100255. Bibcode :2020PQE....7200255P. doi : 10.1016/j.pquantelec.2020.100255 .
  30. ^ Glauber, RJ (1963). «Когерентные и некогерентные состояния поля излучения» (PDF) . Phys. Rev . 131 (6): 2766–2788. Bibcode :1963PhRv..131.2766G. doi :10.1103/PhysRev.131.2766. Архивировано (PDF) из оригинала 8 мая 2021 г. . Получено 23 февраля 2021 г. .
  31. ^ Пирсолл 2020, стр. 276.
  32. ^ Karman, GP; McDonald, GS; New, GHC; Woerdman, JP (ноябрь 1999 г.). "Лазерная оптика: фрактальные моды в нестабильных резонаторах". Nature . 402 (6758): 138. Bibcode :1999Natur.402..138K. doi : 10.1038/45960 . S2CID  205046813.
  33. ^ Эйнштейн, А (1917). «Квантовая теория излучения». Physikalische Zeitschrift . 18 : 121–128. Бибкод : 1917PhyZ...18..121E.
  34. ^ ab Steen, WM «Лазерная обработка материалов», 2-е изд., 1998.
  35. ^ Батани, Дмитрий (2004). «Il rischio da laser: cosa è e Come affrontarlo; analisi di unproblema non così lontano da noi» [Риск, связанный с лазером: что это такое и каково это — столкнуться с ним; анализ проблемы, которая, таким образом, находится недалеко от нас]. wwwold.unimib.it . Programma Corso di Formazione Obbligatorio (на итальянском языке). Университет Милана-Бикокка. п. 12. Архивировано из оригинала (Powerpoint) 14 июня 2007 года . Проверено 1 января 2007 г.
  36. ↑ Нобелевская премия по физике 1966 г. Архивировано 4 июня 2011 г., речь профессора Айвара Уоллера на презентации Wayback Machine . Получено 1 января 2007 г.
  37. ^ "Американский институт физики. Устное интервью по истории с Джозефом Вебером". 4 мая 2015 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2016 г. Получено 16 марта 2016 г.
  38. ^ Бертолотти, Марио (2015). Мазеры и лазеры: исторический подход (2-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 89–91. ISBN 978-1-4822-1780-3. Получено 15 марта 2016 г. .
  39. ^ "Guide to Lasers". Hobarts . Архивировано из оригинала 24 апреля 2019 г. Получено 24 апреля 2017 г.
  40. ^ Таунс, Чарльз Х. (1999). Как появился лазер: приключения ученого, Oxford University Press , ISBN 978-0-19-512268-8 , стр. 69–70. 
  41. ^ Нисидзава, Дзюнъити (декабрь 2009 г.). «Расширение частот от мазера до лазера». Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci . 85 (10): 454–465. Bibcode :2009PJAB...85..454N. doi : 10.2183/pjab.85.454 . PMC 3621550 . PMID  20009378. 
  42. ^ Шавлов, Артур; Таунс, Чарльз (1958). «Инфракрасные и оптические мазеры». Physical Review . 112 (6): 1940–1949. Bibcode : 1958PhRv..112.1940S. doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
  43. ^ "Изобретение ЛАЗЕРА". Журнал Invention & Technology . Получено 1 ноября 2024 г.
  44. ^ "Bell Labs". Журнал Invention & Technology . Получено 1 ноября 2024 г.
  45. ^ "The Back Page". Американское физическое общество . 4 мая 2005 г. Получено 1 ноября 2024 г.
  46. ^ "The Laser Turns 50 (изображения)". CBS News . 15 мая 2010 г. Получено 1 ноября 2024 г.
  47. ^ Gould, R. Gordon (1959). "ЛАЗЕР, усиление света с помощью вынужденного излучения". В Franken, PA; Sands RH (ред.). Конференция в Энн-Арборе по оптической накачке, Мичиганский университет, 15 июня — 18 июня 1959 г. стр. 128. OCLC  02460155.
  48. ↑ Джоан Лиза Бромберг, Лазер в Америке, 1950–1970 (1991), стр. 74–77 онлайн Архивировано 28 мая 2014 г. на Wayback Machine
  49. ^ Maiman, TH (1960). "Стимулированное оптическое излучение в рубине". Nature . 187 (4736): 493–494. Bibcode :1960Natur.187..493M. doi :10.1038/187493a0. S2CID  4224209.
  50. ^ Таунс, Чарльз Хард . "Первый лазер". Чикагский университет . Архивировано из оригинала 4 апреля 2004 г. Получено 15 мая 2008 г.
  51. ^ Хехт, Джефф (2005). Луч: гонка за создание лазера . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-514210-5.
  52. ^ «Впервые лазер, который светит чисто белым». Popular Science . 18 марта 2019 г. Архивировано из оригинала 16 декабря 2019 г. Получено 16 декабря 2019 г.
  53. ^ "Исследователи демонстрируют первые в мире белые лазеры". phys.org . Архивировано из оригинала 16 декабря 2019 г. . Получено 16 декабря 2019 г. .
  54. ^ «Ученые наконец создали белый лазер — и он может осветить ваш дом». gizmodo.com . 30 июля 2015 г. Архивировано из оригинала 16 декабря 2019 г. Получено 16 декабря 2019 г.
  55. ^ "Исследователи демонстрируют новый тип лазера". Phys.org . Архивировано из оригинала 3 марта 2017 г. . Получено 4 марта 2017 г. .
  56. ^ Кэссиди, MC; Бруно, А.; Рубиберт, С.; Ирфан, М.; Каммхубер, Дж.; Схоутен, РН; Ахмеров А.Р.; Кувенховен, LP (2 марта 2017 г.). «Демонстрация лазера на джозефсоновском переходе переменного тока». Наука . 355 (6328): 939–942. arXiv : 1703.05404 . Бибкод : 2017Sci...355..939C. дои : 10.1126/science.aah6640. PMID  28254938. S2CID  1364541.
  57. ^ ab Mayer, B.; Regler, A.; Sterzl, S.; Stettner, T.; Koblmüller, G.; Kaniber, M.; Lingnau, B.; Lüdge, K.; Finley, JJ (23 мая 2017 г.). "Длительная взаимная фазовая синхронизация пикосекундных пар импульсов, генерируемых полупроводниковым нанопроволочным лазером". Nature Communications . 8 : 15521. arXiv : 1603.02169 . Bibcode :2017NatCo...815521M. doi :10.1038/ncomms15521. PMC 5457509 . PMID  28534489. 
  58. ^ Эрика Шоу (29 июня 2017 г.). «Physikalisch-Technische Bundesanstalt разработал лазер с шириной линии всего 10 мГц» (пресс-релиз). Архивировано из оригинала 3 июля 2017 г.
  59. ^ Matei, DG; Legero, T.; Häfner, S.; et al. (30 июня 2017 г.). "1,5 мкм лазеры с шириной линии менее 10 мГц". Phys. Rev. Lett . 118 (26): 263202. arXiv : 1702.04669 . Bibcode : 2017PhRvL.118z3202M. doi : 10.1103/PhysRevLett.118.263202. PMID  28707932. S2CID  206293342.
  60. ^ Нолен, Джим; Дерек Верно. «Лазер на углекислом газе». Davidson Physics. Архивировано из оригинала 11 октября 2014 г. Получено 17 августа 2014 г.
  61. ^ Csele, Mark (2004). "The TEA Nitrogen Gas Laser". Страница самодельных лазеров . Архивировано из оригинала 11 сентября 2007 г. Получено 15 сентября 2007 г.
  62. ^ "Deep UV Lasers" (PDF) . Photon Systems, Covina, Calif. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июля 2007 г. . Получено 27 мая 2007 г. .
  63. ^ Момпарт, Дж.; Корбалан, Р. (2000). «Лазировка без инверсии». J. Опт. Б.​ 2 (3): R7–R24. Бибкод : 2000JOptB...2R...7M. дои : 10.1088/1464-4266/2/3/201. S2CID  121209763.
  64. ^ Джаван, А. (2000). «О познании Марлана». Ода квантовому физику: сборник в честь Марлана О. Скалли . Elsevier.
  65. ^ Шуокер, Д. (1998). Справочник Eurolaser Academy . Springer. ISBN 978-0-412-81910-0.
  66. ^ Басс, Майкл; ДеКусатис, Казимер; Энох, Джей; Лакшминараянан, Васудеван; Ли, Гуйфан; Макдональд, Кэролин; Махаджан, Вирендра; Страйленд, Эрик Ван (13 ноября 2009 г.). Справочник по оптике, третье издание, том V: Атмосферная оптика, модуляторы, волоконная оптика, рентгеновская и нейтронная оптика. McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-163314-7. Архивировано из оригинала 8 февраля 2023 г. . Получено 16 июля 2017 г. .
  67. ^ C. Stewen, M. Larionov и A. Giesen, «Yb:YAG тонкий дисковый лазер с выходной мощностью 1 кВт», в OSA Trends in Optics and Photonics, Advanced Solid-State Lasers, H. Injeyan, U. Keller и C. Marshall, ред. (Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия, 2000) стр. 35–41.
  68. ^ Paschotta, Rüdiger. "Photodarkening". www.rp-photonics.com . Архивировано из оригинала 25 июня 2023 г. . Получено 22 июля 2023 г. .
  69. ^ Wu, X.; et al. (25 октября 2004 г.). "Ультрафиолетовый фотонный кристаллический лазер". Applied Physics Letters . 85 (17): 3657. arXiv : physics/0406005 . Bibcode : 2004ApPhL..85.3657W. doi : 10.1063/1.1808888. S2CID  119460787.
  70. ^ "Laser Diode Market". Hanel Photonics. Архивировано из оригинала 7 декабря 2015 г. Получено 26 сентября 2014 г.
  71. ^ "Мощные прямые диодные лазеры для резки и сварки". industrial-lasers.com . Архивировано из оригинала 11 августа 2018 г. Получено 11 августа 2018 г.
  72. ^ "LASER Diode". nichia.co.jp . Архивировано из оригинала 18 марта 2014 г. Получено 18 марта 2014 г.
  73. ^ "Green Laser". osram-os.com . 19 августа 2015 г. Архивировано из оригинала 18 марта 2014 г. Получено 18 марта 2014 г.
  74. ^ "Picolight поставляет первые трансиверы VCSEL на 4 Гбит/с длиной волны 1310 нм". Laser Focus World Online . 9 декабря 2005 г. Архивировано из оригинала 13 марта 2006 г. Получено 27 мая 2006 г.
  75. ^ Mayer, B.; Janker, L.; Loitsch, B.; Treu, J.; Kostenbader, T.; Lichtmannecker, S.; Reichert, T.; Morkötter, S.; Kaniber, M.; Abstreiter, G.; Gies, C.; Koblmüller, G.; Finley, JJ (13 января 2016 г.). «Монолитно интегрированные лазеры с высоким β-нановолокном на кремнии». Nano Letters . 16 (1): 152–156. Bibcode :2016NanoL..16..152M. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID  26618638.
  76. ^ Миллер, Джоанна. «Пузырьковые лазеры могут быть прочными и чувствительными». Physics Today . Американский институт физики . Получено 2 апреля 2024 г.
  77. ^ Болдуин, GC; Солем, JC; Гольданский, VI (1981). «Подходы к разработке гамма-лазеров». Reviews of Modern Physics . 53 (4): 687–744. Bibcode : 1981RvMP...53..687B. doi : 10.1103/RevModPhys.53.687.
  78. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1995). «Недавние предложения по гамма-лазерам». Laser Physics . 5 (2): 231–239.
  79. ^ Baldwin, GC; Solem, JC (1997). "Recoilless gamma-ray lasers". Reviews of Modern Physics . 69 (4): 1085–1117. Bibcode : 1997RvMP...69.1085B. doi : 10.1103/RevModPhys.69.1085. Архивировано из оригинала 28 июля 2019 г. Получено 13 июня 2019 г.
  80. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1982). «Пришло ли время? Или нам придется так долго ждать прорывов?». Laser Focus . 18 (6): 6&8.
  81. ^ Солем, Дж. К. (1979). «О возможности создания импульсно возбуждаемого гамма-лазера». Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-7898 . doi :10.2172/6010532. OSTI  6010532.
  82. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1979). «Максимальная плотность и скорости захвата нейтронов, замедленных импульсным источником». Nuclear Science & Engineering . 72 (3): 281–289. Bibcode :1979NSE....72..281B. doi :10.13182/NSE79-A20384. Архивировано из оригинала 7 февраля 2016 г. Получено 13 января 2016 г.
  83. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1980). «Двухступенчатая накачка трехуровневых мессбауэровских гамма-лазеров». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2372–2380. Bibcode : 1980JAP....51.2372B. doi : 10.1063/1.328007.
  84. ^ Solem, JC (1986). «Механизмы межуровневого переноса и их применение к гразерам». Труды конференции AIP . Труды Advances in Laser Science-I, Первая международная конференция по лазерной науке, Даллас, Техас, 1985 (Американский институт физики, оптической науки и техники, серия 6). Том 146. стр. 22–25. Bibcode : 1986AIPC..146...22S. doi : 10.1063/1.35861. Архивировано из оригинала 27 ноября 2018 г. Получено 27 ноября 2018 г.
  85. ^ Biedenharn, LC; Boyer, K.; Solem, JC (1986). "Возможность грасинга с помощью возбуждения ядер лазером". Труды конференции AIP . Труды AIP Advances in Laser Science-I, Даллас, Техас, 18–22 ноября 1985 г. Том 146. С. 50–51. Bibcode : 1986AIPC..146...50B. doi : 10.1063/1.35928.
  86. ^ Rinker, GA; Solem, JC; Biedenharn, LC (27 апреля 1988 г.). «Расчет гармонического излучения и ядерной связи, возникающей из атомов в сильных лазерных полях». В Jones, Randy C (ред.). Proc. SPIE 0875, Короткие и ультракороткие лазеры с длиной волны . Симпозиум в Лос-Анджелесе 1988 г.: OE/LASE '88, 1988, Лос-Анджелес, Калифорния, США. Короткие и ультракороткие лазеры с длиной волны. Том 146. Международное общество оптики и фотоники. стр. 92–101. doi :10.1117/12.943887.
  87. ^ Rinker, GA; Solem, JC; Biedenharn, LC (1987). Lapp, M.; Stwalley, WC; Kenney-Wallace GA (ред.). «Ядерный межуровневый перенос, управляемый коллективными возбуждениями внешних электронных оболочек». Труды Второй международной конференции по лазерной науке, Сиэтл, Вашингтон (Достижения в лазерной науке-II) . 160. Нью-Йорк: Американский институт физики: 75–86. OCLC  16971600.
  88. ^ Solem, JC (1988). «Теорема, связывающая пространственные и временные гармоники для ядерного межуровневого переноса, управляемого коллективными электронными колебаниями». Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 40 (6): 713–715. Bibcode : 1988JQSRT..40..713S. doi : 10.1016/0022-4073(88)90067-2. Архивировано из оригинала 18 марта 2020 г. Получено 8 сентября 2019 г.
  89. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC (1987). "Primer on coupling collective electronic frequencies to nuclei" (PDF) . Отчет Национальной лаборатории Лос-Аламоса LA-10878 : 1. Bibcode :1987pcce.rept.....S. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. . Получено 13 января 2016 г. .
  90. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC (1988). «Взаимодействие лазера с ядрами посредством коллективных электронных колебаний: простое эвристическое модельное исследование». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 707–712. Bibcode : 1988JQSRT..40..707S. doi : 10.1016/0022-4073(88)90066-0.
  91. ^ Boyer, K.; Java, H.; Luk, TS; McIntyre, IA; McPherson, A.; Rosman, R.; Solem, JC; Rhodes, CK; Szöke, A. (1987). «Обсуждение роли многоэлектронных движений в многофотонной ионизации и возбуждении». В Smith, S.; Knight, P. (ред.). Труды Международной конференции по многофотонным процессам (ICOMP) IV, 13–17 июля 1987 г., Боулдер, Калифорния . Кембридж, Англия: Cambridge University Press. стр. 58. OSTI  10147730.
  92. ^ Biedenharn, LC; Rinker, GA; Solem, JC (1989). «Решаемая приближенная модель для отклика атомов, подверженных сильным колебательным электрическим полям». Journal of the Optical Society of America B . 6 (2): 221–227. Bibcode :1989JOSAB...6..221B. doi :10.1364/JOSAB.6.000221. Архивировано из оригинала 21 марта 2020 г. Получено 13 июня 2019 г.
  93. ^ ab Fildes, Jonathan (12 сентября 2007 г.). «Зеркальные частицы формируют новую материю». BBC News . Архивировано из оригинала 21 апреля 2009 г. Получено 22 мая 2008 г.
  94. ^ Хехт, Джефф (май 2008 г.). «История рентгеновского лазера». Optics and Photonics News . 19 (5): 26–33. Bibcode : 2008OptPN..19R..26H. doi : 10.1364/opn.19.5.000026.
  95. ^ Робинсон, Кларенс А. (23 февраля 1981 г.). «Прогресс в области высокоэнергетического лазера». Aviation Week & Space Technology . стр. 25–27.
  96. ↑ Палмер, Джейсон (13 июня 2011 г.). «Лазер производится живой клеткой». BBC News . Архивировано из оригинала 13 июня 2011 г. Получено 13 июня 2011 г.
  97. ^ Malte C. Gather & Seok Hyun Yun (12 июня 2011 г.). «Одноклеточные биологические лазеры». Nature Photonics . 5 (7): 406–410. Bibcode : 2011NaPho...5..406G. doi : 10.1038/nphoton.2011.99.
  98. ↑ Чен, София (1 января 2020 г.). «Alien Light». SPIE . Архивировано из оригинала 14 апреля 2021 г. Получено 9 февраля 2021 г.
  99. ^ Mumma, Michael J (3 апреля 1981 г.). «Открытие естественного усиления усиления в полосах лазера на диоксиде углерода 10 микрометров на Марсе: естественный лазер». Science . 212 (4490): 45–49. Bibcode :1981Sci...212...45M. doi :10.1126/science.212.4490.45. PMID  17747630. Архивировано из оригинала 17 февраля 2022 г. Получено 9 февраля 2021 г.
  100. ^ Чарльз Х. Таунс (2003). «Первый лазер». В Лоре Гарвин ; Тим Линкольн (ред.). Век природы: двадцать одно открытие, изменившее науку и мир . Издательство Чикагского университета. С. 107–12. ISBN 978-0-226-28413-2.
  101. ^ «Изобретатель лазера, пионер оптики». Encyclopedia Britannica . 12 сентября 2024 г. Получено 1 ноября 2024 г.
  102. ^ Хехт, Джефф (1 октября 2016 г.). «OSA Centennial Snapshots: The Fiber Optic Mania». Optics & Photonics News . Получено 1 ноября 2024 г.
  103. ^ Uhlhorn, Brian L. (2010). Разделение каналов с использованием технологии WDM в военных приложениях. IEEE. стр. 39–40. doi :10.1109/avfop.2010.5637716.
  104. ^ Оптическая связь WDM. science.gov .
  105. ^ "Свет, данные, действие!" (PDF) . defense.gov . 27 января 2023 г. . Получено 1 ноября 2024 г. .
  106. ^ Dalrymple BE, Duff JM, Menzel ER "Свойственная отпечаткам пальцев люминесценция – обнаружение лазером". Журнал судебной экспертизы , 22(1), 1977, 106–115
  107. ^ Dalrymple BE "Видимая и инфракрасная люминесценция в документах: возбуждение лазером". Журнал судебной экспертизы , 28(3), 1983, 692–696
  108. ^ «Лазерная технология улучшает впечатления для спортивных болельщиков, Refs». Photonics.com . 10 сентября 2014 г. Получено 23 августа 2023 г.
  109. ↑ Woods, Susan (13 апреля 2015 г.). «Front Lines». Shop Floor Lasers . Получено 23 августа 2023 г.
  110. ^ Рэндалл, Кевин (20 апреля 2022 г.). «Футбольные технологии — это больше, чем лазерное и световое шоу». The New York Times . Получено 30 августа 2023 г.
  111. ^ Кинкейд, Кэти; Андерсон, Стивен (1 января 2005 г.). «Laser Marketplace 2005: Consumer applications boost laser sales 10%». Laser Focus World . Vol. 41, no. 1. Архивировано из оригинала 13 апреля 2015 г. Получено 6 апреля 2015 г.
  112. ^ Стил, Роберт В. (1 февраля 2005 г.). «Рынок диодных лазеров растет медленнее». Laser Focus World . Том 41, № 2. Архивировано из оригинала 12 апреля 2015 г. Получено 6 апреля 2015 г.
  113. ^ "Лазерная терапия рака: Медицинская энциклопедия MedlinePlus". medlineplus.gov . Архивировано из оригинала 24 февраля 2021 г. . Получено 15 декабря 2017 г. .
  114. ^ Общественное достояние В этой статье используется текст из этого источника, который находится в общественном достоянии : «Лазеры в лечении рака». Национальные институты здравоохранения, Национальный институт рака. 13 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 5 апреля 2020 г. Получено 15 декабря 2017 г.
  115. ^ «Направленная энергия».
  116. ^ Ghoshroy, Subrata (18 мая 2015 г.). «Новое лазерное оружие ВМС: шумиха или реальность?». Bulletin of the Atomic Scientists . Получено 17 января 2020 г.
  117. ^ Хехт, Джефф (27 сентября 2017 г.). «Лазерное оружие пока не готово для противоракетной обороны». IEEE Spectrum . IEEE . Получено 17 января 2020 г. .
  118. ^ Атертон, Келси Д. (27 июня 2017 г.). «Вот и вертолеты с лазерами, оснащенными оружием». Popular Science . Получено 17 января 2020 г. .
  119. ↑ Luis Martinez (9 апреля 2013 г.). «Новое лазерное оружие ВМС уничтожает плохих парней с воздуха и моря». ABC . Получено 9 апреля 2013 г.
  120. ^ «Армия США планирует принять на вооружение самое мощное лазерное оружие». 7 августа 2019 г.
  121. ^ «Когда дело доходит до лазеров, уничтожающих ракеты, ВМС США готовы сжечь свои корабли». 28 мая 2019 г.
  122. ^ PowerLabs CO2 LASER! Архивировано 14 августа 2005 г., на Wayback Machine Сэм Баррос 21 июня 2006 г. Получено 1 января 2007 г.
  123. ^ Макс, Стефани. "Howto: Make a DVD burner into a high-powered laser". Передачи с планеты Стефани . Архивировано из оригинала 17 февраля 2022 г. Получено 6 апреля 2015 г.
  124. ^ "Выходная мощность лазерного диода на основе спецификаций DVD-R/RW". elabz.com. 10 апреля 2011 г. Архивировано из оригинала 22 ноября 2011 г. Получено 10 декабря 2011 г.
  125. ^ Пиви, Джордж М. (23 января 2014 г.). «Как выбрать хирургический ветеринарный лазер». Aesculight . Архивировано из оригинала 19 апреля 2016 г. . Получено 30 марта 2016 г. .
  126. ↑ Хеллер, Арни, «Оркестровка самого мощного лазера в мире». Архивировано 21 ноября 2008 г. в Wayback Machine . Science and Technology Review . Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, июль/август 2005 г. Получено 27 мая 2006 г.
  127. ^ Драган, Аурел (13 марта 2019 г.). «Magurele Laser официально становится самым мощным лазером в мире». Business Review . Архивировано из оригинала 14 апреля 2021 г. . Получено 23 марта 2021 г. .
  128. ^ Зурер, Рэйчел (27 декабря 2011 г.). «Три умных вещи о лазерах». WIRED . Получено 16 февраля 2024 г.
  129. ↑ Джон Джонсон-младший (11 мая 2007 г.). «Теодор Мейман, 79 лет; использовал свет для создания первого в мире работающего лазера». Los Angeles Times . Получено 16 февраля 2024 г.
  130. ^ Хехт, Джефф (24 января 2018 г.). «Могут лидары запаять чипы камер?». IEEE Spectrum . Архивировано из оригинала 2 февраля 2019 г. Получено 1 февраля 2019 г.

Дальнейшее чтение

Книги

Периодические издания

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Лазеры» .